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Wie die Citigroup die Sicherheit ihrer Halbleiterlieferkette sieht (II: INTEGRIERTE Schaltkreisfertigung)

Veröffentlichungszeit: 2022Quelle des Autors: SlkorDurchsuchen:3063

(Folgender Teil I: Integrierter Schaltkreisentwurf)

Viertens über die Herstellung integrierter Schaltkreise

(I) Grundlegende Schätzungen der Citigroup zur IC-Fertigungsindustrie

Halbleiterprodukte treiben nahezu jeden Wirtschaftszweig an, darunter Energie, Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Unterhaltungselektronik, Fertigung und Transport. Die weltweite Endverbrauchsnachfrage nach Halbleitern im Jahr 2019 beträgt: Mobiltelefone (26 %), Informations- und Kommunikationsinfrastruktur (einschließlich Rechenzentren, Kommunikationsnetze) (24 %); Computer (19 %), Industrie (12 %), Automobil (10 %) und Unterhaltungselektronik (10 %).

Von diesen vielfältigen Anwendungen unterstützen etwa 9 % direkt nationale Sicherheits- und kritische Infrastrukturanwendungen. Zu diesen wichtigen Endanwendungen von Halbleiterprodukten gehören Luft- und Raumfahrt, Telekommunikationsnetze, Energie und Versorgung, Gesundheitswesen und Finanzdienstleistungen. und andere staatliche Verwendungszwecke machen etwas mehr als 1 Prozent des weltweiten Halbleiterverbrauchs aus.


Der Anteil der USA an der weltweiten Halbleiterproduktion ist von 37 Prozent im Jahr 1990 auf heute 12 Prozent gesunken und wird ohne eine umfassende US-Strategie zur Unterstützung der Branche voraussichtlich weiter sinken.

Die US-Produktionskapazität ist unzureichend: Die US-Produktionskapazität ist seit Jahrzehnten rückläufig. Das erste Jahrzehnt dieses Jahrhunderts war für das verarbeitende Gewerbe in den USA besonders verheerend, da zwischen 2000 und 2010 ein Drittel der Arbeitsplätze im verarbeitenden Gewerbe verloren gingen. Kleine und mittlere Unternehmen (KMU) waren besonders hart betroffen. Ein Teil des Rückgangs ist auf die Konkurrenz aus Niedriglohnländern zurückzuführen. Ökonomen schätzen, dass etwa 25 Prozent der Arbeitsplatzverluste auf den Aufstieg Chinas zurückzuführen sind, insbesondere nach dem Beitritt des Landes zur Welthandelsorganisation. Aber auch in den USA stagnierte das inländische Produktivitätswachstum im Vergleich zu seinen Wirtschaftspartnern und blieb beispielsweise im Durchschnitt und in den meisten Branchen hinter Deutschland zurück. Heutzutage sind kleine Unternehmen in den Vereinigten Staaten typischerweise weniger produktiv als große Hersteller. Entgegen der landläufigen Meinung, dass KÜNSTLICHE Intelligenz und Robotik vor der Tür stehen, investieren US-amerikanische Hersteller kleiner und mittlerer Unternehmen zu wenig in neue produktivitätssteigernde Technologien. Der Verlust der Produktionskapazität führt zum Verlust der Innovationsfähigkeit. Die Fertigungsfähigkeit ist die Grundlage für Produktinnovationen. Wenn die Innovationsfähigkeit einmal verloren geht, ist es schwierig, sie wieder aufzubauen. Wenn die Kapazität von INTEGRIERTEN Schaltkreisen in den letzten Jahrzehnten ins Ausland verlagert wurde, folgten häufig Forschung und Entwicklung sowie die breitere industrielle Lieferkette.


(2) Lieferkette von Halbleiterprodukten

Vom Design über die Verpackung bis hin zur Integration in die von den Kunden gekauften Endprodukte ist die Industriekette äußerst komplex und geografisch verstreut. Ein typischer Halbleiterproduktionsprozess umfasst mehrere Länder und Produkte können aufgrund der Spezialisierung des Unternehmens auf bestimmte Verbindungen 70 Mal internationale Grenzen überschreiten. Der gesamte Prozess dauert bis zu 100 Tage, wovon 12 Tage zwischen den Gliedern der Lieferkette übertragen werden. Das Folgende ist eine einfache Darstellung der Lieferkette.


