美国欲振兴晶圆代工业,需做到这五点

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2020-07-01 09:08

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来源:内容编译自「 semiwiki, ScottJewler 」,谢谢。


笔者最近30年都是在半导体制造业中度过的,其中有8年时在亚洲生活和工作的。在看到美国方面重燃振兴美国在半导体制造方面的实力的兴趣的时候,这既令人振奋又令人不安。因为一个国家生产计算机芯片还是薯片都没有任何区别的时代已经一去不复返了。
因为现在,各种计算机芯片已成为国家安全和经济的重中之重。
但是,美国成功地重返半导体制造市场是一个不确定的赌注。两党对《CHIPS for America Act 》的支持是令人鼓舞的,但是仅靠资金可能无法解决推动半导体制造业在海外不成比例增长的系统性问题。

半导体价值链


2018年全球十大半导体公司中有六家的总部位于美国。他们分别是英特尔,美光,博通,高通,德州仪器(TI)和nVidia。其中,英特尔,美光和TI是集成设备制造商或IDM。这意味着他们在自己拥有和经营的工厂中生产其大部分产品。这些工厂可能位于美国或国外,但通常是两者的组合。Broadcom,nVidia和Qualcomm是无晶圆厂半导体公司。他们设计和销售半导体芯片,但依靠晶圆代工厂和外包半导体组装与测试(OSAT)服务提供商来制造他们的设计。
英特尔生产CPU和GPU设备。美光生产存储设备。这些都是大批量,相对低混合的产品,需要对资本资产进行持续投资以提高性能。TI主要生产模拟和嵌入式处理器设备。这些设备的资本密集度较低,因为产品的使用寿命更长,并且无需更换整个生产线就可以实施新的设计。
Broadcom,Qualcomm和nVidia是另一种称为无晶圆厂供应商的半导体公司。他们没有拥有或经营自己的制造设施。他们从被称为晶圆代工厂的供应商那里以晶圆形式采购集成电路,并将这些芯片切成小块,封装并经过测试的OSAT公司。尽管Globalfoundries和三星在美国拥有晶圆制造厂,台积电(TSMC)最近也宣布了在亚利桑那州建立晶圆厂的计划,但绝大多数无晶圆厂半导体制造都在亚洲进行。美国没有大型OSAT工厂。半导体封装和测试主要在亚洲进行。
如下图所示,全球半导体行业的无晶圆厂部门已从1999年占整个行业的7%增长到2019年的30%。那就意味着有13%的复合年增长率,但IDM部门的复合年增长率仅为4%。从下图可以看到,市场上IDM部分的波动性也明显更高。这主要是由于存储设备的巨大收入贡献以及这些产品的价格波动所致,这种波动是由于竞争者寻求产生现金以抵消维持工厂所需的巨额资本支出而导致的供应不足和供应过剩的频繁循环所导致的。

英特尔,美光和TI都在美国生产了很大一部分半导体晶圆,但大多数情况下,他们将这些晶圆运送到亚洲进行封装组装和最终测试。为什么是这样?
封装组装和测试从1960年代末开始转移到亚洲。因为在那时,这些操作都是高度手动的,转移到亚洲可以帮助公司立即节省人工成本。但现在时代变了,现代的装配过程工具是完全自动化的,直接人工通常仅占制造成本的10%至15%。封装组装和测试虽然不如前沿晶圆制造那样耗费大量资本,但确实需要持续的投资来支持便携式设备(如手机)中的更高级别的功能集成以及用于云处理的高性能计算。
OSAT业务竞争激烈,毛利率通常在20%的范围内。在过去的50年中,亚洲制造商一直在研究如何经营这些非常精益的企业。在这项业务中很难赚钱。资本投资必须没有确定的订单量。较大的OSAT在其巨型工厂中同时运行数千个不同的零件号。新产品介绍不断发布。在不到一个月的时间内,热门的新型消费品的生产量就可以以惊人的速度从工程级的生产迅速增加到每周数百万个单位。这不是一个胆小者能做的事。

为什么半导体的供应链至关重要?


OSAT行业最初向亚洲转移的目的是降低劳动力成本,而晶圆代工行业在亚洲的地域集中度却有着不同的历史。随着建造先进晶圆厂的成本从数亿美元增加到如今的超过120亿美元,越来越少的公司有财力来开发自己的制造技术和建造自己的晶圆厂。在特定设备系列中具有可预测市场需求的市场地位的公司可以进行这些投资,而规模较小的专业公司则不能。通过将许多较小的无晶圆厂设计公司的业务合并到一个通用工厂中,并通过内部开发的第三方IP模块促进生态系统的发展,台积电创造了独特的解决方案,使无晶圆厂市场实现了巨大的增长。现在,世界上许多最大的设备公司都使用晶圆代工厂和OSAT来进行所有制造。
该模型也使最终用户受益。系统设计师可以与无晶圆厂供应商合作,以采购芯片,而无需达到经济规模来支持专门的工厂。越来越多的设计公司增加了可用芯片的种类,并使设计更适合各种最终用例。
这种情况也给美国国防工业带来了困境,美国国防工业的规模通常不大,但通常需要领先的制造解决方案。

台湾制造商知道美国制造商不知道什么?


