(Následující část I: Návrh integrovaného obvodu)

Čtyři, o výrobě integrovaných obvodů

(I) Základní odhady Citigroup týkající se výrobního průmyslu IC

Polovodičové produkty pohánějí téměř každý sektor ekonomiky, včetně energetiky, zdravotnictví, zemědělství, spotřební elektroniky, výroby a dopravy. Globální koncová poptávka po polovodičích v roce 2019 je: mobilní telefony (26 %), informační a komunikační infrastruktura (včetně datových center, komunikačních sítí) (24 %); Počítače (19 %), průmysl (12 %), automobilový průmysl (10 %) a spotřební elektronika (10 %).

Z těchto různorodých aplikací asi 9 % přímo podporuje aplikace národní bezpečnosti a kritické infrastruktury. Mezi tato klíčová koncová použití polovodičových produktů patří letecký průmysl, telekomunikační sítě, energetika a veřejné služby, zdravotnictví a finanční služby. a další vládní použití představují něco málo přes 1 procento celosvětové spotřeby polovodičů.

Podíl USA na celosvětové výrobě polovodičů klesl z 37 procent v roce 1990 na dnešních 12 procent a očekává se, že bude dále klesat bez komplexní strategie USA na podporu tohoto odvětví.

Výrobní kapacita v USA je nedostatečná: Výrobní kapacita v USA po desetiletí klesá. První dekáda tohoto století byla pro americkou výrobu zvláště zničující, přičemž v letech 2000 až 2010 přišla o třetinu pracovních míst ve výrobě. Zvláště těžce byly zasaženy malé a střední podniky (MSP). Část poklesu lze přičíst konkurenci ze zemí s nízkými mzdami. Ekonomové odhadují, že asi 25 procent ztrát pracovních míst lze přičíst vzestupu Číny, zejména poté, co země vstoupila do Světové obchodní organizace. Ale USA také zaznamenaly stagnaci růstu domácí produktivity ve srovnání s jejich ekonomickými protějšky, například v průměru a ve většině průmyslových odvětví zaostávají za Německem. Dnes jsou malé podniky ve Spojených státech obvykle méně produktivní než velcí výrobci. Na rozdíl od všeobecného přesvědčení, že UMĚLÁ inteligence a robotika jsou hned za rohem, američtí výrobci malých a středních podniků nedostatečně investují do nových technologií zvyšujících produktivitu. Ztráta výrobní kapacity vede ke ztrátě inovační kapacity. Základem produktové inovace je výrobní kapacita. Jakmile dojde ke ztrátě inovační schopnosti, je obtížné ji znovu vybudovat. Když se kapacita INTEGROVANÝCH obvodů v posledních desetiletích přesunula do zámoří, často následoval výzkum a vývoj a širší průmyslový dodavatelský řetězec.

(2) Dodavatelský řetězec polovodičových výrobků

Od návrhu přes balení až po integraci do finálních elektronických produktů zakoupených zákazníky je průmyslový řetězec extrémně složitý a geograficky rozptýlený. Typický proces výroby polovodičů zahrnuje více zemí a produkty mohou 70krát překročit mezinárodní hranice kvůli specializaci firmy na konkrétní vazby. Celý proces trvá až 100 dní, z toho 12 dní se přenáší mezi články dodavatelského řetězce. Následuje jednoduchá reprezentace dodavatelského řetězce.

Malá velikost a nízká hmotnost polovodičových produktů jsou důležitými faktory pro dosažení tak složitého mezigeografického dodavatelského řetězce. Náklady na dopravu polovodičových produktů jsou nízké ve srovnání s jejich hodnotou. Znamená to však také, že narušení přepravních tras může představovat riziko pro dodavatelský řetězec. V řetězci je třeba použít různé formy dopravy (např. leteckou, námořní, nákladní) v závislosti na fázi a vzdálenosti, kterou je třeba ujet, a také na povaze produktu. V některých případech přeprava také vyžaduje specializované zacházení, jako je manipulace s nebezpečnými a vysoce čistými plyny a chemikáliemi používanými při výrobě nebo ochrana citlivých elektronických zařízení před poškozením.

