美國半導(dǎo)體的短板
美國半導(dǎo)體的短板
前言
雖然對哪個行業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”眾說紛紜，但是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在當(dāng)今主要工業(yè)國家中的重要地位毋庸置疑，特別是自2021年開始的芯片短缺危機以來（一些背景知識可見筆者的另一篇文章），半導(dǎo)體的重要程度開始出圈，得到了社會各部門的認(rèn)可，既在政府層面有諸多討論，在市井中也成為話題。
但是，半導(dǎo)體是一項復(fù)雜程度極高的產(chǎn)業(yè)，不僅在資本密集度方面領(lǐng)先其他行業(yè)，在研發(fā)密集度方面，也超過軟件和互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，與公認(rèn)研發(fā)投入極大的生物科技和制藥行業(yè)接近。根據(jù)2019年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，半導(dǎo)體企業(yè)的資本投入和研發(fā)投入分別達到1100億美元和900億美元，幾乎達到當(dāng)年行業(yè)總營收（4190億美元）的一半。
全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在研發(fā)與資本密集度方面并列前茅 （來源：BCG x SIA）
由此可見，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)不僅可以顯著推動所在地經(jīng)濟的發(fā)展，還可以大大加強此地的人才結(jié)構(gòu)，從整體上提振當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展競爭力。因此，各大主要工業(yè)國和經(jīng)濟共同體紛紛加強對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的調(diào)研，試圖從根本上了解其境內(nèi)的半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，競爭短板和增長方向。作為該行業(yè)的開創(chuàng)者和引領(lǐng)者，美國的有識之士也不例外。
自半導(dǎo)體短缺出現(xiàn)跡象以來，包括畢馬威（KPMG）、全球半導(dǎo)體聯(lián)盟（GSA）和信息技術(shù)和創(chuàng)新基金會（ITIF）等多家智庫和研究機構(gòu)開始著眼于美國本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）更是聯(lián)合波士頓咨詢公司（BCG），發(fā)布了一系列關(guān)于美國本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的研究報告和講座，其中涉及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀、美國競爭力以及發(fā)展建言。SIA也在去年美國商務(wù)部調(diào)查半導(dǎo)體供應(yīng)鏈時，積極獻計獻策，意圖加強半導(dǎo)體行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，并確保美國延續(xù)在此行業(yè)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。在上一篇文章中，筆者介紹了國外競爭對手是怎么看待新興的中國芯片產(chǎn)業(yè)，這篇文章則讓我們來梳理美國智庫是如何把脈其本土半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的。
美國的優(yōu)勢
首先，美國是眾所周知的產(chǎn)業(yè)核心國家，擁有最多的頭部芯片公司，貢獻了47.2%的行業(yè)總營收。2020年，以美國為總部所在地的半導(dǎo)體公司實現(xiàn)營收總計為2079億美元，年復(fù)合增長率為3.62%。美國半導(dǎo)體公司在中國，除中日外的亞太區(qū)以及歐洲市場上占據(jù)了優(yōu)勢市場地位，同時在其本土和日本占據(jù)相對優(yōu)勢。
美國半導(dǎo)體企業(yè)在主要區(qū)域市場均保持市場份額的領(lǐng)先地位 （來源：SIA）
