(به دنبال قسمت اول: طراحی مدار مجتمع)

چهار، در مورد تولید مدار مجتمع

(I) برآوردهای اساسی سیتی گروپ از صنعت تولید آی سی

محصولات نیمه هادی تقریباً هر بخش از اقتصاد را هدایت می کنند، از جمله انرژی، مراقبت های بهداشتی، کشاورزی، لوازم الکترونیکی مصرفی، تولید و حمل و نقل. تقاضای نهایی جهانی برای نیمه هادی ها در سال 2019 عبارت است از: تلفن همراه (26%)، زیرساخت اطلاعات و ارتباطات (شامل مراکز داده، شبکه های ارتباطی) (24%)؛ کامپیوتر (19%)، صنعت (12%)، خودرو (10%) و لوازم الکترونیکی مصرفی (10%).

از این برنامه های متنوع، حدود 9 درصد به طور مستقیم از امنیت ملی و برنامه های زیرساخت حیاتی پشتیبانی می کنند. این کاربردهای نهایی محصولات نیمه هادی شامل هوافضا، شبکه های مخابراتی، انرژی و خدمات شهری، مراقبت های بهداشتی و خدمات مالی است. و سایر مصارف دولتی بیش از 1 درصد از مصرف جهانی نیمه هادی ها را تشکیل می دهند.

سهم ایالات متحده از تولید جهانی نیمه هادی ها از 37 درصد در سال 1990 به 12 درصد در حال حاضر کاهش یافته است و انتظار می رود بدون استراتژی جامع ایالات متحده برای حمایت از صنعت، بیشتر کاهش یابد.

ظرفیت تولید ایالات متحده ناکافی است: ظرفیت تولید ایالات متحده برای چندین دهه در حال کاهش بوده است. دهه اول این قرن به ویژه برای تولید ایالات متحده ویرانگر بود، به طوری که یک سوم مشاغل تولیدی بین سال های 2000 تا 2010 از دست رفتند. بخشی از کاهش را می توان به رقابت کشورهای کم دستمزد نسبت داد. اقتصاددانان تخمین می زنند که حدود 25 درصد از کاهش مشاغل را می توان به ظهور چین نسبت داد، به ویژه پس از پیوستن این کشور به سازمان تجارت جهانی. اما ایالات متحده همچنین شاهد رکود رشد بهره وری داخلی در مقایسه با همتایان اقتصادی خود بوده است، به عنوان مثال، به طور متوسط ​​و در بیشتر صنایع از آلمان عقب مانده است. امروزه، کسب و کارهای کوچک در ایالات متحده معمولاً نسبت به تولیدکنندگان بزرگ بهره وری کمتری دارند. برخلاف تصور رایج که هوش مصنوعی و رباتیک در گوشه و کنار هستند، تولیدکنندگان آمریکایی مشاغل کوچک و متوسط ​​در حال سرمایه‌گذاری ناکافی در فناوری‌های جدید افزایش بهره‌وری هستند. از دست دادن ظرفیت تولید منجر به از دست رفتن ظرفیت نوآوری می شود. قابلیت تولید پایه و اساس نوآوری محصول است. زمانی که قابلیت نوآوری از بین رفت، بازسازی آن دشوار است. هنگامی که ظرفیت مدار یکپارچه در دهه های اخیر به خارج از کشور منتقل شده است، تحقیق و توسعه و زنجیره تامین صنعتی گسترده تر اغلب به دنبال آن بوده است.

(2) زنجیره تامین محصولات نیمه هادی

از طراحی گرفته تا بسته بندی تا ادغام در محصولات الکترونیکی نهایی خریداری شده توسط مشتریان، زنجیره صنعتی بسیار پیچیده و از نظر جغرافیایی پراکنده است. یک فرآیند تولید نیمه هادی معمولی شامل چندین کشور می شود و محصولات ممکن است 70 بار به دلیل تخصص شرکت در پیوندهای خاص از مرزهای بین المللی عبور کنند. کل فرآیند تا 100 روز طول می کشد که 12 روز آن بین حلقه های زنجیره تامین منتقل می شود. در زیر یک نمایش ساده از زنجیره تامین است.

