【消費電子實驗室-2022/12/12】11月17日，美國半導體協會（SIA）發布年度報告，研究了美國半導體行業當前的發展現狀以及面臨的重大挑戰。報告指出，2022年全球半導體出貨量有望突破歷史最高記錄，美國半導體公司繼續將大約五分之一的年收入投資于研發活動——2021年達到創紀錄的502億美元，美國頒布了具有里程碑意義的《芯片與科學法案》。

但是，美國半導體行業仍然面臨重大挑戰，如：全球半導體銷售增長在今年下半年大幅放緩、中美緊張關系繼續影響全球供應鏈、美國其他重大政策挑戰如制定政策保持美國在半導體設計方面的領先地位等依然存在。

為了應對新冠疫情、全球半導體供應鏈中斷和地緣政治緊張局勢等挑戰，拜登總統于2022年8月9日簽署《芯片和科學法案》，提供了關鍵的半導體制造激勵措施和研發投資�！缎酒�與科學法案》吸引了美國政府和商界領袖的注意力，促成了建設晶圓廠和其他設施的新承諾。《芯片與科學法案》將通過創造就業機會和經濟投資改變國家的未來。

芯片激勵計劃。《芯片和科學法案》的基石是一項390億美元的制造業激勵計劃，由美國商務部管理，旨在通過一系列廣泛技術投資來振興美國芯片制造生態系統，支持范圍從大型先進晶圓廠到研發項目，技術涉及成熟和先進芯片、新技術和專用技術、制造設備和供應材料。《芯片與科學法案》還為先進制造業設立了25%的投資稅收抵免，由美國財政部實施，作為制造業激勵計劃的補充，以共同縮小美國投資和海外投資之間的成本差距。

芯片研發項目�！缎酒�與科學法案》將投資130億美元用于半導體研發，設立了國家半導體技術中心、國家先進封裝制造計劃、美國制造業研究所、芯片國防基金、計量研發等項目。這些項目旨在完善半導體創新生態，促進政府、產業界、學術界和其他利益相關方之間的合作，為長期創新提供了資金，并有助于培養半導體行業未來創新所需的科學家和工程師。

《芯片法案》已產生的影響。自2020年6月《芯片法案》最初出臺以來，半導體企業已宣布了數十個項目，以提高美國的制造能力，擴大國內半導體價值鏈。隨著《芯片法案》的全面實施，預計未來幾年還會有更多的項目。目前已公告了46個新的半導體生態系統項目，美國公司研發投資總額超過1800億美元，將創造超過20萬的就業崗位，包括在12個州新建的15個晶圓廠和擴建的9個晶圓廠以及在半導體材料、化學品、氣體、晶圓等方面的大量投資。

為了充分實現《芯片與科學法案》的承諾和機會，美國必須擁有一支強大的半導體勞動力隊伍。《芯片法案》包括了勞動力發展措施（作為制造業激勵計劃和研發項目的一部分），以及美國國家科學基金會設立的2億美元勞動力和教育基金。這些項目對于確保半導體行業擁有熟練的勞動力以滿足短期和長期的廣泛需求至關重要。

為了強化半導體勞動力隊伍，美國需要提供額外的K-12 STEM教育資金，鼓勵美國年輕人選擇STEM相關職業。這需要政府、產業界、教育界和其他利益相關方共同努力，在課程開發、擴大學徒制、增加職業和社區學院半導體項目、提高高等教育研究獎學金資助和人才項目等方面做出貢獻。

為了提升競爭力，美國必須獲得來自世界各地的最優秀、最聰明的人才。美國還應該增加獲得國際STEM人才的機會，特別是從美國高校獲得STEM學位的外國研究生。在美國大學獲得高等學位的STEM畢業生中，有三分之二是外國人，美國需要留住這些人才，而不是迫使他們歸國。改善STEM碩博士的綠卡發放限制將對美國半導體行業產生革命性影響。國會應該采取行動，永久性地改革和改善現有移民制度，為半導體行業持續創新和發展引進和留住國際人才。

