[Introduzione] Nel febbraio 2021, il presidente di Citigroup Joe Biden ha firmato l'Ordine Esecutivo n. 14017, che imponeva al suo governo di condurre una revisione completa delle catene di approvvigionamento in quattro settori principali, tra cui semiconduttori, batterie per energie rinnovabili, minerali delle terre rare e forniture mediche, al fine di identificare i rischi, affrontare le vulnerabilità e sviluppare strategie per migliorare la resilienza della catena di approvvigionamento. Quando il comandante ha firmato l'ordine, ha citato il proverbio "Per mancanza di chiodi, il ferro di cavallo viene buttato via. Per mancanza di ferri, il cavallo si perde", e così via, fino alla caduta del regno. Il minimo intoppo nella catena di approvvigionamento può avere ripercussioni sulla sicurezza, sui posti di lavoro, sulle famiglie e sulle comunità americane. Per realizzare questa revisione completa, l'amministrazione Biden ha creato una task force interna che coinvolge più di una dozzina di dipartimenti e agenzie federali. I funzionari dell'amministrazione si sono consultati con sindacati, imprese, istituzioni accademiche, il Congresso e alleati e partner degli Stati Uniti per identificare le vulnerabilità e sviluppare soluzioni.

Il rapporto di valutazione della revisione dello Stato di Citi è previsto per giugno 2021.

1. Informazioni sui semiconduttori

I semiconduttori sono la base materiale dei circuiti integrati essenziali per la vita quotidiana moderna. I semiconduttori sono parte integrante della vita quotidiana dei consumatori moderni, presenti in articoli per la casa come interruttori della luce, apriporta da garage e frigoriferi, nonché in telefoni cellulari, computer e automobili. Si trovano in prodotti più complessi. Le persone moderne li usano ogni giorno (diciamo ogni ora, ogni minuto, ogni secondo). I circuiti integrati basati sui semiconduttori sono il "DNA" di una varietà di tecnologie che hanno cambiato radicalmente tutti i settori della socioeconomia, dall'agricoltura, ai trasporti, all'assistenza sanitaria, alle telecomunicazioni e a Internet. L'industria dei semiconduttori è un importante motore di crescita economica e creazione di posti di lavoro presso Citi. Quasi tutti i prodotti tecnologici sono inseparabili dai semiconduttori; naturalmente, anche i sistemi più avanzati sono inseparabili dal supporto dei semiconduttori.

Il rapporto stima che l’industria statunitense dei semiconduttori avrà un fatturato annuo di 208 miliardi di dollari nel 2020, pari a quasi la metà del mercato globale. Nonostante la pandemia globale di COVID-19, le vendite globali di prodotti a semiconduttori sono aumentate del 6.5% nel 2020. Secondo le stime SIA, il mercato globale dei semiconduttori raggiungerà un fatturato annuo di 726 miliardi di dollari entro il 2027, con un tasso di crescita annuo composto del 4.7%. I semiconduttori rappresentano una delle principali esportazioni statunitensi, con vendite all’esportazione di 47 miliardi di dollari nel 2020, al quarto posto dietro gli aerei, il petrolio raffinato e il petrolio greggio.

Sebbene l’industria statunitense dei semiconduttori rappresenti quasi la metà del fatturato globale dei prodotti semiconduttori, il rapporto di valutazione ritiene che la capacità produttiva statunitense di semiconduttori come quota della produzione globale sia scesa dal 37% di 20 anni fa a circa il 12% di oggi. Le imprese statunitensi, comprese le principali società di semiconduttori di Fabless, dipendono fortemente dai paesi stranieri, soprattutto in Asia, il che crea rischi nella catena di approvvigionamento.

Il rapporto di ricerca esamina la catena di fornitura dei semiconduttori attraverso cinque parti fondamentali correlate: (1) progettazione; (2) produzione; (3) assemblaggio, test e imballaggio; (4) materiali; e (5) attrezzature di produzione.

2. Conclusioni di base:

design:

L’ecosistema di progettazione dei semiconduttori statunitense è forte e leader a livello mondiale, ma le aziende statunitensi fanno molto affidamento sulle vendite in Cina per sostenere la crescita dei profitti e gli investimenti nazionali in ricerca e sviluppo (R&S). Inoltre, le aziende di design statunitensi fanno affidamento principalmente su proprietà intellettuale (IP), manodopera e risorse produttive limitate per condurre affari. Queste risorse sono fondamentali per portare i prodotti sul mercato.

produzione:

Gli Stati Uniti non dispongono di una capacità produttiva di semiconduttori sufficiente. Per l'approvvigionamento di chip logici con processi produttivi avanzati, gli Stati Uniti dipendono principalmente da Taiwan, dalla Corea del Sud e dalla Cina continentale per soddisfare la domanda di chip con processi produttivi maturi.

