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《半导体检测行业报告：集成电路国产化加速，第三方检测发展空间广阔》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 发布时间：2023-12-12

  • 半导体市场在长期中保持高景气，叠加国产替代深化，有望推升半导体检测分析需求，第三方实验室检测有望充分受益。根据 IC Insights 预测，2022 年至 2026 年半导体市场将呈现 6.5% 的年平均增长率。同时，全球半导体行业正经历第三次产业转移，叠加国家产业政策激励，尤其是中兴和华为禁令事件后，国产替代进程加速。半导体产业国产化必然经历反复研制与试验的过程，作为半导体产业链的重要环节，半导体检测需求有望快速增长，第三方实验室检测凭借自身优势，叠加技术+人才+资金壁垒，有望充分受益。

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    《FinFET之后，集成电路怎么发展？》
    • 来源专题：半导体工艺技术
    • 发布时间：2018-08-29
    • 芯片制造商已经在基于 10nm 和/或 7nm finFET 准备他们的下一代技术了，但我们仍然还不清楚 finFET 还能坚持多长时间、用于高端设备的 10nm 和 7nm 节点还能延展多久以及接下来会如何。 在 5nm、3nm 以及更小节点，半导体行业还面临着巨大的不确定性和许多难题。即使在今天，随着每个节点的工艺复杂度和成本的上升，传统的芯片尺寸缩减也在放缓。因此，能够负担先进节点芯片设计的客户越来越少。 理论上，正如英特尔所定义的那样，finFET 有望延展到 5nm 节点。（一个完整延展的 5nm 工艺大致相当于代工厂的 3nm）。不管这些让人困惑的节点名称是啥，finFET 很可能将在 fin 宽度达到 5nm 时寿终正寝。所以在 5nm 或更先进的节点，芯片制造商将需要一种新的解决方案。否则传统的芯片缩放将会放缓或完全停滞。 一段时间以来，芯片制造商已经为 5nm 及以后节点探索了各种各样的晶体管。到目前为止，仅有三星提供过细节。在 5 月份，该公司推出了自己的技术路线图，其中包括在 2020 年之前实现一种 nanosheet FET。 其它芯片制造商也倾向于同一时间框架内的相似结构，即使它们还没有公开宣布它们的意图计划。 nanosheet FET 和其它变体、nanowire FET 都是属于环绕栅极（gate-all-around）类别。其它变体还包括hexagonal FET、nano-ring FET 和 nanoslab FET。 图 1：水平式环绕栅极架构的类型，来源：高通、 Synopsys、Applied Materials 目前来看，环绕栅极技术似乎是 finFET 之后最实用的技术。这是 finFET 之后的一步进化，它们具有很多同样的工艺步骤和工具。有一种横向环绕栅极技术基本上就是一个被栅极包裹着的侧向 finFET。细小的线或片用作信道。 另外还有其它晶体管选项。一些芯片制造商甚至寻求使用先进的封装技术来进行扩展。供应商正在权衡各种选择以及寻求每种方法的技术价值和经济价值。“finFET 还能延展一两代，”英特尔一位资深研究员和工艺架构与集成总监 Mark Bohr 说，“但问题可能在于‘其中一种替代技术是更好的选择吗，它是否是环绕栅极的、III-V 族材料或隧道 FET？’如果我们不得不这样做，我们可以扩展 finFET。但问题在于‘还有更好的选择吗？’” 所谓的 III-V 族材料，Bohr 是指通道中使用 III-V 族材料的 finFET，这可以极大提升器件中的迁移率。隧道 FET（TFET）是一种陡峭次阈值斜率器件（steep sub-threshold slope device），可以在很低的电压下运行。 尽管环绕栅极技术气势正盛，但并不是每个人都会选择它——至少目前还没有。“我不一定赞同那一点，但它确实赢得了很多关注。”Bohr 在一次采访中表示，“现在就预测哪种技术会成功还为时尚早。但现在已经有足够多的好想法能确保还能再多续几代。” 但是，分析师相信 10nm/7nm finFET 还将在可预见的未来里持续。