(Volgens deel I: Ontwerp van geïntegreerde schakelingen)

Vier, over de productie van geïntegreerde schakelingen

(I) Basisschattingen van Citigroup van de IC-productie-industrie

Halfgeleiderproducten drijven bijna elke sector van de economie aan, inclusief energie, gezondheidszorg, landbouw, consumentenelektronica, productie en transport. De mondiale vraag naar eindgebruik naar halfgeleiders in 2019 is: mobiele telefoons (26%), informatie- en communicatie-infrastructuur (inclusief datacentra, communicatienetwerken) (24%); Computers (19%), industrie (12%), automobielsector (10%) en consumentenelektronica (10%).

Van deze diverse toepassingen ondersteunt ongeveer 9% rechtstreeks nationale veiligheids- en kritieke infrastructuurtoepassingen. Tot deze belangrijke eindtoepassingen van halfgeleiderproducten behoren de lucht- en ruimtevaart, telecommunicatienetwerken, energie en nutsvoorzieningen, gezondheidszorg en financiële diensten. en ander overheidsgebruik is goed voor iets meer dan 1 procent van de mondiale halfgeleiderconsumptie.

Het Amerikaanse aandeel in de mondiale productie van halfgeleiders is gedaald van 37 procent in 1990 naar 12 procent nu, en zal naar verwachting verder afnemen zonder een alomvattende Amerikaanse strategie om de industrie te ondersteunen.

De Amerikaanse productiecapaciteit is ontoereikend: de Amerikaanse productiecapaciteit neemt al tientallen jaren af. Het eerste decennium van deze eeuw was bijzonder verwoestend voor de Amerikaanse industrie, waarbij tussen 2000 en 2010 een derde van de banen in de industrie verloren ging. Vooral kleine en middelgrote ondernemingen (kmo's) zijn zwaar getroffen. Een deel van de daling kan worden toegeschreven aan de concurrentie uit lagelonenlanden. Economen schatten dat ongeveer 25 procent van het banenverlies kan worden toegeschreven aan de opkomst van China, vooral nadat het land lid werd van de Wereldhandelsorganisatie. Maar de VS hebben ook gezien dat de binnenlandse productiviteitsgroei stagneert in vergelijking met zijn economische tegenhangers, en blijft gemiddeld en in de meeste bedrijfstakken achter bij Duitsland. Tegenwoordig zijn kleine bedrijven in de Verenigde Staten doorgaans minder productief dan grote fabrikanten. In tegenstelling tot wat vaak wordt gedacht dat KUNSTMATIGE intelligentie en robotica voor de deur staan, investeren Amerikaanse fabrikanten van kleine en middelgrote bedrijven te weinig in nieuwe productiviteitsverhogende technologieën. Het verlies aan productiecapaciteit leidt tot het verlies aan innovatiecapaciteit. Productiecapaciteit is de basis van productinnovatie. Als het innovatievermogen eenmaal verloren is gegaan, is het moeilijk om het weer op te bouwen. Toen de capaciteit van het GEÏNTEGREERDE circuit de afgelopen decennia naar het buitenland is verhuisd, zijn onderzoek en ontwikkeling en de bredere industriële toeleveringsketen vaak gevolgd.

(2) Toeleveringsketen van halfgeleiderproducten

Van ontwerp tot verpakking tot integratie in de uiteindelijke elektronische producten die door klanten worden gekocht, de industriële keten is uiterst complex en geografisch verspreid. Een typisch halfgeleiderproductieproces omvat meerdere landen en producten kunnen 70 keer de internationale grens overschrijden vanwege de specialisatie van het bedrijf in specifieke schakels. Het hele proces duurt maximaal 100 dagen, waarvan 12 dagen worden overgedragen tussen de schakels van de supply chain. Het volgende is een eenvoudige weergave van de toeleveringsketen.

