(Seguindo a Parte I: Projeto de Circuito Integrado)

Quatro, sobre fabricação de circuitos integrados

(I) Estimativas básicas do Citigroup sobre a indústria de fabricação de CI

Os produtos semicondutores impulsionam quase todos os setores da economia, incluindo energia, saúde, agricultura, eletrônicos de consumo, manufatura e transporte. A procura global de utilização final de semicondutores em 2019 é: telemóveis (26%), infra-estruturas de informação e comunicação (incluindo centros de dados, redes de comunicação) (24%); Informática (19%), indústria (12%), automotiva (10%) e eletrônicos de consumo (10%).

Destas diversas aplicações, cerca de 9% apoiam diretamente a segurança nacional e aplicações de infraestruturas críticas. Esses principais usos finais de produtos semicondutores incluem aeroespacial, redes de telecomunicações, energia e serviços públicos, saúde e serviços financeiros. e outros usos governamentais representam pouco mais de 1% do consumo global de semicondutores.

A quota dos EUA na produção mundial de semicondutores caiu de 37 por cento em 1990 para 12 por cento actualmente, e espera-se que diminua ainda mais sem uma estratégia abrangente dos EUA para apoiar a indústria.

A capacidade de produção dos EUA é inadequada: a capacidade de produção dos EUA tem diminuído há décadas. A primeira década deste século foi particularmente devastadora para a indústria transformadora dos EUA, com um terço dos empregos industriais perdidos entre 2000 e 2010. As pequenas e médias empresas (PME) foram particularmente atingidas. Parte do declínio pode ser atribuída à concorrência dos países com baixos salários. Os economistas estimam que cerca de 25 por cento das perdas de emprego podem ser atribuídas à ascensão da China, especialmente depois de o país ter aderido à Organização Mundial do Comércio. Mas os EUA também viram o crescimento da produtividade interna estagnar em comparação com os seus pares económicos, por exemplo, ficando atrás da Alemanha, em média, e na maioria das indústrias. Hoje, as pequenas empresas nos Estados Unidos são normalmente menos produtivas do que os grandes fabricantes. Contrariamente à crença popular de que a inteligência ARTIFICIAL e a robótica estão ao virar da esquina, os fabricantes norte-americanos de pequenas e médias empresas estão a investir pouco em novas tecnologias que aumentam a produtividade. A perda de capacidade de produção leva à perda de capacidade de inovação. A capacidade de fabricação é a base da inovação de produtos. Uma vez perdida a capacidade de inovação, é difícil reconstruí-la. Quando a capacidade do circuito INTEGRADO foi transferida para o exterior nas últimas décadas, a pesquisa e o desenvolvimento e a cadeia de abastecimento industrial mais ampla muitas vezes o seguiram.

(2) Cadeia de abastecimento de produtos semicondutores

Do design à embalagem e à integração nos produtos eletrónicos finais adquiridos pelos clientes, a cadeia industrial é extremamente complexa e geograficamente dispersa. Um processo típico de produção de semicondutores inclui vários países e os produtos podem cruzar fronteiras internacionais 70 vezes devido à especialização da empresa em links específicos. Todo o processo leva até 100 dias, dos quais 12 dias são transferidos entre os elos da cadeia de abastecimento. A seguir está uma representação simples da cadeia de suprimentos.

O tamanho pequeno e o peso leve dos produtos semicondutores são fatores importantes para alcançar uma cadeia de abastecimento geográfica cruzada tão complexa. O custo de envio de produtos semicondutores é baixo comparado ao seu valor. No entanto, significa também que a perturbação das rotas de transporte pode representar um risco para a cadeia de abastecimento. Várias formas de transporte (por exemplo, aéreo, marítimo, rodoviário) precisam ser utilizadas na cadeia, dependendo da etapa e da distância a ser percorrida, bem como da natureza do produto. Em alguns casos, o transporte também requer manuseio especializado, como o manuseio de gases e produtos químicos perigosos e de alta pureza usados ​​na fabricação, ou a proteção de equipamentos eletrônicos sensíveis contra danos.

