走出去智庫觀察

日前，麥肯錫發布研究報告《引領半導體產業的戰略》指出，隨著自動駕駛、車輛電氣化和人工智能對芯片的需求不斷增加，企業需抓住機遇迎接“半導體黃金十年”。

走出去智庫（CGGT）觀察到，過去兩年芯片短缺問題一直困擾著許多行業，促使各國愈發重視半導體產業鏈的建設，美國、歐洲先后出臺了競爭法案、芯片法案，加大對半導體產業的投資力度。如果未來中美科技摩擦加劇，或許會造成半導體供需兩端脫鉤，更需要中國企業提前做好供應鏈布局。

未來如何做好半導體投資布局？今天，走出去智庫（CGGT）編譯麥肯錫報告的主要內容，供關注半導體投資的讀者參考。

要 點

CGGT，CHINA GOING GLOBAL THINKTANK

1、沒有一個本地市場具備端到端半導體設計和制造所需的所有能力，專業知識的集中已經在價值鏈上形成了一個相互依賴的網絡。

2、通過“超越摩爾”實現差異化，除了縮小結構尺寸外，一些半導體公司正在追求“超越摩爾”的創新，以使其產品與眾不同。

3、芯片設計越來越復雜，加上價值鏈的轉移和人才競爭的加劇，增加了半導體行業生態系統建設的重要性。

正 文

CGGT，CHINA GOING GLOBAL THINKTANK

從數據來看，當前是半導體公司發展的理想時機。隨著芯片需求的飆升，2020年芯片行業的年收入增長了9%，2021年增長了23%，遠高于2019年報告的5%。甚至在疫情之前，資本市場就已經對該行業飆升的盈利能力給予了回報，從2015年底到2019年底，半導體公司的總股東回報（TSR）年均達到25%。去年，股東們看到了更高的回報，平均每年50%。由于因為遠程辦公已成為常態，消費者和企業增加了電子產品的購買，幫助加速了數字革命。

然而，在幕后，今天的半導體公司正面臨著一系列挑戰。即使晶圓廠滿負荷運轉，也無法滿足需求，導致產品交付周期長達六個月或更長。持續的半導體短缺現在經常成為頭條新聞，尤其是當它迫使汽車設備制造商推遲汽車生產時。更重要的是，半導體公司正在努力解決日益增加的設計復雜性、人才短缺以及與疫情相關的問題，這些問題正在破壞連接不同市場參與者的復雜的全球供應鏈。這種短缺現在令人擔憂，促使更多大型科技公司和大型汽車設備制造商將芯片設計轉移到內部——這一趨勢可能對市場產生重大影響。

在其他行業，制造商通常通過增加產量來應對短缺。但是，半導體晶圓廠的建設和生產升級成本極高，而且非常耗時——通常需要一年的時間進行大規模擴張，或者需要三年多的時間來建設一個新工廠——這使得很難快速增加半導體產量。雖然提高產能有時可能會有所幫助，但它不會立即產生效果，通常需要多年的大量投資，才會出現額外的收入(如果有的話)。

為了幫助半導體公司制定一個全面的成功計劃，我們量化了產能擴張的好處，以確定何時可以合理建設。我們還確定了可以幫助半導體公司提高生產率和收入的其他戰略，如增加對前沿芯片的關注，追求超越節點規模的創新，進行大膽的長期投資，提高彈性，改善人才渠道，以及在半導體生態系統內合作。

半導體行業發展情況

雖然關于半導體短缺的頭條新聞經常泛泛地討論，但該行業包括許多不同的細分市場:存儲器、邏輯、模擬、光學元件和傳感器等。單個半導體公司及其生產基地傾向于專注于特定的細分市場。相比之下，他們的最終客戶通常需要所有半導體領域的產品，因此依賴于多家供應商。缺少專門的芯片會使最終產品的生產陷入停頓，即使所有其他組件都可用。

考慮到所有生產階段，整個過程從材料采購延伸到后端制造。對于每個產品細分市場，大多數公司專注于三個或更少的步驟，并可能將某些活動外包給合作伙伴，例如印刷電路板組裝。在后端制造之后，半導體成為電子產品價值鏈的一部分。