International Business Strategies（IBS）首席执行官 Handel Jones 说：“（finFET 提供了）更高性能、更低功耗和更低成本的组合。” 如果下一代晶体管在 5nm 或以后节点投入生产，那么这项技术将会非常昂贵且会受限于特定的应用。Jones 说：“很可能会采用环绕栅极，但主要的好处在于高性能。”据 IBS 报告称，在 5nm 节点将需要花费 4.76 亿美元来设计一款主流芯片，相较而言，在 7nm 节点为 3.492 亿美元，在 28nm 节点为 6290 万美元。 图 2：IC 设计成本，来自 IBS 为了帮助客户取得领先，Semiconductor Engineering 已经预先估计了未来的状况并突出强调了其中的难点工艺步骤。 不同的选择 未来至少有三条主要路径——暴力缩减尺寸、停留在成熟节点和先进封装。 那些资金充足的公司很可能继续推进传统的尺寸缩减，实现 10/7nm 及以后节点。环绕栅极技术是 finFET 之后的领先者，至少目前来说是这样。更长期来看，还有其它选择，比如 III-V 族 finFET、互补式 FET（CFET）、TFET 和垂直纳米线（vertical nanowires）。垂直纳米线涉及到以垂直的方式对线进行堆叠。 CFET 是一种更加复杂的环绕栅极技术，其中 nFET 和 pFET 线堆叠在彼此之上。当前的环绕栅极器件只堆叠一种类型的线，不管是 nFET 还是 pFET。 CFET、TFET 和垂直纳米线是更具变革性的技术，预计在短期内无法实现。它们将需要新的突破。 图 3：后几代晶体管架构，来自 Imec/ISS. 所以高端玩家会怎么做？GlobalFoundries 首席技术官 Gary Patton 说：“7nm 将是一个长寿的节点。finFET 还有很长的路要走。finFET 仍然还有很大的扩展空间。” 在 finFET 之后，研发方面存在多种选择。比如 GlobalFoundries 正在探索纳米片、纳米线和垂直纳米线。 对于一项技术的决策和时机选择取决于各种技术和经济因素。“你要努力开发一种能够生产并能提供价值主张（value proposition）的工艺。”Patton 说，“这种事已经不如以往那样直观了。而需要远远更多的审查核验。” 事实上，一项技术可能会持续处于研发阶段十年之久。然后根据一系列指标，最好的技术上市，其它技术则为之崩猝。 但是可以确定，并非所有公司都会需要 finFET 和纳米线。大部分都会停留在 22nm 平面工艺或以上的节点。许多公司无力承担 finFET，而且模拟和射频等器件也不需要这种技术。 “10nm、7nm 和 5nm 听起来很诱人。”联华电子公司（UMC）业务管理副总裁Walter Ng 说，“但有多少公司能真正负担得起并且把设计和制造费用赚回来？只有少数几家才能真正做到需求推动前沿。” 但那些处于 22nm 及更高节点的公司也面临着一些挑战。“其它每家公司都需要了解它们可以怎样继续竞争。”Ng 说，“他们正在努力寻找一种实现差异化和压低成本的方式。” 所以很多公司转向了先进封装。所有芯片都需要 IC 封装，比如说，客户可以使用传统的封装，比如倒装 BGA。先进封装是这一思想的延展，在同一封装集成多个 die 以创造高性能系统。2.5D/3D 和 fan-out 是这类方法的代表。 所以这一市场的最终赢家会是谁？Coventor 首席技术官 David Fried 说：“还没有答案。人们确实还是寻找应用来推动实际的解决方案。” Fired 指出并不存在一种适用于所有应用的解决方案。比如，finFET 或后续技术的晶体管可以用于高端微处理器。“但对于物联网设备，这可能是个错误方向。”他说，“不存在一种能够推动整个市场的单一应用。人们必须停止寻找一劳永逸的答案。很多不同的技术可以在同一时间都获得成功，但它们针对的是不同的应用。” Fried 预测说：“我猜想 7nm 似乎是相当具有变革性的。将会是 finFET。如果我们看到变成了 finFET 之外的其它技术，那可能是在 5nm 节点了。但要记住，横向环绕栅极纳米线器件（lateral gate-all-around nanowire device）就像是使用了 2 次额外蚀刻的 finFET。从 finFET 到横向环绕栅极纳米线器件是相当变革性的。我希望我们能在 5nm 节点时开始看到它。除此之外，我们并没有太多可见性。” 晶体管趋势和工艺 现在 finFET 是前沿的晶体管技术。