(Des de la part I: Disseny de circuits integrats)

Quatre, sobre la fabricació de circuits integrats

(I) Estimacions bàsiques de Citigroup de la indústria de fabricació d'IC

Els productes semiconductors impulsen gairebé tots els sectors de l'economia, inclosos l'energia, la sanitat, l'agricultura, l'electrònica de consum, la fabricació i el transport. La demanda global d'ús final de semiconductors el 2019 és: telèfons mòbils (26%), infraestructura d'informació i comunicació (inclosos centres de dades, xarxes de comunicació) (24%); Informàtica (19%), indústria (12%), automoció (10%) i electrònica de consum (10%).

D'aquestes aplicacions diverses, al voltant del 9% admeten directament aplicacions de seguretat nacional i d'infraestructura crítica. Aquests usos finals clau dels productes semiconductors inclouen l'aeroespacial, les xarxes de telecomunicacions, l'energia i els serveis públics, la sanitat i els serveis financers. i altres usos governamentals representen poc més de l'1 per cent del consum mundial de semiconductors.

La quota dels EUA de la producció mundial de semiconductors ha caigut del 37% el 1990 al 12% actual, i s'espera que continuï disminuint sense una estratègia completa dels EUA per donar suport a la indústria.

La capacitat de fabricació dels EUA és inadequada: la capacitat de fabricació dels EUA ha estat disminuint durant dècades. La primera dècada d'aquest segle va ser especialment devastadora per a la indústria manufacturera nord-americana, amb un terç dels llocs de treball en la indústria perdut entre el 2000 i el 2010. Les petites i mitjanes empreses (pimes) han estat especialment afectades. Part de la caiguda es pot atribuir a la competència dels països de baixos salaris. Els economistes estimen que al voltant del 25 per cent de la pèrdua de llocs de treball es pot atribuir a l'augment de la Xina, especialment després que el país s'incorporés a l'Organització Mundial del Comerç. Però als Estats Units també s'ha estancat el creixement de la productivitat interna en comparació amb els seus companys econòmics, per exemple, quedant-se per darrere d'Alemanya de mitjana i en la majoria de les indústries. Avui dia, les petites empreses als Estats Units solen ser menys productives que els grans fabricants. Contràriament a la creença popular que la intel·ligència ARTIFICIAL i la robòtica estan a la volta de la cantonada, els fabricants nord-americans de petites i mitjanes empreses estan poc invertint en noves tecnologies que milloren la productivitat. La pèrdua de la capacitat de fabricació comporta la pèrdua de la capacitat d'innovació. La capacitat de fabricació és la base de la innovació de producte. Un cop es perd la capacitat d'innovació, és difícil reconstruir-la. Quan la capacitat del circuit INTEGRAT s'ha traslladat a l'estranger en les últimes dècades, la recerca i el desenvolupament i la cadena de subministrament industrial més àmplia han seguit sovint.

(2) Cadena de subministrament de productes semiconductors

Des del disseny fins al packaging fins a la integració en els productes electrònics finals adquirits pels clients, la cadena industrial és extremadament complexa i dispersa geogràficament. Un procés típic de producció de semiconductors inclou diversos països i els productes poden travessar les fronteres internacionals 70 vegades a causa de l'especialització de l'empresa en enllaços específics. Tot el procés dura fins a 100 dies, dels quals 12 dies es transfereixen entre els enllaços de la cadena de subministrament. A continuació es mostra una representació senzilla de la cadena de subministrament.

La petita mida i el pes lleuger dels productes semiconductors són factors importants per aconseguir una cadena de subministrament intergeogràfica tan complexa. El cost d'enviament de productes semiconductors és baix en comparació amb el seu valor. Tanmateix, també significa que la interrupció de les rutes de transport pot suposar un risc per a la cadena de subministrament. En la cadena s'han d'utilitzar diferents mitjans de transport (per exemple, aeri, mar, camió), segons l'etapa i la distància a recórrer, així com la naturalesa del producte. En alguns casos, el transport també requereix una manipulació especialitzada, com ara la manipulació de gasos i productes químics perillosos i d'alta puresa utilitzats en la fabricació, o la protecció dels equips electrònics sensibles dels danys.

