[Wprowadzenie] W lutym 2021 roku prezes Citigroup Joe Biden podpisał rozporządzenie wykonawcze nr 14017, zobowiązujące jego rząd do przeprowadzenia kompleksowego przeglądu łańcuchów dostaw w czterech głównych obszarach, w tym półprzewodników, nowych baterii energetycznych, minerałów ziem rzadkich i artykułów medycznych, w celu zidentyfikowania zagrożeń, wyeliminowania luk w zabezpieczeniach i opracowania strategii poprawy odporności łańcucha dostaw. Podpisując rozporządzenie, dowódca zacytował przysłowie: „Z braku gwoździ podkowa się wywala. Z braku podków koń ginie” i tak dalej, aż do upadku królestwa. Najmniejsza usterka w łańcuchu dostaw może wpłynąć na bezpieczeństwo Amerykanów, miejsca pracy, rodziny i społeczności. Aby przeprowadzić ten kompleksowy przegląd, administracja Bidena powołała wewnętrzną grupę zadaniową obejmującą ponad tuzin departamentów i agencji federalnych. Urzędnicy administracji konsultowali się ze związkami zawodowymi, biznesem, instytucjami akademickimi, Kongresem oraz sojusznikami i partnerami USA w celu zidentyfikowania luk w zabezpieczeniach i opracowania rozwiązań.

Raport z oceny Citi State ma zostać opublikowany w czerwcu 2021 r.

1. O półprzewodnikach

Półprzewodniki są materialną podstawą układów scalonych, które są niezbędne w nowoczesnym życiu codziennym. Półprzewodniki są integralną częścią codziennego życia współczesnych konsumentów, znajdują się w artykułach gospodarstwa domowego, takich jak przełączniki światła, otwieracze drzwi garażowych i lodówki, a także w telefonach komórkowych, komputerach i samochodach. Występują w bardziej złożonych produktach. Współcześni ludzie używają ich każdego dnia (powiedzmy co godzinę, co minutę, co sekundę). Układy scalone oparte na półprzewodnikach są „DNA” różnych technologii, które fundamentalnie zmieniły wszystkie obszary społeczno-ekonomiczne, od rolnictwa, transportu, opieki zdrowotnej, telekomunikacji i Internetu. Przemysł półprzewodnikowy jest głównym motorem wzrostu gospodarczego i tworzenia miejsc pracy w Citi. Prawie wszystkie produkty technologiczne są nierozerwalnie związane z półprzewodnikami; oczywiście najbardziej zaawansowane systemy są również nierozerwalnie związane ze wsparciem półprzewodników.

W raporcie szacuje się, że w 208 roku roczna sprzedaż amerykańskiego przemysłu półprzewodników wyniesie 2020 miliardów dolarów, co będzie stanowić prawie połowę światowego rynku. Pomimo globalnej pandemii COVID-19, światowa sprzedaż produktów półprzewodnikowych wzrosła w 6.5 r. o 2020%. Według szacunków SIA, światowy rynek półprzewodników do 726 r. osiągnie roczną sprzedaż na poziomie 2027 miliardów dolarów, przy złożonej rocznej stopie wzrostu na poziomie 4.7%. Półprzewodniki stanowią główny eksport Stanów Zjednoczonych, a sprzedaż eksportowa wyniesie 47 miliardów dolarów w 2020 roku, co plasuje się na czwartym miejscu za samolotami, ropą rafinowaną i ropą naftową.

Chociaż amerykański przemysł półprzewodników generuje prawie połowę światowych przychodów z produktów półprzewodników, w raporcie oceniającym stwierdzono, że udział zdolności produkcyjnych USA w produkcji półprzewodników w światowej produkcji spadł z 37% 20 lat temu do około 12% obecnie. Przedsiębiorstwa amerykańskie, w tym największe firmy produkujące półprzewodniki bez fabryk, są w dużym stopniu zależne od innych krajów, zwłaszcza z Azji, co stwarza ryzyko dla łańcucha dostaw.