台湾现在显然是半导体制造的领导者,在岛上有全球最大晶圆厂(TSMC)和OSAT(ASE)。两家公司的大部分制造业务也在台湾进行,并建立了高度竞争的做法和高效的生态系统,以确保其设施以可靠且经济高效的方式运行。
晶圆制造可以包括2000多个前沿工艺步骤。为了生产出功能正常的设备,必须精确控制每个过程步骤。尽管从历史上讲,制造过程的封装部分已经不那么复杂了,但是诸如智能手机之类的最终产品的功能密度的提高以及云计算的性能要求推动了封装技术在近年来的快速发展。
当与晶圆制造厂或OSAT的生产线在同一生产线中制造许多不同的产品时,挑战将日益加剧。因为必须严格控制产品生命周期管理(Product Lifecycle Management :PLM)和新产品介绍(NewProduct Introduction:NPI)流程。新产品通常在工程监督下以一套工具运行。从新设备的初次认证到随后的大批量生产,可能需要几个月的时间。这些增长曲线可能是突然的,制造商必须确保准确遵循NPI期间制定的工艺方法。推迟新产品投入的成本可能导致客户的收入和市场份额大量损失。在不断涌现的新产品的推动下,台湾制造商在开发其PLM和NPI流程方面非常成功。
台湾的制造商在管理着这些复杂的工艺流程以及满足PLM和NPI要求的同时,还始终不渝地关注成本。在这种压力驱动下,台湾形成了一个庞大而复杂的生态系统,由较小的供应商制造,这些供应商以比原始设备制造商(OEM)更低的价格生产备件和消耗品。这些供应商相互竞争,同时降低了自身成本,提高了生产率和质量。随着时间的流逝,越来越多的复杂组件从该地区市场采购,每年也为台湾的半导体制造商节省数亿美元。

美国政府和美国公司可以采取什么措施来打造充满活力的国内半导体制造产业


美国迈向《CHIPS for America act 》的第一步是至关重要的第一步,但是,重要的是,这笔钱必须促进国内制造业生态系统的可持续发展。如果仅仅抵消美国和亚洲制造业之间现有的成本差异,最多只会产生暂时的影响。我们必须解决这些市场之间的系统差异,以确保国内半导体制造业的长期成功转型。
必须将重点放在了解当前美国和亚洲制造业之间不平衡的根本原因以及以克服这些原因的方式进行资金管理。美国应该寻求建立一个生态系统来支持国内商人制造,这将使无晶圆厂的半导体公司能够在美国的国内代工厂和OSAT内有效、可靠地构建其领先产品。这将为商业和国防工业提供最大的收益。
要实现此目标,需要采取一些具体措施。
首先,取消对海外制造的税收优惠。但这是没有道理的。尽管纠正了使海外制造的半导体公司少缴税的漏洞看起来很诱人,但需要权衡这一决定的影响和全球竞争环境的现实。通过提高税收为美国设备公司增加成本将使他们的国际竞争对手受益。更妙的是,允许国内制造商享受与在国内制造零件时在海外制造看到的相同的税收优惠。
其次,解决美国和台湾制造商之间在领域知识方面的差距。美国IDM和晶圆代工厂不一定是能进行大规模量产的低成本晶圆厂专家。美国也没有大型的OSAT。在过去的20年中,国内制造模式和业务流程的发展方式与台湾不同。制造领域知识的国际转移推动了许多行业的国际增长。过去,许多领域知识转移是从美国转移到亚洲的。在这种情况下,我们需要相反的操作。
第三,建立整个半导体制造生态系统,并鼓励在同一领域的私人投资。因为规模化在晶圆制造,封装和测试中非常重要,但是,要实现成本均等,还需要多样化的材料,备件和消耗性材料生态系统。补贴较小的制造商和机械车间,以投资于支持半导体制造业所需的工具和开发活动。确保第三方IP开发人员具有使用国内代工厂设计规则进行设计的动机。
第四,确保制造商感受到竞争并发展竞争能力。这不会在一夜之间发生,但需要成为最终目标。激励制造商以紧迫感进行运营。通过将其资本资产生产率提高到至少台湾目前可达到的水平,确保他们“浪费资产”。为他们提供激进但可实现的成本目标,以使其具有全球竞争力,以便在政府资金停止时,他们可以在全球市场上竞争。
第五,密切关注美国钱币及其使用方式。在半导体行业花费数十亿美元的资本非常容易。我们确保最终用户有动力花费时间和金钱来提高国内供应商的资格。跟踪进度,并确保国内制造商在产量,质量,周期时间和成本方面不断取得进步。他们不会立即弥合差距,但是他们应该能够不断取得进步。

结论


半导体器件使我们的互连世界成为现实。尽管美国在半导体设计,制造设备和工艺技术方面处于领先地位,但它却缺乏蓬勃发展的半导体制造部门,特别是在该行业至关重要的无晶圆厂半导体领域。最近发生的事件促使人们对振兴的国内半导体制造业重新产生了兴趣。公共资金可以帮助促进该行业发展,但是仅靠金钱而得不到适当的分配,管理和关注将无法解决目前限制私营企业在该市场中盈利的能力的系统性问题。

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*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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