Fabricació de semiconductors: estructura industrial

Les fàbriques que processen hòsties i fabriquen circuits integrats tenen dos models de negoci bàsics. La primera és una empresa de semiconductors integrada verticalment o empresa IDM. Realitzen internament tots els passos del procés de disseny i fabricació de productes semiconductors, des del disseny fins a les proves finals. Les empreses IDM representen aproximadament dos terços de la capacitat global de semiconductors. Tot i que Intel, l'empresa líder d'IDM als Estats Units, produeix principalment dispositius lògics, la majoria d'altres empreses IDM produeixen principalment xips de memòria com ara DRAM, dispositius discrets i circuits integrats analògics. A més d'Intel, els Estats Units acullen diverses de les companyies IDM líders del món, com ara Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, en semiconductors i instruments de Texas. Val la pena assenyalar que, si bé aquestes empreses tenen la seu als Estats Units, fabriquen el producte final a fàbriques d'arreu del món. A més dels EUA, per exemple, Intel té plantes de processament d'hòsties a Israel, Irlanda i la Xina. I Samsung, que té la seva seu a Corea del Sud, i altres empreses amb seu a l'estranger (no nord-americanes) tenen fàbriques de xips als Estats Units a més de les seves a l'estranger (no americanes). Segons l'informe SIA, el 44% de la capacitat de les empreses de semiconductors nord-americanes es troba als Estats Units. En general, les empreses IDM dels Estats Units van representar el 51% dels ingressos operatius totals dels fabricants globals d'IDM el 2020. Els Estats Units són especialment forts en circuits integrats de lògica digital i circuits integrats analògics.

Hi ha altres empreses líders de productes de semiconductors més nord-americans (per exemple, AMD, nvidia, broadcom i qualcomm i l'esperit de joc) és el model de negoci "no fabs semiconductor company", l'empresa dissenyarà dades per proporcionar una empresa independent especialitzada en la fabricació de foneria de semiconductors, per les empreses de foneria en la fabricació i processament de productes d'encenall. Aquestes fundicions de tercers es classifiquen com a "fones de semiconductors purs" perquè no dissenyen ni venen cap dels seus propis productes de xips, sinó que actuen com a fabricants contractuals per a empreses de semiconductors sense fables (aquestes fundicions de vegades proporcionen capacitat addicional o produeixen certs xips per a IDM). venedors). Algunes empreses IDM, especialment Samsung, també ofereixen serveis de processament per a empreses de semiconductors sense fables.

A mesura que la tecnologia avança i el cost de la construcció i manteniment d'instal·lacions de fabricació de semiconductors d'última generació es dispara, el model de negoci d'empresa + foneria sense faules és cada cop més comú. Els avenços continuats en la tecnologia de fabricació de xips requereixen equips de fabricació completament nous i cada cop més cars. Les fàbriques d'última generació (a nodes de procés de 5 nm) costen almenys 12 milions de dòlars. Una única màquina de litografia ultraviolada extrema (EUV), que es requereix a 5 nm o menys i que sovint s'utilitza a 7 nm, pot costar fins a 150 milions de dòlars. A més de les màquines de fotolitografia, les fabriques requereixen molts altres tipus d'equips. S'estima que la inversió necessària per a la propera generació de fabs, que funcionarà en nodes de 3 nm, podria superar els 20 milions de dòlars. A més, després de l'establiment de noves fàbriques, els costos d'explotació seran molt elevats i requeriran una inversió de capital contínua i costosa; També és necessari mantenir la tecnologia d'avantguarda requerida pels dissenyadors de processos per continuar operant als nodes de producció més avançats. Les fundicions pures es beneficien d'economies d'escala que els permeten absorbir i absorbir els enormes costos de les plantes de semiconductors amb una utilització de capacitat alta i eficient. Segons la SIA, les fundicions pures representen aproximadament un terç de la capacitat mundial de xip. Entre ells, la producció de xips lògics va representar gairebé el 80%. [敏感词] Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), la primera foneria d'hòsties pures del món, va ser fundada el 1987 i avui domina el mercat de la foneria.

El mercat de fabricació per contracte està dominat per les empreses [敏感词]estes, amb TSMC que només representa el 53 per cent del mercat. En general, [敏感词]aquestes empreses de foneria representen el 63 per cent del mercat global de foneria. Corea del Sud representa el 18% i la Xina el 6%. GlobalFoundries, una foneria amb seu als Estats Units i propietat d'ABU Dhabi, té una participació del 7%, que representa més de la meitat del 13% restant del mercat de la foneria.