雖然《芯片與科學法案》為解決美國制造供應鏈中的關鍵缺口和脆弱性提供了重要激勵措施，但也必須對芯片設計采取直接措施來保持美國在該領域的領導地位。

芯片設計是制造過程的第一步，芯片設計的創新對半導體技術的未來發展至關重要。美國半導體公司在全球芯片設計行業處于領先地位，美國在全球設計勞動力中所占份額最大：2021年，全球約有18.7萬名半導體設計工程師，其中9.4萬名服務于總部位于美國的半導體公司。

但是，美國持續保持半導體設計領導地位尚存在不確定性。除了設計成本不斷上升、技能人才短缺以及全球市場準入壓力日益增大之外，國際競爭愈發激烈。國際競爭對手認識到芯片設計的戰略重要性，正在大力投資建設其國內半導體設計能力。中國大陸地區、韓國、中國臺灣地區、歐盟、日本和印度已承諾新增數十億美元的芯片設計投資，包括提供高達50%的芯片設計投資稅收抵免。如果不采取行動確保美國在設計和研發方面的競爭力，美國在全球銷售收入中的市場份額預計將從2021年的46%下降到2030年的36%（見圖1），而同期中國大陸地區的市場份額預計將從9%飆升到23%。

為保持美國在半導體設計方面的領導地位，SIA敦促國會采取全面、綜合的戰略，具體行動包括：（1）對先進半導體設計提供25%的投資稅收抵免，與《芯片法案》中包含的制造抵免相當；（2）高技能移民改革，確保獲得頂尖科學和工程人才；（3）在減稅政策方面，恢復研發支出的全額扣除。

圖1 主要國家/地區半導體設計市場份額分布（按公司總部所在地）

半導體對許多相關領域的新興技術都有重大影響，如人工智能、高性能計算、自主系統和機器人。

半導體也在驅動一些可能不那么直接的領域，如生命科學。半導體創新可以在許多方面幫助解鎖新的生命科學技術。例如，提供生物和制藥模擬的強大計算資源，幫助大幅降低和縮短藥物開發的成本和時間線。現代醫療設備是另一類依賴先進半導體的生命科學技術，包括用于健康監測的可穿戴傳感器、醫療機器人、用于高分辨率超聲的先進成像技術、腦機接口技術和用于創傷干預的植入式設備。這些技術可能依賴先進半導體來協助數據收集和處理，以獲得可操作的反饋，或幫助在體內導航以進行精準治療�？紤]到與芯片-生物接口相關的挑戰，這類設備通常有獨特的封裝需求，仍然需要大量的材料和封裝方面的研究來設計制造高性能醫療設備，以減少炎癥反應和設備污染。

全球芯片短缺及產業應對。雖然芯片短缺和新冠疫情影響在2022年開始緩解，但預計未來十年，半導體需求將持續增長。全球半導體行業正計劃通過創紀錄的制造和研發投資來滿足這一預期的市場增長。從2020年到2022年底，全球晶圓廠產能預計將增長30%，并在2023年增長更高。2022年，全球半導體行業資本支出繼續加大、超過1660億美元，以滿足芯片的長期需求。

全球半導體市場持續增長。在過去30年里，半導體行業經歷了快速增長，并產生了巨大的經濟影響。由于新冠疫情導致的需求增加，2021年全球半導體市場增長強勁。繼2020年達到4404億美元銷售額后，2021年全球半導體銷售額增長26.2%、達到5559億美元。世界半導體貿易統計（WSTS）等半導體銷售分析機構預計，全球半導體行業銷售額將在2022年顯著增加到6180-6330億美元。

未來十年，半導體領域的持續創新將催生一系列變革性技術，包括人工智能、自動駕駛和物聯網。事實上，半導體需求的長期增長動力已經穩定。半導體及其服務市場已形成真正的共生關系，正如半導體創新有助于進一步刺激市場需求，并打開全新市場。

半導體終端應用驅動因素反映了新冠疫情需求沖擊下的變化。2021年，幾乎所有類別的半導體終端應用銷售都出現了顯著增長。隨著越來越多的工作方式轉移為遠程工作和在線教育，電腦等終端應用類別的銷售額出現了顯著增長。其他市場，如汽車市場全年經歷了大幅增長，最終成為半導體的第三大終端應用市場，見圖2。如前所述，2021年全球芯片銷售額達到5559億美元，銷量為1.15萬億，其中增長最快的是能夠承受高溫和其它物理挑戰的汽車級芯片。