在過去的20年里，該行業在許多價值鏈環節中變得越來越整合，在每個領域都出現了一些冠軍企業。因此，專業知識通常集中在某些市場(例如，美國的無晶圓廠企業和設備制造企業最多)。沒有一個本地市場具備端到端半導體設計和制造所需的所有能力，專業知識的集中已經在價值鏈上形成了一個相互依賴的網絡。

專業知識的集中傳達了一些優勢，因為它通常允許公司共享資源，如電力供應，即使它們是競爭對手，這有助于降低成本。擁有合適技能的員工也可能被吸引到專業集群，從而形成強大的人才庫。但這種相互依存性也意味著，局部沖擊可能會產生全球性影響，比如2011年泰國的洪水導致該國多個內存后端晶圓廠停產，并將內存芯片價格推高了30%。

半導體短缺背后的因素

在疫情之前，半導體晶圓廠已經接近滿負荷運轉，因為除了滿足客戶需求之外，它們盡量避免投資新的資本設備。不確定的貿易動態也促使一些公司增加半導體庫存以確保供應。疫情刺激了人們對用于遠程工作的電腦和其他設備的購買，進而將需求推至更高水平。

對于汽車原始設備制造商和其他公司來說，一種反應是偏離他們典型的“準時”訂單。相反，他們已經開始訂購超過必要數量的芯片，這樣他們就可以建立庫存，手頭有儲備。然而，從短期來看，這一舉措放大了供需缺口。從長遠來看，一些公司可能會考慮要求簽訂有約束力的“照付不議”合同，在合同中，他們可以接受一定數量的芯片，如果拒絕，也可以付費。這種安排有助于公司更準確地將芯片需求與制造能力相匹配。

客戶也可以考慮與半導體公司共同投資旨在提高晶圓廠產能的項目。這類項目可以讓半導體公司減少前期投資，緩解潛在的資本支出限制。但考慮到晶圓廠建設和產量提升的漫長時間表，共同投資不會立即改善半導體短缺問題。

實現并保持半導體行業的領先地位

盡管目前存在不確定性，但隨著越來越多的產品和服務日益數字化，半導體行業仍將迎來進一步增長。正如當前估值所反映的那樣，半導體行業當前企業價值的一半以上是基于盈利增長預期：按照最近的利潤率趨勢，投資者預計長期增長率為每年7%至8%。

但是什么樣的策略可以幫助這個行業達到這些目標呢？雖然答案可能因公司的優勢和劣勢而異，但所有半導體公司可以通過重新思考他們在六個關鍵領域的方法而受益:技術領先、長期R&D、彈性、人才、生態系統能力和更大的產能。當然，最后一個領域不會帶來立竿見影的效果，但它可能是長期戰略的重要組成部分。我們已經量化了不同規模晶圓廠的相關成本，以幫助半導體公司確定產能擴張是否適合他們。

技術領先

在所有產品領域，半導體公司都在努力創新，因為更快、更強大的芯片和領先的設備有助于在所有價值鏈領域創造更大的銷售額。擁有最獨特技術和產品的公司有可能成為全球冠軍。在一項跨行業分析中，半導體行業的R&D支出僅次于制藥和生物技術（以銷售額的百分比計算）。當研究行業冠軍時，發現他們通常通過將以下策略整合到他們的R&D計劃中來取得成功。

專注于尖端芯片和制造這些芯片所需的機器。對于半導體制造商來說，制造更小的節點尺寸一直是成功的途徑。幾十年來，隨著半導體公司不斷縮小技術節點的規模，芯片上的晶體管數量每兩年翻一番——這是摩爾定律預測的速度。然而，近年來，翻倍的速度已經放緩，因為隨著行業接近單個芯片上可以包含的晶體管數量的物理極限，技術挑戰不斷增加。盡管如此，一些公司仍將試圖推動這項技術，因為到2025年，最小節點芯片(7納米及以下)的平均需求增長將比供應增長高出4個百分點。

節點尺寸的重要性因設備細分市場而異，對尖端芯片的需求在某些類別中將比其他類別增長更多。由于客戶期望計算密集型應用的高性能，在最小可用技術節點上設計芯片的半導體公司可能在這些領域具有明顯的優勢。在其他領域，較大的節點通常是合適的，因為客戶對當前的芯片性能感到滿意，或者需要特定的功能，如快速切換，并且認為轉移到較小的節點尺寸沒有什么優勢。