اندازه کوچک و وزن سبک محصولات نیمه هادی عوامل مهمی در دستیابی به چنین زنجیره تامین پیچیده بین جغرافیایی است. هزینه حمل و نقل محصولات نیمه هادی در مقایسه با ارزش آنها پایین است. با این حال، همچنین به این معنی است که اختلال در مسیرهای حمل و نقل می تواند خطری برای زنجیره تامین ایجاد کند. بسته به مرحله و مسافتی که باید طی شود و همچنین ماهیت محصول، باید از اشکال مختلف حمل و نقل (به عنوان مثال، هوایی، دریایی، کامیون) در زنجیره استفاده شود. در برخی موارد، حمل و نقل همچنین نیاز به جابجایی تخصصی دارد، مانند جابجایی گازهای خطرناک و با خلوص بالا و مواد شیمیایی مورد استفاده در ساخت، یا محافظت از تجهیزات الکترونیکی حساس در برابر آسیب.

ساخت نیمه هادی: ساختار صنعتی

کارخانه هایی که ویفرها را پردازش می کنند و مدارهای مجتمع می سازند، دو مدل کسب و کار اساسی دارند. اولی یک شرکت نیمه هادی یکپارچه عمودی یا شرکت IDM است. آنها تمام مراحل طراحی محصول نیمه هادی و فرآیند تولید را در داخل، از طراحی تا آزمایش نهایی، انجام می دهند. شرکت های IDM حدود دو سوم ظرفیت جهانی نیمه هادی ها را تشکیل می دهند. اگرچه اینتل، شرکت پیشرو IDM در ایالات متحده، عمدتاً دستگاه‌های منطقی تولید می‌کند، اکثر شرکت‌های دیگر IDM عمدتاً تراشه‌های حافظه مانند DRAM، دستگاه‌های گسسته و مدارهای مجتمع آنالوگ را تولید می‌کنند. علاوه بر اینتل، ایالات متحده میزبان چندین شرکت پیشرو IDM در جهان است، از جمله دستگاه های آنالوگ، محصولات مجتمع ماکسیم، فناوری میکروچیپ، میکرون، ابزارهای نیمه هادی و تگزاس. شایان ذکر است که در حالی که دفتر مرکزی این شرکت ها در ایالات متحده است، تولید محصول نهایی خود را در کارخانه های سراسر جهان انجام می دهند. به عنوان مثال، علاوه بر ایالات متحده، اینتل کارخانه های پردازش ویفر در اسرائیل، ایرلند و چین نیز دارد. و سامسونگ، که در کره جنوبی مستقر است، و سایر شرکت های مستقر خارجی (غیر آمریکایی) علاوه بر کارخانه های خارج از کشور (غیر آمریکایی) خود، کارخانه های تولید تراشه در ایالات متحده نیز دارند. بر اساس گزارش SIA، 44 درصد از ظرفیت شرکت های نیمه هادی آمریکا در ایالات متحده مستقر است. به طور کلی، شرکت‌های IDM در ایالات متحده 51 درصد از کل درآمد عملیاتی تولیدکنندگان جهانی IDM را در سال 2020 به خود اختصاص دادند. ایالات متحده به ویژه در مدارهای مجتمع منطق دیجیتال و مدارهای مجتمع آنالوگ قوی است.

