(Tiếp theo Phần I: Thiết kế mạch tích hợp)

Bốn, về sản xuất mạch tích hợp

(I) Ước tính cơ bản của Citigroup về ngành sản xuất vi mạch

Các sản phẩm bán dẫn thúc đẩy hầu hết mọi lĩnh vực của nền kinh tế, bao gồm năng lượng, chăm sóc sức khỏe, nông nghiệp, điện tử tiêu dùng, sản xuất và vận tải. Nhu cầu sử dụng cuối cùng toàn cầu về chất bán dẫn năm 2019 là: điện thoại di động (26%), cơ sở hạ tầng thông tin và truyền thông (bao gồm trung tâm dữ liệu, mạng truyền thông) (24%); Máy tính (19%), công nghiệp (12%), ô tô (10%) và điện tử tiêu dùng (10%).

Trong số các ứng dụng đa dạng này, khoảng 9% hỗ trợ trực tiếp cho các ứng dụng cơ sở hạ tầng quan trọng và an ninh quốc gia. Các mục đích sử dụng cuối cùng của sản phẩm bán dẫn quan trọng này bao gồm hàng không vũ trụ, mạng viễn thông, năng lượng và tiện ích, dịch vụ chăm sóc sức khỏe và tài chính. và các mục đích sử dụng khác của chính phủ chỉ chiếm hơn 1% lượng tiêu thụ chất bán dẫn toàn cầu.

Thị phần sản xuất chất bán dẫn toàn cầu của Hoa Kỳ đã giảm từ 37% năm 1990 xuống còn 12% hiện nay và dự kiến ​​sẽ còn giảm hơn nữa nếu Hoa Kỳ không có chiến lược toàn diện để hỗ trợ ngành này.

Năng lực sản xuất của Hoa Kỳ không đủ: Năng lực sản xuất của Hoa Kỳ đã giảm trong nhiều thập kỷ. Thập kỷ đầu tiên của thế kỷ này đặc biệt tàn khốc đối với ngành sản xuất của Hoa Kỳ, với 2000/2010 số việc làm trong ngành sản xuất bị mất từ ​​năm 25 đến năm XNUMX. Các doanh nghiệp vừa và nhỏ (Smes) đặc biệt bị ảnh hưởng nặng nề. Một phần của sự suy giảm có thể là do sự cạnh tranh từ các nước có mức lương thấp. Các nhà kinh tế ước tính rằng khoảng XNUMX% số việc làm bị mất có thể là do sự trỗi dậy của Trung Quốc, đặc biệt là sau khi nước này gia nhập Tổ chức Thương mại Thế giới. Nhưng Mỹ cũng chứng kiến ​​tốc độ tăng trưởng năng suất trong nước trì trệ so với các nước cùng ngành kinh tế, chẳng hạn như tụt hậu so với Đức về trung bình và trong hầu hết các ngành. Ngày nay, các doanh nghiệp nhỏ ở Hoa Kỳ thường có năng suất thấp hơn các nhà sản xuất lớn. Trái ngược với niềm tin phổ biến rằng trí tuệ nhân tạo và robot sắp ra mắt, các nhà sản xuất của các doanh nghiệp vừa và nhỏ của Hoa Kỳ đang đầu tư ít vào các công nghệ nâng cao năng suất mới. Mất năng lực sản xuất dẫn đến mất năng lực đổi mới. Năng lực sản xuất là nền tảng của sự đổi mới sản phẩm. Một khi năng lực đổi mới bị mất đi thì rất khó để xây dựng lại. Khi công suất mạch TÍCH HỢP chuyển ra nước ngoài trong những thập kỷ gần đây, hoạt động nghiên cứu và phát triển cũng như chuỗi cung ứng công nghiệp rộng hơn thường theo sau.

(2) Chuỗi cung ứng sản phẩm bán dẫn

Từ thiết kế đến đóng gói cho đến tích hợp vào các sản phẩm điện tử cuối cùng mà khách hàng mua, chuỗi công nghiệp cực kỳ phức tạp và phân tán về mặt địa lý. Một quy trình sản xuất chất bán dẫn điển hình bao gồm nhiều quốc gia và các sản phẩm có thể vượt qua biên giới quốc tế 70 lần do sự chuyên môn hóa của công ty trong các liên kết cụ thể. Toàn bộ quá trình mất tới 100 ngày, trong đó 12 ngày được chuyển giao giữa các mắt xích của chuỗi cung ứng. Sau đây là sự trình bày đơn giản về chuỗi cung ứng.

Kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ của các sản phẩm bán dẫn là những yếu tố quan trọng để đạt được chuỗi cung ứng xuyên địa lý phức tạp như vậy. Chi phí vận chuyển các sản phẩm bán dẫn thấp so với giá trị của chúng. Tuy nhiên, điều đó cũng có nghĩa là sự gián đoạn của các tuyến vận chuyển có thể gây rủi ro cho chuỗi cung ứng. Cần sử dụng nhiều hình thức vận chuyển khác nhau (ví dụ: đường hàng không, đường biển, xe tải) trong chuỗi, tùy thuộc vào giai đoạn và khoảng cách di chuyển cũng như tính chất của sản phẩm. Trong một số trường hợp, việc vận chuyển cũng yêu cầu xử lý chuyên dụng, chẳng hạn như xử lý các loại khí và hóa chất độc hại và có độ tinh khiết cao được sử dụng trong sản xuất hoặc bảo vệ các thiết bị điện tử nhạy cảm khỏi bị hư hỏng.

Sản xuất chất bán dẫn: cơ cấu công nghiệp

Các nhà máy xử lý tấm bán dẫn và sản xuất mạch tích hợp có hai mô hình kinh doanh cơ bản. Đầu tiên là một công ty bán dẫn tích hợp theo chiều dọc hoặc doanh nghiệp IDM. Họ thực hiện tất cả các bước của quy trình thiết kế và sản xuất sản phẩm bán dẫn ngay trong nhà, từ thiết kế đến thử nghiệm cuối cùng. Các công ty IDM chiếm khoảng 44/51 công suất bán dẫn toàn cầu. Mặc dù Intel, công ty IDM hàng đầu tại Hoa Kỳ, chủ yếu sản xuất các thiết bị logic, nhưng hầu hết các công ty IDM khác chủ yếu sản xuất chip nhớ như DRAM, thiết bị rời và mạch tích hợp analog. Ngoài Intel, Hoa Kỳ còn là quê hương của một số công ty IDM hàng đầu thế giới, bao gồm Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, micron, về chất bán dẫn và các thiết bị Texas. Điều đáng chú ý là mặc dù các công ty này có trụ sở chính tại Hoa Kỳ nhưng họ sản xuất sản phẩm cuối cùng tại các nhà máy trên khắp thế giới. Ví dụ, ngoài Mỹ, Intel còn có các nhà máy xử lý wafer ở Israel, Ireland và Trung Quốc. Và Samsung, có trụ sở tại Hàn Quốc, và các công ty có trụ sở ở nước ngoài khác (không phải của Mỹ) đều có các nhà máy sản xuất chip ở Hoa Kỳ bên cạnh các nhà máy ở nước ngoài (không phải của Mỹ). Theo báo cáo của SIA, 2020% công suất của các công ty bán dẫn Mỹ được đặt tại Mỹ. Nhìn chung, các doanh nghiệp IDM tại Hoa Kỳ chiếm XNUMX% tổng doanh thu hoạt động của các nhà sản xuất IDM toàn cầu vào năm XNUMX. Hoa Kỳ đặc biệt mạnh về mạch tích hợp logic kỹ thuật số và mạch tích hợp analog.

Có thêm các sản phẩm bán dẫn khác của Mỹ mà các doanh nghiệp hàng đầu (ví dụ AMD, nvidia, broadcom và Qualcomm và game Spirit) là mô hình kinh doanh "không có công ty bán dẫn fabs", công ty sẽ thiết kế dữ liệu để cung cấp cho công ty độc lập chuyên sản xuất xưởng đúc bán dẫn, của các doanh nghiệp đúc vào sản xuất và gia công sản phẩm chip. Các xưởng đúc của bên thứ ba này được phân loại là "các xưởng đúc bán dẫn thuần túy" vì họ không thiết kế hoặc bán bất kỳ sản phẩm chip nào của riêng mình mà đóng vai trò là nhà sản xuất theo hợp đồng cho các công ty bán dẫn không có nhà sản xuất (các xưởng đúc này đôi khi cung cấp công suất bổ sung hoặc sản xuất một số chip nhất định cho IDM nhà cung cấp). Một số công ty IDM, đặc biệt là Samsung, cũng cung cấp dịch vụ xử lý cho các công ty bán dẫn không có năng lực.