Packaging testato e avanzato:

Per il packaging e i test dei semiconduttori back-end relativamente a bassa tecnologia, gli Stati Uniti fanno molto affidamento su risorse estere concentrate in Asia. Inoltre, man mano che i chip diventano più complessi, i metodi di confezionamento avanzati rappresentano una potenziale area di sviluppo per importanti progressi tecnologici futuri. Gli Stati Uniti non dispongono dell’ecosistema dei materiali necessari e non sono un luogo economicamente vantaggioso per sviluppare un’industria dell’imballaggio solida e avanzata, e i massicci investimenti cinesi potrebbero sconvolgere il mercato.

Materiale:

La produzione di semiconduttori richiede centinaia di materiali, creando sfide per la catena di approvvigionamento manifatturiera. Molti gas e prodotti chimici umidi utilizzati nella produzione di semiconduttori vengono prodotti negli Stati Uniti, ma i fornitori stranieri dominano il mercato dei wafer di silicio, delle fotomaschere e dei fotoresist.

Attrezzature di produzione:

Oltre alle macchine litografiche, per la maggior parte delle apparecchiature di processo front-end per la produzione di semiconduttori, le aziende americane detengono un'ampia quota del mondo.

Oltre che negli Stati Uniti, la produzione di attrezzature manifatturiere è concentrata nei Paesi Bassi e in Giappone. A causa delle dimensioni limitate della produzione di semiconduttori negli Stati Uniti, la crescita di questi produttori di apparecchiature dipende fortemente dalle vendite al di fuori degli Stati Uniti.

3. Informazioni sulla progettazione di circuiti integrati

Storicamente, nella fase iniziale dello sviluppo dell'industria dei semiconduttori (chip), la progettazione di circuiti integrati non era un settore indipendente. La progettazione di circuiti integrati è svolta da aziende IDM che controllano l'intero processo produttivo. Aziende come Intel e Texas Instruments negli Stati Uniti sono tipici rappresentanti di tali aziende. Oggi, la progettazione di circuiti integrati è sempre più affidata a "fabless design companies" più specializzate che si affidano ad aziende manifatturiere indipendenti (fonderie) per completare la produzione dei circuiti integrati. L'aumento delle fonderie e dei relativi investimenti ha facilitato l'ingresso nel settore della progettazione di circuiti integrati. Ciò si traduce in una concentrazione significativamente inferiore nel settore della progettazione di circuiti integrati rispetto alla produzione manifatturiera e di apparecchiature, e rende la produzione di circuiti integrati fortemente dipendente da Taiwan.

Sebbene le barriere all’ingresso siano basse, le società di progettazione fabless devono lavorare a stretto contatto con le fonderie per garantire che i progetti siano adatti al processo di produzione e si affidano a fornitori di proprietà intellettuale (di solito altre società di semiconduttori che sviluppano tecnologie chiave), nonché a progetti di automazione elettronica (EDA) supporto aziendale del software. Sia la fase a monte che quella a valle del settore della progettazione di circuiti integrati sono altamente concentrate. I principali fornitori di proprietà intellettuale e fornitori di EDA hanno sede principalmente negli Stati Uniti, ma la maggior parte dei loro professionisti si trova al di fuori degli Stati Uniti.

Struttura industriale

A causa dei diversi tipi di prodotti in cui si impegnano le imprese, la scala, la tecnologia e la struttura delle imprese impegnate nella progettazione di semiconduttori o circuiti integrati sono molto diverse. Questo rapporto divide i semiconduttori dei circuiti integrati in tre tipologie principali: circuiti logici o digitali, circuiti di memoria e circuiti analogici. Nel 2020 i circuiti integrati logici o digitali rappresentano circa il 42% della quota di mercato totale; i prodotti di memoria rappresentano circa il 26%; i circuiti integrati analogici rappresentano circa il 14%; altri prodotti a semiconduttori sono prodotti a circuiti non integrati, compresi dispositivi discreti, dispositivi optoelettronici e sensori.