設備制造商可以通過創造實現前沿創新所需的機器來獲取增長。此外，他們可以創造出包括先進技術的設備，以優化過程控制和提高產量。

對特定成熟節點（40到65 nm）的需求也高于平均水平，因為它們用于汽車和其他關鍵產品。然而，從歷史上看，它們的利潤率往往較低，因此有時很難支持擴展成熟節點容量的業務案例。如果建造新的晶圓廠，高昂的前期成本將意味著，公司最初從這些晶圓廠獲得的利潤將低于資產折舊后的現有晶圓廠。為了確保長期穩定的回報，廠家可以努力從客戶那里獲得硬承諾，以確保新的晶圓廠一上線就有較高的利用率。

通過“超越摩爾”實現差異化，除了縮小結構尺寸外，一些半導體公司正在追求“超越摩爾”的創新，以使其產品與眾不同。例如，一些公司正在開發基于硅以外材料的半導體。碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等化合物半導體材料特別適合于需要高功率和高頻率的應用，因為它們限制了能量損失，并允許產生較小的形狀因子。

提高可持續性和電氣化推動了SiC和GaN功率器件的采用，預計這兩類器件的復合年增長率（CAGR）將遠遠超過整個功率半導體市場預計的5%的增長率。在基本情況下，SiC器件的年市場增長率預計為23%，GaN功率器件的年市場增長率預計為40%。

設備制造商可以通過推出專門加工SiC或GaN的機器來促進創新并抓住新的機遇。鑒于對這些機器的需求將低于對主流前沿設備的需求，制造商應仔細審查開發這些最初利基產品的商業案例。代工廠可以為更廣泛的無晶圓廠半導體廠商提供基于SiC和GaN的創新技術。

對創新功能的關注在高增長細分市場(如物聯網)中可能尤其有價值，因為這有助于將產品與競爭對手區分開來(例如，通過優化幾種射頻應用中所需的快速切換)。幾個IDM和代工廠已經在成熟的節點中開發這樣的產品。

半導體元件的先進封裝。這些技術在操作過程中提供了更好的管理，允許公司將半導體元件放置得更近。由于連接點數量更多，這些芯片提供了更高的數據傳輸率和更好的性能。此外，先進的封裝允許半導體公司將成熟和領先的芯片結合在一個集成系統中，用于需要這兩種類型的應用，從而降低成本。這種趨勢被稱為異構集成，使公司能夠組合多個較小的芯片，而不是制造一個大芯片。較大的芯片通常具有較低的成品率，其下降通常與芯片尺寸成比例，因此異構集成可能帶來巨大的成本優勢。

2020年，先進封裝市場的價值為200億美元，預計到2026年，這一數字將增至450億美元，屆時將占封裝收入的50%左右。盡管領先的IDM和鑄造廠正在推動封裝創新，但先進的技術也為價值鏈上的其他參與者創造了機會，因為它們刺激了對新材料和新設備的需求。

專業應用。專用集成芯片(ASIC)將明確定義的算法和功能集成到其芯片設計中，并為特定目的定制，如用于人工智能和云計算。這一領域最近發展迅速，可能會為更多的參與者提供一個良好的機會。希望專注于開發專用半導體的小公司仍會發現自己的產品需求旺盛，即使它們的客戶群相對較小。

ASIC的客戶群包括許多不同的公司，如汽車OEM和Hyperscaler，他們的需求會有所不同。一些客戶可能會決定在內部設計自己的ASIC，以改進定制，使其產品與眾不同，并縮短交付周期。然后，他們將直接與鑄造廠合作，以滿足其制造需求。其他參與者，通常是較小的參與者，更喜歡有一個ASIC合作伙伴，負責從設計到最終產品的所有步驟，因為這需要許多專業能力。

大膽的長期研發投資

半導體行業的R&D周期可能非常長，有時會超過十年，公司通常看不到立竿見影的回報。從歷史上看，一些政府曾資助此類工作，因為大多數上市公司并不總是對這種長期投資感興趣。

