美國芯片製造水平究竟如何?能崛起嗎?

半導體對於經濟競爭力和國家安全至關重要。半導體技術的創新是推動全球經濟數字化,人工智能(AI)和5G通信的基礎。例如,在增強現實或虛擬現實體驗,物聯網,工業4.0系統和自動駕駛汽車這些方面,革命性的技術應用正逐漸成為商業現實。

除此之外,國防也依賴於由先進半導體組件提供動力的成熟電子系統。《2018年美國國防戰略》中所列出的國防現代化重點領域就包括微電子,5G和量子科學,這些都是需要美國投資的戰略領域。其他重點領域(例如網絡安全,人工智能,自主系統和先進的成像設備),也極其依賴於半導體行業的發展。隨着數字化連接的電子系統對於管理先進武器系統和關鍵基礎設施變得越來越重要,能夠提供兼具經濟性,可靠性和組件安全性的半導體供應商,將在國家安全方面起到更加關鍵的作用。

引言

由於半導體對技術領先地位和國家安全的戰略意義,許多國家現在更為關注其在半導體價值鏈中的地位。美國一直是半導體領域的全球領導者,在過去30年中,美國在全球半導體行業收入中所占份額為45%至50%。但是當前美國在半導體製造領域的份額正在下降,僅占全球裝機容量的12%。

中美之間持續的地緣政治摩擦,以及COVID-19大流行造成的破壞,也引發了對美國半導體公司在全球供應鏈的潛在漏洞的質疑,這主要是因為製造業活動集中在東亞。

近年來,美國發起了許多與美國國防部有關的計劃,例如「受信任和有保證的微電子」倡議,以確保國內供應價值鏈在製造業層面的安全。全球最大的半導體代工公司台積電(TSMC)於2020年5月宣布,該公司計劃在亞利桑那州建立先進的晶圓廠。

這個計劃是提升美國先進半導體製造能力的第一步。為了滿足預期增長的半導體需求,從2020年到2030年,全球的製造能力將顯著提高,這為美國吸引更多新晶圓廠提供了市場。在本報告中,我們將分析美國擴大半導體製造業歷程的案例。

我們首先探討美國半導體製造業目前的狀況和趨勢,以確定如果現狀持續,美國在全球製造容量的份額將如何變化,以及這種狀況和趨勢對美國半導體產業的潛在影響。

為了了解多年來美國在全球製造業中所占份額持續下降的根本原因,我們分析了在美國與其他國家和地區建造和運營三種類型的晶圓廠的總成本差異。我們還研究了各個國家和地區所提供的政府激勵措施的水平。分析結果表明,與目前在中國和中國台灣地區,新加坡以及其他在半導體製造方面具有重要影響力的國家和地區相比,美國晶圓廠成本要高出40%至70%,這與美國相對欠缺的激勵措施有直接關系。

我們建立了一種分析模型,以評估美國在全球製造產能中所占份額的未來趨勢。盡管本報告未提供政策建議,但我們提出,如果美國要設定目標以在未來半導體製造業產能中占據重要份額,並扭轉過去30年中美國製造產能持續下滑趨勢,美國政府還應該推出哪些額外的激勵計劃。

長遠來看,我們認為這些激勵計劃尤為重要,因為芯片設計與製造之間需要更緊密的研發合作,以開發芯片架構和材料方面的創新。

如此一來,美國的下一代半導體芯片性能能夠實現質的飛躍,而其成本可以大幅降低。這具有重要戰略意義,因為技術行業和先進的國防系統都依賴於半導體行業的發展。

目前美國在半導體製造領域的地位

美國發明了集成電路,長期以來也一直是半導體的全球領導者。在半導體行業,美國公司始終占全球總銷售額的45%至50%。美國在整個價值鏈中的強勢地位促成了這一地位。美國公司在電子設計自動化工具(EDA),知識產權核心(核心IP),集成電路設計和製造設備中的綜合市場份額超過50%。