De kleine omvang en het lichte gewicht van halfgeleiderproducten zijn belangrijke factoren bij het realiseren van een dergelijke complexe, intergeografische toeleveringsketen. De kosten voor het verzenden van halfgeleiderproducten zijn laag in vergelijking met hun waarde. Het betekent echter ook dat verstoring van transportroutes een risico kan vormen voor de toeleveringsketen. In de keten moeten verschillende vormen van transport (bijvoorbeeld lucht, zee, vrachtwagen) worden ingezet, afhankelijk van het stadium en de af te leggen afstand en de aard van het product. In sommige gevallen vereist transport ook gespecialiseerde behandeling, zoals het omgaan met gevaarlijke en zeer zuivere gassen en chemicaliën die bij de productie worden gebruikt, of het beschermen van gevoelige elektronische apparatuur tegen schade.

Halfgeleiderproductie: industriële structuur

Fabrieken die wafers verwerken en geïntegreerde schakelingen maken, hebben twee fundamentele bedrijfsmodellen. De eerste is een verticaal geïntegreerd halfgeleiderbedrijf of IDM-onderneming. Ze voeren alle stappen van het ontwerp- en productieproces van halfgeleiderproducten in eigen huis uit, van ontwerp tot eindtesten. IDM-bedrijven zijn goed voor ongeveer tweederde van de mondiale halfgeleidercapaciteit. Hoewel Intel, het leidende IDM-bedrijf in de Verenigde Staten, voornamelijk logische apparaten produceert, produceren de meeste andere IDM-bedrijven voornamelijk geheugenchips zoals DRAM, discrete apparaten en analoge geïntegreerde schakelingen. Naast Intel zijn de Verenigde Staten de thuisbasis van verschillende van 's werelds toonaangevende IDM-bedrijven, waaronder Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, op het gebied van halfgeleiders en Texas-instrumenten. Het is vermeldenswaard dat hoewel deze bedrijven hun hoofdkantoor in de Verenigde Staten hebben, zij de productie van hun eindproducten in fabrieken over de hele wereld uitvoeren. Naast de VS heeft Intel bijvoorbeeld waferverwerkingsfabrieken in Israël, Ierland en China. En Samsung, gevestigd in Zuid-Korea, en andere in het buitenland gevestigde (niet-AMERIKAANSE) bedrijven hebben naast hun overzeese (niet-Amerikaanse) ook chipfabrieken in de Verenigde Staten. Volgens het SIA-rapport bevindt 44% van de capaciteit van Amerikaanse halfgeleiderbedrijven zich in de Verenigde Staten. Over het geheel genomen waren IDM-bedrijven in de Verenigde Staten goed voor 51% van de totale bedrijfsopbrengsten van wereldwijde IDM-fabrikanten in 2020. De Verenigde Staten zijn bijzonder sterk op het gebied van digitale logische geïntegreerde schakelingen en analoge geïntegreerde schakelingen.

Er zijn andere, meer Amerikaanse bedrijven op het gebied van halfgeleiderproducten (bijvoorbeeld AMD, Nvidia, Broadcom en Qualcomm en Game Spirit) is het bedrijfsmodel van "no fabs semiconductor companies", het bedrijf zal gegevens ontwerpen om een ​​onafhankelijk bedrijf te bieden dat gespecialiseerd is in de productie van halfgeleidergieterijen, door de gieterijen in de productie en verwerking van chipproducten. Deze externe gieterijen worden geclassificeerd als "zuivere halfgeleidergieterijen" omdat ze geen eigen chipproducten ontwerpen of verkopen, maar eerder optreden als contractfabrikanten voor fabelachtige halfgeleiderbedrijven (deze gieterijen bieden soms extra capaciteit of produceren anderszins bepaalde chips voor IDM verkoper). Sommige IDM-bedrijven, met name Samsung, bieden ook verwerkingsdiensten aan fabless-halfgeleiderbedrijven.

