[מבוא] בפברואר 2021, נשיא סיטיגרופ ג'ו ביידן חתם על צו נשיאותי מס' 14017, המחייב את ממשלתו לערוך סקירה מקיפה של שרשראות האספקה ​​בארבעה תחומים עיקריים, כולל מוליכים למחצה, סוללות אנרגיה חדשות, מינרלים נדירים ואספקה ​​רפואית, כדי לזהות סיכונים, לטפל בפגיעויות ולפתח אסטרטגיות לשיפור חוסן שרשרת האספקה. כאשר המפקד חתם על הצו, הוא ציטט את הפתגם "במחסור במסמרים, הנעל נזרקת. במחסור בנעליים, הסוס אבוד", וכן הלאה, עד שהממלכה נפלה. התקלה הקטנה ביותר בשרשרת האספקה ​​יכולה להשפיע על הבטיחות, התעסוקה, המשפחות והקהילות האמריקאיות. כדי לבצע סקירה מקיפה זו, ממשל ביידן הקים צוות משימה פנימי המכסה יותר מתריסר מחלקות וסוכנויות פדרליות. פקידי הממשל התייעצו עם רשויות העבודה, העסקים והמוסדות האקדמיים, הקונגרס ובעלות ברית ושותפים של ארה"ב כדי לזהות פגיעויות ולפתח פתרונות.

דוח הערכת הסקירה של Citi State אמור להגיע ביוני 2021.

1. על מוליכים למחצה

מוליכים למחצה הם הבסיס החומרי של מעגלים משולבים החיוניים לחיי היומיום המודרניים. מוליכים למחצה הם חלק בלתי נפרד מחיי היומיום של צרכנים מודרניים, הנמצאים בפריטים ביתיים כגון מתגי תאורה, פותחני דלתות ומקררים, כמו גם בטלפונים ניידים, מחשבים ומכוניות. זה נמצא במוצרים מורכבים יותר. אנשים מודרניים משתמשים בו כל יום (נניח כל שעה, כל דקה, כל שנייה). מעגלים משולבים מבוססי מוליכים למחצה הם ה"DNA" של מגוון טכנולוגיות ששינו מהותית את כל תחומי הכלכלה החברתית, החל מחקלאות, תחבורה, שירותי בריאות, טלקומוניקציה ואינטרנט. תעשיית המוליכים למחצה היא מנוע מרכזי לצמיחה כלכלית ויצירת מקומות עבודה בסיטי. כמעט כל המוצרים הטכנולוגיים אינם ניתנים להפרדה ממוליכים למחצה; כמובן שגם המערכות המתקדמות ביותר אינן ניתנות להפרדה מהתמיכה של מוליכים למחצה.

הדו"ח מעריך כי תעשיית המוליכים למחצה בארה"ב תזכה למכירות שנתיות של 208 מיליארד דולר בשנת 2020, המהווה כמעט מחצית מהשוק העולמי. למרות מגיפת ה-COVID-19 העולמית, מכירות מוצרי המוליכים למחצה העולמיים עלו ב-6.5% בשנת 2020. על פי הערכות SIA, שוק המוליכים למחצה העולמי יגיע למכירות שנתיות של 726 מיליארד דולר עד 2027, עם קצב צמיחה שנתי מורכב של 4.7%. מוליכים למחצה הם ייצוא מרכזי בארה"ב, עם מכירות יצוא של 47 מיליארד דולר בשנת 2020, במקום הרביעי אחרי מטוסים, נפט מזוקק ונפט גולמי.

למרות שתעשיית המוליכים למחצה בארה"ב מהווה כמעט מחצית מההכנסות העולמיות ממוצרי מוליכים למחצה, דו"ח ההערכה סבור כי קיבולת ייצור המוליכים למחצה בארה"ב כחלק מהייצור העולמי ירד מ-37% לפני 20 שנה לכ-12% כיום. עסקים בארה"ב, כולל חברות מוליכים למחצה גדולות נטולות אגדות, תלויות מאוד במדינות זרות, במיוחד באסיה, מה שיוצר סיכונים בשרשרת האספקה.