相比之下,美國在半導體製造能力中所占的份額(1990年為37%)現在僅為12%。(請參見圖表1)美國在分立,模擬和光電產品中的製造能力份額仍然很高(30%)。

實際上,美國仍是半導體特定領域的全球製造業領導者,例如復合半導體,射頻和體聲波(BAW)濾波器(盡管這種地位現在也受到亞洲新投資的挑戰)。但是,美國在記憶體(4%)和邏輯系統(12%)方面的份額要低得多,預計增長最快的細分市場將在未來十年推動90%的容量增長。

美國芯片製造水平究竟如何?能崛起嗎?

圖表1-與其他半導體價值鏈和其他戰略性產業相比,美國製造業所占份額較低

資料來源:半導體價值鏈來源於Gartner,半導體工業協會(SIA),VLSI研究,SEMI和公司財務的市場數據進行的BCG分析;美國占製造業附加值的份額來源於牛津經濟研究院對宏觀經濟數據的BCG分析。

註:DAO指離散,模擬和光電;EDA指電子設計自動化工具;ICT指信息和通信技術;OSAT指外包半導體組裝和測試。

美國半導體製造業所占份額的下降與美國其他行業的製造業的總體趨勢一致。美國在全球製造業增加值中所占的份額從1990年代的25%降至2018年的17%。2但是,目前美國僅占半導體製造業份額的12%,遠低於美國在航空航天等其他戰略性行業中的份額(美國的全球製造業占49%),醫療設備和藥品(約占25%)以及石化產品(約占20%)。在依賴先進製造業的行業中,美國僅在勞動密集型行業(消費電子占3%,計算機和網絡硬件占8%)的份額低於其半導體製造業。與其他幾個行業不同,美國半導體行業沒有經歷過大規模的重組浪潮,這與美國製造工廠的關閉和遷移至國外相關。相反,在過去30年中,美國的製造能力以每年7%的累計年增長率增長。但是,同期全球產能每年以11%的速度增長。美國的裝機容量增幅已經被中國台灣地區,韓國和中國大陸等亞洲國家和地區超越,因為他們一直在進行大力投資以成為製造業龍頭。(參見圖2。)

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圖表2-亞洲國家和地區超過美國裝機容量的增長資料來源:VLSI研究預測;SEMI 2020年第二季度更新;BCG分析。

註:所有值均以8英寸等效值顯示;不包括容量低於5 kwpm或小於8英寸的容量。

政府政策一直是亞洲半導體強勁增長的主要因素。這些國家和地區把戰略重點放在半導體上,並以優惠的政府撥款,稅收減免和其他政府激勵措施以支持其國內製造業的發展,從而使本國的經濟體更具吸引力。

與此同時,半導體行業見證了「無晶圓廠」模式的興起。許多美國公司採用了這種商業模式,使他們能夠專注於半導體設計和商業化,同時又依賴於國外製造合作夥伴(也稱為專用或純「代工廠」)。這些合作夥伴在其他國家/地區可以獲得較低的成本和更具吸引力的政府激勵措施。他們還能夠降低廣泛的全球客戶在大規模資本投資方面的風險。專用晶圓廠占全球製造能力的38%,其中僅7%位於美國。

相比之下,美國在全球集成設備製造商(IDM)擁有的能力中所占的份額要高得多(占14%),後者在自己的工廠中設計和製造其產品,因此可以通過將兩個流程都放在同一地點來實現協同效應。美國在全球製造能力中的份額預計將進一步下降。

有關計劃中的晶圓廠建設最新數據表明,美國已經開發的新產能僅占總計劃的6%,並且在未來五年內開始運營的新產能將位於美國。這大大低於美國目前在全球已安裝容量中所占的份額(12%)以及美國從2010年到2020年在全球新增容量中所占的比例(10%)。