Khi công nghệ tiến bộ và chi phí xây dựng cũng như bảo trì các cơ sở sản xuất chất bán dẫn tiên tiến tăng vọt, mô hình kinh doanh doanh nghiệp không có nhà máy + xưởng đúc đang trở nên phổ biến hơn. Những tiến bộ liên tục trong công nghệ sản xuất chip đòi hỏi thiết bị sản xuất hoàn toàn mới và ngày càng đắt tiền. Các nhà máy hiện đại (ở nút quy trình 5nm) có giá ít nhất 12 tỷ USD. Một máy in thạch bản cực tím (EUV), yêu cầu ở bước sóng 5 nm trở xuống và thường được sử dụng ở bước sóng 7 nm, có thể có giá lên tới 150 triệu USD. Ngoài máy quang khắc, nhà máy còn yêu cầu nhiều loại thiết bị khác. Người ta ước tính rằng khoản đầu tư cần thiết cho thế hệ nhà máy tiếp theo, sẽ hoạt động trên các nút 3nm, có thể vượt quá 20 tỷ USD. Ngoài ra, sau khi thành lập các nhà máy mới, chi phí vận hành sẽ rất cao và đòi hỏi phải đầu tư vốn liên tục và tốn kém; Cũng cần phải duy trì công nghệ tiên tiến theo yêu cầu của các nhà thiết kế quy trình để tiếp tục vận hành tại các nút sản xuất tiên tiến nhất. Các xưởng đúc thuần túy được hưởng lợi từ tính kinh tế theo quy mô cho phép họ hấp thụ và bù đắp chi phí khổng lồ của các nhà máy bán dẫn với khả năng sử dụng công suất cao và hiệu quả. Theo SIA, các xưởng đúc thuần túy chiếm khoảng 80/1987 công suất chip toàn cầu. Trong số đó, sản xuất chip logic chiếm gần XNUMX%. Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC), nhà máy đúc wafer nguyên chất đầu tiên trên thế giới, được thành lập vào năm XNUMX và thống trị thị trường đúc ngày nay.

Thị trường sản xuất theo hợp đồng bị chi phối bởi các công ty Đài Loan, trong đó riêng TSMC chiếm 53% thị trường. Nhìn chung, các công ty đúc Đài Loan chiếm 63% thị trường đúc toàn cầu. Hàn Quốc chiếm 18% và Trung Quốc chiếm 6%. GlobalFoundries, một xưởng đúc thuộc sở hữu của ABU Dhabi có trụ sở tại Hoa Kỳ, có 7% thị phần, chiếm hơn một nửa trong số 13% còn lại của thị trường xưởng đúc.

Như đã đề cập ở trên, mặc dù Mỹ có thị phần lớn về chip do doanh nghiệp IDM sản xuất nhưng lại chỉ chiếm khoảng 10% doanh thu của ngành đúc toàn cầu. Các xưởng đúc châu Á chiếm khoảng 80% tổng số. Chỉ riêng Đài Loan đã chiếm 63% tổng sản lượng theo hợp đồng toàn cầu. Điều đó có nghĩa là trong khi Mỹ dẫn đầu về thiết kế chất bán dẫn thì các công ty sản xuất trong nước lại phụ thuộc rất nhiều vào các nhà sản xuất theo hợp đồng nước ngoài, chủ yếu ở châu Á, để sản xuất sản phẩm của họ. Mặc dù mô hình kinh doanh đại lý này phù hợp với các sản phẩm mạch tích hợp dành cho các ứng dụng thương mại số lượng lớn, nhưng nhiều ứng dụng liên quan lại được thực hiện theo lô nhỏ, khiến việc áp dụng các công nghệ sản xuất chất bán dẫn tiên tiến cho các ứng dụng không chắc chắn và đầy thách thức.

Đối với Hoa Kỳ, phần lớn hoạt động sản xuất chất bán dẫn (trong cả mô hình IDM và xưởng đúc) được thực hiện ở nước ngoài: Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc và Hoa Kỳ. Khoảng 12% năng lực sản xuất chất bán dẫn của thế giới nằm ở Hoa Kỳ, giảm từ mức 37% vào những năm 1990. Năm 2019, Đài Loan chiếm khoảng 20% ​​công suất lắp đặt toàn cầu, tiếp theo là Hàn Quốc với 19%. Nhật Bản chiếm 17%, Trung Quốc 16% và châu Âu 9%. 6% công suất còn lại nằm ở Singapore, Israel và các nơi khác trên thế giới.

