(Po części I: Projekt układu scalonego)

Cztery, o produkcji układów scalonych

(I) Podstawowe szacunki Citigroup dotyczące branży produkcyjnej układów scalonych

Produkty półprzewodnikowe napędzają niemal każdy sektor gospodarki, w tym energetykę, opiekę zdrowotną, rolnictwo, elektronikę użytkową, produkcję i transport. Globalny popyt końcowy na półprzewodniki w 2019 roku to: telefony komórkowe (26%), infrastruktura informacyjno-komunikacyjna (w tym centra danych, sieci komunikacyjne) (24%); Komputery (19%), przemysł (12%), motoryzacja (10%) i elektronika użytkowa (10%).

Spośród tych różnorodnych aplikacji około 9% bezpośrednio wspiera aplikacje związane z bezpieczeństwem narodowym i infrastrukturą krytyczną. Te kluczowe zastosowania końcowe produktów półprzewodnikowych obejmują lotnictwo i kosmonautykę, sieci telekomunikacyjne, energetykę i usługi użyteczności publicznej, opiekę zdrowotną i usługi finansowe. i inne zastosowania rządowe stanowią nieco ponad 1 procent światowego zużycia półprzewodników.

Udział Stanów Zjednoczonych w światowej produkcji półprzewodników spadł z 37 procent w 1990 r. do 12 procent obecnie i oczekuje się, że będzie dalej spadał bez kompleksowej strategii USA wspierającej ten przemysł.

Zdolność produkcyjna w USA jest niewystarczająca: zdolność produkcyjna w USA spada od dziesięcioleci. Pierwsza dekada tego stulecia była szczególnie niszczycielska dla amerykańskiego sektora produkcyjnego, gdyż w latach 2000–2010 utracono jedną trzecią miejsc pracy. Szczególnie mocno ucierpiały małe i średnie przedsiębiorstwa (MŚP). Część spadku można przypisać konkurencji ze strony krajów o niskich płacach. Ekonomiści szacują, że około 25 procent utraty miejsc pracy można przypisać rozwojowi Chin, zwłaszcza po przystąpieniu tego kraju do Światowej Organizacji Handlu. Jednak w USA odnotowano również stagnację wzrostu produktywności krajowej w porównaniu z innymi krajami gospodarczymi, na przykład w porównaniu do Niemiec i w większości branż. Obecnie małe firmy w Stanach Zjednoczonych są zazwyczaj mniej produktywne niż duzi producenci. Wbrew powszechnemu przekonaniu, że SZTUCZNA inteligencja i robotyka są tuż za rogiem, amerykańscy producenci małych i średnich przedsiębiorstw nie inwestują w nowe technologie zwiększające produktywność. Utrata zdolności produkcyjnych prowadzi do utraty zdolności innowacyjnych. Zdolność produkcyjna jest podstawą innowacji produktowej. Raz utracony potencjał innowacyjny jest trudny do odbudowania. Kiedy w ostatnich dziesięcioleciach pojemność układów ZINTEGROWANYCH została przeniesiona za granicę, często podążały za nią prace badawczo-rozwojowe oraz szerszy przemysłowy łańcuch dostaw.

(2) Łańcuch dostaw produktów półprzewodnikowych

Od projektu, przez pakowanie, aż po integrację z końcowymi produktami elektronicznymi kupowanymi przez klientów, łańcuch przemysłowy jest niezwykle złożony i rozproszony geograficznie. Typowy proces produkcji półprzewodników obejmuje wiele krajów, a produkty mogą przekraczać granice międzynarodowe 70 razy ze względu na specjalizację firmy w określonych łączach. Cały proces trwa do 100 dni, z czego 12 dni jest przekazywanych pomiędzy ogniwami łańcucha dostaw. Poniżej znajduje się prosta reprezentacja łańcucha dostaw.