Die geringe Größe und das geringe Gewicht von Halbleiterprodukten sind wichtige Faktoren für die Verwirklichung einer derart komplexen geographischen Lieferkette. Die Kosten für den Versand von Halbleiterprodukten sind im Vergleich zu ihrem Wert gering. Allerdings bedeutet dies auch, dass Störungen der Transportwege ein Risiko für die Lieferkette darstellen können. Abhängig von der Etappe und der zurückzulegenden Entfernung sowie der Art des Produkts müssen in der Kette verschiedene Transportmittel (z. B. Luft, See, LKW) eingesetzt werden. In einigen Fällen erfordert der Transport auch eine spezielle Handhabung, beispielsweise den Umgang mit gefährlichen und hochreinen Gasen und Chemikalien, die bei der Herstellung verwendet werden, oder den Schutz empfindlicher elektronischer Geräte vor Beschädigungen.


Halbleiterfertigung: Industriestruktur

Fabriken, die Wafer verarbeiten und integrierte Schaltkreise herstellen, haben zwei grundlegende Geschäftsmodelle. Das erste ist ein vertikal integriertes Halbleiterunternehmen oder IDM-Unternehmen. Sie führen alle Schritte des Entwurfs- und Herstellungsprozesses von Halbleiterprodukten im eigenen Haus durch, vom Entwurf bis zur Endprüfung. IDM-Unternehmen machen etwa zwei Drittel der weltweiten Halbleiterkapazität aus. Obwohl Intel, das führende IDM-Unternehmen in den USA, hauptsächlich Logikgeräte herstellt, produzieren die meisten anderen IDM-Unternehmen hauptsächlich Speicherchips wie DRAM, diskrete Geräte und analoge integrierte Schaltkreise. Neben Intel sind in den Vereinigten Staaten mehrere der weltweit führenden IDM-Unternehmen beheimatet, darunter Analog Devices, Maxim Integrated Products, MicrochipTechnology, Micron, on Semiconductor und Texas Instruments. Es ist erwähnenswert, dass diese Unternehmen zwar ihren Hauptsitz in den Vereinigten Staaten haben, ihre Endprodukte jedoch in Fabriken auf der ganzen Welt herstellen. Neben den USA verfügt Intel beispielsweise über Waferverarbeitungsanlagen in Israel, Irland und China. Und Samsung, das seinen Sitz in Südkorea hat, und andere im Ausland ansässige (nicht-amerikanische) Unternehmen verfügen zusätzlich zu ihren (nicht-amerikanischen) im Ausland über Chipfabriken in den Vereinigten Staaten. Dem SIA-Bericht zufolge befinden sich 44 % der Kapazitäten amerikanischer Halbleiterunternehmen in den Vereinigten Staaten. Insgesamt machten IDM-Unternehmen in den Vereinigten Staaten im Jahr 51 2020 % des gesamten Betriebsumsatzes globaler IDM-Hersteller aus. Die Vereinigten Staaten sind besonders stark bei integrierten digitalen Logikschaltkreisen und analogen integrierten Schaltkreisen.


Es gibt andere führende US-Unternehmen für Halbleiterprodukte (z. B. AMD, Nvidia, Broadcom und Qualcomm sowie Game Spirit). Das Geschäftsmodell „No Fabs Semiconductor Companies“ besteht darin, Daten zu entwerfen, die unabhängige Unternehmen bereitstellen, die sich auf die Herstellung von Halbleitergießereien spezialisiert haben. durch die Gießereiunternehmen in die Herstellung und Verarbeitung von Chipprodukten. Diese Drittanbieter-Foundries werden als „reine Halbleiter-Foundries“ eingestuft, da sie keine eigenen Chipprodukte entwerfen oder verkaufen, sondern vielmehr als Vertragshersteller für Fabless-Halbleiterunternehmen fungieren (diese Foundries stellen manchmal zusätzliche Kapazitäten bereit oder produzieren auf andere Weise bestimmte Chips für IDM). Anbieter). Einige IDM-Unternehmen, insbesondere Samsung, bieten auch Verarbeitungsdienste für Fabless-Halbleiterunternehmen an.