Naarmate de technologie vordert en de kosten voor het bouwen en onderhouden van ultramoderne productiefaciliteiten voor halfgeleiders omhoog schieten, wordt het fabelloze ondernemings- en gieterij-bedrijfsmodel steeds gebruikelijker. Voortdurende vooruitgang in de chipproductietechnologie vereist geheel nieuwe en steeds duurdere productieapparatuur. State-of-the-art fabrieken (op 5nm-procesknooppunten) kosten minstens 12 miljard dollar. Een enkele extreme ultraviolette (EUV) lithografiemachine, die vereist is bij 5 nm of lager en vaak wordt gebruikt bij 7 nm, kan maar liefst $ 150 miljoen kosten. Naast fotolithografiemachines hebben fabrieken nog veel meer soorten apparatuur nodig. Er wordt geschat dat de investeringen die nodig zijn voor de volgende generatie fabrieken, die op 3nm-knooppunten zullen werken, meer dan 20 miljard dollar kunnen bedragen. Bovendien zullen de bedrijfskosten na de oprichting van nieuwe fabrieken zeer hoog zijn en voortdurende en dure kapitaalinvesteringen vergen; Het is ook noodzakelijk om de geavanceerde technologie te behouden die procesontwerpers nodig hebben om op de meest geavanceerde productieknooppunten te kunnen blijven werken. Zuivere gieterijen profiteren van schaalvoordelen die hen in staat stellen de enorme kosten van halfgeleiderfabrieken met een hoge en efficiënte bezettingsgraad te absorberen en te absorberen. Volgens de SIA zijn zuivere gieterijen goed voor ongeveer een derde van de mondiale chipcapaciteit. Onder hen was de productie van logicachips goed voor bijna 80%. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), 's werelds eerste pure wafergieterij, werd opgericht in 1987 en domineert vandaag de dag de gieterijmarkt.

De markt voor contractproductie wordt gedomineerd door Taiwanese bedrijven, waarbij TSMC alleen al 53 procent van de markt voor zijn rekening neemt. Over het geheel genomen zijn Taiwanese gieterijbedrijven goed voor 63 procent van de mondiale gieterijmarkt. Zuid-Korea is goed voor 18% en China voor 6%. GlobalFoundries, een in de VS gevestigde gieterij die eigendom is van ABU Dhabi, heeft een aandeel van 7 procent en is goed voor meer dan de helft van de resterende 13 procent van de gieterijmarkt.

Zoals hierboven vermeld, zijn de VS, hoewel ze een groot marktaandeel hebben op het gebied van chips geproduceerd door IDM-ondernemingen, slechts ongeveer 10% van de mondiale inkomsten uit gieterijen voor hun rekening. Aziatische gieterijen zijn goed voor ongeveer 80% van het totaal. Taiwan alleen al is goed voor 63 procent van de mondiale contractproductie. Dat betekent dat, hoewel de VS toonaangevend zijn op het gebied van halfgeleiderontwerp, de binnenlandse fabelloze bedrijven voor het maken van hun producten sterk afhankelijk zijn van buitenlandse contractfabrikanten, vooral in Azië. Hoewel dit agent-businessmodel geschikt is voor geïntegreerde schakelingenproducten voor grootschalige commerciële toepassingen, bevinden veel gerelateerde toepassingen zich in kleine batches, wat de adoptie van geavanceerde halfgeleiderproductietechnologieën voor toepassingen onzeker en uitdagend maakt.

Voor de Verenigde Staten vindt het overgrote deel van de productie van halfgeleiders (zowel in IDM- als in gieterijmodellen) in het buitenland plaats: Taiwan, Zuid-Korea, Japan, China en de Verenigde Staten. Ongeveer 12% van de halfgeleiderproductiecapaciteit in de wereld bevindt zich in de Verenigde Staten, tegen 37% in de jaren negentig. In 1990 was Taiwan goed voor ongeveer 2019% van de wereldwijd geïnstalleerde capaciteit, gevolgd door Zuid-Korea met 20%. Japan was goed voor 19 procent, China 17 procent en Europa 16 procent. De resterende 9% van de capaciteit bevindt zich in Singapore, Israël en andere delen van de wereld.