圖2 2021年終端需求市場分布

自上世紀90年代以來，美國半導體行業一直是全球芯片銷售市場的領頭羊，每年占全球市場近50%的份額。此外，美國半導體公司在研發、設計和制造工藝技術方面保持著領先地位或高競爭力。

美國半導體公司在商業模式和半導體制造設備方面處于市場領先地位，但在一些細分領域，美國半導體行業落后于亞洲競爭對手。

總的來說，美國半導體行業在研發最密集的領域保持著領先地位：EDA和IP核、芯片設計和制造設備。然而，前端和后端制造工藝主要集中在亞洲，包括7納米尖端芯片晶圓制造、組裝、測試和封裝在內的全球75%的產能集中在亞洲。另外，美國在邏輯器件、分立器件、模擬器件和光電半導體等細分產品方面仍然處于領先地位，而在存儲器方面落后于其他國家或地區。這些脆弱性強調了《芯片法案》投資的必要性，該法案為支持更多的本土制造提供了必要的激勵措施。

美國半導體行業的研發支出一直很高，反映了美國半導體市場份額的領先地位和持續創新之間的內在聯系。

從2000年到2020年，美國半導體行業的研發支出以大約7.2%的復合年增長率增長。2021年，美國半導體行業的研發投資總額為502億美元。

美國半導體行業的研發占比（研發支出占銷售額的百分比）僅次于制藥和生物技術行業，位列第三。盡管全球競爭對手都在增加研發投資，以期與美國半導體行業競爭，但美國公司的研發占比高于其他任何國家的半導體行業。

圖3 美國各行業研發占比（研發支出占銷售額的百分比）及主要國家/地區半導體行業研發占比

具有競爭力的本土勞動力對美國確保半導體領先地位至關重要。此外，強大的本土半導體制造業對增強美國經濟至關重要。

在美國49個州，近27.7萬人從事半導體行業的設計、制造、測試和研發工作。2021年，美國半導體行業總共為美國提供了184萬個就業崗位，包括超過25萬個直接就業崗位、近160萬個間接就業崗位，為美國創造了1651億美元的收入。

2021年，美國半導體制造商約46%的前端晶圓產能位于本土，這一比例從2013年的57%持續下降。而美國半導體制造商的其他產能主要位于新加坡、中國臺灣地區、歐洲和日本。

過去十年，美國本土之外的芯片制造產能平均增速是美國的五倍，這主要因為各國為吸引半導體制造商而實施的強有力的激勵措施�！缎酒�法案》有望扭轉這一長期下滑趨勢，使美國在全球半導體制造業增長中獲得更高的市場份額。

為了確保美國在全球半導體行業繼續保持領導地位，美國必須提升競爭力和創新力。

1. 投資美國半導體領導力：（1）高效、及時、透明地執行《芯片和科學法案》中的政策和計劃。（2）在《芯片法案》中為先進制造投資信貸制定法規，以涵蓋半導體生態系統的全部創新環節。（3）采取促進創新和競爭力的政策，如制定半導體設計投資稅收抵免，并加強研發稅收抵免。（4）投資《芯片和科學法案》支持的研究和科學項目，保持美國的技術領先地位。

2. 增強美國的技術勞動力：（1）實施一項國家戰略，以適當的投資為后盾，與教育行業和私營部門合作，共同改善美國教育系統，增加STEM人才。（2）改革美國移民政策，吸引并留住世界上最優秀的人才。（3）提供資金保障，強化各層次半導體人才隊伍、并確保穩定支持各級教育和技能培訓。

3. 促進自由貿易和保護知識產權：（1）批準和改善自由貿易協定，以消除市場壁壘，保護知識產權，促進公平競爭。（2）擴大信息技術協議。

4. 與志同道合的經濟體緊密合作：與盟友調整政策和法規，以加強國家安全，促進經濟增長、技術創新以及提高供應鏈彈性。