سایر محصولات نیمه هادی آمریکایی دیگر شرکت های پیشرو (به عنوان مثال، AMD، nvidia، broadcom و کوالکام و روح بازی) مدل کسب و کار "شرکت های نیمه هادی بدون fabs" است، این شرکت داده ها را برای ارائه شرکت مستقل متخصص در تولید ریخته گری نیمه هادی طراحی خواهد کرد. توسط شرکت های ریخته گری به تولید و فرآوری محصولات تراشه. این ریخته گری های شخص ثالث به عنوان "ریخته گری نیمه هادی خالص" طبقه بندی می شوند زیرا آنها هیچ یک از محصولات تراشه خود را طراحی یا نمی فروشند، بلکه به عنوان سازنده قراردادی برای شرکت های نیمه هادی fabless عمل می کنند (این ریخته گری ها گاهی اوقات ظرفیت اضافی را فراهم می کنند یا تراشه های خاصی را برای IDM تولید می کنند. فروشندگان). برخی از شرکت‌های IDM، به‌ویژه سامسونگ، خدمات پردازشی را برای شرکت‌های نیمه‌رسانای فابل ارائه می‌کنند.

با پیشرفت فناوری و افزایش سرسام‌آور هزینه‌های ساخت و نگهداری تأسیسات تولید نیمه‌هادی‌های پیشرفته، مدل کسب‌وکار «شرکت بدون کارخانه + کارخانه ریخته‌گری» رایج‌تر می‌شود. پیشرفت‌های مداوم در فناوری تولید تراشه نیازمند تجهیزات تولیدی کاملاً جدید و گران‌قیمت است. کارخانه‌های پیشرفته (با گره‌های فرآیند ۵ نانومتری) حداقل ۱۲ میلیارد دلار هزینه دارند. یک دستگاه لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) که با ۵ نانومتر یا کمتر مورد نیاز است و اغلب با ۷ نانومتر استفاده می‌شود، می‌تواند تا ۱۵۰ میلیون دلار هزینه داشته باشد. کارخانه‌های تولید علاوه بر دستگاه‌های لیتوگرافی نوری، به انواع دیگری از تجهیزات نیز نیاز دارند. تخمین زده می‌شود که سرمایه‌گذاری مورد نیاز برای نسل بعدی کارخانه‌های تولید که با گره‌های ۳ نانومتری کار خواهند کرد، می‌تواند از ۲۰ میلیارد دلار فراتر رود. علاوه بر این، پس از تأسیس کارخانه‌های تولید جدید، هزینه‌های عملیاتی بسیار بالا خواهد بود و نیاز به سرمایه‌گذاری مداوم و پرهزینه دارد. همچنین لازم است فناوری پیشرفته مورد نیاز طراحان فرآیند برای ادامه فعالیت در پیشرفته‌ترین گره‌های تولید حفظ شود. کارخانه‌های ریخته‌گری خالص از صرفه‌جویی به مقیاس بهره می‌برند که به آنها اجازه می‌دهد هزینه‌های هنگفت کارخانه‌های نیمه‌هادی را با استفاده از ظرفیت بالا و کارآمد جذب و جذب کنند. طبق گزارش SIA، کارخانه‌های ریخته‌گری خالص حدود یک سوم ظرفیت جهانی تراشه را تشکیل می‌دهند. در میان آنها، تولید تراشه‌های منطقی تقریباً 80 درصد را تشکیل می‌دهد. شرکت تولیدی نیمه‌هادی تایوان (TSMC)، اولین کارخانه ریخته‌گری ویفر خالص جهان، در سال 1987 تأسیس شد و امروزه بر بازار ریخته‌گری تسلط دارد.

بازار تولید قراردادی تحت سلطه شرکت‌های تایوانی است و TSMC به تنهایی ۵۳ درصد از بازار را در اختیار دارد. در مجموع، شرکت‌های ریخته‌گری تایوانی ۶۳ درصد از بازار جهانی ریخته‌گری را در اختیار دارند. کره جنوبی ۱۸ درصد و چین ۶ درصد از این بازار را در اختیار دارند. گلوبال فاندریز، یک شرکت ریخته‌گری مستقر در ایالات متحده و متعلق به ابوظبی، ۷ درصد از این سهم را در اختیار دارد که بیش از نیمی از ۱۳ درصد باقی‌مانده بازار ریخته‌گری را تشکیل می‌دهد.