在 finFET 中，对电流的控制是通过在 fin 的三个侧面的每一个上实现一个栅极来实现的。 栅极间距（gate-pitch）是一个关键指标。英特尔 10nm finFET 技术的栅极间距是 54nm，14nm 技术的栅极间距是 70nm。（英特尔的 10nm 相当于代工厂的 7nm）。 当栅极间距接近 40nm 时，就需要重大决策了。根据 Imec 的仿真，finFET 开始接近 42nm 栅极间距了。Imec 半导体技术和系统执行副总裁 An Steegen 说：“纳米线将会向下扩展并且仍然会有很好的静电控制。”据 Imec 介绍，纳米线 FET 已经在 36nm 栅极间距上表现出了很好的静电控制能力。Imec 也已经设计出了一种直径低至 9nm 的纳米线。 图 4：Imec 的微型纳米线，来自 Imec 一般而言，环绕栅极可以提供比 finFET 更好的性能，但也存在一些难题，即驱动电流和寄生电容。将这些问题结合到一起的是一个相对新的层，被称为 middle-of-line（MOL）。MOL 使用一系列接触式结构将分离的晶体管和互连件连接起来。在 MOL 中，寄生电容是个问题。它会给器件的各个部分带来外部电阻。这包括与低电阻肖特基势垒和硅化物所在的结（junction）的接触。 有一种版本是横向纳米线 FET，其中你是将一个 finFET 切成碎片，每一个碎片都变成一个微小的水平纳米线，用作源极和漏极之间的通道。 其它常见变体还包括纳米片（nanosheet）或纳米板（nanoslab）FET。这两种技术都类似于横向纳米线 FET，但线要宽和厚很多。 每一种变体都有各自的优势劣势。英特尔的 Bohr 说：“（纳米片 FET）并不如听起来那样具有变革性。它只是侧向放置的 finFET。不确定它是否有纳米线那样高的价值。” 在纳米线 FET 中，环绕栅极整条线，可以实现对栅极的更好控制。Applied Materials 晶体管与互连组高级总监 Mike Chudzik 说：“正是这种改进过的栅极控制，使得你可以继续延展栅极长度。” 正如前面说的那样，finFET 被切割成了碎片。因此，器件上的表面积会减少。Chudzik 说：“你正在失去硅本身的红利。我很肯定你能在截止电流上获得好处，但在整体驱动电流上会出现缺憾。” 所以纳米片 FET 也是合理的。他解释说：“这就是你开始延长这些线的地方。你要获得更大的驱动电流。此外，你也可以调整这些线或片的形状来帮助降低电容。” 另一个被称为 nano-ring FET 的版本也有类似的优势。他说：“nano-ring 的整个思想实际上就是将片稍微挤压到一起，这么做能够有效地降低电容。” 第一款环绕栅极器件很可能将有三根线。但随着时间的推进，芯片制造商将需要堆叠更多的线以提供更多性能。他说：“我们肯定不想引入一种只能持续一个节点的新器件架构。（所以我们的想法）是考虑堆叠更多纳米板。但你不能只是不断无限地堆叠通道，因为你会遇到大量同样的寄生、电容和阻抗问题，正如你会在更高的 finFET 中遇到的那样。” 作为未来的预兆，GlobalFoundries、IBM 和三星最近发表了一篇关于 5nm 和 3nm 节点纳米片 FET 的论文；称这项技术相比于 finFET，能在更小的 footprint 上得到更好的性能。 图 5：(a) finFET、(b) 纳米线 (c) 纳米片的横截面仿真图，来自 IBM 对一些层使用极紫外（EUV）光刻技术，来自这三家公司的纳米片 FET 有三个片或线。它有 12nm 的栅极长度、使用 5nm 硅通道的 44nm/48nm 接触的 poly pitch。据该论文称，nFET 有 75mV/decade 的亚阈值斜率（sub-threshold slope），而 pFET 的则为 85mV/decade。 在实验室中，研究者堆叠了 3 层纳米片，每一片厚度为 5nm，中间有 10nm 的间隔。他们使用片宽度为 15nm 到 45nm 的单堆叠纳米片结构演示了逆变器和 SRAM。该论文称：“相比于具有继承于 finFET 的多个阈值和隔离解决方案的 extremely scaled finFET，它有更好的静电性能和动态性能。所有这些优势使得堆叠的纳米片器件成为了一种非常有吸引力的 finFET 替代选择，而且可以扩展到 5nm 及以后的器件节点，在图案化策略方面的复杂度也更低。” 