Niewielkie rozmiary i niewielka waga produktów półprzewodnikowych są ważnymi czynnikami umożliwiającymi utworzenie tak złożonego, międzygeograficznego łańcucha dostaw. Koszt wysyłki produktów półprzewodnikowych jest niski w porównaniu do ich wartości. Oznacza to jednak również, że zakłócenie szlaków transportowych może stanowić ryzyko dla łańcucha dostaw. W łańcuchu należy stosować różne formy transportu (np. lotniczy, morski, ciężarowy), w zależności od etapu i odległości do przebycia, a także charakteru produktu. W niektórych przypadkach transport wymaga również specjalistycznej obsługi, takiej jak obsługa niebezpiecznych gazów i chemikaliów o wysokiej czystości stosowanych w produkcji lub ochrona wrażliwego sprzętu elektronicznego przed uszkodzeniem.

Produkcja półprzewodników: struktura przemysłowa

Fabryki przetwarzające płytki i produkujące układy scalone mają dwa podstawowe modele biznesowe. Pierwsza to pionowo zintegrowana firma produkująca półprzewodniki lub przedsiębiorstwo IDM. We własnym zakresie wykonują wszystkie etapy projektowania i wytwarzania produktów półprzewodnikowych, od projektu po testy końcowe. Firmy IDM odpowiadają za około dwie trzecie światowych mocy produkcyjnych w zakresie półprzewodników. Chociaż Intel, wiodąca firma IDM w Stanach Zjednoczonych, produkuje głównie urządzenia logiczne, większość innych firm IDM produkuje głównie chipy pamięci, takie jak DRAM, urządzenia dyskretne i analogowe układy scalone. Oprócz firmy Intel w Stanach Zjednoczonych działa kilka wiodących na świecie firm IDM, w tym Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, on semiconductor i Texas Instruments. Warto zauważyć, że chociaż siedziby tych firm znajdują się w Stanach Zjednoczonych, wytwarzanie produktów końcowych odbywa się w fabrykach na całym świecie. Na przykład oprócz Stanów Zjednoczonych Intel posiada zakłady przetwórstwa płytek w Izraelu, Irlandii i Chinach. Samsung z siedzibą w Korei Południowej i inne zagraniczne (nieamerykańskie) firmy mają fabryki chipów w Stanach Zjednoczonych, oprócz swoich zagranicznych (nieamerykańskich). Według raportu SIA 44% mocy produkcyjnych amerykańskich firm produkujących półprzewodniki zlokalizowane jest w Stanach Zjednoczonych. Ogółem przedsiębiorstwa IDM w Stanach Zjednoczonych odpowiadały za 51% całkowitych przychodów operacyjnych światowych producentów IDM w 2020 r. Stany Zjednoczone są szczególnie mocne w zakresie cyfrowych układów scalonych logicznych i analogowych układów scalonych.

Istnieją inne, bardziej amerykańskie wiodące przedsiębiorstwa zajmujące się produktami półprzewodnikowymi (na przykład AMD, NVIDIA, Broadcom, Qualcomm i Game Spirit) to model biznesowy „bez fabryk półprzewodników”, firma zaprojektuje dane, aby zapewnić niezależnej firmie specjalizującej się w produkcji odlewni półprzewodników, przez przedsiębiorstwa odlewnicze do produkcji i przetwarzania produktów chipowych. Te zewnętrzne odlewnie są klasyfikowane jako „odlewnie produkujące wyłącznie półprzewodniki”, ponieważ nie projektują ani nie sprzedają żadnych własnych produktów chipowych, ale raczej działają jako producenci kontraktowi dla firm produkujących półprzewodniki bez fabryk (odlewnie te czasami zapewniają dodatkową wydajność lub w inny sposób produkują określone chipy dla IDM sprzedawcy). Niektóre firmy IDM, zwłaszcza Samsung, świadczą również usługi przetwarzania dla firm produkujących półprzewodniki bez fabryki.

