世界芯片产业链现状和台湾的地位
栏目:学术专栏 发布时间:2022-11-13点击数:

就在人们集中关注美国中期选举和中国台湾九合一选举时,高科技产业界发生了一件牵动台、美的大事。119日,世界最大的外包芯片生产厂商台积电宣布在美国亚利桑那州投资第二个制造厂,生产下一代的3纳米制程芯片(目前台积电已经投产的最先进工艺是5纳米制程)。这次投资的总规模大约120亿美元。

2020年,台积电在亚利桑那州投资了第一个工厂,金额120亿美元。目前工厂建设进展顺利,设备安装将在12月进行。工厂预计2024年开工,可以生产4纳米芯片。台积电表示未来还会在美国投资更多的工厂。

《华尔街日报》称这首先是台积电对芯片市场的乐观情绪的表现,其次美国的刺激政策发挥了作用了。为了打造有韧性的、安全的产业链,吸引芯片产能回归,美国准备从2023年开始发放380亿美元的补助,此外还有税收减免等优惠措施。可见拜登政府正在切实执行《芯片法案》(公法:117–167)。

美台在芯片产业的合作进一步加强了。要深入洞悉合作背后的原委,必须首先梳理世界芯片产业链的现状,以及中国台湾的地位和作用。

1. 世界芯片产业链的现状

芯片产业链主要由芯片研发和制造产业链两部分构成,也包括所使用设备的研制产业链。世界芯片产业链的年产值大概5000亿美元,经过数十年的发展已经高度发达、高度复杂和高度国际化。美国乔治敦大学安全和新兴技术中心(CSET)统计称,从原料到成品,制造1枚电脑芯片需要超过1000个步骤,往返美国国境70多次。

1000多个步骤大概分为两个部分:研发和制造。制造又分为三个板块:设计,生产,封装、测试和包装。芯片的制造或由集成化的工厂(即“垂直整合制造”,IDM)包揽全部制造部分;或者分包给专业厂商分别负责各个步骤。在分包模式下,设计企业没有制造能力(即“无厂设计”,fabless),代工厂商缺乏设计能力(foundry),而封装、测试和包装有专门的外包厂商,在业内叫“外包半导体组装和测试服务”(OSAT)。目前世界的芯片市场,以垂直整合制造占主导地位。各个步骤所涉及的具体工作如表1

各个步骤


具体工作

研发


预竞争研发(pre-competitive)、针对基础技术的探索性研究(exploratory research)、竞争研发。

制造

设计

格(SPEC)、逻辑设计、物理设计、确认(Validation,即开发阶段的测试)、和验证(verification)。电子设计自动化(EDA)、核心知识产品。

生产

原料、晶圆制造、芯片生产(fabrication,需要用到生产设备,即SME)。

封装、测试和包装

晶圆切割、焊线、塑封;测试、包装。

(表1:芯片制造的各个步骤和具体工作,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

以表1信息为基础,表2又进一步从“玩家”及其重要性的角度,为读者呈现当前世界芯片产业链的现状:




市场份额



各个部分产值

美国

韩国

日本

中国台湾

欧洲

中国大陆

其他

研发

电子设计自动化

1.50%

96%

<1%

3%

0%

0%

<1%

0%

核心知识产品

0.90%

52%

0%

0%

1%

43%

2%

2%

制造

晶圆

2.50%

0%

10%

56%

16%

14%

4%

0%

生产的工具

14.90%

44%

2%

29%

<1%

23%

1%

1%

封装、测试、包装的工具

2.40%

23%

9%

44%

3%

6%

9%

7%

设计

29.80%

47%

19%

10%

6%

10%

5%

3%

生产

38.40%

33%

22%

10%

19%

8%

7%

1%

封装、测试、包装

9.60%

28%

13%

7%

29%

5%

14%

4%

综合市场占有率

100%

39%

16%

14%

12%

11%

6%

2%

(表2:世界芯片产业链的现状,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

由表可见,从产值角度看,在整个产业链中,芯片的制造阶段占比最大,有38.4%,“生产的工具”也很重要,占比14.9%。两者之和达到了53.3%。可见“广义”的制造是芯片产业链中最重要的部分--这个判断对于接下来深入理解美台产业合作有着重要意义。紧随其后的是芯片设计,占比29.8%。与制造和设计形成鲜明对比的是,芯片的研发部分占比较低,如电子自动化设计只有1.5%,甚至低于封装、测试、包装的9.6%