Raport badawczy analizuje łańcuch dostaw półprzewodników poprzez pięć powiązanych podstawowych części: (1) projektowanie; (2) produkcja; (3) montaż, testowanie i pakowanie; (4) materiały; oraz (5) sprzęt produkcyjny.

2. Podstawowe wnioski:

projekt:

Amerykański ekosystem projektowania półprzewodników jest silny i wiodący na świecie, ale amerykańskie firmy w dużym stopniu polegają na sprzedaży do Chin, aby utrzymać wzrost zysków i krajowe (uwaga: krajowe) inwestycje w badania i rozwój (B+R). Ponadto amerykańskie firmy projektowe w prowadzeniu swojej działalności opierają się głównie na ograniczonej własności intelektualnej (IP), sile roboczej i zasobach produkcyjnych. Zasoby te mają kluczowe znaczenie przy wprowadzaniu produktów na rynek.

produkcja:

Stanom Zjednoczonym brakuje wystarczających mocy produkcyjnych w zakresie półprzewodników. Stany Zjednoczone polegają głównie na Tajwanie w zakresie dostarczania chipów logicznych w zaawansowanych węzłach procesowych oraz na Tajwanie, Korei Południowej i Chinach kontynentalnych w celu zaspokojenia zapotrzebowania na dojrzałe chipy węzłów procesowych.

Przetestowane i zaawansowane opakowanie:

Jeśli chodzi o stosunkowo zaawansowane technologicznie pakowanie i testowanie półprzewodników na zapleczu, Stany Zjednoczone w dużym stopniu polegają na zasobach zagranicznych skoncentrowanych w Azji. Co więcej, w miarę jak chipy stają się coraz bardziej złożone, zaawansowane metody pakowania stanowią potencjalny obszar rozwoju znaczących postępów technologicznych w przyszłości. W USA brakuje niezbędnego ekosystemu materiałów, a Stany Zjednoczone nie są opłacalną lokalizacją do rozwoju solidnego, zaawansowanego przemysłu opakowaniowego, a duże chińskie inwestycje mogą wywrócić rynek do góry nogami.

Materiał:

Produkcja półprzewodników wymaga setek materiałów, co stwarza wyzwania dla produkcyjnego łańcucha dostaw. Wiele gazów i mokrych chemikaliów stosowanych w produkcji półprzewodników jest produkowanych w Stanach Zjednoczonych, ale zagraniczni dostawcy dominują na rynku płytek krzemowych, fotomasek i fotomasek.

Sprzęt do produkcji:

Oprócz maszyn litograficznych, w przypadku większości front-endowego sprzętu procesowego do produkcji półprzewodników, firmy amerykańskie mają duży udział w świecie.

Oprócz Stanów Zjednoczonych produkcja sprzętu produkcyjnego koncentruje się w Holandii i Japonii. Ze względu na ograniczony rozmiar produkcji półprzewodników w Stanach Zjednoczonych rozwój tych producentów sprzętu jest w dużym stopniu uzależniony od sprzedaży poza Stanami Zjednoczonymi.

3. O projektowaniu układów scalonych

Historycznie rzecz biorąc, w początkowej fazie rozwoju przemysłu półprzewodników (chipów) projektowanie układów scalonych nie było branżą niezależną. Projektowaniem układów scalonych zajmują się firmy IDM, które kontrolują cały proces produkcyjny. Typowymi przedstawicielami takich przedsiębiorstw są Intel i Texas Instruments w Stanach Zjednoczonych. Obecnie projektowaniem układów scalonych coraz częściej zajmują się bardziej wyspecjalizowane „firmy projektowe bez fabryk”, które polegają na niezależnych firmach produkcyjnych (odlewniach) w celu zakończenia produkcji układów scalonych. Wzrost liczby odlewni i związane z nimi inwestycje ułatwiły wejście do branży projektowania układów scalonych. Skutkuje to znacznie niższą koncentracją w branży projektowania obwodów scalonych niż w branży produkcyjnej i produkcji sprzętu, a także sprawia, że ​​produkcja obwodów scalonych jest w dużym stopniu uzależniona od Tajwanu.

