编者按：2021年4月，美国半导体产业协会 （Semiconductor Industry Association, SIA）与波士顿咨询集团 （Boston Consulting Group, BCG）联合发布《在不确定的时代加强全球半导体供应链》（Strengthening the Global Semiconductor Supply Chaininan Uncertain Era）报告。该报告分析了全球半导体供应链带来的益处与风险，以确保其在半导体产业的长期实力与弹性。报告指出，随着生产力的发展和成本的缩减，全球半导体供应链结构在过去三十年中已经实现了巨大的创新，目前依旧出现了新的供应链漏洞，必须通过政府行为来解决，同时采取激励措施来促进芯片的生产和研究。

一、全球一体化数字经济的支柱是半导体供应链

      

半导体是设计和制造过程非常复杂的产品，产品类型有三十多种，每种类型都针对电子子系统中的特定功能进行优化。开发一个现代芯片需要在硬件和软件方面有深厚的技术专长，并依赖于专业公司提供的先进设计工具和知识产权（IP）。制造通常需要多达300种不同的原料输入，包括原晶圆、商品化学品、特殊化学品和散装气体。在过去的三十年里，半导体工业经历了快速的发展，并带来了巨大的经济收益。

1. 从1990年到2020年，半导体市场以7.5%的年复合增长率增长，超过了同期全球GDP的5%。

2. 半导体行业带来的性能和成本的提高，使上世纪90年代从大型机向PC机的演变成为可能。

3. 从1995年到2015年，全球GDP增加了3万亿美元。

二、半导体供应链

      

（一）半导体的用途和来源

半导体是高度专业化的元件，其为电子设备提供处理、存储和传输数据的基本功能。今天的半导体大多是集成电路，也被称为“芯片”。芯片是一组微型电子电路， 由有源分立器件（晶体管、二极管） 、无源器件（电容器、电阻器）以及它们之间的互连组成，在半导体材料（通常是硅）的薄片上分层放置。现代的芯片很小，在一个只有几平方毫米的区域里可以封装数十亿个电子元件。半导体可分为三大类：

1．逻辑器件（Logic）。在二进制代码（0和1）上运行的集成电路，作为计算的基本构建块或“大脑”。

2．存储器（Memory）。用于存储执行计算所需的信息。

3．离散、模拟及其他（DAO）。用于传输、接收和转换处理温度和电压等连续参数的信息。

不同国家和地区对半导体的需求占全球半导体需求的份额不同，从地理位置的角度出发，有三种方法可以用来衡量半导体需求的来源：

（1）电子设备制造商总部所在地。这些公司是芯片公司的客户， 购买他们设备所需要的半导体。例如， 在这种衡量方法下， 一家总部位于美国的公司开发的智能手机中用到的半导体将按美国需求计算，即使该产品实际上是在另一个国家生产的。

（2）设备制造和组装的地点。这些设备通常由位于不同国家或地区的制造厂组装，由原始设备制造商（ODM）或提供电子制造服务（EMS）的其他公司组装。例如， 在这种衡量方法下，一家美国公司设计的智能手机芯片，实际上是一家中国台湾的承包商在内地工厂制造的，将被计算为中国的需求。

（3）购买电子设备的最终用户的位置。半导体是元器件，其最终是由向最终用户（包括消费者和企业）销售电子设备驱动的。例如由一家美国公司设计，但在中国组装的智能手机，所含芯片的价值将分布在全球所有将这些智能手机销售给消费者的国家。美国仍占全球半导体总需求的33%，是所有地区参与率最高的地区。

（二）半导体产业链制造流程和所需材料

2019年，美国公司在大型个人电脑和信息通信基础设施应用市场中的市场份额约为45%，在智能手机和工业设备市场中的市场份额约为30%。在过去十年里，中国的参与度大大提升，现在已经成为半导体需求的主要来源地，中国半导体市场倚靠本土企业在智能手机、个人电脑和电子产品领域的实力，如华为、联想、小米、Oppo和Vivo等公司不仅在国内市场销售产品， 现在也已经成为国际市场的主要竞争对手。

