在新時代強化全球集成電路供應鏈（1）（2）

始于2020年末的半導體普遍短缺，突顯出這些專用組件在當今經濟中是多么不可或缺。半導體用于為大量電子設備供電，從智能手機、云服務器到現代汽車、工業自動化、關鍵基礎設施和防御系統。

半導體供應鏈的全球結構，在過去三十年中發展，使該行業在成本節約和性能提升方面實現了持續的飛躍，最終使信息技術和數字服務的爆炸性增長成為可能。然而，在過去幾年中，出現了一些新的因素，可能使這一全球模式的成功延續面臨風險。解決這些脆弱性需要政策制定者結合精心設計的行動，包括有針對性地鼓勵國內生產，以解決戰略差距。

半導體是設計和制造的高度復雜的產品。其他行業在研發（占電子設備制造商半導體年銷售額的22%）和資本支出（26%）方面的投資水平都不高。

圖1

對深厚的技術訣竅和規模的需求導致了高度專業化的全球供應鏈，各區域根據其相對優勢在供應鏈中發揮不同的作用。（見圖表1）美國在最密集的研發活動電子設計自動化（EDA）中處于領先地位，擁有世界一流大學、龐大的工程人才庫和市場驅動的創新生態系統，擁有核心知識產權（IP）、芯片設計和先進制造設備。

東亞處于晶圓制造業的最前沿，這需要政府激勵措施支持的大規模資本投資，以及強大的基礎設施和熟練的勞動力。中國在裝配、包裝和測試領域處于領先地位，相對而言，這些領域的技術和資本密集度較低，中國正在積極投資，以拓展整個價值鏈。

在這個一體化的全球供應鏈中，所有國家都是相互依存的，依靠自由貿易將世界各地的材料、設備、知識產權和產品運送到執行每項活動的最佳地點。事實上，半導體是全球第四大貿易產品，僅次于原油、成品油和汽車。

這種全球結構提供了巨大的價值。一個假設的替代方案是，在每個地區建立平行的、完全“自給自足”的本地供應鏈，以滿足其目前的半導體消費水平，至少需要1萬億美元的前期增量投資，導致半導體價格整體上漲35%至65%，最終導致終端用戶的電子設備成本上升。

在接下來的十年里，這個行業將需要在全球價值鏈上投資約3萬億美元用于研發和資本支出，以滿足不斷增長的半導體需求。行業參與者和政府必須合作，繼續促進全球市場、技術、資本和人才的準入，使供應鏈更有彈性。

雖然地理專業化為該行業提供了很好的服務，但它也造成了脆弱性，每個地區都需要根據自己的經濟和安全考慮，以特定的方式評估這些脆弱性。在整個供應鏈中有50多個點，其中一個地區占有全球65%以上的份額市場份額，盡管與每一項相關的風險水平各不相同。當談到全球半導體供應鏈的彈性時，制造業成為一個主要的焦點。約75%的半導體生產能力，以及由于許多關鍵材料（如硅片、光刻膠和其他特種化學品）的供應商都集中在中國和東亞地區，這兩個地區的地震活動頻繁，地緣政治關系緊張。此外，目前世界上最先進的10納米以下節點半導體制造能力都位于韓國（8%）和臺灣（92%）。這些是單點故障，可能會被自然災害、基礎設施關閉或國際沖突中斷，并可能導致芯片供應嚴重中斷。

除了與某些地理位置的集中有關的風險外，地緣政治緊張可能導致出口管制妨礙與某些國家集中的關鍵技術、工具和產品供應商的接觸。這種管制還可能限制進入重要的終端市場，可能導致規模的重大損失，并損害該行業維持目前研發水平和資本密集度的能力。

解決這些挑戰的辦法不是通過大規模的國家產業政策來追求完全自給自足，這種政策的成本驚人，執行的可行性也值得懷疑。相反，半導體行業需要有針對性的政策，加強供應鏈彈性，擴大開放貿易，同時平衡國家安全需求。

為應對全球供應中斷的風險，各國政府應制定市場驅動的激勵計劃，以實現更多元化的地理足跡，其中應包括在美國建立額外的制造能力，以及擴大一些關鍵材料的生產基地和供應來源。在我們上一份題為“政府激勵與美國半導體制造業競爭力”的報告中，我們發現，500億美元的激勵計劃將使美國成為半導體制造業具有吸引力的地區。我們的分析表明，這樣一個計劃可以在未來十年內為邏輯、存儲器和模擬半導體建造19個先進的晶圓廠，如果不采取行動，這一數字將增加一倍。