דוח המחקר בוחן את שרשרת האספקה ​​של מוליכים למחצה באמצעות חמישה חלקים בסיסיים קשורים: (1) עיצוב; (2) ייצור; (3) הרכבה, בדיקה ואריזה; (4) חומרים; ו (5) ציוד ייצור.

2. מסקנות בסיסיות:

לְעַצֵב:

המערכת האקולוגית של תכנון מוליכים למחצה בארה"ב היא חזקה ומובילה עולמית, אך חברות אמריקאיות מסתמכות במידה רבה על מכירות לסין כדי לשמור על צמיחת רווחים והשקעות מקומיות (הערה: מקומיות) במחקר ופיתוח (מו"פ). בנוסף, חברות עיצוב בארה"ב מסתמכות בעיקר על קניין רוחני מוגבל (IP), כוח אדם ומשאבי ייצור כדי לנהל עסקים. משאבים אלו הם קריטיים להבאת מוצרים לשוק.

יִצוּר:

לארצות הברית חסרה כושר ייצור מספק של מוליכים למחצה. ארצות הברית מסתמכת בעיקר על טייוואן כדי לספק שבבי לוגיקה בצמתי תהליך מתקדמים, ומסמכת על טייוואן, דרום קוריאה וסין היבשתית כדי לענות על הביקוש לשבבי צמתי תהליך בוגרים.

אריזה בדוקה ומתקדמת:

עבור אריזות ובדיקות של מוליכים למחצה בעלי טכנולוגיה נמוכה יחסית, ארצות הברית מסתמכת במידה רבה על משאבים זרים המרוכזים באסיה. יתר על כן, ככל שהשבבים הופכים מורכבים יותר, שיטות אריזה מתקדמות מייצגות תחום פיתוח פוטנציאלי עבור התקדמות טכנולוגית גדולה בעתיד. לארה"ב אין את המערכת האקולוגית של החומרים הדרושים, וארה"ב אינה מקום חסכוני לפיתוח תעשיית אריזה מתקדמת חזקה, והשקעה סינית כבדה עשויה להעלות את השוק.

חוֹמֶר:

הייצור של מוליכים למחצה דורש מאות חומרים, מה שיוצר אתגרים עבור שרשרת האספקה ​​של הייצור. גזים וכימיקלים רטובים רבים המשמשים בייצור מוליכים למחצה מיוצרים בארצות הברית, אך ספקים זרים שולטים בשוק פרוסות סיליקון, פוטומסכות ופוטורסיסטים.

ציוד ייצור:

בנוסף למכונות ליטוגרפיה, עבור רוב ציוד תהליך חזיתי לייצור מוליכים למחצה, לחברות אמריקאיות יש נתח גדול בעולם.

בנוסף לארצות הברית, ייצור ציוד ייצור מרוכז בהולנד וביפן. בשל הגודל המוגבל של ייצור מוליכים למחצה בארצות הברית, הצמיחה של יצרניות ציוד אלו תלויה במידה רבה במכירות מחוץ לארה"ב.

3. על עיצוב מעגלים משולבים

מבחינה היסטורית, בשלב הראשוני של התפתחות תעשיית המוליכים למחצה (שבבים), תכנון מעגלים משולבים לא היה תעשייה עצמאית. תכנון המעגלים המשולבים נעשה על ידי חברות IDM השולטות בכל תהליך הייצור. חברות כמו אינטל וטקסס אינסטרומנטס בארצות הברית הן נציגות אופייניות של מפעלים כאלה. כיום, תכנון מעגלים משולבים נעשה יותר ויותר על ידי חברות "עיצוב ללא פבל" מתמחות יותר, המסתמכות על חברות ייצור עצמאיות (בתי יציקה) להשלמת ייצור המעגלים המשולבים. הגידול בבתי היציקה וההשקעות הנלוות הקל על הכניסה לתעשיית התכנון של מעגלים משולבים. התוצאה היא ריכוז נמוך משמעותית בתעשיית תכנון המעגלים המשולבים מאשר בייצור וייצור ציוד, והופך את ייצור המעגלים המשולבים לתלוי במידה רבה בטייוואן.

