美國半導體的短板

前言

雖然對哪個行業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)的“皇冠”眾說紛紜，但是半導體產(chǎn)業(yè)在當今主要工業(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），半導體的重要程度開始出圈，得到了社會各部門的認可，既在政府層面有諸多討論，在市井中也成為話題。

但是，半導體是一項復雜程度極高的產(chǎn)業(yè)，不僅在資本密集度方面領先其他行業(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，幾乎達到當年行業(yè)總營收（4190億美元）的一半。

全球半導體產(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?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體產(chǎn)業(yè)的調(diào)研，試圖從根本上了解其境內(nèi)的半導體行業(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)者和引領者，美國的有識之士也不例外。

自半導體短缺出現(xiàn)跡象以來，包括畢馬威（KPMG）、全球半導體聯(lián)盟（GSA）和信息技術和創(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體產(chǎn)業(yè)，美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）更是聯(lián)合波士頓咨詢公司（BCG），發(fā)布了一系列關于美國本土半導體產(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也在去年美國商務部調(diào)查半導體供應鏈時，積極獻計獻策，意圖加強半導體行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，并確保美國延續(xù)在此行業(yè)中的領導地位。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體公司實現(xiàn)營收總計為2079億美元，年復合增長率為3.62%。美國半導體公司在中國，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。

美國半導體企業(yè)在主要區(qū)域市場均保持市場份額的領先地位 （來源：SIA）

美國成為行業(yè)領頭羊是因為其在半導體產(chǎn)業(yè)鏈多個環(huán)節(jié)中的領導地位。整體上美國公司占據(jù)了半導體價值鏈的38%，特別是在EDA軟件，核心IP，半導體生產(chǎn)設備，以及數(shù)字和模擬芯片設計等研發(fā)密集型細分領域中，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分領域中，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）

美國之所以領先研發(fā)密集型細分領域，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體基礎研究和應用研究，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%。縱向來看，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)半導體企業(yè)的比較 （來源：SIA）

因此，美國成為半導體技術的創(chuàng)新來源，產(chǎn)出了大量的技術專利和研究論文。雖然在總數(shù)上并非最多，但是美國半導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，通常被認為是具有全球商業(yè)潛力的高質(zhì)量創(chuàng)新的標志）所占比例來看，美國在半導體領域的研發(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年全球半導體專利平均引用率和重要專利比例的比較，圓圈直徑對應專利數(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世紀美國半導體企業(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進步。

美國的短板

但是在全球半導體貿(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)務主要集中于設計與營銷兩方面，對貿(mào)易量的貢獻不大。

另外，雖然中國國產(chǎn)半導體實力有待加強，但是基于中國在電子設備制造和組裝方面的卓越地位，半導體成品，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體貿(mào)易的中心樞紐。

2019年全球半導體貿(mào)易流，單位為10億美元 

（來源：BCG x SIA）

美國本土半導體制造的衰弱是因為一些建設晶圓廠的關鍵因素中，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體行業(yè)研發(fā)支出的13%，涵蓋基礎研究，應用研究和產(chǎn)品開發(fā)。但是，其他行業(yè)這一指標的平均數(shù)為22%。同時，過去40年美國政府對半導體研發(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體產(chǎn)業(yè)，其中，390億美元用于激勵本土半導體制造和研發(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體》（FABS）法案，為半導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年美國半導體消費量來計算，要滿足當年美國所需的全部半導體門類，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設施需求。這部分非關鍵應用的芯片需求也可以通過外購來實現(xiàn)。而美國本土半導體產(chǎn)能只需要滿足防務與航空航天、電信網(wǎng)絡、政府和重要部門數(shù)據(jù)中心等關鍵領域?qū)σ恍┘舛酥瞥绦酒枨?，而這部分只占美國全部半導體消費量的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體的自我造血。

滿足美國不同層次半導體消費所需新建的晶圓廠數(shù)量和對應的投資 （來源：BCG x SIA）

目前，已有多家半導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，規(guī)劃于2024年建成投產(chǎn)。臺積電還預計未來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)關鍵領域所用芯片自給自足的可能性頗高。

與此同時，對半導體專業(yè)人才的爭奪戰(zhàn)也開始打響。根據(jù)畢馬威（KPMG）和全球半導體聯(lián)盟（GSA）在2022年3月公布的一份聯(lián)合報告，88%的半導體公司（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位半導體行業(yè)高管中，有77%認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。

半導體高管們認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體公司的投資設置了障礙，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，例如不批準德國半導體企業(yè)英飛凌收購Cree的碳化硅業(yè)務，以及近期拒絕中國智路資本收購韓國半導體企業(yè)Magnachip.

小結(jié)

美國在半導體產(chǎn)業(yè)中處于當之無愧的冠軍地位，特別是在研發(fā)密集型的細分領域。但是多年的半導體制造外包和人才供給減少，使得美國半導體行業(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鍵領域?qū)崿F(xiàn)半導體的自給自足，并將獲取人才作為半導體公司未來發(fā)展重心。

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