Trong số 40 cơ sở sản xuất chất bán dẫn lớn ở Hoa Kỳ, một nửa (20) sử dụng tấm bán dẫn 300 mm (12 inch); Hoạt động sản xuất khác sử dụng tấm bán dẫn có kích thước từ 200 mm (8 inch) trở xuống. Từ năm 2009 đến năm 2018, hơn 100 nhà máy sản xuất tấm wafer 150-200mm đã đóng cửa trên toàn thế giới, trong đó 70% đóng cửa ở Mỹ và Nhật Bản. Theo IC Insights, có tới 68 nhà máy sản xuất tấm bán dẫn đã có tuổi đời hàng chục năm, vượt quá tuổi thọ hợp lý của chúng. Các nhà máy khép kín được thay thế một phần bằng các cơ sở mới tiết kiệm chi phí hơn hoặc được nâng cấp hơn; Ngoài ra còn có một số nhà máy quá đắt để vận hành và các công ty đang chuyển sang các nhà máy nhẹ hoặc mô hình kinh doanh không có nhà máy

Trong nước, sáu công ty vận hành 20 nhà máy 300 mm ở tám tiểu bang, như được trình bày chi tiết trong bảng bên dưới. Ngoài Skorpios, XNUMX công ty khác cũng vận hành các nhà máy sản xuất tấm bán dẫn bên ngoài nước Mỹ.

Như đã lưu ý ở trên, Intel có hoạt động sản xuất chất bán dẫn ở Israel, Ireland và Trung Quốc. Ngoài các nhà máy ở Hoa Kỳ, Micron còn vận hành các nhà máy ở Singapore, Nhật Bản và Đài Loan. Texas Instruments có nhà máy sản xuất tấm bán dẫn ở Trung Quốc, Malaysia, Đài Loan và Philippines, cũng như ở Texas. GlobalFoundries là nhà sản xuất tấm wafer nguyên chất hàng đầu ở Hoa Kỳ. Nó thuộc sở hữu của tiểu vương quốc ABU Dhabi thông qua quỹ tài sản có chủ quyền Mubadala và có cơ sở sản xuất tấm wafer ở Đức và Singapore. Năm 2019, công ty đã hủy kế hoạch mở nhà máy ở Thành Đô, Trung Quốc.

Trong khi năng lực sản xuất chip của Mỹ tương đối ổn định thì năng lực và sản lượng bên ngoài nước Mỹ đang ngày càng tăng, đặc biệt là ở châu Á. Do đó, SIA dự báo thị phần công suất bán dẫn của Mỹ sẽ giảm xuống 10% vào năm 2030, trong khi thị phần của châu Á sẽ tăng lên 83%. Năm 2019, không có cơ sở sản xuất chất bán dẫn mới nào được mở trên thế giới ở Hoa Kỳ mà có XNUMX cơ sở ở Trung Quốc.

Như đã thảo luận trong phần "Thiết kế" của báo cáo này, ba loại chip chính được đề cập: bộ nhớ, logic hoặc kỹ thuật số và analog. Như biểu đồ dưới đây cho thấy, các khu vực khác nhau trên thế giới chuyên về các lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, chỉ có 5% chip nhớ được sản xuất ở Mỹ, so với 44% ở Hàn Quốc và 14% ở Trung Quốc đại lục. Trong ký ức, Trung Quốc tập trung vào việc mở rộng nhanh chóng Kho lưu trữ Trường Giang, phân bổ 24 tỷ USD trợ cấp cho công ty (chỉ riêng cho nhà máy ở Vũ Hán). Sự mở rộng và các sản phẩm giá rẻ của nó là mối đe dọa trực tiếp đối với MICron và Western Digital, các nhà sản xuất chip nhớ của Mỹ.

Trong chip logic hoặc kỹ thuật số (như máy tính và bộ vi xử lý điện thoại di động), Mỹ không sản xuất bất kỳ nút xử lý tiên tiến nào (dưới 10 nanomet), trong khi Đài Loan có 92%. Trong công nghệ khóa logic khác, Hoa Kỳ đang dẫn đầu: 43% chip logic tiên tiến nhất (10-22 nm) và 6% đến 9% của thế hệ trước (28 nm và ab).ove) chip logic được sản xuất tại Hoa Kỳ; Đài Loan sản xuất 47% chip logic loại này, trong khi Trung Quốc sản xuất khoảng 19 đến 23% chip logic. Cuối cùng, đối với phân khúc linh kiện analog/rời, 19% được sản xuất tại Hoa Kỳ, 17% ở Trung Quốc và khoảng 27% ở Hàn Quốc.