Výroba polovodičů: průmyslová struktura

Továrny, které zpracovávají wafery a vyrábějí integrované obvody, mají dva základní obchodní modely. První je vertikálně integrovaná polovodičová společnost nebo IDM podnik. Provádějí všechny kroky návrhu a výrobního procesu polovodičového produktu interně, od návrhu až po finální testování. Společnosti IDM představují asi dvě třetiny celosvětové kapacity polovodičů. Ačkoli Intel, přední společnost IDM ve Spojených státech, vyrábí hlavně logická zařízení, většina ostatních společností IDM vyrábí hlavně paměťové čipy, jako jsou DRAM, diskrétní zařízení a analogové integrované obvody. Kromě Intelu jsou Spojené státy domovem několika předních světových společností IDM, včetně Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, na polovodičových a Texas Instruments. Stojí za zmínku, že ačkoli mají tyto společnosti sídlo ve Spojených státech, vyrábějí své finální produkty v továrnách po celém světě. Kromě USA má Intel například závody na zpracování waferů v Izraeli, Irsku a Číně. A Samsung, který sídlí v Jižní Koreji, a další zahraniční (neamerické) společnosti mají kromě svých zámořských (neamerických) továrny na čipy také ve Spojených státech. Podle zprávy SIA se 44 % kapacity amerických polovodičových společností nachází ve Spojených státech. Celkově IDM podniky ve Spojených státech představovaly 51 % celkových provozních příjmů světových výrobců IDM v roce 2020. Spojené státy jsou obzvláště silné v oblasti digitálních logických integrovaných obvodů a analogových integrovaných obvodů.

Existují další americké polovodičové produkty vedoucí podniky (například AMD, nvidia, broadcom a qualcomm a herní duch) je obchodní model „žádné fabs polovodičové společnosti“, společnost navrhne data, aby poskytla nezávislou společnost specializovanou na výrobu sléváren polovodičů, slévárenskými podniky do výroby a zpracování třískových produktů. Tyto slévárny třetích stran jsou klasifikovány jako „čisté slévárny polovodičů“, protože nenavrhují ani neprodávají žádné své vlastní čipové produkty, ale spíše působí jako smluvní výrobci pro fables polovodičové společnosti (tyto slévárny někdy poskytují dodatečnou kapacitu nebo jinak vyrábějí určité čipy pro IDM prodejci). Některé společnosti IDM, zejména Samsung, také poskytují zpracovatelské služby pro společnosti vyrábějící polovodiče fabless.

Jak postupuje technologie a náklady na výstavbu a údržbu nejmodernějších zařízení na výrobu polovodičů raketově rostou, stává se obchodní model fabless enterprise + slévárna stále běžnějším. Pokračující pokrok v technologii výroby čipů vyžaduje zcela nové a stále dražší výrobní zařízení. Nejmodernější továrny (na 5nm procesních uzlech) stojí nejméně 12 miliard dolarů. Jediný extrémní ultrafialový (EUV) litografický stroj, který je vyžadován při 5 nm nebo méně a často se používá při 7 nm, může stát až 150 milionů dolarů. Kromě fotolitografických strojů vyžadují továrny mnoho dalších typů zařízení. Odhaduje se, že investice potřebné pro další generaci fab, které budou fungovat na 3nm uzlech, by mohly přesáhnout 20 miliard dolarů. Kromě toho po založení nových továren budou provozní náklady velmi vysoké a vyžadují neustálé a nákladné kapitálové investice; Je také nutné udržovat špičkovou technologii vyžadovanou procesními konstruktéry, aby mohli pokračovat v provozu na nejpokročilejších výrobních uzlech. Čisté slévárny těží z úspor z rozsahu, které jim umožňují absorbovat a absorbovat obrovské náklady na polovodičové závody s vysokým a efektivním využitím kapacity. Čisté slévárny představují podle SIA asi třetinu celosvětové kapacity čipů. Mezi nimi výroba logických čipů tvořila téměř 80 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), první slévárna čistých destiček na světě, byla založena v roce 1987 a dnes dominuje slévárenskému trhu.

Trhu smluvní výroby dominují tchajwanské společnosti, přičemž samotná společnost TSMC představuje 53 procent trhu. Celkově tvoří tchajwanské slévárenské společnosti 63 procent celosvětového slévárenského trhu. Jižní Korea představuje 18 % a Čína 6 %. GlobalFoundries, slévárna se sídlem v USA, vlastněná ABU Dhabi, má 7procentní podíl, což představuje více než polovinu ze zbývajících 13 procent slévárenského trhu.