Van de 40 grote productiefaciliteiten voor halfgeleiders in de Verenigde Staten gebruikt de helft (20) wafers van 300 mm (12 inch); Bij andere productie worden wafels van 200 mm (8 inch) of minder gebruikt. Tussen 2009 en 2018 zijn wereldwijd ruim 100 waferfabrieken van 150-200 mm gesloten, waarvan 70% in de VS en Japan. Volgens IC Insights zijn maar liefst 68 waferfabrieken tientallen jaren oud en hebben ze hun redelijke levensduur overschreden. Gesloten fabrieken worden gedeeltelijk vervangen door nieuwe faciliteiten die kosteneffectiever zijn of geüpgraded; Er zijn ook enkele fabrieken die te duur zijn om te exploiteren, en bedrijven wenden zich tot lichte fabrieken of fabelloze bedrijfsmodellen

In eigen land exploiteren zes bedrijven 20 300 mm-fabrieken in acht staten, zoals weergegeven in de onderstaande tabel. Naast Skorpios exploiteren vijf andere bedrijven ook wafelfabrieken buiten de VS.

Zoals hierboven vermeld, heeft Intel halfgeleiderproductiefaciliteiten in Israël, Ierland en China. Naast fabrieken in de Verenigde Staten exploiteert Micron fabrieken in Singapore, Japan en Taiwan. Texas Instruments heeft wafelproductie in China, Maleisië, Taiwan en de Filippijnen, evenals in Texas. GlobalFoundries is de toonaangevende pure wafergieterij in de VS. Het is eigendom van het emiraat ABU Dhabi via het staatsinvesteringsfonds Mubadala en heeft waferproductiefaciliteiten in Duitsland en Singapore. In 2019 annuleerde het bedrijf plannen om een ​​fabriek in Chengdu, China te openen.

Terwijl de productiecapaciteit voor chips in de VS relatief stabiel is, groeien de capaciteit en productie buiten de VS, vooral in Azië. Als gevolg hiervan voorspelt SIA dat het Amerikaanse aandeel in de halfgeleidercapaciteit in 10 zal dalen tot 2030 procent, terwijl het Aziatische aandeel zal groeien tot 83 procent. In 2019 bevond geen van de zes nieuwe halfgeleiderproductiefaciliteiten die in de wereld werden geopend zich in de Verenigde Staten, maar vier in China.

Zoals besproken in het gedeelte 'Ontwerp' van dit rapport worden drie hoofdtypen chips behandeld: geheugen, logisch of digitaal, en analoog. Zoals de onderstaande grafiek laat zien, zijn verschillende delen van de wereld gespecialiseerd in verschillende gebieden. Slechts 5 procent van de geheugenchips wordt bijvoorbeeld in de Verenigde Staten geproduceerd, vergeleken met 44 procent in Zuid-Korea en 14 procent op het vasteland van China. Ter nagedachtenis concentreerde China zich op de snelle uitbreiding van Changjiang Storage, waarbij het bedrijf 24 miljard dollar aan subsidies kreeg (alleen al voor de fabriek in Wuhan). De uitbreiding en de laaggeprijsde producten vormen een directe bedreiging voor MICron en Western Digital, Amerikaanse geheugenchipfabrikanten.

Op het gebied van logische of digitale chips (zoals computers en microprocessors voor mobiele telefoons) produceren de VS geen geavanceerde procesknooppunten (minder dan 10 nanometer), terwijl Taiwan 92 procent heeft. Op het gebied van andere logica-slottechnologie zijn de Verenigde Staten zeer toonaangevend: 43% van de meest geavanceerde (10-22 nm) logica-chips, en 6% tot 9% van de vorige generatie (28 nm en above) logica-chips worden geproduceerd in de Verenigde Staten; Taiwan produceert 47 procent van dergelijke logica-chips, terwijl China grofweg 19 tot 23 procent van de logica-chips produceert. Ten slotte wordt voor het segment analoge/discrete componenten 19% geproduceerd in de Verenigde Staten, 17% in China en ongeveer 27% in Korea.