美國成為行業(yè)領(lǐng)頭羊是因為其在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈多個環(huán)節(jié)中的領(lǐng)導(dǎo)地位。整體上美國公司占據(jù)了半導(dǎo)體價值鏈的38%，特別是在EDA軟件，核心IP，半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備，以及數(shù)字和模擬芯片設(shè)計等研發(fā)密集型細(xì)分領(lǐng)域中，美國公司占據(jù)了絕對優(yōu)勢或相對優(yōu)勢。而在資本密集型或勞動力密集型細(xì)分領(lǐng)域中，美國則讓位于能夠獲得更多政府激勵的東亞國家和地區(qū)。
美國在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)價值鏈上的分布與所占份額
（來源：BCG x SIA）
美國之所以領(lǐng)先研發(fā)密集型細(xì)分領(lǐng)域，除了持續(xù)不斷的研發(fā)投入以外，還得益于過去大量本土和國外人才的貢獻。深厚的人才儲備讓美國有足夠的腦力投入半導(dǎo)體基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，并依托于此進行具競爭力的產(chǎn)品開發(fā)。英偉達及其創(chuàng)始人黃仁勛就是最好的例子。
根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國半導(dǎo)體公司研發(fā)投入的年增長率達到7.2%，僅在2020年就總計投入了440億美元，占公司營收的18.6%?？v向來看，這個研發(fā)投入比在美國所有的行業(yè)中僅次于生物醫(yī)藥行業(yè)，但是橫向比較的話，遠遠超過了其他國家和地區(qū)的同行。
美國半導(dǎo)體企業(yè)營收中研發(fā)費用占比的變化，以及與其他國家和地區(qū)半導(dǎo)體企業(yè)的比較 （來源：SIA）
因此，美國成為半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新來源，產(chǎn)出了大量的技術(shù)專利和研究論文。雖然在總數(shù)上并非最多，但是美國半導(dǎo)體專利的平均引用次數(shù)是其他國家的3-6倍。并且從其中三元專利（指在美、歐、日均注冊的專利，通常被認(rèn)為是具有全球商業(yè)潛力的高質(zhì)量創(chuàng)新的標(biāo)志）所占比例來看，美國在半導(dǎo)體領(lǐng)域的研發(fā)實力和研發(fā)成果也遠超除歐盟以外的其他國家和地區(qū)。
2010-2019年全球半導(dǎo)體專利平均引用率和重要專利比例的比較，圓圈直徑對應(yīng)專利數(shù)量 （來源：SIA）
大量的研發(fā)和資本投入也讓美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的勞動生產(chǎn)率不斷攀升，較20年前增加近一倍。以2020年為例，美國芯片企業(yè)人均營收超過57.1萬美元。
21世紀(jì)美國半導(dǎo)體企業(yè)勞動生產(chǎn)率的變化，以人均營收為例 （來源：SIA）
用數(shù)字做一個簡單比較，美國半導(dǎo)體公司的人均研發(fā)和固定資產(chǎn)投入在2020年為17.6萬美元，年增長率為3.5%。如果其他國家的競爭對手在該指標(biāo)上按照購買力平價計算后的數(shù)字不能接近或超過17.6萬美元，則只能在其他方面進行彌補，才能追上或者趕超美國的技術(shù)進步。
美國的短板
但是在全球半導(dǎo)體貿(mào)易流向中，美國卻與其體量不符。究其原因，一是美國半導(dǎo)體公司的制造部門大多處于海外，或是利用亞洲的代工廠。美國本土的芯片制造產(chǎn)能從1990年占世界總產(chǎn)能的37%，降低到現(xiàn)在的12%。目前美國芯片公司在其國內(nèi)的業(yè)務(wù)主要集中于設(shè)計與營銷兩方面，對貿(mào)易量的貢獻不大。
另外，雖然中國國產(chǎn)半導(dǎo)體實力有待加強，但是基于中國在電子設(shè)備制造和組裝方面的卓越地位，半導(dǎo)體成品，或稱芯片，大多都流向了中國的制造業(yè)部門，使得中國成為實際上半導(dǎo)體貿(mào)易的中心樞紐。
2019年全球半導(dǎo)體貿(mào)易流，單位為10億美元