我們估計,如果不採取任何行動,到2030年,美國在製造業中的份額將減少到10%。相比之下,中國大陸計劃增加全球新增產能的40%,並有可能成為已安裝半導體的全球領導者。

到2030年,其製造能力將達到全球總產能的24%,大約相當於中國大陸設備製造商對半導體的全球需求份額。

盡管在2030年之前,中國在製造工藝技術上可能仍落後一到兩代,但其龐大的製造基地可能會加速其學習曲線從而縮小差距。

此外,在現有產業集群中發展新的半導體製造能力方面,協同作用尤為重要。實際上,半導體公司將其視為在選擇新晶圓廠位置時要考慮的最重要因素之一。

3這種協同作用產生了一種自我增強的動力。隨着時間的推移,美國製造業份額將進一步下降,並且中國大陸以及亞洲其他已經建立晶圓廠的國家的份額會進一步擴大。最終,如果在當前條件下沒有重大變化,美國將越來越難以在半導體製造領域留存任何強大的製造能力。

與美國相反,長期以來,半導體製造一直是中國的當務之急,中國近年來也一直在加快實現目標。如下圖所示,中國在全球半導體製造能力中所占份額的快速增長。

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資料來源:來自SEMI,IC Insights和VLSI Research的中國市場數據;經合組織;BCG分析。

為什麼半導體製造如此重要

製造業占全球增加值的45%,約占全球半導體產業總研發投資的20%至25%。製造業是半導體行業不斷發展的中心。(參見圖3)。在過去的五十年中,通過工藝節點規模化(通常稱為摩爾定律)的半導體製造不斷進步,半導體性能和降低成本取得了驚人的進步:每個晶片的晶體管數量增長了將近1000萬倍,這使得處理器速度提高了100,000倍,並且在性能相當的情況下,每年的成本降低了45%以上。

這項技術進步的飛速發展,促使其從1980年代的大型機過渡到2010年代的智能手機,這是生產力和經濟增長的驅動力。

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圖表3-半導體製造的進步推動了芯片性能和成本的顯着提高資料來源:英特爾;Singularity.com;維基百科;BCG分析。

既有研究表明,在產品設計和製造流程緊密相關的行業中,製造業與研發的隔離會對行業發展產生負面影響。在半導體領域,無晶圓廠業務模式的成功需要設計公司與其代工合作夥伴之間的合作,但是地理位置相近並不是必要條件。

但是,半導體行業正在尋求芯片架構和材料方面的新突破,以維持性能提高的步伐以及使諸如AI或量子計算等新的關鍵技術得到應用的成本。這些新領域的進展取決於設計與製造之間不斷加強的研發合作。

鑒於美國半導體行業在基礎科學,集成電路設計和生產設備方面的領先地位,增強其製造能力可能會它引領着這些創新領域的發展,為未來創造了新的技術範式。美國領先地位的保持為定義半導體製造的時間,標准和商業模式提供了重要的戰略優勢,從而推動了從製造設備和工具到設計的整個價值鏈的創新步伐。保持強大的國內製造能力對於確保美國半導體行業具有高度彈性的供應鏈也至關重要。

全球約有75%的半導體生產能力集中在東亞,在強大的集群效應的推動下,這一數字有望繼續增長。預計到2030年,僅中國大陸就將占據全球總製造能力的25%。中國台灣地區目前占領先和高級節點(10納米或以下)的全球容量的47%,這些節點用於高級邏輯系統設備,例如為智能手機或數據中心供電的高性能處理器。

在記憶體方面,韓國約占半導體總需求的30%,而韓國則占全球容量的40%以上。正如COVID-19危機所表明的那樣,一個國家或地區的高度集中使全球供應鏈易受自然災害,疫情或地緣政治沖突等破壞的影響。

考慮到半導體產業對美國經濟和國家安全的戰略性,通過地理多元化來增強供應鏈的彈性勢在必行。

在美國擁有更大的半導體製造空間還可以為美國經濟帶來更多好處:

1、發展當地高科技集群,創造高質量的就業機會和經濟繁榮。一個新的標准規模的晶圓廠需要3,000至6,000名員工,人員具體數量取決於具體的產品和技術。

這種直接創造就業機會通常會為當地經濟產生倍數效應,隨着時間的流逝,它還可以幫助吸引價值鏈中的其他公司,這些公司希望從集群效應中受益,例如半導體生態系統中更緊密的協作,進入本地人才庫,已建立的支持基礎架構等。美國已經擁有一批充滿活力的半導體製造集群,例如達拉斯和奧斯汀(都在德克薩斯州),波特蘭(俄勒岡州)和菲尼克斯(亞利桑那州)周圍的城市。

2、改善美國商品貿易平衡。美國在半導體方面的貿易順差非常大,2019年將超過80億美元。在美國擁有更多的晶圓廠可以通過增加在美國設計和製造的半導體產品的出口來擴大這一順差,無論是面向最終客戶還是海外設施出口外包半導體組裝和測試(OSAT)供應商,從而通過封裝和測試最終確定生產過程。

在價值鏈上實現集群效應並增強其全球供應鏈的彈性對於美國半導體產業的持續競爭力至關重要。這並不是說美國應該為實現廣泛意義上的「自給自足」目標而盲目地恢復半導體製造能力。半導體行業本質上是全球性的,因為國家和地區在整個價值鏈中針對不同活動具有明顯的比較優勢。這種特性使美國和外國公司能夠以最低的經濟成本獲得最佳能力,從而可以推動該行業技術突破背後的創新「良性循環」。6此外,正如東亞製造業高度集中導致美國半導體的供應鏈漏洞,美國境內用來滿足國內市場需求的產能也會導致類似的情況。

了解美國競爭力與其他國家可替代選址

美國在全球半導體製造能力中所占份額的下降並不是缺乏技術能力的問題。實際上,美國在領先節點和先進節點(10納米或以下)的全球產能中占28%的份額,大大高於其在所有製程節點中12%的份額。美國公司是所有領域(邏輯系統,記憶體和模擬)以及fab軟件,設備和過程控制工具的製造工藝技術研發的全球領導者。涉及半導體製造的全球前20名公司中有8家(包括IDM和代工廠)已經在美國進行製造,它們合計占當前全球產能的80%以上。

半導體製造商在美國雇用了大約18萬名工人,並在美國18個州運營晶圓廠。

那麼,為什麼公司選擇在美國境外建造晶圓廠呢?

我們根據半導體行業的相關經驗,與行業領導者進行的討論,以及對參與製造的美國半導體公司的調查來確定:公司決定在何處建立新晶圓廠的關鍵標准,以及將美國與其他替代地點進行比較所得到的相對位置。(參見圖4)在五個最重要的因素中,美國排名非常有利:與現有規模的協同作用,人才的獲取以及對知識產權和資產的保護。但是,在確定的另外兩個關鍵因素(勞動力成本和政府激勵措施)方面,美國被認為遠遠落後於其他地區。

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圖表4-盡管在三個晶圓廠選址標准中得分很高,但美國在建立晶圓廠的方面沒有經濟競爭力資料來源:BCG對SIA成員的調查,問題C2:選擇晶圓廠位置最重要的決定性標準是什麼?注意:圖表未顯示受訪者未認定為「重要」的其他因素。

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晶圓廠選址五大標準的排名對比資料來源:SIA成員調查數據,問題G1:請為您在晶圓廠的每個關鍵決策因素對以下國家/地區評分(N = 6)。吸引力指標量化為1-5:5 =高度吸引人,1 =完全沒有吸引力。

的確,美國目前不是半導體製造的具有成本競爭力的地區。因為半導體晶圓廠需要大量投資。

實際上,2019年整個行業的資本支出與收入之比超過20%,半導體行業與電力和公用事業在整個經濟中是資本最密集的部門。

為了量化美國與其他地區之間的成本差異,我們對三種代表性類型的晶圓廠在十年內的總擁有成本(TCO)8進行了基準測試,以闡明將於2020年至2030年建立的新產能9 (參見圖5。)