Da die Technologie voranschreitet und die Kosten für den Bau und die Wartung hochmoderner Halbleiterfertigungsanlagen in die Höhe schießen, wird das Geschäftsmodell Fabless Enterprise + Foundry immer häufiger eingesetzt. Kontinuierliche Fortschritte in der Chip-Herstellungstechnologie erfordern völlig neue und zunehmend teurere Fertigungsanlagen. Hochmoderne Fabriken (mit 5-nm-Prozessknoten) kosten mindestens 12 Milliarden US-Dollar. Eine einzige Lithographiemaschine für extremes Ultraviolett (EUV), die bei 5 nm oder weniger erforderlich ist und häufig bei 7 nm verwendet wird, kann bis zu 150 Millionen US-Dollar kosten. Zusätzlich zu Fotolithographiemaschinen benötigen Fabriken viele andere Arten von Ausrüstung. Es wird geschätzt, dass die erforderlichen Investitionen für die nächste Generation von Fabriken, die auf 3-nm-Knoten arbeiten werden, 20 Milliarden US-Dollar übersteigen könnten. Darüber hinaus werden die Betriebskosten nach der Errichtung neuer Fabriken sehr hoch sein und kontinuierliche und teure Kapitalinvestitionen erfordern; Es ist auch notwendig, die Spitzentechnologie aufrechtzuerhalten, die Prozessdesigner benötigen, um den Betrieb an den fortschrittlichsten Produktionsknoten aufrechtzuerhalten. Reine Gießereien profitieren von Skaleneffekten, die es ihnen ermöglichen, die enormen Kosten von Halbleiterfabriken bei hoher und effizienter Kapazitätsauslastung aufzufangen und aufzufangen. Laut SIA machen reine Foundries etwa ein Drittel der weltweiten Chipkapazität aus. Davon entfielen fast 80 % auf die Produktion von Logikchips. Die Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), die weltweit erste reine Wafergießerei, wurde 1987 gegründet und dominiert heute den Gießereimarkt.

Der Auftragsfertigungsmarkt wird von taiwanesischen Unternehmen dominiert, wobei allein TSMC 53 Prozent des Marktes ausmacht. Insgesamt machen taiwanesische Gießereiunternehmen 63 Prozent des weltweiten Gießereimarktes aus. Auf Südkorea entfallen 18 % und auf China 6 %. GlobalFoundries, eine in den USA ansässige Gießerei im Besitz von ABU Dhabi, hat einen Anteil von 7 Prozent und macht mehr als die Hälfte der verbleibenden 13 Prozent des Gießereimarktes aus.


Wie oben erwähnt, haben die USA zwar einen großen Marktanteil bei den von IDM-Unternehmen hergestellten Chips, machen aber nur etwa 10 % der weltweiten Foundry-Einnahmen aus. Etwa 80 % davon entfallen auf asiatische Gießereien. Allein auf Taiwan entfallen 63 Prozent der weltweiten Auftragsfertigung. Das bedeutet, dass die USA zwar führend im Halbleiterdesign sind, ihre inländischen Fabless-Unternehmen jedoch bei der Herstellung ihrer Produkte stark auf ausländische Auftragsfertiger, meist in Asien, angewiesen sind. Obwohl dieses Agenten-Geschäftsmodell für integrierte Schaltkreisprodukte für großvolumige kommerzielle Anwendungen geeignet ist, handelt es sich bei vielen damit verbundenen Anwendungen um Kleinserien, was die Einführung fortschrittlicher Halbleiterfertigungstechnologien für Anwendungen unsicher und schwierig macht.

In den Vereinigten Staaten findet der überwiegende Teil der Halbleiterfertigung (sowohl im IDM- als auch im Foundry-Modell) im Ausland statt: Taiwan, Südkorea, Japan, China und den Vereinigten Staaten. Etwa 12 % der weltweiten Halbleiterproduktionskapazität befinden sich in den Vereinigten Staaten, ein Rückgang gegenüber 37 % in den 1990er Jahren. Im Jahr 2019 entfielen etwa 20 % der weltweit installierten Kapazität auf Taiwan, gefolgt von Südkorea mit 19 %. Auf Japan entfielen 17 Prozent, auf China 16 Prozent und auf Europa 9 Prozent. Die restlichen 6 % der Kapazität befinden sich in Singapur, Israel und anderen Teilen der Welt.