Wraz z postępem technologii i rosnącymi kosztami budowy i utrzymania najnowocześniejszych zakładów produkujących półprzewodniki, model biznesowy oparty na przedsiębiorstwach bez fabryk i odlewni staje się coraz bardziej powszechny. Ciągły postęp w technologii produkcji chipów wymaga całkowicie nowego i coraz droższego sprzętu produkcyjnego. Najnowocześniejsze fabryki (w węzłach procesowych 5 nm) kosztują co najmniej 12 miliardów dolarów. Pojedyncza maszyna do litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV), która jest wymagana przy długości fali 5 nm lub mniejszej i często używana przy długości fali 7 nm, może kosztować nawet 150 milionów dolarów. Oprócz maszyn do fotolitografii fabryki wymagają wielu innych rodzajów sprzętu. Szacuje się, że inwestycje potrzebne w fabrykach nowej generacji, które będą działać w węzłach 3 nm, mogą przekroczyć 20 miliardów dolarów. Ponadto po powstaniu nowych fabryk koszty operacyjne będą bardzo wysokie i będą wymagały ciągłych i kosztownych inwestycji kapitałowych; Konieczne jest także utrzymanie najnowocześniejszej technologii wymaganej przez projektantów procesów, aby móc pracować w najbardziej zaawansowanych węzłach produkcyjnych. Odlewnie korzystają z efektu skali, który pozwala im absorbować ogromne koszty zakładów półprzewodnikowych przy wysokim i efektywnym wykorzystaniu mocy produkcyjnych. Według SIA, odlewnie wytwarzają około jednej trzeciej światowej produkcji chipów. Wśród nich blisko 80% stanowiła produkcja układów logicznych. Firma Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), pierwsza na świecie odlewnia czystych płytek, została założona w 1987 roku i dziś dominuje na rynku odlewniczym.

Rynek produkcji kontraktowej zdominowany jest przez tajwańskie firmy, a samo TSMC stanowi 53 proc. rynku. Ogółem tajwańskie firmy odlewnicze stanowią 63 procent światowego rynku odlewniczego. Korea Południowa stanowi 18%, a Chiny 6%. GlobalFoundries, odlewnia z siedzibą w USA, należąca do ABU Dhabi, ma 7% udziału, co stanowi ponad połowę z pozostałych 13% rynku odlewniczego.

Jak wspomniano powyżej, mimo że Stany Zjednoczone mają duży udział w rynku wiórów produkowanych przez przedsiębiorstwa IDM, odpowiadają one jedynie za około 10% światowych przychodów odlewni. Odlewnie azjatyckie stanowią około 80% całości. Na sam Tajwan przypada 63% światowej produkcji kontraktowej. Oznacza to, że choć Stany Zjednoczone są liderem w projektowaniu półprzewodników, ich krajowe firmy fabless w dużym stopniu polegają na zagranicznych producentach kontraktowych, głównie w Azji, przy wytwarzaniu swoich produktów. Chociaż ten model biznesowy agenta jest odpowiedni dla produktów układów scalonych do zastosowań komercyjnych na dużą skalę, wiele powiązanych zastosowań realizowanych jest w małych partiach, co sprawia, że ​​przyjęcie zaawansowanych technologii produkcji półprzewodników do zastosowań niepewnych i trudnych.

W przypadku Stanów Zjednoczonych zdecydowana większość produkcji półprzewodników (zarówno modeli IDM, jak i odlewniczych) odbywa się za granicą: Tajwan, Korea Południowa, Japonia, Chiny i Stany Zjednoczone. Około 12% światowych mocy produkcyjnych półprzewodników znajduje się w Stanach Zjednoczonych, w porównaniu z 37% w latach 1990. W 2019 r. Tajwan odpowiadał za około 20% światowej mocy zainstalowanej, a za nim plasowała się Korea Południowa z 19%. Japonia stanowiła 17%, Chiny 16%, a Europa 9%. Pozostałe 6% mocy zlokalizowane jest w Singapurze, Izraelu i innych częściach świata.