Jak bylo uvedeno výše, ačkoli USA mají velký podíl na trhu s čipy vyráběnými podniky IDM, tvoří pouze asi 10 % celosvětových příjmů sléváren. Asijské slévárny tvoří asi 80 % z celkového počtu. Samotný Tchaj-wan představuje 63 procent celosvětové smluvní výroby. To znamená, že zatímco USA jsou lídrem v oblasti designu polovodičů, jejich domácí společnosti vyrábějící bajky se při výrobě svých produktů silně spoléhají na zahraniční smluvní výrobce, většinou v Asii. Ačkoli je tento model agent-business vhodný pro produkty s integrovanými obvody pro velkoobjemové komerční aplikace, mnoho souvisejících aplikací je v malých sériích, což činí přijetí pokročilých technologií výroby polovodičů pro aplikace nejisté a náročné.

Ve Spojených státech se naprostá většina výroby polovodičů (v IDM i slévárenských modelech) provádí v zahraničí: Tchaj-wan, Jižní Korea, Japonsko, Čína a Spojené státy. Asi 12 % světové výrobní kapacity polovodičů se nachází ve Spojených státech, což je pokles oproti 37 % v 1990. letech. V roce 2019 představoval Tchaj-wan zhruba 20 % celosvětové instalované kapacity, následovaný Jižní Koreou s 19 %. Japonsko představovalo 17 procent, Čína 16 procent a Evropa 9 procent. Zbývajících 6 % kapacity se nachází v Singapuru, Izraeli a dalších částech světa.

Ze 40 hlavních výrobních závodů polovodičů umístěných ve Spojených státech polovina (20) používá 300 mm (12 palců) destičky; Jiná výroba používá plátky 200 mm (8 palců) nebo méně. Mezi lety 2009 a 2018 bylo po celém světě uzavřeno více než 100 závodů na výrobu 150–200 mm waferů, přičemž 70 % těchto závodů bylo uzavřeno v USA a Japonsku. Podle IC Insights je až 68 závodů na výrobu waferů desítky let starých, mimo jejich rozumnou životnost. Uzavřené továrny jsou částečně nahrazeny novými zařízeními, která jsou nákladově efektivnější nebo modernizovaná; Existují také některé továrny, které jsou příliš drahé na provoz, a společnosti se obracejí k lehkým fabrikám nebo fiktivním obchodním modelům.

V tuzemsku provozuje šest společností 20 továren na 300 mm v osmi státech, jak je uvedeno v tabulce níže. Kromě Skorpios provozuje továrny na oplatky mimo USA také pět dalších společností.

Jak je uvedeno výše, Intel má výrobní závody v Izraeli, Irsku a Číně. Kromě svých továren ve Spojených státech provozuje Micron továrny v Singapuru, Japonsku a na Tchaj-wanu. Texas Instruments vyrábí destičky v Číně, Malajsii, na Tchaj-wanu a na Filipínách a také v Texasu. GlobalFoundries je přední slévárna čistých plátků v USA, je vlastněna emirátem ABU Dhabi prostřednictvím státního investičního fondu Mubadala a má závody na výrobu plátků v Německu a Singapuru. V roce 2019 společnost zrušila plány na otevření továrny v Chengdu v Číně.

Zatímco kapacita výroby čipů v USA je relativně stabilní, kapacita a výroba mimo USA roste, zejména v Asii. V důsledku toho SIA předpovídá, že americký podíl na kapacitě polovodičů klesne do roku 10 na 2030 procent, zatímco podíl Asie vzroste na 83 procent. V roce 2019 se žádný ze šesti nových závodů na výrobu polovodičů otevřených na světě nenacházel ve Spojených státech, ale čtyři byly v Číně.

Jak je uvedeno v části „Design“ této zprávy, jsou pokryty tři hlavní typy čipů: paměťové, logické nebo digitální a analogové. Jak ukazuje tabulka níže, různé části světa se specializují na různé oblasti. Například pouze 5 procent paměťových čipů se vyrábí ve Spojených státech ve srovnání se 44 procenty v Jižní Koreji a 14 procenty v pevninské Číně. V paměti se Čína zaměřila na rychlou expanzi Changjiang Storage a přidělila společnosti dotace ve výši 24 miliard dolarů (jen pro její závod ve Wuhanu). Jeho expanze a levné produkty představují přímou hrozbu pro MICron a Western Digital, americké výrobce paměťových čipů.