همانطور که در بالا ذکر شد، اگرچه ایالات متحده سهم بزرگی از بازار تراشه‌های تولید شده توسط شرکت‌های IDM را در اختیار دارد، اما تنها حدود 10٪ از درآمد جهانی ریخته‌گری را به خود اختصاص می‌دهد. ریخته‌گری‌های آسیایی حدود 80٪ از کل این درآمد را تشکیل می‌دهند. تایوان به تنهایی 63٪ از تولید قراردادی جهانی را به خود اختصاص داده است. این بدان معناست که در حالی که ایالات متحده در طراحی نیمه‌هادی‌ها پیشرو است، شرکت‌های داخلی بدون کارخانه آن برای ساخت محصولات خود به شدت به تولیدکنندگان قراردادی خارجی، عمدتاً در آسیا، متکی هستند. اگرچه این مدل کسب و کار نمایندگی برای محصولات مدار مجتمع برای کاربردهای تجاری با حجم بالا مناسب است، اما بسیاری از کاربردهای مرتبط در دسته‌های کوچک هستند که پذیرش فناوری‌های پیشرفته تولید نیمه‌هادی را برای کاربردها نامشخص و چالش برانگیز می‌کند.

برای ایالات متحده، بخش عمده‌ای از تولید نیمه‌هادی‌ها (در هر دو مدل IDM و ریخته‌گری) در خارج از کشور انجام می‌شود: تایوان، کره جنوبی، ژاپن، چین و ایالات متحده. حدود ۱۲٪ از ظرفیت تولید نیمه‌هادی جهان در ایالات متحده واقع شده است که نسبت به ۳۷٪ در دهه ۱۹۹۰ کاهش یافته است. در سال ۲۰۱۹، تایوان حدود ۲۰٪ از ظرفیت نصب شده جهانی را به خود اختصاص داد و پس از آن کره جنوبی با ۱۹٪ قرار داشت. ژاپن ۱۷٪، چین ۱۶٪ و اروپا ۹٪ را به خود اختصاص دادند. ۶٪ باقی مانده ظرفیت در سنگاپور، اسرائیل و سایر نقاط جهان واقع شده است.

از 40 کارخانه اصلی تولید نیمه هادی واقع در ایالات متحده، نیمی (20) از ویفرهای 300 میلی متری (12 اینچی) استفاده می کنند. سایر تولیدات از ویفرهای 200 میلی متری (8 اینچ) یا کمتر استفاده می کنند. بین سال‌های 2009 تا 2018، بیش از 100 کارخانه تولید ویفر 150 تا 200 میلی‌متری در سراسر جهان بسته شدند که 70 درصد از آنها در ایالات متحده و ژاپن تعطیل شدند. بر اساس گزارش IC Insights، 68 کارخانه تولید ویفر ده‌ها سال قدمت دارند و عمر معقول آنها فراتر است. فابرهای بسته تا حدی با امکانات جدیدی که مقرون به صرفه تر یا ارتقا یافته اند جایگزین می شوند. همچنین برخی از فابریک‌ها وجود دارند که برای کارکردن آنها بسیار گران هستند و شرکت‌ها به سراغ کارخانه‌های سبک یا مدل‌های تجاری بی‌سابقه می‌روند.

در داخل کشور، شش شرکت 20 فاب 300 میلی متری را در هشت ایالت، که در جدول زیر توضیح داده شده است، کار می کنند. علاوه بر اسکورپیوس، پنج شرکت دیگر نیز کارخانه های ویفر را در خارج از ایالات متحده اداره می کنند.

همانطور که در بالا ذکر شد، اینتل در اسرائیل، ایرلند و چین عملیات تولید نیمه‌هادی دارد. میکرون علاوه بر کارخانه‌های خود در ایالات متحده، کارخانه‌هایی را در سنگاپور، ژاپن و تایوان اداره می‌کند. تگزاس اینسترومنتس در چین، مالزی، تایوان و فیلیپین و همچنین در تگزاس تولید ویفر دارد. گلوبال فاندریز، کارخانه پیشرو در تولید ویفر خالص در ایالات متحده است که متعلق به امارت ابوظبی از طریق صندوق ثروت ملی مبادله است و دارای تأسیسات تولید ویفر در آلمان و سنگاپور است. در سال ۲۰۱۹، این شرکت برنامه‌های خود را برای افتتاح یک کارخانه در چنگدو، چین لغو کرد.