Spośród 40 głównych zakładów produkujących półprzewodniki zlokalizowanych w Stanach Zjednoczonych połowa (20) wykorzystuje płytki o średnicy 300 mm (12 cali); W innej produkcji wykorzystuje się płytki o średnicy 200 mm (8 cali) lub mniejszej. W latach 2009–2018 na całym świecie zamknięto ponad 100 zakładów produkujących płytki o średnicy 150–200 mm, z czego 70% w USA i Japonii. Według IC Insights aż 68 zakładów produkujących płytki ma kilkadziesiąt lat, czyli przekracza ich rozsądny okres życia. Zamknięte fabryki są częściowo zastępowane nowymi, bardziej opłacalnymi lub zmodernizowanymi obiektami; Istnieją również fabryki, które są zbyt drogie w obsłudze, a firmy zwracają się w stronę lekkich fabryk lub modeli biznesowych bez fabryk

W kraju sześć firm obsługuje 20 fabryk o średnicy 300 mm w ośmiu stanach, co szczegółowo przedstawiono w poniższej tabeli. Oprócz Skorpios pięć innych firm prowadzi fabryki płytek poza Stanami Zjednoczonymi.

Jak wspomniano powyżej, Intel prowadzi działalność związaną z produkcją półprzewodników w Izraelu, Irlandii i Chinach. Oprócz fabryk w Stanach Zjednoczonych Micron posiada fabryki w Singapurze, Japonii i na Tajwanie. Firma Texas Instruments zajmuje się produkcją płytek w Chinach, Malezji, Tajwanie i na Filipinach, a także w Teksasie. GlobalFoundries jest wiodącą odlewnią czystych płytek w USA. Jest własnością emiratu ABU Zabi za pośrednictwem państwowego funduszu majątkowego Mubadala i posiada zakłady produkujące płytki w Niemczech i Singapurze. W 2019 roku firma anulowała plany otwarcia fabryki w Chengdu w Chinach.

Podczas gdy moce produkcyjne chipów w USA są stosunkowo stabilne, moce produkcyjne i produkcja poza USA rosną, zwłaszcza w Azji. W rezultacie SIA prognozuje, że do 10 r. udział Stanów Zjednoczonych w mocy półprzewodników spadnie do 2030 proc., podczas gdy udział Azji wzrośnie do 83 proc. W 2019 r. żaden z sześciu nowych zakładów produkujących półprzewodniki otwartych na świecie nie znajdował się w Stanach Zjednoczonych, ale cztery w Chinach.

Jak omówiono w części „Projekt” tego raportu, omówiono trzy główne typy chipów: pamięciowe, logiczne lub cyfrowe i analogowe. Jak pokazuje poniższy wykres, różne części świata specjalizują się w różnych obszarach. Na przykład tylko 5 procent układów pamięci jest produkowanych w Stanach Zjednoczonych, w porównaniu z 44 procentami w Korei Południowej i 14 procentami w Chinach kontynentalnych. Ku pamięci Chiny skupiły się na szybkiej rozbudowie Changjiang Storage, przeznaczając dla firmy dotacje w wysokości 24 miliardów dolarów (tylko na fabrykę w Wuhan). Jej ekspansja i tanie produkty stanowią bezpośrednie zagrożenie dla amerykańskich producentów układów pamięci MICron i Western Digital.

W układach logicznych lub cyfrowych (takich jak mikroprocesory komputerów i telefonów komórkowych) Stany Zjednoczone nie produkują żadnych zaawansowanych węzłów procesowych (poniżej 10 nanometrów), podczas gdy Tajwan ma 92 proc. W pozostałej technologii zamków logicznych Stany Zjednoczone przodują: 43% najbardziej zaawansowanych (10-22 nm) układów logicznych i 6% do 9% poprzedniej generacji (28 nm i ok.ove) chipy logiczne są produkowane w Stanach Zjednoczonych; Tajwan produkuje 47 procent takich układów logicznych, podczas gdy Chiny produkują około 19–23 procent takich układów logicznych. Wreszcie, jeśli chodzi o segment komponentów analogowych/dyskretnych, 19% produkowanych jest w Stanach Zjednoczonych, 17% w Chinach i około 27% w Korei.