Fabricação de semicondutores: estrutura industrial

As fábricas que processam wafers e fabricam circuitos integrados têm dois modelos básicos de negócios. A primeira é uma empresa de semicondutores verticalmente integrada ou empresa IDM. Eles realizam todas as etapas do projeto do produto semicondutor e do processo de fabricação internamente, desde o projeto até o teste final. As empresas IDM respondem por cerca de dois terços da capacidade global de semicondutores. Embora a Intel, a empresa líder em IDM nos Estados Unidos, produza principalmente dispositivos lógicos, a maioria das outras empresas de IDM produz principalmente chips de memória, como DRAM, dispositivos discretos e circuitos integrados analógicos. Além da Intel, os Estados Unidos abrigam várias das principais empresas de IDM do mundo, incluindo Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, em semicondutores e instrumentos do Texas. É importante notar que, embora essas empresas estejam sediadas nos Estados Unidos, elas fabricam o produto final em fábricas ao redor do mundo. Além dos EUA, por exemplo, a Intel possui fábricas de processamento de wafers em Israel, Irlanda e China. E a Samsung, com sede na Coreia do Sul, e outras empresas estrangeiras (não americanas) têm fábricas de chips nos Estados Unidos, além das estrangeiras (não americanas). De acordo com o relatório da SIA, 44% da capacidade das empresas de semicondutores dos EUA está localizada nos Estados Unidos. No geral, as empresas IDM nos Estados Unidos representaram 51% da receita operacional total dos fabricantes globais de IDM em 2020. Os Estados Unidos são particularmente fortes em circuitos integrados lógicos digitais e circuitos integrados analógicos.

Existem outras empresas líderes de produtos de semicondutores mais americanas (por exemplo, AMD, nvidia, broadcom e qualcomm e espírito de jogo) é o modelo de negócios "empresas de semicondutores sem fábricas", a empresa projetará dados para fornecer empresas independentes especializadas na fabricação de fundição de semicondutores, pelas empresas de fundição na fabricação e processamento de produtos de chips. Essas fundições terceirizadas são classificadas como "fundições de semicondutores puros" porque não projetam ou vendem nenhum de seus próprios produtos de chips, mas atuam como fabricantes contratados para empresas de semicondutores sem fábrica (essas fundições às vezes fornecem capacidade adicional ou produzem certos chips para IDM vendedores). Algumas empresas de IDM, principalmente a Samsung, também fornecem serviços de processamento para empresas de semicondutores sem fábrica.

Com o avanço da tecnologia e o aumento exponencial dos custos de construção e manutenção de instalações de fabricação de semicondutores de última geração, o modelo de negócios fabless (empresa sem fábrica) + fundição (fundição) está se tornando cada vez mais comum. Os avanços contínuos na tecnologia de fabricação de chips exigem equipamentos de produção totalmente novos e cada vez mais caros. Fábricas de última geração (com tecnologia de 5 nm) custam pelo menos US$ 12 bilhões. Uma única máquina de litografia ultravioleta extrema (EUV), necessária para processos de 5 nm ou inferiores e frequentemente utilizada em 7 nm, pode custar até US$ 150 milhões. Além das máquinas de fotolitografia, as fábricas requerem muitos outros tipos de equipamentos. Estima-se que o investimento necessário para a próxima geração de fábricas, que operarão com tecnologia de 3 nm, possa ultrapassar US$ 20 bilhões. Além disso, após a instalação de novas fábricas, os custos operacionais serão muito altos e exigirão investimentos de capital contínuos e dispendiosos; também é necessário manter a tecnologia de ponta exigida pelos projetistas de processo para continuar operando nos nós de produção mais avançados. As fundições puras se beneficiam de economias de escala que lhes permitem absorver os enormes custos das fábricas de semicondutores com alta e eficiente utilização da capacidade. As fundições puras representam cerca de um terço da capacidade global de produção de chips, segundo a SIA (Senior Industry Association). Entre elas, a produção de chips lógicos responde por quase 80%. A Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), a primeira fundição de wafers pura do mundo, foi fundada em 1987 e domina o mercado de fundição atualmente.

O mercado de fabricação por contrato é dominado por empresas taiwanesas, com a TSMC sozinha respondendo por 53% do mercado. No geral, as fundições taiwanesas representam 63% do mercado global de fundição. A Coreia do Sul responde por 18% e a China por 6%. A GlobalFoundries, uma fundição sediada nos EUA e pertencente a Abu Dhabi, detém uma participação de 7%, representando mais da metade dos 13% restantes do mercado de fundição.