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圖表5-用於衡量不同地點總擁有成本的三類代表性晶圓廠資料來源:SIA;BCG分析。

如圖表6所示,包括土地,建築,和設備在內,一個標准容量的先進半導體工廠大約需要50億美元(用於先進的模擬工廠)和200億美元(用於高級邏輯系統和存儲器工廠)的資本支出。

這大大高於下一代航空母艦(130億美元)或新核電站(40億至80億美元)的估算成本。除了前期資本支出,我們還計算出每年的現金運營支出(人工,公用事業等)約為6億至20億美元。

因此,在不考慮政府激勵措施的情況下,一個新晶圓廠的TCO總額在十年內將達到110億至150億美元(高級模擬)和300億至400億美元(用於高級邏輯系統或記憶體)。

考慮到這些成本,政府提供的激勵措施對於需要支持的投資方至關重要,並且這種激勵措施已成為新晶圓廠投資業務案例的常規部分。政府激勵措施通常會減少土地,建築和設備上的前期資本支出,但也可以擴展到經常性運營支出,例如人工成本。總體而言,根據國家/地區的不同,我們估計政府的激勵措施可以抵消新工廠總TCO的15%至40%(扣除激勵措施之前)。

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圖表6-政府激勵措施對晶圓廠成本有重大影響資料來源:BCG分析。

TCO包括資本支出(前期土地,建築和設備)加上十年的運營支出(人工,公用事業,材料,稅金)。平均值是被分析國家或地區(美國,日本,韓國,中國台灣地區,中國大陸,新加坡和德國)的估計值。

對於所考慮的每種類型的晶圓廠,我們已經分析了不同國家的前期資本支出,年度運營成本和政府激勵措施。

根據我們的分析,在所有三種類型的晶圓廠中,美國的晶圓廠的總擁有成本比中國台灣地區或新加坡的同等晶圓廠高約25%至30%。(請參見圖表7)中國除了結構上較低的工資外,還提供了非常高的政府激勵措施,這看起來甚至是更具成本競爭力。

在美國,晶圓廠總擁有成本比中國大約高50%,甚至不算中國通過獲得低於資本成本的信貸和股權所提供的融資成本的額外優勢,經濟合作組織(OECD)最近的一項研究運營與發展(OECD)表明這一點非常重要。10

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圖表7-美國工廠的總擁有成本比其他地區高25%–50%資料來源:BCG分析。

1.TCO包括資本支出(前期土地,建築和設備)加上十年的運營支出(人工,公用事業,材料,稅金)。

2.那些選擇進入中國進行技術共享的跨國公司可以享受更廣泛的激勵措施,包括具有優惠條件的設備回租。

以下因素解釋了TCO的顯著差距:

政府激勵是主要因素。美國的激勵政策名列榜尾,遠遠低於擁有大型半導體製造基地的亞洲國家和地區。(見表8)根據晶圓廠類型和有關國家和地區的情況,這些激勵措施占其他國家或地區相對於美國的成本優勢的40%~70%。

在某些情況下,激勵措施優先考慮國家半導體製造龍頭企業,因此有助於支持國內半導體產業。但在很多情況下,跨國公司也可以享受到這些優惠政策。

在某些情況下,美國在稅收上具有競爭力,因為美國的有效稅率遠低於名義企業稅率,而且在某些地方還大幅降低了州稅和地方稅。然而,這些州政府和地方政府的激勵措施遠遠低於其他國家政府提供的補助金和直接現金激勵措施。