（來源：BCG x SIA）
美國本土半導(dǎo)體制造的衰弱是因為一些建設(shè)晶圓廠的關(guān)鍵因素中，美國相較其他國家和地區(qū)有一定的劣勢。例如，政府補貼和激勵政策對晶圓廠的建立和運營有顯著的意義。對尖端制程來說，來自政府各層級的支持可以占到晶圓廠10年總擁有成本（TCO）的16%-38%。因此，按照BCG的計算，美國本土晶圓廠的TCO與其他國家和地區(qū)相比要高25%-50%。
美國與其他國家和地區(qū)之間，在晶圓廠擇地要素以及尖端制程晶圓廠TCO的比較 （來源：BCG x SIA）
除了對生產(chǎn)的直接補貼，美國政府在對半導(dǎo)體研發(fā)的支持力度方面也表現(xiàn)較弱。2018年聯(lián)邦政府補貼占美國半導(dǎo)體行業(yè)研發(fā)支出的13%，涵蓋基礎(chǔ)研究，應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)。但是，其他行業(yè)這一指標(biāo)的平均數(shù)為22%。同時，過去40年美國政府對半導(dǎo)體研發(fā)的補貼占美國GDP的比例幾乎保持不變，而同期私人部門對半導(dǎo)體研發(fā)的投入在GDP中的比重增加了10倍。這也使得其他國家，特別是中國，逐漸縮小了與美國在研發(fā)開支方面的鴻溝。
2019年不同國家和地區(qū)對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的扶持力度，其中包括對制造和研發(fā)的支持（來源：ITIF）
同時，美國半導(dǎo)體行業(yè)以往厚實的人才儲備上也在逐漸被趕超：中國每年畢業(yè)的理工科人才增長率超過10%，而美國的增長率低于 3%。除此之外，美國大量的理工人才轉(zhuǎn)碼，流向收入更高的互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。以筆者所在公司為例，30歲以下的新進工程師人數(shù)屈指可數(shù)。此外，美國與其他國家和地區(qū)的人才競爭也愈演愈烈，導(dǎo)致美國的海外人才流入也不及以往，特別是來自東亞地區(qū)的專業(yè)人士。
理工科每年畢業(yè)的本科生和博士生人數(shù)，單位百萬人
（來源：BCG）
美國的改變
為了扭轉(zhuǎn)這些不利局面，美國的政界和工業(yè)界不斷有聲音要求加強半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，讓芯片制造回歸美國。美國參議院于2021年年中通過《美國創(chuàng)新和競爭法》(USICA) (S.1260)，其中包括520億美元的聯(lián)邦預(yù)算用于美國芯片法案（CHIPS for America Act）。今年年初美國眾議院通過《2022年美國競爭法案》（America COMPETES Act of 2022），同樣包括520億美元撥款用于增強美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，其中，390億美元用于激勵本土半導(dǎo)體制造和研發(fā)，以及105億美元的項目資金。
雖然參眾兩院在這兩項法案上尚有分歧，但是為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)提供資金的“芯片法案”部分爭議很小。此外，作為CHIPS法案的補充，眾議院還在本月通過了《促進美國制造的半導(dǎo)體》（FABS）法案，為半導(dǎo)體投資提供稅收抵免。
美國本土晶圓制造部門分布在19個州中
（來源：SIA）
520億美元看似很多，但是如果要在美國建立完全自給自足的芯片制造產(chǎn)能，這只能說是杯水車薪。以2019年美國半導(dǎo)體消費量來計算，要滿足當(dāng)年美國所需的全部半導(dǎo)體門類，需要60-64座新建晶圓廠，在2021-2030年間投資超過萬億美元。再考慮到美國晶圓廠的運營成本較高，本土生產(chǎn)低價芯片從經(jīng)濟上也并不符合現(xiàn)實。
但是考慮到存儲器，分立和模擬器件，以及中低端邏輯芯片只需要傳統(tǒng)制程或者成熟制程就能夠滿足，美國可以從其他國家和地區(qū)比較容易的獲得這部分“落后”產(chǎn)能來滿足自身所需。因此，只有需要尖端制程的高端芯片，例如CPU、GPU和FPGA等，值得美國在本土投資產(chǎn)能。同樣按照2019年的消費量，只需要投入2000億美元，建立6-7座尖端制程的晶圓廠即可滿足需求。