从玩家的角度看,世界芯片产业链是高度集中、乃至于寡头垄断的市场,排名前6占了98%的综合市场份额。美国、韩国、日本、中国台湾、欧洲和中国大陆构成了全球芯片产业的头部玩家群,其中,排名第一的美国占据明显优势地位,占了39%

从占有率的角度看,美国在产业链中优势明显,在产业链构成部分的市场都占有不小的比率。例如,在最重要的制造和工具领域,美国企业的市场占有率分别是33%44%,以一国之力占据了近半壁江山。在电子设计自动化领域,美国占比高达96%,形成统治地位。在核心知识产权领域也占有52%。唯有晶圆领域美国几乎没有涉足。除了占有率优势外,美国的优势还体现在美国与头部玩家的良好关系上。除了中国大陆外,日本和韩国是美国的军事同盟,欧洲发达国家也多是美国盟友。中国台湾地区则是跟美国保持某种“特殊”的友好关系,对此中国海峡研究院在2021年的蓝皮书涉外部分有具体分析。它们构成了拜登政府追求的安全的、具有韧性的全球产业链的现实基础。

需要注意的是,在综合市场占有率上,中国台湾以12%的数据排在第四,在日本之后,但是在整个欧洲之前。考虑到中国台湾仅有2300万人口,取得这个成绩非常不容易。在制造方面,中国台湾占19%,这就是台积电等企业实力的体现。对比之下,中国大陆仅占有6%的综合市场份额,位居第六,实力上与美国和它的盟友差距较大。当然,考虑到中国大陆的半导体产业发展时间短,能取得这个成绩已实属不易。不过,在例如封装、测试和包装领域,中国大陆已经占有14%额度,在最重要的制造方面也有7%。以此为基础,如果两岸能够实现融合,整体中国的在芯片产业上的地位必将全面提升,在占有率上,两岸之和能达到18%,排名将升至第二,在制造的“生产”部分,两岸之和将能达到26%,排位同样升至第二。若真能实现,必然对美国现有的优势局面形成挑战,这就是为何美国当前如此焦虑的原因。

2. 中国台湾在芯片产业链上的地位

研发

在芯片的研发领域,美国可谓独占鳌头,中国台湾市场占有率非常小,但是中国台湾没有完全缺失。事实上中国台湾的公共部门和私人部门都比较重视研发投入。2018年,中国台湾私营企业投入芯片研发52亿美元,在6个头部玩家中排名第三,美国则以387亿美元排名第一。由此可见,中国台湾的研发投入已经不少,但是跟美国比还有数量级的差距,这就是为什么在市场上的竞争力差别明显。涉及的知名企业有力旺电子。

制造

前文提到,目前的芯片市场,垂直整合制造占主导地位。在2019年按照销售额计算,垂直整合制造的产品占71%,分包模式占29%。各头部玩家在制造的各板块占比如下表。


美国

韩国

欧洲

日本

中国

中国台湾

中国

大陆

其他

垂直整合制造

51%

29%

9%

9%

2%

无厂设计

65%

1%

2%

17%

15%

代工制造厂

10%

19%

60%

9%

2%

外包半导体组装和测试服务

15%

3%

2%

52%

21%

7%

(表36个头部玩家在制造领域2019年市场占有率,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

在垂直整合制造板块,美国依然占有过半的市场份额,中国台湾仅占2%。在无厂设计板块,美国占有65%的优势,中国台湾以17%排名第二。值得注意的是中国大陆以15%排名第三。代工和外包组装测试板块中国台湾均占主导地位,分别占有60%52%的市场。可见美国强于无厂设计,而中国台湾则强于制造和封装、测试,两者形成鲜明的互补关系。