图 6：堆叠的纳米片工艺序列和 TEM，来自 IBM、Samsung、 GlobalFoundries. 一般而言，环绕栅极和 finFET 的工艺步骤是类似的，只有一些例外。但这些例外使得环绕栅极技术具有了很大的挑战性。图案化、缺陷控制和变异性是其中的一些问题。 环绕栅极的第一步就不同于 finFET。在环绕栅极中，目标是使用一个外延反应器（epitaxial reactor）在基底上构建一个超晶格结构。这个超晶格由交替的硅锗（SiGe）层和硅层构成。理想情况下，一个堆叠由 3 层 SiGe 和 3 层硅构成。 然后，就像 finFET 流程一样，下一步涉及到浅沟槽隔离的形成。Applied Materials 的 Chudzik 说：“这个超晶格在硅锗和硅之间有 ultra-abrupt 结是至关重要的。” 接下来是下一个关键步骤。在环绕栅极中，栅极不仅会围绕通道，而且还会围绕一些接触区域。这会增加这个混合结构的电容。Chudzik 说：“所以你需要形成所谓的 inner spacer，这里你实际上是将高 k 区域和源极-漏极区域隔开。这可以通过 ALD 类型的薄膜完成。” 然后，使用一种替换工艺从这个超晶格结构中移除 SiGe 层。这会留下硅层和它们之间的间隔。每一个硅层都是纳米线的基础。 掩模/光刻难题 在这个工艺流程中，还有一系列光刻步骤。在 16nm/14nm 和 10nm/7nm 节点，芯片制造商使用的是今天的 193nm 浸没式光刻工具和多重图案化。 在 7nm 和/或 5nm 节点，半导体行业希望加入 EUV。在 EUV 中，电源将等离子体转换成13.5nm 波长的光，从而在芯片上实现更精细的特征。 芯片制造商希望为最困难的部分加入 EUV，即 metal1 和通孔。在其它许多步骤，还将继续使用传统的光刻技术。 据 ASML 报道，与三重图案化相比，EUV 可以将金属线的成本降低 9％，将通孔的成本降低 28％。ASML 产品营销总监 Michael Lercel 说：“（EUV）可以消除晶圆厂的步骤。如果考虑执行多次浸没式光刻步骤的成本，再加上其他工艺步骤（如清洁和计量）的成本，我们相信相比于三重图案化浸没式和肯定的四重图案化等等，EUV 每层的成本更低。” 但目前 EUV 还不足以用于生产。ASML 正在准备其最新的 EUV 扫描机 NXE:3400B。起初这款工具配置了一个 140W 的电源，可以实现 100 片晶圆/每小时（wph）的吞吐量。 为了将 EUV 投入生产，芯片制造商需要 250W 的功率，实现 125 wph 的吞吐量。ASML 最近已经开发出了一款 250W 电源，将在明年年初出货。 与此同时，EUV 抗蚀剂是另一个绊脚石。为了让 EUV 达到所需的吞吐量，行业需要 20mJ/cm² 剂量的抗蚀剂。“好的成像似乎需要更多，现在达到了 30mJ/cm² 到 40mJ/cm² 的范围。”Lam Research 技术管理总监 Richard Wise 说，“所以为了我们希望达到的目标，剂量不是必需的。” 比如，据分析师称，在 30mJ/cm² 剂量下，250W 电源的 EUV 扫描机的吞吐量是 90 wph，这低于所需的 125wph 目标。 但是开发所需剂量的抗蚀剂难度很大。Wise 说：“要降低剂量，存在大量的基础物理难题，因为 EUV 存在随机效应。” 这涉及到一种被称为光子散粒噪声（photon shot noise）的现象。光子是光的基本粒子。在图案化的过程中，光子数量的变化会影响 EUV 抗蚀剂。它可能导致出现我们不想要的线边缘粗糙度（LER）——LER 的定义是理想形状上特征边缘的偏差。 在行业攻坚抗蚀剂的同时，光掩模制造商也正在开发 EUV 掩模。今天的光掩模由一个在玻璃基底上的不透明铬层组成。而 EUV 掩模则是一种反射技术，由基底上交替的硅层和钼层组成。 “我们需要 EUV 来避开三重图案化。”D2S 首席执行官 Aki Fujimura，“这意味着 EUV 掩模将会有比 ArF 掩模多很多的主特征，而且其中每一个特征都会很小。由于 EUV 能更准确地反映晶圆上的掩模偏差，所以 EUV 掩模需要印刷更多更小的结构，且每一个都要更准确。” 要生产 EUV 掩模，光掩模制造商还需要一些新工具。比如他们需要更快的电子束掩模写入器。随着掩模特征越来越复杂，今天的单束电子束工具需要更长的时间来图案化或写入掩模。今天的电子束基于可变形束（VSB）技术。 