Chociaż bariery wejścia są niskie, firmy projektowe bez fabryk muszą ściśle współpracować z odlewniami, aby zapewnić, że projekty są odpowiednie dla procesu produkcyjnego, i polegają na dostawcach IP (zwykle innych firmach produkujących półprzewodniki opracowujące kluczowe technologie), a także projektach elektronicznych Automatyzacja (EDA) wsparcie dla przedsiębiorstw w zakresie oprogramowania. Zarówno wcześniejsze, jak i późniejsze etapy branży projektowania układów scalonych są wysoce skoncentrowane. Siedziby znaczących dostawców własności intelektualnej i dostawców EDA znajdują się głównie w Stanach Zjednoczonych, ale większość ich specjalistów zlokalizowana jest poza Stanami Zjednoczonymi.

Struktura przemysłowa

Ze względu na różne rodzaje produktów, którymi zajmują się przedsiębiorstwa, skala, technologia i struktura przedsiębiorstw zajmujących się projektowaniem półprzewodników lub układów scalonych są bardzo różne. W raporcie tym podzielono półprzewodniki z obwodami scalonymi na trzy główne typy: obwody logiczne lub cyfrowe, obwody pamięci i obwody analogowe. W 2020 r. logiczne lub cyfrowe układy scalone będą miały około 42% całkowitego udziału w rynku; produkty pamięciowe stanowią około 26%; analogowe układy scalone stanowią około 14%; pozostałe produkty półprzewodnikowe to produkty niezwiązane z obwodami scalonymi, w tym urządzenia dyskretne, urządzenia optoelektroniczne i urządzenia czujnikowe.

Logiczne lub cyfrowe układy scalone to podstawowe jednostki komputerów lub komponentów obliczeniowych i stanowią największą kategorię na rynku produktów półprzewodnikowych. Według Światowego Stowarzyszenia Półprzewodników SIA, chipy logiczne odpowiadają za 42 procent przychodów branży. W tej kategorii produktów półprzewodnikowych koncentracja rynku i liczba firm projektowych w dużym stopniu zależą od konkretnego typu chipa. Rynki procesorów centralnych komputerów osobistych (CPU), dedykowanych procesorów graficznych (GPU) i macierzy bramek programowalnych przez użytkownika (FPGA) to w zasadzie duopol. Dostawcy układów scalonych do specyficznych zastosowań (ASIC) są bardzo rozdrobnieni, a ich konkurencja jest bardziej intensywna. Kategorie produktów obejmują procesory do urządzeń mobilnych oparte na układach ASIC i ARM. Procesor to jednostka centralna komputera, procesor graficzny to procesor używany do renderowania wideo, produkt FPGA służy do konfiguracji przez klienta lub projektanta po wyprodukowaniu, a układ ASIC to niestandardowy układ zaprojektowany do konkretnego zastosowania.

W raporcie uznano, że Stany Zjednoczone są światowym liderem w projektowaniu układów scalonych, a wiele firm korzysta z outsourcingu produkcji lub umieszczania projektantów poza Stanami Zjednoczonymi w celu ograniczenia wydatków kapitałowych. Zasadniczo wszystkie procesory do komputerów osobistych na świecie są projektowane przez amerykańskie firmy Intel i AMD, wśród których Intel zajmuje się produkcją chipów we własnym zakresie, natomiast AMD zleca produkcję chipów w odlewniach. Tymczasem Intel i AMD mogą wkrótce zdominować kategorię FPGA, ponieważ AMD ogłosiło w październiku 2020 r., że planuje przejęcie lidera rynku FPGA, firmy Xilinx, za 35 miliardów dolarów. Jeśli przejęcie uzyska zgodę organów regulacyjnych, AMD-Xilinx i Intel będą odpowiadać za około 85 procent światowej sprzedaży układów FPGA. Pozostałą część rynku FPGA stanowią pozostali dostawcy z USA: Microchip Technology, Lattice Semiconductor i Achronix Semiconductor. Większość światowych procesorów graficznych posiada AMD i wiodąca na rynku amerykańska firma NVIDIA.