در حالی که ظرفیت تولید تراشه ایالات متحده نسبتاً ثابت است، ظرفیت و تولید خارج از ایالات متحده، به ویژه در آسیا، در حال رشد است. در نتیجه، SIA پیش بینی می کند که سهم ایالات متحده از ظرفیت نیمه هادی ها تا سال 10 به 2030 درصد کاهش می یابد، در حالی که سهم آسیا به 83 درصد افزایش می یابد. در سال 2019، هیچ یک از شش مرکز جدید تولید نیمه هادی که در جهان افتتاح شد، در ایالات متحده نبود، اما چهار مرکز در چین بودند.

همانطور که در بخش "طراحی" این گزارش توضیح داده شد، سه نوع اصلی تراشه پوشش داده شده است: حافظه، منطق یا دیجیتال و آنالوگ. همانطور که نمودار زیر نشان می دهد، نقاط مختلف جهان در زمینه های مختلف تخصص دارند. به عنوان مثال، تنها 5 درصد از تراشه های حافظه در ایالات متحده تولید می شوند، در حالی که این میزان در کره جنوبی 44 درصد و در سرزمین اصلی چین 14 درصد است. در حافظه، چین بر گسترش سریع انبار چانگ‌جیانگ تمرکز کرد و 24 میلیارد دلار یارانه به این شرکت اختصاص داد (تنها برای کارخانه ووهان). گسترش و محصولات ارزان قیمت آن تهدیدی مستقیم برای MICron و Western Digital، سازندگان تراشه حافظه ایالات متحده است.

در تراشه‌های منطقی یا دیجیتال (مانند رایانه‌ها و ریزپردازنده‌های تلفن همراه)، ایالات متحده هیچ گره پردازش پیشرفته‌ای (کمتر از 10 نانومتر) تولید نمی‌کند، در حالی که تایوان 92 درصد از این تعداد را در اختیار دارد. در سایر فناوری‌های قفل منطقی، ایالات متحده بسیار پیشرو است: 43 درصد از پیشرفته‌ترین تراشه‌های منطقی (10 تا 22 نانومتر) و 6 تا 9 درصد از نسل قبلی (28 نانومتر و ...)ove) تراشه های منطقی در ایالات متحده تولید می شوند. تایوان ۴۷ درصد از این تراشه‌های منطقی را تولید می‌کند، در حالی که چین تقریباً ۱۹ تا ۲۳ درصد از تراشه‌های منطقی را تولید می‌کند. در نهایت، برای بخش قطعات آنالوگ/گسسته، 19٪ در ایالات متحده، 17٪ در چین و تقریبا 27٪ در کره تولید می شود.

(IV) بررسی تولید مدارهای مجتمع

ایالات متحده فاقد ظرفیت تولید در پیشرفته ترین سطح فناوری است:

ایالات متحده فاقد ظرفیت تولید نیمه‌هادی برای پیشرفته‌ترین گره‌های فرآیند نیمه‌هادی (در حال حاضر ۵ نانومتر) است که در حال حاضر فقط توسط TSMC (تایوان) و سامسونگ (کره جنوبی) اداره می‌شوند. پیشرفته ترین FAB در ایالات متحده، خط فرآیند 10 نانومتری است که توسط اینتل اداره می شود، که انتظار نمی رود تا سال 7 وارد تولید کامل 2023 نانومتری شود و در ژانویه 2021 اعلام کرد که از 7 نانومتر یا "بهبود" TSMC استفاده خواهد کرد. زیر خط تولید آخرین محصولات مدار منطقی خود. در نتیجه، شرکت‌های تراشه‌های بی‌سابقه ایالات متحده اکنون برای تولید پیشرفته‌ترین تراشه‌ها (۷ نانومتر یا کوچک‌تر) به‌طور کامل به تولیدکنندگان آسیایی، به‌ویژه TSMC متکی هستند. علاوه بر خطرات زنجیره تامین ناشی از تولید متمرکز جغرافیایی، فقدان توانمندی‌های فن‌آوری داخلی داخلی نگرانی‌های امنیت ملی را افزایش می‌دهد، زیرا برخی از برنامه‌ها برای اطمینان از برتری تکنولوژیک نیازمند دسترسی ایمن به فناوری پیشرفته فرآیند هستند.