למרות שחסמי הכניסה נמוכים, חברות עיצוב אגדות חייבות לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם בתי יציקה כדי להבטיח שהעיצובים מתאימים לתהליך הייצור, והן מסתמכות על ספקי IP (בדרך כלל חברות מוליכים למחצה אחרות המפתחות טכנולוגיות מפתח), כמו גם עיצובים אלקטרוניים אוטומציה (EDA) תמיכה בארגוני תוכנה. הן השלבים במעלה והן במורד הזרם של תעשיית עיצוב ה-IC מרוכזים מאוד. ספקי IP משמעותיים וספקי EDA ממוקמים בעיקר בארצות הברית, אך רוב העוסקים בהם נמצאים מחוץ לארצות הברית.

מבנה תעשייתי

בשל סוגי המוצרים השונים בהם עוסקים ארגונים, קנה המידה, הטכנולוגיה והמבנה של ארגונים העוסקים בתכנון מוליכים למחצה או מעגלים משולבים שונים מאוד. דוח זה מחלק מוליכים למחצה במעגלים משולבים לשלושה סוגים עיקריים: מעגלים לוגיים או דיגיטליים, זיכרון ומעגלים אנלוגיים. בשנת 2020, מעגלים משולבים לוגיים או דיגיטליים מהווים כ-42% מנתח השוק הכולל; מוצרי זיכרון מהווים כ-26%; מעגלים משולבים אנלוגיים מהווים כ-14%; מוצרי מוליכים למחצה אחרים הם מוצרי מעגלים לא משולבים, לרבות התקנים דיסקרטיים, התקני אופטו-אלקטרוניקה והתקני חיישנים.

מעגלים משולבים לוגיים או דיגיטליים הם היחידות הבסיסיות של מחשבים או רכיבי מחשוב והם הקטגוריה הגדולה ביותר בשוק מוצרי המוליכים למחצה. שבבי לוגיקה מהווים 42% מההכנסות בתעשייה, לפי ה-World Semiconductor Association SIA. בקטגוריה זו של מוצרי מוליכים למחצה, ריכוז השוק ומספר חברות העיצוב תלויים מאוד בסוג השבב הספציפי. שווקי יחידת העיבוד המרכזית של המחשב האישי (CPU), יחידת העיבוד הגרפית הייעודית (GPU) ומערך השערים הניתנים לתכנות שדה (FPGA) הם למעשה דואופול. הספקים של מעגלים משולבים ספציפיים ליישום (ASIC) מפוצלים מאוד, והתחרות ביניהם עזה יותר. קטגוריות המוצרים כוללות מעבדי מכשירים ניידים מבוססי ASIC ו-ARM. מעבד הוא יחידת העיבוד המרכזית של המחשב, GPU הוא מעבד המשמש לעיבוד וידאו, מוצר FPGA משמש לקונפיגורציה על ידי לקוח או מעצב לאחר ייצור, ו-ASIC הוא שבב מותאם אישית המיועד ליישום ספציפי.

הדו"ח סבור כי ארה"ב היא המובילה בעולם בתכנון מעגלים משולבים, וחברות רבות משתמשות במיקור חוץ של ייצור או הצבת מעצבים מחוץ לארה"ב כדי לצמצם את הוצאות ההון. בעצם, כל מעבדי המחשב האישי בעולם מתוכננים על ידי חברות אמריקאיות אינטל ו-AMD, ביניהן אינטל משלימה את ייצור השבבים בעצמה, בעוד ש-AMD מסתמכת על בתי יציקה להשלמת ייצור השבבים. בינתיים, אינטל ו-AMD עשויות לשלוט בקרוב בקטגוריית ה-FPGA, שכן AMD הודיעה באוקטובר 2020 שהיא מתכננת לרכוש את מובילת שוק ה-FPGA Xilinx תמורת 35 מיליארד דולר. אם הרכישה תקבל אישור רגולטורי, AMD-Xilinx ואינטל יהוו כ-85% ממכירות ה-FPGA העולמיות. ספקים אמריקאים אחרים Microchip Technology, Lattice Semiconductor ו-Achronix Semiconductor מהווים את שאר שוק ה-FPGA. החלק העיקרי של ה-GPU העולמי מוחזק על ידי AMD וחברת NVIDIA האמריקאית המובילה בשוק.