这个问题的解决方案是多束掩模写入器，今天已有 IMS 在提供多束掩模写入器了，可用于光掩模和 EUV 掩模，而 NuFlare 也正在开发多束工具。 多束有助于改善掩模产量、周转时间和成本。Fujimura 说：“世界上大多数掩模仍然可以完美地使用 VSB 写入器制造，但关键的少数将需要多束写入，从而保证合理的写入时间。” 他说：“最可能的情况是 EUV 将在 5nm 节点时就绪，一些掩模层将会有很高的多束写入需求。比如，如果一个掩模层包含大量非正交、非 45 度的特征，那么肯定会需要多束。193i 无法看到掩模上的小扰动，所以在有相对大的步进大小时，这些图案的‘曼哈顿化（Manhattanization）’效果良好。但是 EUV 可以做到更好，这会极大地增加发射数量，使得 VSB 写入不太可能实现。但这些是针对特定芯片的非常专门的掩模。对于绝大多数掩模层，尽管掩模上的主特征的数量会倍数式地暴增，但用来描绘装饰图案和 SRAF 的发射的数量却将大幅减少。具有足够精度的先进 VSB 写入器可能足以用于大多数 EUV 掩模了。” 检测/计量难题 在 5nm 及以后节点，检测和计量也是一大关键。“向垂直架构发展的趋势带来了缺陷隐藏的检测难题和描述复杂的计量难题。”KLA-Tencor 客户参与高级总监 Neeraj Khanna 说，“在这些节点，EUV 会被大量采用，这会推动新的随机和系统性的缺陷机制。随机问题将会带来对更高采样率的需求。” 这意味着什么？Khanna 说：“我们预计这些新架构会带来对检测和计量的新需求。这个行业必须不断创新和拓展核心技术。”
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    《美国半导体产业协会发布《2020年美国半导体产业现状分析》报告》
    • 来源专题：集成电路
    • 发布时间：2020-06-24
    • （本文内容来源内容于“半导体行业观察“微信公众号） 导读：近来，因为美国对华为的禁运，国内读者，乃至全球的相关人士都对美国半导体的实力和中美的半导体纷争有了高度的关注。美国甚至在最近一个月兴起了半导体制造复兴热潮，多个议员甚至建议美国本土推出相关政策和资金支持半导体的发展。为此，SIA发布了这份报告，深入谈了美国半导体产业所处的现状和面临的挑战。 数十年来，美国公司在生产这些为现代技术提供动力的微型芯片方面一直处于世界领先地位。美国在半导体领域的领导地位是美国成为全球最大经济体和领先最先进技术的重要原因。 自2020年初COVID-19开始以来，人们就已经在利用半导体技术去寻找治疗方法、照顾病人、居家工作和学习、订购杂货和其他基本物品，以及维持支撑现代社会的无数其他系统。这提醒人们半导体在应对世界上最紧迫的挑战和危机中的重要性。 美国半导体行业继续保持其在半导体技术方面的全球领先地位，这些技术对未来至关重要，包括人工智能(AI)、量子计算和先进的无线网络(如5G)。尽管2019年全球销量同比增长为负，但美国半导体行业仍保持了其全球市场份额的领先地位，并且在研发(R&D)和资本支出(capex)方面保持了很高水平的投资。 这些行业投资使美国在半导体创新方面保持了领先的地位。美国企业在5G技术方面处于领先地位，且已经开发出了所有与人工智能和大数据相关的先进半导体，这些半导体为从超级计算机到互联网数据中心的一切事物提供了动力。 然而，美国汽车业面临着一系列挑战。新冠肺炎疫情颠覆了全球经济，扰乱了全球供应链，造成短期内市场的严重不确定性。在半导体制造和设计领域，尤其是在前沿领域，不断上升的创新成本也构成了新的挑战。此外，尽管美国在半导体设计和研发方面仍处于全球领先地位，但芯片制造的最大份额目前正在亚洲。最后，全球政治的不稳定，特别是在贸易政策方面，迫使美国工业考虑如何在一个不可预见的不确定性和政策限制的世界中保持竞争力。美国半导体行业非常依赖其深厚的全球供应链和进入海外市场的渠道。 总体而言，尽管美国行业继续领先于全球行业，但在寻求保持其在未来的领先地位时，也面临着明显的挑战。 全球半导体市场 五十年前，半导体技术帮助人们登上月球，并使他们安全地返回家园。最近，半导体使自动驾驶汽车成为可能。半导体对于从经济到国家安全的所有事物的运行已变得至关重要。半导体的市场需求推动着芯片的发展，并为我们的生活带来便利，使得不可能成为可能。这就是为什么半导体行业能够保持长期增长的原因。