Com s'ha esmentat anteriorment, tot i que els EUA tenen una gran quota de mercat en xips produïts per empreses IDM, només representen al voltant del 10% dels ingressos globals de la foneria. Les foneries asiàtiques representen al voltant del 80% del total. Només [敏感词] representa el 63% de la fabricació per contracte mundial. Això vol dir que, mentre que els EUA són líders en disseny de semiconductors, les seves empreses nacionals sense fables depenen molt dels fabricants estrangers per contracte, principalment a Àsia, per fabricar els seus productes. Tot i que aquest model d'agent-negoci és adequat per a productes de circuits integrats per a aplicacions comercials de gran volum, moltes aplicacions relacionades es troben en lots petits, cosa que fa que l'adopció de tecnologies avançades de fabricació de semiconductors per a aplicacions sigui incerta i difícil.

Per als Estats Units, la gran majoria de la fabricació de semiconductors (tant en models IDM com en foneria) es fa a l'estranger: [敏感词], Corea del Sud, Japó, Xina i Estats Units. Al voltant d'un 12% de la capacitat mundial de fabricació de semiconductors es troba als Estats Units, per sota del 37% de la dècada de 1990. El 2019, [敏感词] va representar al voltant del 20% de la capacitat instal·lada mundial, seguida de Corea del Sud amb un 19%. El Japó representava el 17%, la Xina el 16% i Europa el 9%. El 6% restant de la capacitat es troba a Singapur, Israel i altres parts del món.

De les 40 principals instal·lacions de fabricació de semiconductors ubicades als Estats Units, la meitat (20) utilitzen hòsties de 300 mm (12 polzades); Una altra producció utilitza hòsties de 200 mm (8 polzades) o menys. Entre el 2009 i el 2018, més de 100 plantes de fabricació d'hòsties de 150-200 mm van tancar a tot el món, amb el 70% dels tancaments als EUA i al Japó. Segons IC Insights, fins a 68 plantes de fabricació d'hòsties tenen dècades d'antiguitat, més enllà de la seva vida útil raonable. Les fabriques tancades es substitueixen en part per noves instal·lacions que són més rendibles o millorades; També hi ha algunes fabs que són massa cares per operar, i les empreses estan recorrent a fabs lleugers o models de negoci sense fables.

A nivell nacional, sis empreses operen fàbriques de 20 mm en vuit estats, tal com es detalla a la taula següent. A més de Skorpios, cinc empreses més també operen fàbriques d'hòsties fora dels EUA.

Com s'ha indicat anteriorment, Intel té operacions de fabricació de semiconductors a Israel, Irlanda i la Xina. A més de les seves fabs als Estats Units, Micron opera fabs a Singapur, Japó i [敏感词]. Texas Instruments té producció d'hòsties a la Xina, Malàisia, [敏感词] i les Filipines, així com a Texas. GlobalFoundries és la principal fundició d'hòsties pures als EUA, és propietat de l'emirat d'ABU Dhabi a través del fons sobirà Mubadala i té instal·lacions de fabricació d'hòsties a Alemanya i Singapur. El 2019, la companyia va cancel·lar els plans per obrir una fàbrica a Chengdu, Xina.

Tot i que la capacitat de fabricació de xips dels EUA és relativament estable, la capacitat i la producció fora dels EUA creixen, especialment a Àsia. Com a resultat, SIA preveu que la quota dels Estats Units de la capacitat de semiconductors caurà al 10 per cent el 2030, mentre que la quota d'Àsia creixerà fins al 83 per cent. El 2019, cap de les sis noves instal·lacions de fabricació de semiconductors obertes al món es trobava als Estats Units, sinó quatre a la Xina.

Tal com s'ha comentat a la secció "Disseny" d'aquest informe, es cobreixen tres tipus principals de xips: de memòria, lògics o digitals i analògics. Com mostra el gràfic següent, diferents parts del món s'especialitzen en diferents àrees. Per exemple, només el 5% dels xips de memòria es produeixen als Estats Units, en comparació amb el 44% a Corea del Sud i el 14% a la Xina continental. En memòria, la Xina es va centrar en la ràpida expansió de Changjiang Storage, destinant 24 milions de dòlars en subvencions a l'empresa (només per a la seva planta de Wuhan). La seva expansió i els seus productes de baix preu representen una amenaça directa per a MICron i Western Digital, fabricants de xips de memòria dels EUA.