Von den 40 großen Halbleiterproduktionsstätten in den Vereinigten Staaten verwenden die Hälfte (20) 300-mm-Wafer (12 Zoll); Bei anderen Produktionen werden Wafer von 200 mm (8 Zoll) oder weniger verwendet. Zwischen 2009 und 2018 wurden weltweit mehr als 100 Fabriken zur Herstellung von 150-200-mm-Wafern geschlossen, wobei 70 % der Schließungen in den USA und Japan stattfanden. Laut IC Insights sind bis zu 68 Wafer-Produktionsanlagen Jahrzehnte alt und haben ihre angemessene Lebensdauer überschritten. Geschlossene Fabriken werden teilweise durch neue Anlagen ersetzt, die kostengünstiger sind oder modernisiert werden; Es gibt auch einige Fabs, deren Betrieb zu teuer ist, und Unternehmen wenden sich Light Fabs oder Fabless-Geschäftsmodellen zu


Im Inland betreiben sechs Unternehmen 20 300-mm-Fabriken in acht Bundesstaaten, wie in der folgenden Tabelle aufgeführt. Neben Skorpios betreiben auch fünf weitere Unternehmen Waferfabriken außerhalb der USA.

Wie oben erwähnt, verfügt Intel über Halbleiterfertigungsbetriebe in Israel, Irland und China. Zusätzlich zu seinen Fabriken in den Vereinigten Staaten betreibt Micron Fabriken in Singapur, Japan und Taiwan. Texas Instruments verfügt über Waferproduktionen in China, Malaysia, Taiwan und auf den Philippinen sowie in Texas. GlobalFoundries ist die führende reine Wafer-Gießerei in den USA. Das Unternehmen ist über den Staatsfonds Mubadala im Besitz des Emirats ABU Dhabi und verfügt über Wafer-Produktionsstätten in Deutschland und Singapur. Im Jahr 2019 sagte das Unternehmen Pläne zur Eröffnung einer Fabrik in Chengdu, China, ab.

 

Während die Chipproduktionskapazität in den USA relativ stabil ist, wachsen Kapazität und Produktion außerhalb der USA, insbesondere in Asien. Infolgedessen prognostiziert SIA, dass der Anteil der USA an der Halbleiterkapazität bis 10 auf 2030 Prozent sinken wird, während der Anteil Asiens auf 83 Prozent wachsen wird. Im Jahr 2019 befand sich keine der weltweit sechs neuen Halbleiterfertigungsanlagen in den USA, vier jedoch in China.

Wie im Abschnitt „Design“ dieses Berichts erläutert, werden drei Haupttypen von Chips behandelt: Speicher, Logik oder digital und analog. Wie die folgende Tabelle zeigt, sind verschiedene Teile der Welt auf unterschiedliche Bereiche spezialisiert. Beispielsweise werden nur 5 Prozent der Speicherchips in den USA hergestellt, verglichen mit 44 Prozent in Südkorea und 14 Prozent auf dem chinesischen Festland. Zur Erinnerung konzentrierte sich China auf die schnelle Expansion von Changjiang Storage und gewährte dem Unternehmen Subventionen in Höhe von 24 Milliarden US-Dollar (allein für sein Werk in Wuhan). Seine Expansion und seine preisgünstigen Produkte stellen eine direkte Bedrohung für die US-amerikanischen Speicherchiphersteller MICron und Western Digital dar.

Bei Logik- oder Digitalchips (wie Computern und Mikroprozessoren für Mobiltelefone) produzieren die USA keine fortschrittlichen Prozessknoten (weniger als 10 Nanometer), während Taiwan auf 92 Prozent kommt. Bei anderen Logik-Lock-Technologien sind die Vereinigten Staaten sehr führend: 43 % der fortschrittlichsten (10–22 nm) Logikchips und 6 % bis 9 % der vorherigen Generation (28 nm und mehr).ove) Logikchips werden in den Vereinigten Staaten hergestellt; Taiwan produziert 47 Prozent dieser Logikchips, während China etwa 19 bis 23 Prozent der Logikchips produziert. Im Segment der analogen/diskreten Komponenten schließlich werden 19 % in den USA, 17 % in China und etwa 27 % in Korea hergestellt.