制造——设计


美国

韩国

欧洲

日本

中国

中国台湾

中国

大陆

其他

总体情况

47%

19%

10%

10%

6%

5%

3%

芯片

55%

21%

7%

6%

6%

5%

芯片(IDM

51%

29%

9%

9%

2%

芯片(无厂)

65%

1%

2%

17%

15%

逻辑芯片

61%

6%

9%

6%

9%

9%

高端CPU

100%

独立显卡

100%

现场可编程逻辑门阵列(FPGA

100%

记忆芯片

23%

65%

9%

3%

动态的随即存储器(DRAM

22%

73%


4%

1%

NAND闪存芯片

37%

43%

19%

1%

模拟芯片(Analog Chips)

63%

22%

9%

6%

独立芯片(Discretes

23%

5%

42%

25%

5%

(表46个头部玩家在设计领域分产品2019年市场占有率,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

在分包制造的设计板块,依然由美国占主导地位。中国台湾在2019年的市场占有率仅6%,在重要的逻辑芯片板块仅有9%。逻辑芯片是CPU、显卡、专用处理器等一系列芯片的统称,在各界有广泛的应用。中国台湾表现得最好的板块是无厂芯片设计,以17%排名第二。在高端CPU、独立显卡等领域中国台湾没有涉足。知名企业有动态随机储存器方面的南亚、华邦电子和力积电。

制造——生产


美国

韩国

中国

中国台湾

日本

欧洲

中国

大陆

其他

总体情况

33%

22%

19%

10%

8%

7%

代工

10%

19%

60%

9%

垂直整合制造

42%

23%

4%

14%

10%

6%

(表56个头部玩家在生产领域2019年市场占有率,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

如表5,生产板块从总体情况来看中国台湾的市场占比为19%,排名第三,已经强于日本和欧洲之和。中国台湾的优势主要体现在代工板块,市场占有率高达60%。其中台积电这一家企业占54%,可谓一家独大。但是在垂直整合制造板块中国台湾仅占4%,甚至低于大陆的6%


美国

中国台湾

韩国

日本

中国大陆

其他(包括欧洲)

总体情况

10%

18%

16%

17%

22%

17%

逻辑芯片

13%

35%

8%

7%

23%

14%

逻辑芯片代工

7%

43%

10%

1%

28%

11%

逻辑芯片垂直整合制造

39%

1%


31%

2%

27%

制程小于45纳米的逻辑芯片

18%

41%

8%

2%

14%

17%

内存

5%

11%

36%

22%

21%

5%

模拟芯片

27%

1%

6%

15%

8%

43%

光电芯片

7%

14%

9%

32%

30%

8%

传感器

36%

1%

2%

24%

14%

23%

(表65个头部玩家在生产领域分产品2020年产能,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

如表6,中国台湾的芯片产能占全世界的18%,在逻辑芯片领域的产能占35%排名第一,大于美、日、韩产能之和。特别是在代工板块的产能占43%,大于美、日、韩产能之和的2倍。涉及这个行业的中国台湾知名企业有台积电、联华电子、力积电。但是在垂直整合制造板块的产能仅有1%。对于制程小于45纳米的芯片,中国台湾的产能占41%。在其他板块中国台湾的产能优势不明显,知名企业有生产光电芯片的晶元光电。

需要补充的是,中国台湾的优势主要体现在制程低于10纳米的先进逻辑芯片生产板块。台积电率先推出了(CSET报告发布时最先进的)5纳米制程芯片。作为对比,美国最先进的代工企业国际代工公司(GlobalFoundries)只有12纳米制程生产工艺。英特尔的垂直整合制造厂有7纳米。

制造——封装、测试、包装


中国

中国台湾

美国

中国

大陆

韩国

日本

欧洲

其他

总体情况

29%

28%

14%

13%

7%

5%

4%

外包

52%

15%

21%

3%

2%

/

7%

垂直整合

4%

43%

6%

23%

13%

10%

1%

(表76个头部玩家封装、测试、包装市场占有率,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》

如表7,中国台湾在封装、测试、包装板块的市场占有率以29%排名第一,与美国相当。中国台湾的优势主要集中在外包方面,市场占有率52%。知名企业有日月光半导体公司、力成科技股份有限公司。在垂直整合板块仅占4%,知名企业有台积电。此外中国台湾的南亚公司可以生产封装需要的基板。