התחרות בבסיס ספקי ASIC גדלה באופן משמעותי, והביקוש למעבדי מכשירים ניידים מבוססי ארכיטקטורת ARM גבוהה. יצרניות שבבים כמו סמסונג מתחרות בשווקי ה-ASIC והמעבדים הניידים לצד חברות עיצוב חסרות אגדות כמו קוואלקום וברודקום, ועשרות חברות טכנולוגיה אמריקאיות שמעצבות שבבים משלהן, כולל אפל, אלפבית ואמזון. למעט אינטל ו-Microchip, רוב ספקי ה-CPU, GPU, FPGA ו-ASIC ברחבי העולם ובארה"ב הם חסרי אגדה, המסתמכים על ייצור היציקה לתכנון שבבים.

לפי SIA, שבבי זיכרון המשמשים לאחסון מידע הדרוש למחשוב מהווים 26% מההכנסות בתעשייה. שבבי זיכרון הם קטגוריות ממוסחרות ותחרותיות לחלוטין, והיתרונות וההתקדמות הטכנולוגית שלהם תלויים לחלוטין בתפוקה וביתרונות לגודל. מוצרי זיכרון מסופקים בדרך כלל על ידי חברות מסוג IDM. סמסונג מדרום קוריאה ו-SK Hynix מדרום קוריאה נמצאות בעמדה המובילה בתחום זיכרון גישה אקראית דינמית (DRAM). לחברה האמריקאית מיקרון יש כ-23 אחוזים. מובילי נתח השוק מפתחים כעת טכנולוגיות אריזה מתקדמות (כלומר ערימת קוביות) ו-IP עבור מוצרים מובילים אחרים. שלוש החברות הללו מהוות כ-95% מהשוק העולמי של 70 מיליארד דולר ב-2020.

ייצור זיכרון פלאש (NAND) פחות מרוכז, כאשר לפי הערכות שש חברות מהוות כ-99% מהשוק העולמי של 47 מיליארד דולר בשנת 2020. סמסונג מדרום קוריאה היא גם מובילת השוק במוצרי זיכרון פלאש, עם קצת יותר משליש מה-NAND שׁוּק. סמסונג מדרום קוריאה מלווה את Kioxia היפנית (לשעבר טושיבה), שלה נתח של כ-20 אחוזים. המקום השלישי למוצרי זיכרון פלאש הוא Western Digital Corporation מארצות הברית, המהווה כ-14% מהמניות. כמו כן במגזר זה SK Hynix בדרום קוריאה (12%), מיקרון בארה"ב (11%) ואינטל בארה"ב (9%). נראה שחברות NAND גלובליות מתכוננות לגיבוש נוסף. אינטל, שהכנסות ממוצרי ה-NAND שלה דומות ל-Micron, הודיעה באוקטובר 2020 שהיא מתכננת למכור את רוב עסקי זכרונות ה-NAND שלה ל-SK Hynix. המכירה תניע את החברה הממוזגת למקום 2 בנתח השוק של NAND. ישנם גם דיווחים ש-Western Digital ו-Micron עשויות לחפש לרכוש את Kioxia. בנוסף, Yangtze Memory Technologies (YMTC), חברה סינית שנוסדה ב-2016, מתרחבת במהירות וקיבלה סובסידיות של כ-24 מיליארד דולר. מקורות ממשלת סין. החברה עשויה להיות מסוגלת לייצר עד 200,000 פרוסות בחודש עד 2022, יותר מכפול מיכולת ה-NAND הנוכחית של אינטל, ואיום פוטנציאלי בעלות נמוכה על חברות הזיכרון בארה"ב.

בהשוואה לשבבי זיכרון, המסחור של מוצרי מעגלים משולבים אנלוגיים פחות תחרותי. יתרה מכך, מעגלים אנלוגיים בדרך כלל פחות תלויים בשימוש בצמתי תהליכי ייצור מתקדמים. השימוש הסופי במערכת האפליקציה, ידע וניסיון בתכנון השבב הם גורמים חשובים בערכם של מעגלים משולבים אנלוגיים. לכן, ריכוז השוק של חברות המוצרים כאן אינו גבוה מדי, מכיוון שחברות מעגלים משולבים אנלוגיים יכולות לשמור על יתרון תחרותי על ידי התמקדות בתחום האנלוגי. בשנת 2020, הספק הגדול בעולם של מעגלים משולבים אנלוגיים היווה 62% מהשוק של 56 מיליארד דולר, מתוכם רק טקסס אינסטרומנטס היוו יותר מ-10% מהשוק. רבות מחברות המוליכים למחצה האנלוגיים המובילות הן יצרניות "פאב-לייט", ומייצרות חלק מהשבבים שהם מעצבים בעצמה, למרות שהן גם מיקור חוץ חלק גדול מהשבבים.