(iv) Überprüfung der Herstellung integrierter Schaltkreise

Den Vereinigten Staaten mangelt es an Produktionskapazitäten auf dem höchsten technologischen Niveau:

Den USA mangelt es an Halbleiterproduktionskapazitäten für die fortschrittlichsten Halbleiterprozessknoten (derzeit 5 Nanometer), die derzeit nur von TSMC (Taiwan) und Samsung (Südkorea) betrieben werden. Die fortschrittlichste FAB in den Vereinigten Staaten ist die von Intel betriebene 10-nm-Prozesslinie, die voraussichtlich erst 7 mit der vollständigen 2023-nm-Produktion beginnen wird, und kündigte im Januar 2021 an, dass sie die „erweiterte“ 7-nm-Produktion von TSMC verwenden würde unterhalb der Produktionslinie für seine neuesten Logikschaltungsprodukte. Infolgedessen verlassen sich US-amerikanische Fabless-Chip-Unternehmen mittlerweile fast ausschließlich auf asiatische Hersteller, insbesondere TSMC, um die fortschrittlichsten Chips (7 nm oder kleiner) herzustellen. Zusätzlich zu den Risiken in der Lieferkette, die durch eine geographisch konzentrierte Produktion verursacht werden, wirft der Mangel an hochmodernen inländischen Technologiekapazitäten nationale Sicherheitsbedenken auf, da einige militärische Anwendungen einen sicheren Zugang zu hochmoderner Prozesstechnologie erfordern, um die technologische Sicherheit zu gewährleisten Überlegenheit.

Der Umsatz aus dem Verkauf von Chipprodukten hängt von China ab:

Auch amerikanische Chiphersteller sind aufgrund der Dominanz Chinas in der Elektronikproduktion stark auf Verkäufe nach China angewiesen. China ist der größte Markt für Halbleiter, von denen die meisten wieder exportiert werden, wenn sie zu Terminalelektronik, einschließlich Unterhaltungselektronik und Haushaltsgeräten, zusammengebaut werden. Laut Daten von The Economist aus dem Jahr 57 erzielte der Mobiltelefonchip-Anbieter Qualcomm beispielsweise zwei Drittel seines Umsatzes in China, während der Speicherhersteller Micron 2018 % seines Umsatzes in China erzielte. Intel berichtete im Jahr 2020, dass 26 Prozent seines Umsatzes auf China entfielen. Die starke Abhängigkeit von chinesischen Verkäufen verschafft der chinesischen Regierung einen wirtschaftlichen Einfluss und das Potenzial für Vergeltungsmaßnahmen gegen die Vereinigten Staaten.

Chinas Wunsch, die Halbleiterindustrie anzuführen:

Chinas Anteil an der globalen Halbleiterindustrie ist relativ gering und seine Unternehmen stellen hauptsächlich Low-End-Chips her. SMIC, Chinas fortschrittlichste reine Gießerei, kann nur auf 14-Nanometer-Knoten produzieren und verfügt über begrenzte Kapazitäten. China befindet sich jedoch mitten in großen staatlich geführten Bemühungen zur Entwicklung seiner einheimischen vertikal integrierten IDM-Industrie mit dem Ziel, die Industrie bis 2030 in allen Bereichen führend zu machen. Chinas Anteil an der Halbleiterwaferkapazität lag 16 bei 2019 Prozent, soll aber bis 28 auf 2030 Prozent steigen. Die chinesische Regierung stellt 100 Milliarden US-Dollar an Subventionen für die Halbleiterindustrie bereit, darunter die Entwicklung von 60 neuen Produktionsstätten. Wie im „Design“-Teil der Lieferkette erläutert, hat China seine eigenen Speicherchiphersteller aggressiv subventioniert, um seine Abhängigkeit von den drei größten Speicherunternehmen der Welt zu beenden: Samsung (Südkorea), SK Hynix (Südkorea) und Micron (USA). ). Micron, ein US-amerikanisches Speicherunternehmen, ist ein direkter Konkurrent von Changjiang Storage und dürfte das erste US-Unternehmen sein, dessen zukünftige Wettbewerbsfähigkeit und Innovation durch chinesische Subventionen an seine Konkurrenten gefährdet sieht.

Haftungsausschluss: Dieser Artikel ist ein Nachdruck aus „Mr. Wang's Restaurant Talk“. Dieser Artikel gibt nur die persönlichen Ansichten des Autors wieder und repräsentiert nicht die Ansichten von Sakwei und der Branche Bitte geben Sie die Originalquelle und den Autor an. Bei Verstößen kontaktieren Sie uns bitte zum Löschen.

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