Como mencionado anteriormente, embora os EUA possuam uma grande participação no mercado de chips produzidos por empresas IDM (Integrated Design Manufacturers), representam apenas cerca de 10% da receita global de fundições. As fundições asiáticas respondem por cerca de 80% do total. Somente Taiwan responde por 63% da fabricação por contrato global. Isso significa que, embora os EUA sejam líderes em design de semicondutores, suas empresas fabless (fabricantes sem fábrica própria) dependem fortemente de fabricantes terceirizados estrangeiros, principalmente na Ásia, para produzir seus produtos. Embora esse modelo de negócios baseado em agentes seja adequado para circuitos integrados destinados a aplicações comerciais de alto volume, muitas aplicações relacionadas envolvem pequenos lotes, o que torna a adoção de tecnologias avançadas de fabricação de semicondutores para essas aplicações incerta e desafiadora.

Nos Estados Unidos, a grande maioria da fabricação de semicondutores (tanto em modelos IDM quanto em fundições) é realizada no exterior: Taiwan, Coreia do Sul, Japão, China e Estados Unidos. Cerca de 12% da capacidade mundial de fabricação de semicondutores está localizada nos Estados Unidos, uma queda em relação aos 37% da década de 1990. Em 2019, Taiwan representava cerca de 20% da capacidade instalada global, seguida pela Coreia do Sul com 19%. O Japão representava 17%, a China 16% e a Europa 9%. Os 6% restantes da capacidade estão localizados em Singapura, Israel e outras partes do mundo.

Das 40 principais instalações de fabricação de semicondutores localizadas nos Estados Unidos, metade (20) usa wafers de 300 mm (12 polegadas); Outras produções utilizam wafers de 200 mm (8 polegadas) ou menos. Entre 2009 e 2018, mais de 100 fábricas de wafers de 150-200 mm fecharam em todo o mundo, com 70% dos fechamentos nos EUA e no Japão. De acordo com a IC Insights, até 68 fábricas de wafers têm décadas, além de sua vida útil razoável. As fábricas fechadas são parcialmente substituídas por novas instalações mais económicas ou melhoradas; Existem também algumas fábricas que são muito caras para operar, e as empresas estão recorrendo a fábricas leves ou modelos de negócios sem fábrica

Internamente, seis empresas operam fábricas de 20 mm em oito estados, conforme detalhado na tabela abaixo. Além da Skorpios, cinco outras empresas também operam fábricas de wafer fora dos EUA.

Como mencionado anteriormente, a Intel possui operações de fabricação de semicondutores em Israel, Irlanda e China. Além de suas fábricas nos Estados Unidos, a Micron opera fábricas em Singapura, Japão e Taiwan. A Texas Instruments possui produção de wafers na China, Malásia, Taiwan e Filipinas, bem como no Texas. A GlobalFoundries é a principal fundição de wafers dos EUA, pertencente ao emirado de Abu Dhabi por meio do fundo soberano Mubadala, e possui instalações de fabricação de wafers na Alemanha e em Singapura. Em 2019, a empresa cancelou os planos de abrir uma fábrica em Chengdu, na China.

Embora a capacidade de produção de chips nos EUA seja relativamente estável, a capacidade e a produção fora dos EUA estão a crescer, especialmente na Ásia. Como resultado, a SIA prevê que a quota dos EUA na capacidade de semicondutores cairá para 10 por cento até 2030, enquanto a quota da Ásia crescerá para 83 por cento. Em 2019, nenhuma das seis novas instalações de produção de semicondutores abertas no mundo estava nos Estados Unidos, mas quatro estavam na China.

Conforme discutido na seção “Design” deste relatório, três tipos principais de chips são abordados: memória, lógico ou digital e analógico. Como mostra o gráfico abaixo, diferentes partes do mundo se especializam em diferentes áreas. Por exemplo, apenas 5% dos chips de memória são produzidos nos Estados Unidos, em comparação com 44% na Coreia do Sul e 14% na China Continental. Na memória, a China concentrou-se na rápida expansão da Changjiang Storage, atribuindo 24 mil milhões de dólares em subsídios à empresa (só para a sua fábrica em Wuhan). Sua expansão e produtos de baixo preço representam uma ameaça direta à MICron e à Western Digital, fabricantes de chips de memória dos EUA.