但是，在短期内，COVID-19大流行和其他宏观经济因素存在着重大的不确定性。 继2018年创纪录的4,688亿美元的销售额之后，2019年的全球半导体销售额下降12％至4,123亿美元，这主要归因于存储器市场的周期性。2020年6月发布的《世界半导体贸易统计（WSTS）半导体市场预测》预测，全球半导体行业的销售额在2020年将略有增加，达到4260亿美元，较2019年秋季的2020年预测有所下调，这主要是由于COVID-19大流行在2020年初给全球经济和供应链到的负面影响。到2021年，据WSTS预测，全球半导体销售额将反弹至4,520亿美元。 （全球半导体销售额） 半导体市场的推动力 半导体不仅为智能手机、电脑、汽车和工业设备的各种产品提供了技术支持，同时也创造了人工智能、量子计算和先进无线网络(包括5G)等新兴市场。半导体是推动技术进步的发动机。先进的半导体可以创造更好的产品，带来更大的需求和销售收入，进而为开发更先进的半导体增加研发投入，促使新的应用出现。 例如，将低功率模拟和射频（RF）电子设备封装到芯片上，从而使手机成为可能。将所有这些打包在一起并连接到网络后，智能手机也就此出现了。这一创新也使数字经济成为可能，因为越来越强大的微处理器和网络芯片使计算机具备了足够的能力来支持云计算。如今，它正在开辟新的需求领域。而当前终端需求市场份额保持稳定。 数据显示，用于终端市场的需求直到2018年都很稳定，但在2019年中，几乎所有用于终端产品的半导体价格都出现下降。终端产品售价下降的一个主要因素是由于内存产品的价格下降。 （2019年终端使用需求） （ 按终端用途分类的2019年全球半导体总需求份额） 现在，人工智能、量子计算和先进的无线网络正在开拓半导体需求的新领域，美国公司正准备从中获益。如果历史可以为鉴，那么将来将会出现许多今天无法想象的应用。当第一部手持手机以及后来的智能手机出现时，人们认为只有高管才会使用它们。就在40多年前，第一个有四种功能的手持计算器在航空杂志上以每台500美元的价格出售，相当于今天的2400美元。那时，手持电话其实就是用电线连接到桌子或墙上的电话上的接收器。后来，令人惊讶的是，如今售出的每一部智能手机的计算器和电话功能几乎都是免费的，真正的增值是摄像头和互联网连接。在半导体领域出现第一次创新之前，这一切都不可能发生。 而我们可以想象一个半导体的未来。 智慧城市使用半导体从智能手机收集位置，方向和速度数据，以协调交通信号灯并优化交通流量。随着车辆在未来变得更加自主，它们将与交通信号灯摄像头连接，这些摄像头可以检测建筑，倒下的树木，或更重要的是，可以发现在道路上玩耍的孩子。因此5G变得更加重要。 在未来，同样的半导体技术将被用于建造更高效的工厂，通过物联网(IoT)连接起来，机器人将使组装更高效。拥有5G连接的智能私有云将提供运行智能工厂所需的人工智能。 美国半导体市场份额 半导体是在美国发明的，美国工业今天仍然是市场的领导者。尽管美国的地位在过去几十年里多次受到挑战，但由于其惊人的韧性和追赶技术的能力，使得美国始终占了上风。这并不意味着美国在未来不会受到挑战。半导体的重要性如此之大，以至于大多数信息时代的国家都在努力创建他们在半导体关键行业中某一些方面的优势，同时，世界上还有一些国家则在寻求追赶美国。 数据显示，美国半导体行业占据全球近一半的市场份额，并呈现稳定的年度增长。 自20世纪90年代末以来，美国半导体行业一直是全球销售市场份额的领导者，年全球市场份额接近50%。此外，美国半导体公司在研发、设计和制造工艺技术方面也保持着领先地位或极具竞争力。 全球销售市场份额的领先地位还使美国半导体产业可以从良性循环的创新中受益；其在半导体销售的地位使美国工业界可以对研发投入更多，从而有助于确保美国销售领导力的持续。只要美国半导体行业在全球市场份额中保持领先地位，它就将继续从这一良性创新循环中受益。 （左：2019年全球市场份额 右：创新的良性循环） 虽然美国的半导体公司在商业模式和子产品方面是市场领导者，但是对于某些细分商业模式市场，美国的产业落后于其亚洲竞争对手。 美国半导体行业在逻辑和模拟半导体的销售方面保持市场领先地位。但是，在存储器和分立半导体，其他国家和地区的行业处于领先地位。 同样，就商业模式而言，美国在某些领域（但不是全部）处于领先地位。 例如，亚洲继续主导着半导体代工业务。近80％的半导体代工厂和组装/测试业务集中在亚洲。