盡管許多投資者可能對長期提供資金持懷疑態度，但半導體公司已經證明，大膽的長期投資最終會帶來豐厚的回報。例如，ASML花了17年時間和大約70億美元開發其極紫外光刻技術，包括批量生產該技術的能力。長期的R&D是值得的，因為該工具現在是ASML的主要收入來源。同樣，Arm花了六年時間開發了一款64位處理器，該處理器現在是該公司收入的重要來源。

其他大量投資于長期R&D項目的公司可能有助于促進技術飛躍——通常遠不止減少節點——這可能有助于改善社會。比如，量子計算專用芯片的創造可以改善制藥開發、可持續性計劃和其他跨行業計劃。在大多數情況下，半導體公司專注于在他們已經強大的領域增加投資，而不是進入新的領域來進一步擴大他們的技術優勢。

在動蕩的世界中增強彈性

像其他企業一樣，半導體公司和其他行業利益相關者仍在試圖制定新的戰略，以管理新冠疫情危機帶來的巨大破壞，包括供應鏈問題和需求變化。有一點是明確的:疫情大流行后的世界可能會變得更加動蕩，這將要求企業具有更強的彈性。

在本地供需嚴重不匹配的市場，半導體公司可以考慮將更多產能用于最迫切需要的節點，以提供一些短期緩解。例如，歐洲終端客戶在很大程度上需要節點大于28納米的半導體用于汽車和工業應用，而美國客戶對節點小于7納米的半導體有更高的需求。額外的產能可能最適合滿足這種需求。除了有助于當地市場，這些舉措將增加供應鏈的彈性，減少市場間的依賴。

半導體公司還可以通過提高靈活性和響應能力來幫助縮短交付周期，例如擴大供應商基礎、加強定價策略、改善客戶的芯片分配、與行業組織合作探索芯片短缺的解決方案，以及邀請客戶共同投資定制芯片的開發。

當前的經濟形勢要求增加靈活性。雖然現在對半導體的需求強勁，但主要市場的低迷可能需要新的策略來最小化資本支出和最大化收入。例如，半導體公司可能會考慮修改其首付政策，并向客戶收取專用容量的預付款，或者他們可能會要求客戶提前18個月以上提供有約束力的需求預測。

強大的人才渠道

隨著半導體對產品差異化變得越來越重要，一些電子公司、汽車OEM和超大規模計算正在將芯片設計轉移到內部，以增加定制和消除瓶頸。這些舉措使得本已稀缺的半導體人才競爭比以往更加激烈。同時，隨著半導體功能的擴展，芯片設計變得越來越復雜，這需要更多的勞動力。五納米節點的勞動力增加尤其多，這是最難設計的，需要最多的勞動力。

隨著競爭的加劇，半導體公司明智的做法是加大招聘人才的力度，包括擁有工藝技術和運營管理專業知識的員工。但首先，他們必須解決形象問題。在最近的一項員工調查中，半導體行業在工作場所吸引力的多個維度上排名低于科技和汽車行業，包括工作生活平衡、職業機會以及多樣性和包容性。

隨著半導體公司加大招聘力度，它們可能需要打造自己的品牌。通常情況下，半導體產品比終端產品受到的關注少，未來的員工可能對該行業中許多強大的創新型公司知之甚少。公司可能還需要評估薪酬、學習和發展機會，以確保他們與其他行業的企業處于同等水平。

勞動力短缺的一個可能解決方案是與學術機構建立伙伴關系，特別是在人才非常短缺的市場。如果半導體公司考慮支持學習項目，并可能提供課程指導，畢業生更有可能擁有在該行業工作所需的技能。

改善半導體生態系統內的協作

芯片設計越來越復雜，加上價值鏈的轉移和人才競爭的加劇，增加了半導體行業生態系統建設的重要性。與客戶的合作已經變得越來越普遍。例如，許多希望提高設計能力的汽車原始設備制造商現在正在與半導體公司合作，特別是在開發特定應用解決方案方面，如自動駕駛汽車。