درآمد حاصل از فروش محصولات تراشه به چین بستگی دارد:

سازندگان تراشه آمریکایی نیز به دلیل تسلط این کشور در تولید لوازم الکترونیکی، به شدت بر فروش به چین متکی هستند. چین بزرگترین بازار نیمه هادی ها است که بیشتر آنها با مونتاژ به قطعات الکترونیکی پایانه، از جمله لوازم الکترونیکی مصرفی و لوازم خانگی، دوباره صادر می شوند. به عنوان مثال، بر اساس داده‌های اکونومیست در سال ۲۰۱۸، تامین‌کننده تراشه تلفن همراه کوالکام دو سوم درآمد خود را از چین به دست آورد، در حالی که سازنده حافظه Micron ۵۷ درصد از درآمد خود را از چین به دست آورد. اینتل در سال 2020 گزارش داد که چین 26 درصد از درآمد خود را به خود اختصاص داده است. اتکای شدید به فروش چین به دولت چین اهرم اقتصادی و پتانسیل مقابله به مثل علیه ایالات متحده را می دهد.

تمایل چین برای رهبری صنعت نیمه هادی:

سهم چین از صنعت جهانی نیمه هادی ها نسبتاً کم است و شرکت های آن عمدتاً تراشه های ارزان قیمت تولید می کنند. SMIC، پیشرفته ترین ریخته گری خالص چین، تنها می تواند بر روی گره های 14 نانومتری تولید کند و ظرفیت محدودی دارد. با این حال، چین در بحبوحه تلاش‌های بزرگ دولتی برای توسعه صنعت IDM یکپارچه عمودی بومی خود با هدف تبدیل این صنعت در همه زمینه‌ها تا سال 2030 است. سهم چین از ظرفیت ویفر نیمه هادی در سال 16 به 2019 درصد رسید اما انتظار می رود تا سال 28 به 2030 درصد افزایش یابد. دولت چین 100 میلیارد دلار یارانه برای صنعت نیمه هادی خود از جمله توسعه 60 کارخانه جدید تولید می کند. همانطور که در بخش "طراحی" زنجیره تامین مورد بحث قرار گرفت، چین به شدت به سازندگان تراشه های حافظه خود یارانه پرداخت کرده است تا وابستگی خود را به سه شرکت بزرگ حافظه در جهان قطع کند: سامسونگ (کره جنوبی)، SK Hynix (کره جنوبی) و میکرون (ایالات متحده آمریکا). ). Micron، یک شرکت حافظه آمریکایی، رقیب مستقیم ذخیره سازی Changjiang است و احتمالاً اولین شرکت آمریکایی خواهد بود که رقابت و نوآوری آینده خود را در معرض تهدید یارانه های چینی به رقبا خواهد دید.

سلب مسئولیت: این مقاله از "گفتگوهای رستوران آقای وانگ" تجدید چاپ شده است، این مقاله تنها بیانگر دیدگاه های شخصی نویسنده است، دیدگاه های ساکوئی و صنعت را نشان نمی دهد، فقط برای تجدید چاپ و اشتراک گذاری، حمایت از حمایت از حقوق مالکیت معنوی، تجدید چاپ لطفا منبع و نویسنده اصلی را ذکر کنید، در صورت وجود تخلف، لطفا برای حذف با ما تماس بگیرید.