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表8:各地政府激勵措施的比較資料來源:BCG分析。

註:激勵措施是針對前十年的運營。表中所列國家還包括100%的設備進口成本減免和5%的研發項目注銷和延期;稱不上是詳盡無遺。

1基於當前激勵措施和最近協議的最佳方案。

2 不包括中國。

3中國大陸。

4 有效稅率與一般激勵措施分開考慮,並基於現行法規。

要素成本的天然劣勢。美國和其他地區在TCO方面的差異大約有15%~40%,這主要是由於勞動力和公用事業成本方面的結構性劣勢造成的。美國製造業的工資中位數高於其他國家,美國用於晶圓廠建設和運營的勞動力成本比新加坡和中國台灣高40%,是中國大陸的兩倍。美國和其他國家之間的公用事業成本差異不太顯著,但仍比中國大陸高出近25%。

資本支出。資本支出占美國TCO劣勢的15%~20%。一家新工廠的資本支出中,約有一半用於由一小部分高度專業化的全球供應商提供的製造設備,因此各地區之間的情況預計將是相似的。建設成本占資本支出的20%~40%,差異較大。

此外,一些國家還通過在晶圓廠周邊建設配套基礎設施,進一步促進本國半導體產業生態系統的發展,而半導體生產商無需為此支付任何費用。中國在這方面提供的福利特別全面,通常包括住房、電信、公用事業和物流基礎設施。

同樣,其他亞洲國家和地區,如中國台灣、新加坡和韓國,也提供基礎設施支持,通常是經濟特區和科技園的方式。例如,在中國台灣,除了提供土地、電力和水之外,科技園也為其他供應鏈公司提供空間,讓他們融入更大的製造業生態系統。同樣,韓國政府的合作范圍不僅限於公用事業和基礎設施,還包括確定並提供便利的地點,簡化或加快程序,並放鬆監管。

改變未來十年發展軌跡的機會

鑒於半導體作為技術進步推動者的戰略性質,擴大國內製造業對美國半導體產業極其重要,這對提升美國整體經濟競爭力和國家安全至關重要。

預計未來十年,全球對半導體的需求將以累計年均5%的速度增長,其驅動力來自於新技術的大規模應用,包括人工智能、物聯網、邊緣計算、5G,以及電動汽車和越來越多的自動駕駛汽車。

預計到2030年,製造業產能將在現有基礎上增加56%,即約新增1000萬wpm。截至2020年6月,在2020年~2030年全球新增的這些產能中,約有50%尚未開發或規劃。(見表9)這一「空白地帶」,即新增產能需求中可解決的部分,為美國提供了一個機會,可以使美國在未來新增產能中獲得更高的份額,超過已經在開發或規劃階段實現的6%。按發展狀況分列的2020年~2030年全球產能預計增量(M wpm)。

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表9:全球產能的強勁增長為我們帶來了增長機會資料來源:BCG基於SEMI、VLSI和Gartner的市場預測做出的分析;SIA成員的意見;BCG項目經驗。

1、「開發中」包括「破土動工」和「生產」之間的任何狀態,以及「計劃或宣布」(口頭或公開確認建設意向)。

2、為滿足2030年的預計需求,預計需要增加的產能,但沒有任何公司或國家的具體公告。

3、分立、模擬和光電子器件。

要意識到這一市場機遇,就需要讓美國晶圓廠的TCO更接近其他國家,從而使美國成為對半導體製造業更具吸引力的國家。

由於美國在其他對晶圓廠選址很重要的標准方面具有明顯的優勢——例如與現有版圖和生態系統其餘部分的協同效應,獲得熟練人才儲備的機會,以及知識產權保護——因此吸引半導體公司在美國建設更大比例的新產能可能不需要總成本相同。

此外,不斷變化的地緣政治背景也使製造業的地理分布更加多樣化,從而對美國和外國半導體公司更具吸引力。

根據我們的分析,要使新的美國晶圓廠的經濟效益更具吸引力,就必須縮小政府激勵措施的差距,因為政府激勵措施直接導致了美國較高的TCO的40%~70%。

新的政府激勵措施也可能有助於抵消我們看到的美國在建築和運營成本方面的結構性劣勢。為了評估當前美國在全球製造能力中所占份額的潛在變化,我們開發了一個分析模型,該模型按產品類型和國家對全球新增總產能進行了細分。