Em chips lógicos ou digitais (como microprocessadores de computadores e celulares), os EUA não produzem nenhum nó de processo avançado (menos de 10 nanômetros), enquanto Taiwan detém 92%. Em outras tecnologias de circuitos lógicos, os Estados Unidos são líderes absolutos: 43% dos chips lógicos mais avançados (10-22 nm) e de 6% a 9% da geração anterior (28 nm e acima).acima) os chips lógicos são produzidos nos Estados Unidos; Taiwan produz 47% desses chips lógicos, enquanto a China produz aproximadamente de 19 a 23%. Finalmente, para o segmento de componentes analógicos/discretos, 19% são produzidos nos Estados Unidos, 17% na China e aproximadamente 27% na Coreia.

(iv) Revisão da fabricação de circuitos integrados

Os Estados Unidos carecem de capacidade de produção ao nível tecnológico mais avançado:

Os EUA não possuem capacidade de produção de semicondutores para os nós de processo mais avançados (atualmente 5 nanômetros), que são operados apenas pela TSMC (Taiwan) e pela Samsung (Coreia do Sul). O FAB mais avançado dos Estados Unidos é a linha de processo de 10 nm operada pela Intel, que não deve entrar em produção total de 7 nm até 2023, e anunciou em janeiro de 2021 que usaria o 7 nm "aprimorado" da TSMC ou abaixo da linha de produção para seus mais recentes produtos de circuito lógico. Como resultado, as empresas de chips sem fábrica dos EUA dependem agora quase inteiramente dos produtores asiáticos, especialmente da TSMC, para produzir os chips mais avançados (7 nm ou menores). Além dos riscos da cadeia de suprimentos causados ​​pela produção geograficamente concentrada, a falta de capacidades tecnológicas nacionais de última geração levanta preocupações de segurança nacional, pois algumas aplicações exigem acesso seguro à tecnologia de processo de última geração para garantir a superioridade tecnológica.

A receita das vendas de produtos de chips depende da China:

Os fabricantes de chips americanos também dependem fortemente das vendas para a China devido ao seu domínio na produção de eletrônicos. A China é o maior mercado de semicondutores, a maioria dos quais é reexportada à medida que são montados em terminais eletrônicos, incluindo eletrônicos de consumo e eletrodomésticos. Por exemplo, o fornecedor de chips para telemóveis Qualcomm obteve dois terços das suas receitas da China, enquanto o fabricante de memórias Micron obteve 57% das suas receitas da China, de acordo com dados de 2018 do The Economist. A Intel informou em 2020 que a China foi responsável por 26% de sua receita. A forte dependência das vendas chinesas proporciona ao governo chinês alavancagem económica e potencial para retaliar contra os Estados Unidos.

O desejo da China de liderar a indústria de semicondutores:

A participação da China na indústria global de semicondutores é relativamente pequena e as suas empresas fabricam principalmente chips de baixo custo. A SMIC, a fundição pura mais avançada da China, só pode produzir nós de 14 nanômetros e tem capacidade limitada. No entanto, a China está no meio de um grande esforço liderado pelo Estado para desenvolver a sua indústria indígena de IDM verticalmente integrada, com o objectivo de tornar a indústria líder em todos os domínios até 2030. A participação da China na capacidade de wafers semicondutores era de 16% em 2019, mas espera-se que cresça para 28% até 2030. O governo chinês está a fornecer 100 mil milhões de dólares em subsídios à sua indústria de semicondutores, incluindo o desenvolvimento de 60 novas fábricas. Conforme discutido na parte de “design” da cadeia de fornecimento, a China subsidiou agressivamente os seus próprios fabricantes de chips de memória para quebrar a sua dependência das três maiores empresas de memória do mundo: Samsung (Coreia do Sul), SK Hynix (Coreia do Sul) e Micron (EUA). ). A Micron, uma empresa de memória dos EUA, é um concorrente direto do armazenamento de Changjiang e será provavelmente a primeira empresa dos EUA a ver a sua competitividade e inovação futuras ameaçadas pelos subsídios chineses aos seus concorrentes.

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