I circuiti integrati logici o digitali sono le unità di base dei computer o dei componenti informatici e rappresentano la categoria più ampia nel mercato dei prodotti a semiconduttori. Secondo la World Semiconductor Association SIA, i chip logici rappresentano il 42% delle entrate del settore. In questa categoria di prodotti a semiconduttori, la concentrazione del mercato e il numero di aziende di progettazione dipendono fortemente dal tipo specifico di chip. I mercati delle unità di elaborazione centrale (CPU) dei personal computer, delle unità di elaborazione grafica dedicata (GPU) e dei gate array programmabili sul campo (FPGA) sono essenzialmente duopolio. I fornitori di circuiti integrati per applicazioni specifiche (ASIC) sono molto frammentati e la loro concorrenza è più intensa. Le categorie di prodotti includono processori per dispositivi mobili basati su ASIC e ARM. Una CPU è l'unità di elaborazione centrale di un computer, una GPU è un processore utilizzato per il rendering video, un prodotto FPGA viene utilizzato per la configurazione da parte di un cliente o un progettista dopo la produzione e un ASIC è un chip personalizzato progettato per un'applicazione specifica.

Il rapporto ritiene che gli Stati Uniti siano il leader mondiale nella progettazione di circuiti integrati e che molte aziende ricorrono all'outsourcing della produzione o al collocamento dei progettisti al di fuori degli Stati Uniti per ridurre le spese in conto capitale. Fondamentalmente, tutte le CPU dei personal computer nel mondo sono progettate dalle società americane Intel e AMD, tra cui Intel completa la produzione dei chip internamente, mentre AMD si affida alle fonderie per completare la produzione dei chip. Nel frattempo, Intel e AMD potrebbero presto dominare la categoria FPGA, poiché AMD ha annunciato nell’ottobre 2020 di voler acquisire il leader del mercato FPGA Xilinx per 35 miliardi di dollari. Se l’acquisizione dovesse ottenere l’approvazione normativa, AMD-Xilinx e Intel rappresenterebbero circa l’85% delle vendite globali di FPGA. Altri fornitori statunitensi Microchip Technology, Lattice Semiconductor e Achronix Semiconductor costituiscono il resto del mercato FPGA. La quota maggiore della GPU globale è detenuta da AMD e dalla società statunitense leader di mercato NVIDIA.

La concorrenza nella base di fornitori ASIC è aumentata in modo significativo e la domanda di processori per dispositivi mobili basati su architettura ARM è elevata. I produttori di chip come Samsung competono nei mercati degli ASIC e dei processori mobili insieme ad aziende di progettazione favolose come Qualcomm e Broadcom, e dozzine di aziende tecnologiche statunitensi che progettano i propri chip, tra cui Apple, Alphabet e Amazon. Ad eccezione di Intel e Microchip, la maggior parte dei fornitori di CPU, GPU, FPGA e ASIC a livello globale e negli Stati Uniti sono fabless e si affidano alla produzione di fonderia per progettare chip.

Secondo SIA, i chip di memoria utilizzati per archiviare le informazioni necessarie per l'elaborazione rappresentano il 26% delle entrate del settore. I chip di memoria sono categorie completamente commercializzate e competitive, e i loro vantaggi e il progresso tecnologico dipendono interamente dalla resa e dalle economie di scala. I prodotti di memoria sono generalmente forniti da società di tipo IDM. Samsung e SK Hynix della Corea del Sud sono leader nel campo delle memorie ad accesso casuale dinamico (DRAM). La società statunitense Micron detiene circa il 23%. I leader delle quote di mercato stanno ora sviluppando tecnologie di imballaggio avanzate (ad esempio impilamento di stampi) e proprietà intellettuale per altri prodotti leader. Queste tre società rappresentano circa il 95% del mercato globale da 70 miliardi di dollari nel 2020.

La produzione di memorie flash (NAND) è meno concentrata, con circa sei aziende che rappresenteranno circa il 99% del mercato globale di 47 miliardi di dollari nel 2020. La Samsung sudcoreana è anche leader di mercato nei prodotti di memoria flash, con poco più di un terzo della produzione NAND. mercato. La sudcoreana Samsung è seguita dalla giapponese Kioxia (ex Toshiba), che detiene una quota di circa il 20%. Al terzo posto per i prodotti di memoria flash c'è la Western Digital Corporation degli Stati Uniti, che rappresenta circa il 14% della quota. In questo segmento figurano anche SK Hynix in Corea del Sud (12%), Micron negli Stati Uniti (11%) e Intel negli Stati Uniti (9%). Le società NAND globali sembrano prepararsi a un ulteriore consolidamento. Intel, il cui fatturato relativo ai prodotti NAND è simile a quello di Micron, ha annunciato nell'ottobre 2020 l'intenzione di vendere la maggior parte della sua attività di memoria NAND a SK Hynix. La vendita porterà la società combinata al numero 2 nella quota di mercato NAND. Ci sono anche rapporti secondo cui Western Digital e Micron potrebbero cercare di acquisire Kioxia. Inoltre, Yangtze Memory Technologies (YMTC), azienda cinese fondata nel 2016, si sta espandendo rapidamente e ha ricevuto sussidi per circa 24 miliardi di dollari. Fonti del governo cinese. L'azienda potrebbe essere in grado di produrre fino a 200,000 wafer al mese entro il 2022, più del doppio dell'attuale capacità NAND di Intel e una potenziale minaccia a basso costo per le società di memoria statunitensi.