(iv) Przegląd produkcji układów scalonych

W Stanach Zjednoczonych brakuje mocy produkcyjnych na najbardziej zaawansowanym poziomie technologicznym:

W USA brakuje mocy produkcyjnych półprzewodników dla najbardziej zaawansowanych węzłów procesowych półprzewodników (obecnie 5 nanometrów), które obecnie obsługują jedynie TSMC (Tajwan) i Samsung (Korea Południowa). Najbardziej zaawansowanym FAB w Stanach Zjednoczonych jest linia technologiczna 10 nm obsługiwana przez firmę Intel, która ma rozpocząć pełną produkcję w procesie 7 nm dopiero w 2023 r., a w styczniu 2021 r. ogłosiła, że ​​będzie wykorzystywać „ulepszony” proces technologiczny 7 nm lub poniżej linii produkcyjnej dla swoich najnowszych produktów z obwodami logicznymi. W rezultacie amerykańskie firmy produkujące chipy bez fabryki polegają obecnie prawie całkowicie na producentach azjatyckich, zwłaszcza na TSMC, w zakresie produkcji najbardziej zaawansowanych chipów (7 nm lub mniejszych). Oprócz ryzyka dla łańcucha dostaw, wynikającego z geograficznej koncentracji produkcji, brak krajowych najnowocześniejszych możliwości technologicznych budzi obawy o bezpieczeństwo narodowe, ponieważ niektóre zastosowania wymagają bezpiecznego dostępu do najnowocześniejszych procesów technologicznych w celu zapewnienia przewagi technologicznej.

Przychody ze sprzedaży produktów chipowych zależą od Chin:

Amerykańscy producenci chipów również w dużym stopniu polegają na sprzedaży do Chin ze względu na ich dominację w produkcji elektroniki. Chiny są największym rynkiem półprzewodników, z których większość jest reeksportowana podczas montażu w terminalach elektronicznych, w tym elektronice użytkowej i urządzeniach AGD. Na przykład, według danych The Economist za 57 rok, dostawca chipów do telefonów komórkowych Qualcomm uzyskał dwie trzecie swoich przychodów z Chin, podczas gdy producent pamięci Micron uzyskał 2018% swoich przychodów z Chin. Intel podał w 2020 roku, że Chiny odpowiadały za 26 procent jego przychodów. Duże uzależnienie od chińskiej sprzedaży zapewnia chińskiemu rządowi dźwignię gospodarczą i potencjał do odwetu na Stanach Zjednoczonych.

Chęć Chin bycia liderem w branży półprzewodników:

Udział Chin w światowym przemyśle półprzewodników jest stosunkowo niewielki, a ich firmy produkują głównie chipy z niższej półki. SMIC, najbardziej zaawansowana chińska odlewnia, może produkować wyłącznie w węzłach 14-nanometrowych i ma ograniczoną wydajność. Jednakże Chiny są w trakcie poważnych wysiłków pod przewodnictwem państwa, mających na celu rozwój swojego rodzimego, zintegrowanego pionowo przemysłu IDM, którego celem jest uczynienie tej branży liderem we wszystkich dziedzinach do roku 2030. Udział Chin w produkcji płytek półprzewodnikowych wyniósł 16% w 2019 r., ale oczekuje się, że do 28 r. wzrośnie do 2030%. Chiński rząd zapewnia 100 miliardów dolarów dotacji dla swojego przemysłu półprzewodników, obejmujących rozwój 60 nowych zakładów produkcyjnych. Jak omówiono w „projektowej” części łańcucha dostaw, Chiny agresywnie dotują własnych producentów układów pamięci, aby przełamać swoją zależność od trzech największych na świecie producentów pamięci: Samsung (Korea Południowa), SK Hynix (Korea Południowa) i Micron (Stany Zjednoczone). ). Micron, amerykański producent pamięci, jest bezpośrednim konkurentem pamięci masowej Changjiang i prawdopodobnie będzie pierwszą amerykańską firmą, której przyszła konkurencyjność i innowacyjność zostaną zagrożone przez chińskie dotacje dla swoich konkurentów.

Zastrzeżenie: ten artykuł jest przedrukowany z „Rozmowy w restauracji Pana Wanga”, ten artykuł przedstawia jedynie osobiste poglądy autora, nie reprezentuje poglądów Sakwei i branży, można go jedynie przedrukować i udostępnić, wspierać ochronę praw własności intelektualnej, przedrukować proszę podać oryginalne źródło i autora, jeśli doszło do naruszenia, skontaktuj się z nami, aby usunąć.