更進一步拆解美國對這類高端芯片的需求，其中有超過2/3來自消費電子和普通的基礎(chǔ)設(shè)施需求。這部分非關(guān)鍵應(yīng)用的芯片需求也可以通過外購來實現(xiàn)。而美國本土半導(dǎo)體產(chǎn)能只需要滿足防務(wù)與航空航天、電信網(wǎng)絡(luò)、政府和重要部門數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)σ恍┘舛酥瞥绦酒枨?，而這部分只占美國全部半導(dǎo)體消費量的9%。
對于政府和私營部門來說，這也意味著可以將好鋼用在刀刃上——僅僅需要450億美元的業(yè)內(nèi)投入和180億美元的政府補貼，建立2-3座產(chǎn)能為每月2萬-3.5萬片的12寸晶圓廠，即可實現(xiàn)美國的“芯片安全”。相較于無法實現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)大水漫灌，美國的政策制定者和投資人完全可以用520億美元政府撥款來補貼美國半導(dǎo)體的自我造血。
滿足美國不同層次半導(dǎo)體消費所需新建的晶圓廠數(shù)量和對應(yīng)的投資 （來源：BCG x SIA）
目前，已有多家半導(dǎo)體制造商和代工廠押注美國本土制造。英特爾在亞利桑那州鳳凰城投入200億美元建立兩座新工廠，隨后又宣布1000億美元在俄亥俄州興建可能是世界上最大的芯片制造園區(qū)。
英特爾的海外競爭對手也不甘示弱。晶圓代工巨頭臺積電斥資120億美元的5納米亞利桑那州工廠于2021年中動工建設(shè)，規(guī)劃于2024年建成投產(chǎn)。臺積電還預(yù)計未來10-15年內(nèi)，在該州建立至多6座晶圓廠。三星電子也宣布了在得克薩斯州的170億美元建廠計劃。
隨之而來的爭議是臺積電和三星電子這些國外企業(yè)是否可以從美國政府的520億美元補貼中分得一杯羹。無論如何，從目前的投資計劃來看，美國本土出現(xiàn)2-3座尖端制程晶圓廠，實現(xiàn)關(guān)鍵領(lǐng)域所用芯片自給自足的可能性頗高。
與此同時，對半導(dǎo)體專業(yè)人才的爭奪戰(zhàn)也開始打響。根據(jù)畢馬威（KPMG）和全球半導(dǎo)體聯(lián)盟（GSA）在2022年3月公布的一份聯(lián)合報告，88%的半導(dǎo)體公司（一半為美國企業(yè)）將在未來一年中增加員工人數(shù)，其中34%認(rèn)為幅度將超過10%。面對2021年以來的美國“大辭職潮”（Great Resignation），受訪的152位半導(dǎo)體行業(yè)高管中，有77%認(rèn)為未來三年公司最優(yōu)先的戰(zhàn)略是招聘人才、培養(yǎng)人才和挽留人才。
根據(jù)筆者在硅谷某匿名專業(yè)人士社交App中觀察到的數(shù)據(jù)，近期英特爾、AMD、博通和美滿半導(dǎo)體等行業(yè)頭部公司均大幅提高新進員工薪酬水平，有的甚至與FAANG等互聯(lián)網(wǎng)公司持平。
半導(dǎo)體高管們認(rèn)定的未來三年公司戰(zhàn)略優(yōu)先方向
（來源：KPMG x GSA）
最后，美國為了在增強自身的同時減弱競爭對手，還為中國和歐洲等對美國半導(dǎo)體公司的投資設(shè)置了障礙，尤其中美兩國之間的外商直接投資FDI大幅降低。根據(jù)貝恩資本的數(shù)據(jù)，F(xiàn)DI從2016年的620億美元，降低到160億美元，其中科技投資方面下降更為明顯，達到96%。美國還通過外國投資委員會CFIUS的政策和審核對國外公司收購美國公司，甚至非美國公司進行長臂管轄，例如不批準(zhǔn)德國半導(dǎo)體企業(yè)英飛凌收購Cree的碳化硅業(yè)務(wù)，以及近期拒絕中國智路資本收購韓國半導(dǎo)體企業(yè)Magnachip.
小結(jié)
美國在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中處于當(dāng)之無愧的冠軍地位，特別是在研發(fā)密集型的細(xì)分領(lǐng)域。但是多年的半導(dǎo)體制造外包和人才供給減少，使得美國半導(dǎo)體行業(yè)后勁不足。美國政界和業(yè)界近年來的一些舉措試圖在關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體的自給自足，并將獲取人才作為半導(dǎo)體公司未來發(fā)展重心。
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