(iv) Beoordeling van de productie van geïntegreerde schakelingen

Het ontbreekt de Verenigde Staten aan productiecapaciteit op het meest geavanceerde technologische niveau:

Het ontbreekt de VS aan halfgeleiderproductiecapaciteit voor de meest geavanceerde halfgeleiderprocesknooppunten (momenteel 5 nanometer), die momenteel alleen worden geëxploiteerd door TSMC (Taiwan) en Samsung (Zuid-Korea). De meest geavanceerde FAB in de Verenigde Staten is de 10-nm-proceslijn van Intel, die naar verwachting pas in 7 volledig in productie zal gaan op 2023-nm, en in januari 2021 heeft aangekondigd dat het TSMC's "verbeterde" 7-nm of onder de productielijn voor de nieuwste logische circuitproducten. Als gevolg hiervan vertrouwen Amerikaanse fabelloze chipbedrijven nu bijna volledig op Aziatische producenten, vooral TSMC, om de meest geavanceerde chips (7nm of kleiner) te produceren. Naast de risico's voor de toeleveringsketen die worden veroorzaakt door geografisch geconcentreerde productie, leidt het gebrek aan geavanceerde binnenlandse technologische mogelijkheden tot zorgen over de nationale veiligheid. Dit komt doordat bepaalde toepassingen veilige toegang tot geavanceerde procestechnologie vereisen om technologische superioriteit te garanderen.

De inkomsten uit de verkoop van chipproducten zijn afhankelijk van China:

Amerikaanse chipfabrikanten zijn ook sterk afhankelijk van de verkoop aan China vanwege de dominante positie in de elektronicaproductie. China is de grootste markt voor halfgeleiders, waarvan de meeste opnieuw worden geëxporteerd wanneer ze worden geassembleerd tot terminalelektronica, inclusief consumentenelektronica en apparaten. Zo haalde de leverancier van mobiele telefoons, Qualcomm, tweederde van zijn omzet uit China, terwijl geheugenmaker Micron 57% van zijn omzet uit China haalde, volgens gegevens uit 2018 van The Economist. Intel meldde in 2020 dat China verantwoordelijk was voor 26 procent van zijn omzet. De sterke afhankelijkheid van Chinese verkopen biedt de Chinese regering economische macht en het potentieel om wraak te nemen op de Verenigde Staten.

China's wens om leiding te geven aan de halfgeleiderindustrie:

Het Chinese aandeel in de mondiale halfgeleiderindustrie is relatief klein en de Chinese bedrijven maken voornamelijk goedkope chips. SMIC, China's meest geavanceerde zuivere gieterijen, kan alleen produceren op knooppunten van 14 nanometer en heeft een beperkte capaciteit. China bevindt zich echter midden in een grote staatsgeleide inspanning om zijn inheemse verticaal geïntegreerde IDM-industrie te ontwikkelen, met als doel om van de industrie in 2030 een leider op alle gebieden te maken. Het Chinese aandeel in de capaciteit van halfgeleiderwafels bedroeg in 16 2019 procent, maar zal naar verwachting tegen 28 groeien tot 2030 procent. De Chinese overheid verstrekt 100 miljard dollar aan subsidies voor de halfgeleiderindustrie, inclusief de ontwikkeling van 60 nieuwe fabrieken. Zoals besproken in het ‘ontwerp’-gedeelte van de toeleveringsketen heeft China zijn eigen geheugenchipfabrikanten agressief gesubsidieerd om zijn afhankelijkheid van de drie grootste geheugenbedrijven ter wereld te doorbreken: Samsung (Zuid-Korea), SK Hynix (Zuid-Korea) en Micron (VS). ). Micron, een Amerikaans geheugenbedrijf, is een directe concurrent van Changjiang-opslag en zal waarschijnlijk het eerste Amerikaanse bedrijf zijn dat zijn toekomstige concurrentievermogen en innovatie bedreigd ziet door Chinese subsidies aan zijn concurrenten.

Disclaimer: dit artikel is een herdruk van "Mr. Wang's Restaurant Talk", dit artikel vertegenwoordigt alleen de persoonlijke mening van de auteur, vertegenwoordigt niet de mening van Sakwei en de industrie, alleen om te herdrukken en te delen, de bescherming van intellectuele eigendomsrechten te ondersteunen, herdruk geef de originele bron en auteur aan. Als er sprake is van inbreuk, neem dan contact met ons op om deze te verwijderen.