其他

除此之外,半导体产业链还有其他重要组成部分,比如半导体制造的设备制造业,制造光刻机的荷兰ASML就属于这个产业。但是遗憾的是,中国台湾在这个方面市场占有率太小。仅有的涉及企业有传载技术领域的家登精密工业股份有限公司,制造电化学设备的宏塑科技公司。


美国

日本

中国台湾

韩国

中国

其他

晶圆


56%

16%

10%

4%

14%

光罩

40%

53%

7%




(表8:重要原材料的产能情况,来源:CSET报告《半导体产业链:各国竞争力评估》)

在原材料方面,中国台湾也有所涉及,尽管中国台湾岛几乎不出产制造芯片所需要的矿产。中国台湾有环球晶圆股份有限公司生产最先进的300毫米直径晶圆,台积电和中国台湾光罩股份有限公司生产光罩。

3. 美、台产业链整合的意义

前文提及芯片产业链大概有研发、制造两个步骤,每年产值大概5000亿美元,主要集中在制造阶段。其中,中国台湾在芯片的研发阶段参与较少,在制造阶段有巨大优势。芯片制造有垂直整合制造和代工生产两种模式,中国台湾的代工企业在2019年的市场占有率高达60%,台积电就占有53%。而且台积电掌握了先进的5纳米制程生产工艺,超过了美国企业。此外,中国台湾在外包组装和测试服务方面也有优势,占有率52%

作为对比,美国的优势首先在研发和核心知识产权,其次在制造的设计阶段。在垂直整合制造板块美国也有优势。不过美国企业尚不具备5纳米制程生产工艺。英特尔表示准备在2023年全面投产5纳米芯片。

由此可见,美国和中国台湾在芯片产业上具有极强的互补性,媒体所谓“美国负责研发和设计,中国台湾负责制造”的说法是成立的。对此美国政府机构网络空间日晷委员会(Cyberspace Solarium Commission)在202010月的报告中表示,中国台湾是美国的“关键供应商”,美国政府和企业依赖台积电生产的芯片。

但是随着两岸融合,美国认为供应链受到了威胁。为了确保供应链的“安全”,委员会提出“整合”美台芯片产业链。2022年的《芯片法案》和本文开头提到的台积电在美国建立先进的3纳米制程芯片生产厂都是“美台整合”的重要步骤。如果美国的策略奏效,这种“整合”切实发生,那么美国会在芯片的几乎全产业链上形成巨大的优势。届时研发和设计由美国企业负责,代工生产和封装、测试由在美国建厂的中国台湾企业负责,补上美国的短板,从研发到生产乃至封装一条龙服务,形成美方独大、“一统江湖”的局面。这就是美国政府追求的所谓“安全的、有韧性”的产业链,它唯一的目的就是让美国维持在芯片产业的经济霸权。

委员会还提出美国的安全政策应当发生“转变”,美台之间形成一种“更加令人信服,可能更加正式”的关系。这就是提出尝试突破“战略模糊”政策,要给美台关系“正名”,是一个危险的信号。但是遗憾的是,拜登政府对台的种种作为,无论是口头承诺“保护中国台湾”,还是佩洛西访问中国台湾,还是基于芯片法案的涉台政策,都是在沿着这份特朗普时期的报告建议的政策路径前进,增加了台海的不确定性和两岸关系的风险。

 

  1.  https://www.wsj.com/articles/chip-making-juggernaut-tsmc-eyes-multibillion-dollar-arizona-factory-expansion-11667973859

  2.  https://cset.georgetown.edu/publication/the-semiconductor-supply-chain/

  3.  原文是China,但是这里指大陆部分。

  4.  《专题:再度《与中国台湾关系法》》,http://www.ccsa.hk/index.php?m=home&c=View&a=index&aid=607

  5.  https://www.solarium.gov/public-communications/supply-chain-white-paper