(iv) Rà soát hoạt động sản xuất mạch tích hợp

Hoa Kỳ thiếu năng lực sản xuất ở trình độ công nghệ tiên tiến nhất:

Mỹ thiếu năng lực sản xuất chất bán dẫn cho các nút quy trình bán dẫn tiên tiến nhất (hiện tại là 5 nanomet), hiện chỉ được vận hành bởi TSMC (Đài Loan) và Samsung (Hàn Quốc). FAB tiên tiến nhất ở Hoa Kỳ là dây chuyền xử lý 10 nm do Intel vận hành, dự kiến ​​phải đến năm 7 mới đi vào sản xuất hoàn toàn 2023 nm và đã thông báo vào tháng 2021 năm 7 rằng họ sẽ sử dụng XNUMX nm hoặc XNUMX nm "nâng cao" của TSMC. bên dưới dây chuyền sản xuất các sản phẩm mạch logic mới nhất của mình. Kết quả là, các công ty sản xuất chip không có nhà sản xuất của Mỹ hiện nay gần như phụ thuộc hoàn toàn vào các nhà sản xuất châu Á, đặc biệt là TSMC, để sản xuất những con chip tiên tiến nhất (7nm hoặc nhỏ hơn). Ngoài rủi ro về chuỗi cung ứng do sản xuất tập trung theo địa lý, việc thiếu năng lực công nghệ trong nước hiện đại cũng làm dấy lên lo ngại về an ninh quốc gia, vì một số ứng dụng yêu cầu quyền truy cập an toàn vào công nghệ quy trình hiện đại để đảm bảo tính ưu việt về công nghệ.

Doanh thu bán sản phẩm chip phụ thuộc vào Trung Quốc:

Các nhà sản xuất chip Mỹ cũng phụ thuộc nhiều vào doanh số bán hàng sang Trung Quốc vì nước này thống trị lĩnh vực sản xuất điện tử. Trung Quốc là thị trường lớn nhất của chất bán dẫn, hầu hết được tái xuất khi chúng được lắp ráp thành các thiết bị điện tử đầu cuối, bao gồm cả điện tử tiêu dùng và thiết bị. Ví dụ, nhà cung cấp chip điện thoại di động Qualcomm nhận 57/2018 doanh thu từ Trung Quốc, trong khi nhà sản xuất bộ nhớ Micron nhận XNUMX% doanh thu từ Trung Quốc, theo dữ liệu năm XNUMX từ The Economist. Intel báo cáo vào năm 2020 rằng Trung Quốc chiếm 26% doanh thu của họ. Sự phụ thuộc nặng nề vào doanh số bán hàng của Trung Quốc mang lại cho chính phủ Trung Quốc đòn bẩy kinh tế và khả năng trả đũa Hoa Kỳ.

Tham vọng dẫn đầu ngành bán dẫn của Trung Quốc:

Thị phần của Trung Quốc trong ngành bán dẫn toàn cầu tương đối nhỏ và các công ty của nước này chủ yếu sản xuất chip cấp thấp. SMIC, xưởng đúc thuần túy tiên tiến nhất của Trung Quốc, chỉ có thể sản xuất trên các nút 14 nanomet và có công suất hạn chế. Tuy nhiên, Trung Quốc đang trong nỗ lực lớn do nhà nước lãnh đạo nhằm phát triển ngành IDM tích hợp theo chiều dọc bản địa, với mục tiêu đưa ngành này trở thành ngành dẫn đầu trong mọi lĩnh vực vào năm 2030. Thị phần công suất tấm bán dẫn của Trung Quốc đứng ở mức 16% vào năm 2019 nhưng dự kiến ​​sẽ tăng lên 28% vào năm 2030. Chính phủ Trung Quốc đang cung cấp 100 tỷ USD trợ cấp cho ngành công nghiệp bán dẫn, bao gồm cả việc phát triển 60 nhà máy sản xuất mới. Như đã bàn ở phần “thiết kế” chuỗi cung ứng, Trung Quốc đã mạnh tay trợ cấp cho các nhà sản xuất chip nhớ của mình nhằm phá vỡ sự phụ thuộc vào 3 hãng bộ nhớ lớn nhất thế giới: Samsung (Hàn Quốc), SK Hynix (Hàn Quốc) và Micron (Mỹ). ). Micron, một công ty bộ nhớ của Mỹ, là đối thủ cạnh tranh trực tiếp của bộ lưu trữ Trường Giang và có thể là công ty Mỹ đầu tiên nhận thấy khả năng cạnh tranh và đổi mới trong tương lai của mình bị đe dọa bởi các khoản trợ cấp của Trung Quốc dành cho các đối thủ cạnh tranh.

Tuyên bố miễn trừ trách nhiệm: Bài viết này được in lại từ "Cuộc trò chuyện tại nhà hàng của ông Wang", bài viết này chỉ thể hiện quan điểm cá nhân của tác giả, không thể hiện quan điểm của Sakwei và ngành, chỉ để in lại và chia sẻ, hỗ trợ bảo vệ quyền sở hữu trí tuệ, in lại vui lòng ghi rõ nguồn và tác giả, nếu có vi phạm vui lòng liên hệ để xóa.