這一新的能力將有助于解決供應鏈中的主要弱點。例如，它將允許美國保持領先節點的最低可行制造能力，以滿足國內對用于國家安全系統、航空航天和關鍵基礎設施的先進邏輯芯片的需求。相比之下，我們估計完全制造業自給自足的目標將覆蓋美國半導體消費總量在岸產能將需要超過4000億美元的政府激勵措施，10年的成本將超過1萬億美元。

在制定促進供應鏈彈性的政策時，各國政府必須保證國內外企業都有一個公平的全球競爭環境作為知識產權的有力保護。他們還必須采取措施，進一步促進全球貿易以及研發和技術標準方面的國際合作。與此同時，政策制定者需要采取措施加大對基礎研究的刺激力度，解決人才短缺的威脅，限制了該行業保持創新步伐的能力。

為此，需要對科學和工程教育進行進一步的公共投資，并制定移民政策，使全球領先的半導體集群能夠吸引世界級人才。

此外，對國家安全有重大關切的政府應制定明確的政策以及有針對性地控制半導體貿易的穩定框架，以避免對技術和供應商的廣泛單方面限制。

這種經過良好調整的政策干預措施將在當今全球供應鏈結構中保持規模和專業化的好處。這將確保該行業能夠擴展其能力，以實現半導體領域的持續改進。

今天的移動電話用戶可能不會把太多的精力放在研究、開發、設計和制造方面的復雜的跨國界合作上，這些合作涉及數百家公司，使他們能夠通過高速無線網絡訪問他們喜愛的內容。然而，消費者受益于整個深度復雜的電子行業的全球協調，其形式是加速創新周期，以較低的價格提供新的技術功能。全球一體化數字經濟的支柱是半導體供應鏈。

在過去的三十年里，半導體工業經歷了快速的發展，并產生了巨大的經濟影響。從1990年到2020年，半導體市場以7.5%的年復合增長率增長，超過了同期全球GDP的5%。半導體行業帶來的性能和成本的提高，使上世紀90年代從大型機向PC機的演變成為可能，21世紀是支撐網絡和在線服務的客戶機-服務器體系結構，然后是智能手機在20世紀10年代成為人人口袋里的電腦。

這些創新創造了巨大的經濟增長：從1995年到2015年，全球與半導體創新直接相關的GDP估計增加了3萬億美元，，間接影響增加了11萬億美元。展望未來，半導體技術的進一步發展將是推動新一輪變革性技術的關鍵，包括人工智能（AI）、5G、自動電動汽車或物聯網（IoT）解決方案，這些解決方案將大規模部署在各種智能連接設備上。

這種經濟影響是由于半導體技術的不斷加速改進而得以實現的。自1958年集成電路發明以來，邏輯芯片每片晶圓的晶體管數量增加了約1000萬個，處理器速度提高了10萬倍，可比性能每年降低45%以上的成本。再加上先進的封裝和材料技術等工程創新，這使得電子設備制造商能夠以越來越小的外形尺寸制造出具有指數級計算能力的設備。舉例來說，今天的智能手機比1969年美國宇航局用來將阿波羅11號送上月球的大型計算機有更多的計算機能力。今天的智能手機包含的存儲內存也比2010年的數據中心服務器要多。同樣，在連續幾代的蜂窩技術下，模擬半導體的進步也使得無線通信的質量和速度有了巨大的提高，這導致了最近推出的5G。

供應鏈的專業化使得創新所需的深度關注成為可能，這常常會突破科學的界限。半導體產品有30多種類型，每種類型都針對電子子系統中的特定功能進行了優化。開發一個現代芯片需要在硬件和軟件方面有深厚的技術專長，并依賴于專業公司提供的先進設計工具和知識產權（IP）。制作然后通常需要多達300種不同的輸入，包括原晶圓、商品化學品、特殊化學品和散裝氣體。這些輸入由50多個等級的高度精密設備處理。大多數這種設備，如光刻和計量工具，包括數百個技術子系統，如模塊，激光器，機電一體化，控制芯片和光學。從事半導體設計和制造的高度專業化的供應商往往設在不同的國家。芯片然后在全球之旅中曲折地穿越世界。

本報告旨在提供一個復雜的全球半導體供應鏈的理解，它如何支持該行業的持續技術創新，以及它如何最終受益于消費者和使我們的經濟通過更好的技術以更低的價格。我們還確定了一些可能影響行業繼續提供指數級性能和成本改進的能力的風險，并討論了解決這些風險的方法。