任何半导体的创造和生产所涉及的产业价值链都是全球化 的且极其复杂。价值链结构由材料、设备、软件设计工具以及核心知识产权供应商组成的专门生态系统提供支持。半导体价值链包括七个差异化活动：

01、竞争前研究

竞争前研究的目的是确定基础材料和化学工艺，以在设计 架构和制造技术方面的创新，实现计算能力和效率的下一次商业飞跃，可以刺激和吸引产业研发。

02、芯片设计

随着芯片设计越来越复杂，其开发成本也迅速上升，为一款智能手机设计的最新“片上系统”（System-on-a-chip）的总开发成本（包括处理音频、视频或提供高速无线连接所需的专用模块），可能远远超过10亿美元。

03、晶圆制造

根据具体产品的不同，半导体晶圆的制造过程需要400到1400道工序。制造完成的半导体晶圆的平均时间约为12周，但对于先进工艺而言，可能需要14-20周才能完成。它利用原晶圆、商品化学品、特殊化学品以及不同类型的加工和测试工具，跨越多个阶段。

04、装配、包装和测试（后端制造） 

这一阶段将晶圆厂生产的硅片转换成成品芯片，以便组装成电子设备。然后芯片被包装到保护框架中，并封装在树脂壳中，在运到电子设备制造商之前要再次进行严格测试。

05、电子设计自动化

在设计阶段，电子设计自动化（EDA）公司提供复杂的软件和服务来支持半导体设计，包括特殊应用集成电路（ASIC）的外包设计。

06、晶圆加工和测试设备

半导体制造业在制造过程中的每一步都使用50多种不同类型的精密晶圆加工和测试设备，这些设备由专业供应商提供。 

07、材料

在2019年全球半导体制造材料销售的细分情况中，从事半导体制造的公司也依赖于材料的专业供应商。

图1  半导体价值链

主要前端材料包括：

1．多晶硅：是一种冶金级硅，纯度超精， 适合用于半导体晶圆生产。

2．硅片：多晶硅被熔化，形成单晶锭，然后被切成薄片，清洁，抛光，氧化，为制造设施内的电路压印做准备。

3．光刻掩模：平版印刷过程中用的一种覆盖有图案的印版。这些图案由不透明和透明的区域组成，可阻止或允许光线通过。

4．光刻胶：一种特殊材料，在光照下发生化学反应。硅片上覆盖有光刻胶层，光刻胶层在光刻过程中压印有光掩模中包含的图案。

后端材料包括：引线框架、有机基板、陶瓷封装、封装树脂、键合线和芯片连接材料。

（三）半导体独特的高研发、高资本密集度

半导体的设计和制造非常复杂，半导体行业呈现出高研发和高资本密集的双重态势。总体而言，该行业在2019年全球价值链活动中的研发投资约为900亿美元，资本支出约为1100亿美元，没有任何一个行业在研发和资本支出方面具有类似的高强度。同时，这种极高的投资强度需要全球化和专业化来支撑。

图2 半导体行业在研发和资本密集度方面同时位居前列

（四）半导体的商业模式

自20世纪60年代半导体工业诞生以来，半导体技术复杂性和对规模的需求急剧增加，导致设计和制造需要大量投资。

根据集成度和商业模式的不同，半导体公司可以分为四类：集成器件制造商（IDM）、无晶圆厂设计公司、铸造厂、外包组装和测试公司（OSAT）。

三、基于地域专业化的全球一体化结构

      

（一）对前沿技术及大规模生产的需求创造了高度专业化的半导体全球供应链

美国、韩国、日本、中国和欧洲在2019年的半导体行业总增加值中的贡献率均达到或超过了8%。不同地区在某些类型的终端电子设备或应用中具有相应优势：

1．美国是电子设备设计的全球领导者。美国消费电子、信息技术、汽车和工业公司的半导体占全球半导体使用量的35%，在PC和数据中心的先进芯片方面尤其突出。

2．大中华区是全球最大的电子设备制造中心。本地原始设备制造商（OEM）和合同制造商共同负责组装其他公司在别处设计的设备，这些制造商占全球消费电子产品和智能手机生产的60% 以上。