Konkurencja w bazie dostawców ASIC znacznie wzrosła, a popyt na procesory do urządzeń mobilnych oparte na architekturze ARM jest wysoki. Producenci chipów, tacy jak Samsung, konkurują na rynkach układów ASIC i procesorów mobilnych z firmami projektowymi bez fabryk, takimi jak Qualcomm i Broadcom, oraz dziesiątkami amerykańskich firm technologicznych, które projektują własne chipy, w tym Apple, Alphabet i Amazon. Z wyjątkiem firm Intel i Microchip, większość dostawców procesorów, procesorów graficznych, FPGA i ASIC na całym świecie i w USA nie wykorzystuje fabryk, a projektowanie chipów polega na produkcji odlewów.

Według SIA, chipy pamięci używane do przechowywania informacji potrzebnych do obliczeń stanowią 26% przychodów branży. Chipy pamięci to kategoria w pełni skomercjalizowana i konkurencyjna, a ich zalety i postęp technologiczny są całkowicie zależne od wydajności i korzyści skali. Produkty pamięciowe dostarczane są zazwyczaj przez firmy typu IDM. Południowokoreański Samsung i południowokoreański SK Hynix zajmują wiodącą pozycję w dziedzinie dynamicznej pamięci o dostępie swobodnym (DRAM). Amerykańska firma Micron ma około 23 proc. Liderzy udziału w rynku opracowują obecnie zaawansowane technologie pakowania (np. układanie w stosy) i własność intelektualną dla innych wiodących produktów. Te trzy firmy będą odpowiadać za około 95% światowego rynku o wartości 70 miliardów dolarów w 2020 roku.

Produkcja pamięci flash (NAND) jest mniej skoncentrowana – szacuje się, że sześć firm będzie miało w 99 r. około 47% światowego rynku o wartości 2020 miliardów dolarów. Południowokoreański Samsung jest także liderem na rynku produktów pamięci flash, dysponując nieco ponad jedną trzecią pamięci NAND rynek. Za Samsungiem z Korei Południowej plasuje się japońska Kioxia (dawniej Toshiba), która ma około 20% udziału. Trzecie miejsce pod względem produktów pamięci flash zajmuje firma Western Digital Corporation ze Stanów Zjednoczonych, posiadająca około 14% udziału. W tym segmencie znajdują się także SK Hynix w Korei Południowej (12%), Micron w USA (11%) i Intel w USA (9%). Wydaje się, że globalne firmy NAND przygotowują się do dalszej konsolidacji. Intel, którego przychody z produktów NAND są podobne do przychodów firmy Micron, ogłosił w październiku 2020 r., że planuje sprzedać większość swojego biznesu związanego z pamięciami NAND firmie SK Hynix. Sprzedaż ta zapewni połączonej firmie drugie miejsce pod względem udziału w rynku pamięci NAND. Istnieją również doniesienia, że ​​Western Digital i Micron mogą rozważać przejęcie Kioxii. Ponadto chińska firma Yangtze Memory Technologies (YMTC), założona w 2 roku, szybko się rozwija i otrzymała dotacje o wartości około 2016 miliardów dolarów. Źródła chińskiego rządu. Do 24 r. firma może być w stanie wyprodukować nawet 200,000 2022 płytek miesięcznie, co stanowi ponad dwukrotnie więcej niż obecna pojemność pamięci NAND firmy Intel i stanowi potencjalne zagrożenie dla amerykańskich producentów pamięci.

W porównaniu z układami pamięci komercjalizacja analogowych układów scalonych jest mniej konkurencyjna. Co więcej, obwody analogowe są generalnie mniej zależne od wykorzystania najnowocześniejszych węzłów procesu produkcyjnego. Zastosowanie końcowe w systemie aplikacyjnym, wiedza i doświadczenie w projektowaniu chipa są ważnymi czynnikami wpływającymi na wartość analogowych układów scalonych. Dlatego koncentracja rynkowa firm produkujących produkty nie jest tu zbyt duża, ponieważ firmy z analogowymi układami scalonymi mogą utrzymać przewagę konkurencyjną, koncentrując się na dziedzinie analogowej. W 2020 roku największy na świecie dostawca analogowych układów scalonych odpowiadał za 62% z rynku o wartości 56 miliardów dolarów, z czego tylko Texas Instruments miało ponad 10% rynku. Wiele wiodących producentów półprzewodników analogowych to producenci „fab-lite”, którzy wytwarzają niektóre projektowane przez siebie chipy we własnym zakresie, chociaż dużą część chipów zlecają także podmiotom zewnętrznym.