En xips lògics o digitals (com ara ordinadors i microprocessadors de telèfons mòbils), els EUA no produeixen cap node de procés avançat (menys de 10 nanòmetres), mentre que [敏感词] té un 92 per cent. En altres tecnologies de bloqueig lògic, els Estats Units són molt líders: el 43% dels xips lògics més avançats (10-22 nm) i el 6% al 9% de la generació anterior (28 nm i ab).ove) els xips lògics es produeixen als Estats Units; [敏感词] produeix el 47 per cent d'aquests xips lògics, mentre que la Xina produeix aproximadament entre el 19 i el 23 per cent dels xips lògics. Finalment, per al segment de components analògics/discrets, el 19% es produeix als Estats Units, el 17% a la Xina i aproximadament el 27% a Corea.

(iv) Revisió de la fabricació de circuits integrats

Els Estats Units no tenen capacitat de producció al nivell tecnològic més avançat:

Els EUA no tenen capacitat de producció de semiconductors per als nodes de procés de semiconductors més avançats (actualment 5 nanòmetres), que actualment només són operats per TSMC ([敏感词]) i Samsung (Corea del Sud). El FAB més avançat dels Estats Units és la línia de procés de 10 nm operada per Intel, que no s'espera que entri a la producció completa de 7 nm fins al 2023, i que va anunciar el gener de 2021 que utilitzaria el sistema de 7 nm o "millorat" de TSMC. per sota de la línia de producció dels seus últims productes de circuits lògics. Com a resultat, les empreses de xips sense fables dels Estats Units depenen gairebé completament dels productors asiàtics, especialment TSMC, per produir els xips més avançats (7 nm o menys). A més dels riscos de la cadena de subministrament causats per la producció concentrada geogràficament, la manca de capacitats tecnològiques nacionals d'última generació planteja problemes de seguretat nacional, ja que algunes aplicacions requereixen un accés segur a la tecnologia de procés d'última generació per garantir la superioritat tecnològica.

Els ingressos per vendes de productes xips depenen de la Xina:

Els fabricants de xips nord-americans també depenen molt de les vendes a la Xina a causa del seu domini en la producció d'electrònica. La Xina és el mercat més gran de semiconductors, la majoria dels quals es reexporten a mesura que s'acoblen a l'electrònica de terminals, incloent-hi l'electrònica de consum i els aparells. Per exemple, el proveïdor de xips de telèfon mòbil Qualcomm va obtenir dos terços dels seus ingressos de la Xina, mentre que el fabricant de memòria Micron va obtenir el 57% dels seus ingressos de la Xina, segons dades de 2018 de The Economist. Intel va informar el 2020 que la Xina representava el 26 per cent dels seus ingressos. La gran dependència de les vendes a la Xina proporciona al govern xinès una influència econòmica i el potencial de represàlia contra els Estats Units.

El desig de la Xina de liderar la indústria dels semiconductors:

La quota de la Xina a la indústria mundial de semiconductors és relativament petita i les seves empreses fan principalment xips de gamma baixa. SMIC, les fundicions pures més avançades de la Xina, només pot produir en nodes de 14 nanòmetres i té una capacitat limitada. Tanmateix, la Xina es troba enmig d'un important esforç dirigit per l'estat per desenvolupar la seva indústria autòctona integrada verticalment d'IDM, amb l'objectiu de convertir-la en líder en tots els camps l'any 2030. La quota de la Xina en la capacitat de les hòsties de semiconductors va ser del 16 per cent el 2019, però s'espera que creixi fins al 28 per cent el 2030. El govern xinès ofereix 100 milions de dòlars en subvencions per a la seva indústria de semiconductors, inclòs el desenvolupament de 60 noves plantes de fabricació. Com s'ha comentat a la part de "disseny" de la cadena de subministrament, la Xina ha subvencionat de manera agressiva els seus propis fabricants de xips de memòria per trencar la seva dependència de les tres empreses de memòria més grans del món: Samsung (Corea del Sud), SK Hynix (Corea del Sud) i Micron (EUA). ). Micron, una empresa de memòria nord-americana, és un competidor directe de l'emmagatzematge de Changjiang i és probable que sigui la primera empresa nord-americana que vegi la seva competitivitat i innovació futures amenaçades per les subvencions xineses als seus competidors.

Exempció de responsabilitat: aquest article es reimprimeix de "Mr. Wang's Restaurant Talk", aquest article només representa les opinions personals de l'autor, no representa les opinions de Sakwei i la indústria, només per reimprimir i compartir, donar suport a la protecció dels drets de propietat intel·lectual, reimprimir si us plau, indiqueu la font original i l'autor, si hi ha una infracció, poseu-vos en contacte amb nosaltres per eliminar-lo.