3．欧洲是全球汽车和工业自动化设备的领导者，同时，日本在这两个行业以及消费类电子产品方面表现强劲，韩国在智能手机和其他消费电子产品领域也拥有不可小觑的力量。半导体供应链的全球依存结构有如下三个关键驱动因素：

（1）全球研发网络。国际合作使跨国公司、大学和机构能够进行合作和资源汇集，通过合作研究、寻求突破，致力于半导体技术的重大飞跃。

（2）地域专业化。各地区主要关注半导体供应链中的不同环节。

（3）贸易自由化。全球贸易政策使半导体行业的参与者能够跨境转移货物、设备、资本、知识产权和人才，有效地支持半导体供应链的地域专业化。

（二）美国在研发密集型活动中处于领先地位，亚洲在资本密集型活动中处于领先地位

美国的新工厂总拥有成本（TCO）比亚洲高出约 25%-50%，东亚地区目前集中在全球半导体制造业总产能的75%左右，其份额预计在未来十年内将继续上升。

（三）半导体是全球第四大贸易产品

半导体贸易流的规模和结构清晰地说明了供应链的全球性和国家间的相互依赖性。2019年全球半导体贸易额达到1.7万亿美元，是当年全球半导体销售额的四倍多，表明半导体开发和制造涉及的跨境交易规模巨大。事实上，半导体是全球第四大贸易产品，仅次于原油、汽车及其零部件。

四、新形势下的新风险

      

虽然地域专业化为该行业提供了良好的产业结构，但高度的地域集中也带来了以下风险：

1．制造能力的高度地域集中会影响半导体供应链弹性。

2．地缘政治的紧张局势可能导致大规模创新资金的全球规模丧失。

3．完全“自给自足”的本地化供应链将创造大量的增量成本，并导致半导体价格上涨35%-65%。 

4．人才短缺可能不会立即对行业运营造成大规模中断的威胁，但它可能会严重削弱其在未来几年的创新能力。全球理工毕业生人才总量的历史增长似乎不足以满足行业对该领域人才的需求。

五、为下一个“创新十年”加强全球供应链

  来十年，半导体行业将需要在全球价值链的研发和资本支出上投资约3万亿美元，以满足日益增长的半导体需求。同时，如果要在未来几年保持过去几十年的性能和成本改善，半导体工业必须在材料、结构和制造技术方面进行创新。

一个强大的全球供应链，应继续将世界级的公司聚集在一起，在材料、设计和制造领域加强跨国合作；与此同时，必须解决因高度地域集中、地缘政治摩擦而造成的风险，使半导体全球链更有弹性。风险的解决有如下要点：

1、解决这些挑战不应通过政府政策来追求全面的自给自足，因为政策本身具有高额的成本，且其执行可行性也值得怀疑。

2、进行适当的政策干预、调整可以实现全球供应链结构中规模化和专业化优势，加强其弹性，并解决与半导体战略性质有关的国家安全问题。

3、除了促进贸易、基础研究和扩大人才渠道的政策外，各国政府还需要制定有针对性的激励措施以支持投资，使全球制造业的足迹和关键材料的供应来源多样化。

报告表明，这些政策方向应辅之以三个方面的目标明确、市场驱动的政府激励计划：

1、竞争前研究。通过促进不同组织和国家科学家之间合作的全球研究所来实现。

2、在未来十年，建立行业所需的额外制造能力，创造更多元化的半导体行业，减少因自然灾害、基础设施故障、网络攻击或地缘政治摩擦而造成的破坏。

3、开发替代品——在受到出口管制威胁或对全球贸易可能造成干扰的关键地区，开发国内或第三国的替代品。