在另一種類型的合作中，公司可以創建生態系統，其中參與者開發許多客戶可以利用的知識產權（IP）模塊。例如，Arm開發了一種處理器體系結構，其他人可能會對其進行許可。這一策略降低了所有相關方的成本。一些公司還與學術機構建立了強大的知識產權合作伙伴關系。

主要的半導體公司也有聯合開發和調整其技術模塊的悠久歷史，從而減少了組織創造不適合價值鏈的技術的機會。同樣，行業協會可以在為長期技術路線圖提供指導方面發揮重要作用，專門的半導體研究機構，如比利時的Imec，可以在競爭前研究期間召集參與者進行合作。

除了合作伙伴關系之外，半導體公司可能還想實施一項計劃性的并購戰略，即在行業整合的過程中，圍繞一個特定的主題，對小型收購采取一系列方法。如果他們這樣做，他們可能會受益于專注于收購，這將使他們能夠進入相鄰領域，打開重要市場，或增加對未來增長和擴大其技術領先地位至關重要的能力。然而，目前目標公司的稀缺性要求潛在收購方迅速調查和執行合并。

與其他生態系統成員的合作也可以采取更加非正式的形式。如果多家半導體公司同意建設或擴大設計和制造中心，它們可能更容易吸引人才，并可能獲得其他好處，如合作開發知識產權的能力。

更大的產能

對于一些半導體公司來說，產能擴張可能會帶來好處。但是考慮到建設和設備所需的巨額資金，公司領導在推進之前必須仔細考慮工廠的生產能力。當以每12英寸掩模層為指數時，操作和構造成本隨著產能的增加而下降。例如，對于具有每周25萬LSPW能力的晶圓廠，建設和運營成本都在30億美元左右。對于產能為40萬LSPW的晶圓廠，建設成本降至20億至30億美元，之后趨于平穩。對于產能約為575000 LSPW的晶圓廠來說，運營成本達到了一個平臺。

我們的分析表明，產能至少為60萬LSPW的晶圓廠會產生最佳的成本狀況。這相當于每周12，000到20，000個晶圓開始，具體取決于產品。生產的芯片類型將顯著影響成本，隨著節點尺寸的縮小，成本將呈指數增長。建立一個產能至少為600，000 LSPW的40納米制造廠可能需要約50億美元，其中約80%的投資用于設備支出。但是生產最小節點尺寸的尖端晶圓廠可能要花費100億美元甚至更多。

半導體公司或許可以通過在已經有類似企業集群的地區建造晶圓廠來獲得一些成本優勢，因為這可能有助于確保足夠的人才和資源(如土地、能源和水)。在另一個節省成本的舉措中，玩家可以嘗試改善工具連接和升級，以更快地收回投資成本。他們的努力可能包括與設備制造商建立伙伴關系，應用先進的分析技術來提高產量。例如，先進的組合學習使建模成為可能，有可能在整個制造周期中取代物理測試的一些元素，從而降低成本和縮短上市時間。例如，公司可以使用數據從物理計量轉換到虛擬計量。

在芯片需求超過當地供應的市場，一些政府官員也在考慮提高當地前端制造能力的策略，特別是在供應鏈中斷加劇和地緣政治問題使貿易變得復雜的情況下。在某些情況下，他們可能會補貼晶圓廠建設，研究表明，這可以幫助公司更快地收回投資。但許多政府官員可能沒有意識到他們在試圖趕上領先市場時將面臨的所有挑戰。

由于半導體價值鏈如此復雜和專業化，在可預見的未來，該行業可能仍將是一個高度相互依賴的全球網絡。由于沒有哪個市場的公司具備整個端到端價值鏈所需的所有能力，因此每個公司都應該專注于加強自己在領先領域的地位。

結論

雖然半導體隱藏在設備當中，但在每個人的生活中扮演著比以往任何時候都更重要的角色，如從小學生到療養院的病人的需求。目前的半導體短缺突出了這一事實，并使該行業對運行良好的半導體供應鏈的依賴非常明顯。一些最令人興奮的趨勢，包括與自動駕駛、車輛電氣化和人工智能相關的趨勢，依賴于半導體技術的不斷創新和穩定的芯片供應。我們相信，如果利益相關者現在做好準備，抓住未來的機遇，這些趨勢將使未來十年成為“半導體黃金十年”。

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