Rispetto ai chip di memoria, la commercializzazione dei prodotti di circuiti integrati analogici è meno competitiva. Inoltre, i circuiti analogici sono generalmente meno dipendenti dall’utilizzo di nodi di processi produttivi all’avanguardia. L'utilizzo finale nel sistema applicativo, la conoscenza e l'esperienza nella progettazione del chip sono fattori importanti per il valore dei circuiti integrati analogici. Pertanto, la concentrazione del mercato delle società produttrici qui non è troppo elevata, perché le società di circuiti integrati analogici possono mantenere un vantaggio competitivo concentrandosi sul campo analogico. Nel 2020, il più grande fornitore mondiale di circuiti integrati analogici rappresentava il 62% del mercato da 56 miliardi di dollari, di cui solo Texas Instruments rappresentava oltre il 10% del mercato. Molte delle principali aziende di semiconduttori analogici sono produttori "fab-lite", che realizzano internamente alcuni dei chip che progettano, sebbene esternalizzino anche gran parte dei chip.

Nel 2020, le vendite globali di dispositivi discreti, dispositivi optoelettronici e sensori (semiconduttori non integrati) in prodotti a semiconduttori ammonteranno a circa 79 miliardi di dollari, pari a quasi il 18% del mercato totale dei semiconduttori (in totale circa 440 miliardi di dollari). La maggior parte dei prodotti a semiconduttori di questa categoria si trovano in nodi di processo maturi dove sono economici e non è raro che un singolo prodotto valga un centesimo. Il mercato di tali prodotti è altamente frammentato e presenta numerosi produttori. Le aziende di semiconduttori non IC includono ABB Ltd. (Svezia/Svizzera), Infineon Technologies (Germania), STM Microelectronics (Italia/Francia), Toshiba (Giappone), nonché le società statunitensi Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix e Cre. Le principali tecnologie trainanti per i prodotti a semiconduttori non integrati, in particolare i prodotti a semiconduttori di potenza discreti, sono le innovazioni nella gestione dell'energia e nella miniaturizzazione. Tali prodotti utilizzano le automobili, in particolare i veicoli elettrici, come terminali applicativi chiave. Il nitruro di gallio (GaN), il carburo di silicio (SiC) e altri substrati semiconduttori composti, dominati dagli Stati Uniti, sono tecnologie chiave per una varietà di applicazioni. Sono ampiamente utilizzati nella gestione e distribuzione dell'energia, nell'amplificazione di potenza ad alta frequenza, nell'optoelettronica e nella sicurezza nazionale. Anche i dispositivi a semiconduttore per display a schermo piatto rientrano in questa categoria.

Nel campo della sicurezza nazionale, la tecnologia dei semiconduttori deve anche qualificarsi per l'uso nell'intervallo di temperatura (intervallo esteso) e in ambienti difficili, comprese le caratteristiche tecniche per l'uso in ambienti con radiazioni, ove appropriato. Inoltre, è richiesta una verifica e una convalida dei componenti più rigorose e indipendenti. I semiconduttori utilizzati nelle applicazioni automobilistiche devono anche soddisfare rigorosi requisiti di durata e collaudo per resistere a condizioni ambientali difficili (ad esempio freddo estremo, calore estremo e umidità estrema). Devono resistere a vibrazioni e urti per tutta la durata di vita prevista del veicolo, che va da 10 a 20 anni, e hanno dimostrato tassi di guasto molto più bassi nei test rispetto ai semiconduttori utilizzati nei prodotti di consumo per garantire che soddisfino i requisiti di sicurezza del veicolo. Si prevede che questi requisiti aumenteranno e diventeranno più rigorosi man mano che i veicoli diventeranno più autonomi e impiegheranno sempre più tecnologie di rilevamento della luce e della distanza (LiDAR), sonar, radar, sistemi di visione e tecnologie di navigazione e identificazione.

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