בשנת 2020, המכירות העולמיות של מכשירים דיסקרטיים, מכשירים אופטואלקטרוניים וחיישנים (מוליכים למחצה לא משולבים) במוצרי מוליכים למחצה יעמדו על כ-79 מיליארד דולר, המהווים כמעט 18% מכלל שוק המוליכים למחצה (בסך הכל כ-440 מיליארד דולר). רוב מוצרי המוליכים למחצה בקטגוריה זו נמצאים בצמתי תהליך בוגר שבהם הם זולים ולא נדיר שמוצר בודד שווה אגורה. השוק של מוצרים כאלה מפוצל מאוד עם יצרנים רבים. חברות מוליכים למחצה שאינן IC כוללות את ABB Ltd (שוודיה/שוויץ), Infineon Technologies (גרמניה), STM Microelectronics (איטליה/צרפת), טושיבה (יפן), וכן חברות אמריקאיות Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix ו- קרי. טכנולוגיות ההנעה העיקריות למוצרי מוליכים למחצה שאינם משולבים, במיוחד מוצרי מוליכים למחצה בדיד, הן חידושים בניהול צריכת חשמל ומיזעור. מוצרים כאלה משתמשים בכלי רכב, במיוחד בכלי רכב חשמליים, כמסופי יישומים מרכזיים. גליום ניטריד (GaN), סיליקון קרביד (SiC), ומצעי מוליכים למחצה מורכבים אחרים, הנשלטים על ידי ארה"ב, הם טכנולוגיות מפתח למגוון יישומים. הם נמצאים בשימוש נרחב בניהול והפצת חשמל, הגברה בתדר גבוה, אלקטרוניקה אופטו וביטחון לאומי. התקני מוליכים למחצה עם מסך שטוח נכנסים גם הם לקטגוריה זו.

בתחום הביטחון הלאומי, טכנולוגיית מוליכים למחצה חייבת להיות מתאימה לשימוש גם בטווח הטמפרטורות (טווח המורחב) ובסביבות הקשות, לרבות מאפיינים טכניים לשימוש בסביבות קרינה במידת הצורך. בנוסף, נדרש אימות ותיקוף רכיבים מחמירים ובלתי תלויים יותר. מוליכים למחצה המשמשים ביישומי רכב חייבים גם לעמוד בדרישות עמידות ובדיקות מחמירות כדי לעמוד בתנאי סביבה קשים (למשל קור קיצוני, חום קיצוני ולחות קיצונית). הם חייבים לעמוד בפני רעידות וזעזועים לאורך תוחלת החיים של הרכב בין 10 ל-20 שנים, והוכיחו שיעורי כשל נמוכים בהרבה בבדיקות מאשר מוליכים למחצה המשמשים במוצרי צריכה כדי להבטיח שהם עומדים בדרישות בטיחות הרכב. דרישות אלו צפויות לעלות ולהחמיר ככל שרכבים הופכים אוטונומיים יותר ומשתמשים ביותר ויותר טכנולוגיות זיהוי וטווח אור (LiDAR), סונאר, מכ"ם, מערכות ראייה וטכנולוגיות ניווט וזיהוי.

כתב ויתור: מאמר זה משוחזר מתוך "לחישת מסעדת היין של מר וואנג לאו". מאמר זה מייצג רק את דעותיו האישיות של המחבר, לא את הדעות של Saco Micro והתעשייה. זה מיועד רק להדפסה מחדש ולשיתוף, ותומך בהגנה על זכויות קניין רוחני. נא לציין את המקור המקורי ואת המחבר להדפסה מחדש. , אם יש הפרה כלשהי, אנא צור איתנו קשר כדי למחוק אותה.