尽管全球供应链推动了该行业的价值和效率提升，但它们也警醒了美国需要考虑在这一领域进行战略投资的必要性。 （美国半导体工业市场份额，按产品类型分类） （美国半导体工业市场份额，按商业模式分类） （一）美国技术竞争力 美国半导体行业是先进半导体芯片设计领域中无可争议的技术领导者。美国在AI所需的平台技术，微处理器，图形芯片和可编程逻辑处理器中占有大部分的市场份额。当今用于前沿逻辑应用的最先进的10纳米(nm)技术，在大约四分之一大小的芯片上封装了超过200亿个晶体管。 美国在5G相关半导体的关键设计中处于有利地位，在支持无线通信，网络管理和数据存储的芯片中也均处于领先地位。 此外，美国公司正在努力开发用于自动驾驶汽车的新芯片，包括先进的图像传感器，数据处理器和车载雷达。 美国在逻辑处理技术(即制造先进处理器、图形和人工智能芯片)方面仍然处于优势地位。然而，由于制造和技术成本的上升以及海外竞争的加剧，使得美国的领先地位已经减弱。 2010年，美国比其最接近的竞争对手韩国和中国台湾领先整整两年。在2019年，美国在逻辑处理技术上与另外两者并驾齐驱，他们都在竞相将其领先的7/10 nm技术推向市场。鉴于先进半导体制造技术的重要性，美国必须进行重大投资，以加强其全球影响力。 （左：逻辑制造的地位（领先或落后） 右：处于领先地位的制造半导体公司较少） 美国半导体行业的研发支出一直很高，这反映出美国市场份额领先地位与持续创新之间的内在联系。 从1999年到2019年，美国半导体行业研发支出以大约6.6%的复合年增长率增长。无论年度销售周期如何，美国半导体公司的研发支出往往持续较高，这反映了研发投资对半导体生产的重要性。2019年，美国半导体产业研发投资总额为398亿美元。 （研发支出） （二）5G霸主地位的全球竞争 5G是当今通信领域竞争最激烈的领域。它更快的速度和带宽对于实现智能城市和建设自动驾驶汽车所需的基础设施至关重要。半导体对于5G的部署至关重要，因为它们为传输信号的无线电设备、连接到网络的设备以及携带所有数据的主干网络提供了支持。在这里，美国公司在半导体领域处于领先地位，但政治和监管方面的不确定性，尤其是在中国市场，削弱了美国公司的竞争地位。 与此同时，中国正在积极追求5G。华为正在以比美国更快的速度建设5G基础设施，并将该技术嵌入手机中。华为还计划利用终端需求推动其基础设施，在2020年底之前向市场投放300美元的5G智能手机。缺乏进入中国巨大市场的渠道可能会严重阻碍美国在这一关键领域的发展。 值得一提的是，美国半导体行业的研发占销售额的比例是美国所有行业中最高的。 数据显示，就研发支出占销售额的比例而言，美国半导体行业仅次于制药和生物技术行业。虽然全球竞争者都在增加研发投资以与美国半导体行业竞争，但美国公司在研发上的投入占销售额的比例超过了任何其他国家的半导体行业。这些对研发的高水平再投资推动了美国半导体行业的创新，进而帮助它保持全球销售市场份额的领导地位，并在全美创造就业机会。 （研发支出占销售额的百分比） （三）美国制造业和劳动力 美国在半导体领域的领先高度依赖于两个关键因素: 1.能够投资于先进的半导体设计和制造; 2.拥有具有竞争力的劳动力。 2019年，美国的资本支出总额仅次于韩国，在生产先进逻辑设备的工厂和设备方面，美国的投资位居世界第一，占世界总投资的44%。美国的一个关键优势是能够吸引全球各地的人才来美国大学学习并选择留在美国。拥有受过高等教育、精通STEM的劳动力，这对美国未来在半导体领域的领导地位至关重要。 此外，美国半导体行业的资本支出强劲。 美国半导体行业在资本支出方面处于全球领先地位。这表明了美国工业在全球工业中作为主要制造业领导者的地位。此外，这笔支出的很大一部分用于购买设备，帮助运营全美最先进的晶圆厂。接近一半的美国半导体工厂的产能位于美国，遍布18个州，这刺激了美国的出口和就业。 然而,其他国家/地区开始在资本支出上投入更多，并且与美国的竞争也越来越激烈。在过去的三年里,韩国半导体行业的晶圆厂资本支出显着增加，同时，中国在建造新晶圆厂的资本投入也在持续增加。 事实上，美国目前只占半导体生产总量的12.5%，其中80%以上的生产发生在亚洲。考虑到当今不确定的政治环境下，美国需要采取更多措施来刺激国内半导体制造业。值得一提的是，美国无晶圆厂企业目前几乎完全依赖亚洲制造商（台积电）来生产7纳米以下的芯片，这也是决策者一直在强调的国家安全问题。 （资本支出占销售额的百分比） （左：投资于晶圆厂/逻辑厂的资本变化趋势；右：2019年半导体资本支出的百分比） （ 美国各地的半导体制造） 另外，我们还需要说一下，美国的半导体制造能力一直很稳定。 与科技制造业的其他许多领域不同，美国半导体行业的制造业产出多年来一直保持稳定。这种稳定性为美国晶圆厂带来了稳定的制造业就业基础，也是美国向海外市场出口的主要来源。然而，尽管美国的半导体制造基地仍有着稳固的基础，但世界各地的产能增长速度已经超过了美国，从而逐步侵蚀了美国在全球制造产能中的份额。 2019年，全球新建的六家半导体晶圆厂都在美国以外，其中四家在中国。中国政府正在为这些新厂投入大量资金。美国政策制定者应该优先考虑制定适当的政策，鼓励国内的fab项目建设，以与其他国家政府提供的项目相竞争。 （ 预计亚洲几乎所有制造业都将实现增长，2019到2030，全球晶圆产能预测） （美国晶圆产量(每月） 2019年，美国半导体出口总额为460亿美元，在美国出口中排名第五，仅次于飞机、成品油、原油和汽车。一直保持较高水平的原因有两个： 1.今天售出的半导体中有80％以上是在美国市场以外销售的； 2.美国有大量的半导体工厂产能。 美国半导体制造商在美国的制造基地比在其他任何国家都多。 2019年，约有44％总部位于美国的公司的前端半导体晶圆厂产能位于美国。其他的则分布在新加坡，中国台湾，欧洲和日本。值得注意的是，与其他主要市场相比，中国在前端制造方面吸引的美国投资更少。 不幸的是，在过去十年中，海外芯片制造业的平均增长率是美国的五倍。这在很大程度上是由于各国实施了强有力的激励计划来刺激半导体制造业。为此美国必须考虑采取类似的激励措施才能保持竞争力。 （四）美国半导体创新政策 联邦政府是制定促进强大和创新的美国半导体产业政策的重要合作伙伴。而在过去的一年里，美国的政策制定者已经采取措施以推进该行业的发展，包括研究、劳动力以及贸易和知识产权(IP)等方面。 在研究方面，2019年，美国政府继续资助能源部(DOE)、国防部(DOD)、国家标准与技术研究所(NIST)和国家科学基金会(NSF)的半导体研究项目。政府最近还宣布了旨在支持美国半导体工业的新研究计划，包括能源部的量子信息科学计划、国防部的电子复苏计划(ERI)和国家安全与经济竞争力的微电子创新计划。 在劳动力方面，众议院通过但尚未得到参议院批准的国会立法，将取消对就业签证的不合理和适得其反的限制，支持公平的“先到先得”制度。 而在贸易与知识产权方面，美国-墨西哥加拿大协议（USMCA）是一项自由贸易协议，旨在加强美国半导体产业，已由总统签署并获得国会批准。此外，在过去的一年中，联邦政府加大了对知识产权贸易侵用的起诉。 虽然在这三个领域取得了进展，但政府需要采取更多行动，以确保美国半导体行业的强大，并帮助该行业克服来自中国和其他全球竞争对手的挑战。 为了确保美国在全球半导体行业的持续领导地位，美国必须进行一些创新议程。 1.研究 将美国联邦科学机构在半导体专项研究方面的投资从每年大约15亿美元增加到50亿美元，用于改进新材料、设计和架构，以成倍提高芯片性能。 将美国在材料科学、计算机科学、工程和应用数学等与半导体相关的联邦科学机构的研究投资增加一倍，以刺激半导体技术的跨越式创新，这将推动未来的关键技术。 2.国内制造 建立一项新的制造补助金计划，以刺激在美国建造新的先进半导体制造设施，包括领先的逻辑代工厂，先进的存储器和模拟晶圆厂，以提供国防，关键基础设施和更广泛的基本商业需求。 为半导体制造提供税收优惠，例如为购买新的半导体制造设备提供可退还的投资税收抵免。 3.劳动力 改革高技能移民制度，使美国高等院校合格的STEM毕业生以及来自世界各地的STEM毕业生能够工作、创新，为美国在半导体行业的领导地位作出贡献，并促进美国的经济。 将美国在STEM教育上的投资增加50％，并实施一项全国STEM教育计划，到2029年使美国STEM毕业生人数增加一倍。 4.贸易和IP 批准自由贸易协定并使之现代化，包括《美国墨西哥-加拿大协定》，以消除市场障碍，保护知识产权并促进公平竞争。 为执法和情报机构增加资源，以防止和起诉包括盗用商业机密在内的半导体知识产权盗窃案。 通过实施这些政策，国会和政府可以采取关键步骤，保护美国在半导体技术方面的领导地位，并赢得未来技术的全球竞争。
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