然後,我們使用我們對各國不同晶圓廠經濟狀況的估計,根據TCO創建了一個「績效排序」。鑒於美國在晶圓廠選址的其他關鍵選擇標准方面的優勢,我們假設美國晶圓廠的TCO需要從目前比中國台灣、新加坡或韓國高25%~30%的水平降至僅高5%~10%的水平,而不是總成本相同,才能使美國成為一個有吸引力的新晶圓廠選址地。

為實現這一目標,美國政府必須制定新的激勵計劃。我們將這一新激勵計劃定義為具有固定總額的基金(例如,補助金、稅收抵免計劃,或者兩者兼有),可以用於美國2021年~2030年期間的新增產能。我們假設現有的美國州和地方激勵措施保持不變,並適用於在美國建設的任何新增產能(即,它們是基於「每座工廠」設置的,而不是以給定的總額為上限)。

美國能夠吸引多少新的全球產能取決於美國新的激勵計劃的規模。我們對現狀和兩種可能的美國額外激勵方案進行了模擬。表10顯示了每個場景的預期結果。·現狀。我們假設,在現有激勵措施不變的情況下,可以看到美國在已經開發的項目中所占份額為6%,這是一個很好的指標,可以說明美國能夠吸引多少新增產能。這將低於過去十年美國在全球新增產能中10%的份額。

因此,美國在全球製造業中的份額將從2020年的12%進一步下降到2030年的10%。

情景1——新增200億美元政府激勵計劃。根據我們的模型,我們預計美國將吸引14家新晶圓廠,比目前多5家,占據新增產能的14%。美國將成為建設新產能的第三大地點,僅次於中國大陸和台灣。因此,到2030年,美國將能夠維持目前占全球產能12%的份額,相比於按現狀預測要少損失2%。·

情景2——新增500億美元政府激勵計劃。根據我們的模型,這樣的計劃可能會使美國成為中國以外新半導體產能的首選目的地。我們估計,美國將能夠吸引總共19座晶圓廠,比目前多10座。這占未來10年進入市場的新產能的24%。較2010年~2020年的10%和目前的6%有大幅提升。這將導致美國在全球產能中的份額從2020年的12%增加到2030年的13%~14%,比按照現狀預測的10%份額有了很大的提高。

美國芯片製造水平究竟如何?能崛起嗎?

表10:新激勵計劃對美國製造業地位的潛在影響來源:超大規模集成電路研究;SEMI 2020年第二季度更新;BCG分析。

1假設適用於美國未來10年新增的產能。

2為了便於比較,假設晶圓廠規模為75000 wpm,與2020年~2030年預測中使用的晶圓廠平均規模一致。根據SEMI的數據,2010年~2020年美國實際建造的晶圓廠數量為19座(不包括實驗性和非常小的晶圓廠,平均規模約為40000 wpm。

在我們的模型中,我們假設新的額外激勵措施只適用於在現狀情況下建設的新增產能(即那些「否則不會在美國建設的產能」)。

在實踐中,這意味着只有某些採用先進技術的晶圓廠才有資格享受新的激勵措施。新的政府激勵措施將把美國變成一個具有經濟競爭力的、對新晶圓廠有吸引力的地方。

這些潛在的激勵措施將標志着一個真正的拐點,並將扭轉過去30年來美國份額持續下降的歷史趨勢。美國將重新成為一個具有競爭力的半導體製造業基地,在2030年以後的幾十年里,美國將處於有利地位,繼續加大參與全球產能擴張的力度。

此外,新的政府激勵計劃將推動美國製造業產能的擴張,這將為美國技術的競爭力、供應鏈彈性和國家安全帶來顯著好處。在500億美元的激勵計劃下,未來十年美國建造的晶圓廠數量可能會從按現狀推算的僅有9家躍升至19家。