W 2020 roku globalna sprzedaż urządzeń dyskretnych, urządzeń optoelektronicznych i czujników (półprzewodników niezintegrowanych) w produktach półprzewodnikowych wyniesie około 79 miliardów dolarów, co będzie stanowić prawie 18% całkowitego rynku półprzewodników (łącznie około 440 miliardów dolarów). Większość produktów półprzewodnikowych w tej kategorii znajduje się w dojrzałych węzłach technologicznych, gdzie są tanie i nierzadko zdarza się, że pojedynczy produkt jest wart grosza. Rynek takich produktów jest bardzo rozdrobniony i występuje wielu producentów. Do firm produkujących półprzewodniki inne niż IC należą ABB Ltd. (Szwecja/Szwajcaria), Infineon Technologies (Niemcy), STM Microelectronics (Włochy/Francja), Toshiba (Japonia), a także firmy amerykańskie Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix i Cree. Kluczowymi technologiami napędowymi niezintegrowanych produktów półprzewodnikowych, zwłaszcza dyskretnych produktów półprzewodnikowych mocy, są innowacje w zarządzaniu energią i miniaturyzacji. Produkty takie wykorzystują samochody, zwłaszcza pojazdy elektryczne, jako kluczowe terminale aplikacyjne. Dominujący w USA azotek galu (GaN), węglik krzemu (SiC) i inne złożone podłoża półprzewodnikowe to technologie kluczowe dla różnorodnych zastosowań. Są szeroko stosowane w zarządzaniu i dystrybucji energii, wzmacnianiu mocy wysokiej częstotliwości, optoelektronice i bezpieczeństwie narodowym. Urządzenia półprzewodnikowe z płaskim wyświetlaczem również należą do tej kategorii.

W dziedzinie bezpieczeństwa narodowego technologia półprzewodnikowa musi również kwalifikować się do stosowania w zakresie temperatur (rozszerzony zakres) i trudnych warunkach, w tym mieć właściwości techniczne do stosowania w środowiskach radiacyjnych, jeśli jest to właściwe. Ponadto wymagana jest bardziej rygorystyczna i niezależna weryfikacja i walidacja komponentów. Półprzewodniki stosowane w zastosowaniach motoryzacyjnych muszą również spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące trwałości i testowania, aby wytrzymać trudne warunki środowiskowe (np. ekstremalne zimno, ekstremalne ciepło i ekstremalną wilgotność). Muszą wytrzymywać wibracje i wstrząsy przez cały 10-20-letni okres eksploatacji pojazdu i wykazywać znacznie niższe wskaźniki awaryjności w testach niż półprzewodniki stosowane w produktach konsumenckich, aby zapewnić spełnienie wymagań bezpieczeństwa pojazdów. Oczekuje się, że wymagania te wzrosną i staną się bardziej rygorystyczne, ponieważ pojazdy staną się bardziej autonomiczne i będą wykorzystywać coraz więcej technologii wykrywania i pomiaru odległości światłem (LiDAR), sonarów, radarów, systemów wizyjnych oraz technologii nawigacji i identyfikacji.

Zastrzeżenie: Ten artykuł jest reprodukcją z „Whisper Wine Restaurant pana Wang Lao”. Ten artykuł przedstawia wyłącznie osobiste poglądy autora, a nie poglądy Saco Micro i branży. Służy wyłącznie do ponownego drukowania i udostępniania oraz wspiera ochronę praw własności intelektualnej. W celu przedruku proszę podać oryginalne źródło i autora. , jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby je usunąć.