V logických nebo digitálních čipech (jako jsou počítače a mikroprocesory mobilních telefonů) USA nevyrábějí žádné pokročilé procesní uzly (méně než 10 nanometrů), zatímco Tchaj-wan má 92 procent. V dalších technologiích logického zámku jsou Spojené státy americké velmi vedoucí: 43 % nejvyspělejších (10-22 nm) logických čipů a 6 % až 9 % předchozí generace (28 nm a ab.ove) logické čipy se vyrábějí ve Spojených státech amerických; Tchaj-wan vyrábí 47 procent těchto logických čipů, zatímco Čína vyrábí zhruba 19 až 23 procent logických čipů. A konečně, pro segment analogových/diskrétních komponent se 19 % vyrábí ve Spojených státech, 17 % v Číně a přibližně 27 % v Koreji.

(iv) Přehled výroby integrovaných obvodů

Spojené státy nemají výrobní kapacitu na nejmodernější technologické úrovni:

USA postrádají kapacitu na výrobu polovodičů pro nejpokročilejší procesní uzly pro polovodiče (v současnosti 5 nanometrů), které v současnosti provozují pouze společnosti TSMC (Tchaj-wan) a Samsung (Jižní Korea). Nejpokročilejší FAB ve Spojených státech je 10nm procesní linka provozovaná společností Intel, u které se očekává, že vstoupí do plné 7nm výroby až v roce 2023, a v lednu 2021 oznámila, že bude používat „vylepšené“ 7nm, resp. pod výrobní linkou pro své nejnovější produkty s logickými obvody. Výsledkem je, že americké společnosti vyrábějící čipy se nyní při výrobě nejpokročilejších čipů (7nm nebo menší) téměř výhradně spoléhají na asijské výrobce, zejména TSMC. Kromě rizik dodavatelského řetězce způsobených geograficky koncentrovanou výrobou vyvolává nedostatek nejmodernějších domácích technologických kapacit obavy o národní bezpečnost, protože některé vojenské aplikace vyžadují bezpečný přístup k nejmodernější procesní technologii, aby byla zajištěna technologická nadřazenost.

Příjmy z prodeje čipových produktů závisí na Číně:

Američtí výrobci čipů také hodně spoléhají na prodej do Číny kvůli její dominanci ve výrobě elektroniky. Čína je největším trhem pro polovodiče, z nichž většina je reexportována, protože jsou montovány do koncové elektroniky, včetně spotřební elektroniky a spotřebičů. Například dodavatel čipů pro mobilní telefony Qualcomm získal dvě třetiny svých příjmů z Číny, zatímco výrobce pamětí Micron získal 57 % svých příjmů z Číny, podle údajů The Economist za rok 2018. Intel v roce 2020 uvedl, že Čína představovala 26 procent jeho příjmů. Velké spoléhání na čínské prodeje poskytuje čínské vládě ekonomickou páku a potenciál k odvetným opatřením proti Spojeným státům.

Přání Číny vést polovodičový průmysl:

Podíl Číny na globálním polovodičovém průmyslu je relativně malý a její společnosti vyrábějí hlavně čipy nižší třídy. SMIC, nejpokročilejší čisté slévárny v Číně, mohou vyrábět pouze na 14nanometrových uzlech a mají omezenou kapacitu. Čína je však uprostřed velkého státem vedeného úsilí o rozvoj svého domácího vertikálně integrovaného průmyslu IDM s cílem učinit toto odvětví do roku 2030 lídrem ve všech oblastech. Podíl Číny na kapacitě polovodičových destiček činil v roce 16 2019 procent, ale očekává se, že do roku 28 vzroste na 2030 procent. Čínská vláda poskytuje 100 miliard dolarů na dotace pro svůj polovodičový průmysl, včetně rozvoje 60 nových výrobních závodů. Jak bylo uvedeno v části „design“ dodavatelského řetězce, Čína agresivně dotovala své vlastní výrobce paměťových čipů, aby prolomila svou závislost na třech největších světových společnostech zabývajících se paměťmi: Samsung (Jižní Korea), SK Hynix (Jižní Korea) a Micron (USA). ). Micron, americká paměťová společnost, je přímým konkurentem úložišť Changjiang a pravděpodobně bude první americkou společností, jejíž budoucí konkurenceschopnost a inovace jsou ohroženy čínskými dotacemi svým konkurentům.

Upozornění: Tento článek je přetištěn z "Mr. Wang's Restaurant talk", tento článek představuje pouze osobní názory autora, nereprezentuje názory Sakwei a průmyslu, pouze přetiskuje a sdílí, podporuje ochranu práv duševního vlastnictví, přetisk uveďte prosím původní zdroj a autora, pokud dojde k porušení práv, kontaktujte nás pro smazání.