這些總部設在美國的新晶圓廠將帶來最先進的製造技術和足夠的產能,以滿足美國國防和航空航天工業的半導體需求。此外,我們估計,這19家新晶圓廠可以創造約7萬個直接就業機會,顯著增加美國熟練半導體製造技術人員的人才儲備,並加強美國在先進製造工藝技術方面的能力。最後,這些政府激勵措施,以及美國新產能的建設,不會扭曲全球半導體市場。這樣的激勵措施是非歧視性的,可用於公司提出的新的增量項目。

這種性質的計劃並不旨在通過政府對產能或製造企業的所有權來挑選贏家或引導市場結果。此外,潛在的新晶圓廠的商業可行性還得到了一個事實的支持,即美國也已經具備了所有關鍵的推動因素:半導體製造技術、人才、配套基礎設施、貫穿價值鏈的蓬勃發展的半導體生態系統,以及全球市場准入。這最大限度地降低了造成全球產能過剩的風險,而全球產能過剩顯然不符合美國半導體產業的利益。

扭轉美國半導體製造業的頹勢

半導體產業在技術領先和國家安全方面的戰略性質,引發了人們對過去30年美國在全球半導體製造產能中所占份額持續下降的質疑。美國和中國之間持續的地緣政治摩擦加劇了這種擔憂。

目前,全球75%的半導體產能都集中在東亞,中國正在積極投資,力爭在2030年成為全球最大的製造強國。鑒於2020年至2030年全球產能預計將強勁增長,以滿足半導體需求的增長,未來十年為美國提供了一個止跌甚至可能擴大製造份額的市場機會。在選擇工廠所在地的一些關鍵標准上,美國已經具備相對優勢,如與現有版圖和生態系統的協同效應、技術人才、知識產權保護等,但在成本上卻沒有競爭力。

雖然本報告的目的不是提供政策建議,但我們的分析表明,擴大目前有限的州級政府激勵措施,並在十年內制定一個新的目標為200億~500億美元的聯邦計劃,可以使美國的激勵措施與台灣、韓國或新加坡的激勵措施相一致,並重新確立美國是先進半導體製造的最有吸引力的國家的地位。

不過,扭轉歷史趨勢、擴大美國半導體製造業版圖的窗口正在迅速關閉。

首先,未來10年內滿足全球需求所需的新產能有50%已經在開發中,因此很可能已經無法染指。

此外,目前的製造強國或地區——特別是中國台灣和韓國,也包括中國大陸和正在崛起的新加坡和以色列等越來越多規模較小的地方——受益於重要的集群效應,這種效應自然有利於在現有製造基地建設新的產能,形成了一個良性循環,使得像美國這樣版圖日益萎縮的國家越來越難以維持其全球份額。

值得注意的是,盡管為了擴大美國在製造業中的份額,政府為美國晶圓廠創造公平的競爭環境是必要的,但對於繁榮的半導體製造業,還有其他重要的結構促進因素,政府的支持可能是有益的。材料和製造科學的基礎研究是創新的基礎,歷史證明,政府的支持在這個領域是有效的。同樣,政府鼓勵國內製造業的另一個重要方式是支持培訓,以確保美國擁有強大的人才儲備,包括生產工程師、能夠使用高度復雜的計算機控制設備的操作員,以及熟練的技術人員。

最後,雖然美國在製造業中的地位吸引了政策制定者的強烈興趣,但美國半導體行業的實力還需要繼續致力於保持美國的研發領先地位,並確保進入全球市場。一個充分融入全球技術供應鏈的強大的美國半導體行業,對於進行數字轉型和開創人工智能新時代至關重要。與過去10年的移動革命一樣,這種突破的巨大好處將惠及所有國家的消費者和企業,而不僅僅是美國。

來源:cnBeta