[Einleitung] Im Februar 2021 unterzeichnete Citigroup-Präsident Joe Biden die Executive Order Nr. 14017, mit der er seine Regierung aufforderte, eine umfassende Überprüfung der Lieferketten in vier Hauptbereichen durchzuführen, darunter Halbleiter, neue Energiebatterien, Seltenerdmineralien und medizinische Versorgung Identifizieren Sie Risiken, beheben Sie Schwachstellen und entwickeln Sie Strategien zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit der Lieferkette. Als der Kommandant den Befehl unterzeichnete, zitierte er das Sprichwort „Aus Mangel an Nägeln wird der Schuh weggeworfen. Aus Mangel an Beschlägen ist das Pferd verloren“ und so weiter, bis das Königreich fiel. Der kleinste Fehler in der Lieferkette kann sich auf die Sicherheit, Arbeitsplätze, Familien und Gemeinden in den USA auswirken. Um diese umfassende Überprüfung durchzuführen, hat die Biden-Regierung eine interne Task Force eingerichtet, die mehr als ein Dutzend Bundesministerien und -behörden umfasst. Regierungsbeamte haben sich mit Arbeitnehmern, Unternehmen, akademischen Institutionen, dem Kongress sowie Verbündeten und Partnern der USA beraten, um Schwachstellen zu identifizieren und Lösungen zu entwickeln.

Der Überprüfungsbewertungsbericht von Citi State soll im Juni 2021 vorliegen.

1. Über Halbleiter

Halbleiter bilden die materielle Grundlage integrierter Schaltkreise, die aus dem modernen Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Sie sind fester Bestandteil des Alltags moderner Verbraucher und finden sich in Haushaltsgegenständen wie Lichtschaltern, Garagentoröffnern und Kühlschränken sowie in Mobiltelefonen, Computern und Autos. Sie finden sich auch in komplexeren Produkten wieder. Moderne Menschen nutzen sie täglich (genauer gesagt jede Stunde, jede Minute, jede Sekunde). Halbleiterbasierte integrierte Schaltkreise sind die „DNA“ einer Vielzahl von Technologien, die alle Bereiche der Gesellschaft und Wirtschaft grundlegend verändert haben – von der Landwirtschaft über Transport, Gesundheitswesen, Telekommunikation bis hin zum Internet. Die Halbleiterindustrie ist ein wichtiger Motor für Wirtschaftswachstum und die Schaffung von Arbeitsplätzen bei Citi. Fast alle technologischen Produkte sind untrennbar mit Halbleitern verbunden; selbstverständlich sind auch die fortschrittlichsten Systeme untrennbar mit der Unterstützung durch Halbleiter verbunden.

Der Bericht schätzt, dass die US-Halbleiterindustrie im Jahr 208 einen Jahresumsatz von 2020 Milliarden US-Dollar erzielen wird, was fast der Hälfte des Weltmarktes entspricht. Trotz der globalen COVID-19-Pandemie stiegen die weltweiten Verkäufe von Halbleiterprodukten im Jahr 6.5 um 2020 %. Nach Schätzungen von SIA wird der globale Halbleitermarkt bis 726 einen Jahresumsatz von 2027 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 4.7 %. Halbleiter sind mit einem Exportumsatz von 47 Milliarden US-Dollar im Jahr 2020 ein wichtiger Exportartikel der USA und liegen damit an vierter Stelle hinter Flugzeugen, raffiniertem Öl und Rohöl.

Obwohl die US-amerikanische Halbleiterindustrie fast die Hälfte des weltweiten Umsatzes mit Halbleiterprodukten ausmacht, geht der Bewertungsbericht davon aus, dass der Anteil der US-Halbleiterproduktionskapazität an der weltweiten Produktion von 37 % vor 20 Jahren auf heute etwa 12 % gesunken ist. US-Unternehmen, darunter große Fabless-Halbleiterunternehmen, sind stark vom Ausland abhängig, insbesondere in Asien, was zu Risiken in der Lieferkette führt.

Der Forschungsbericht untersucht die Halbleiterlieferkette anhand von fünf zusammenhängenden grundlegenden Teilen: (1) Design; (2) Herstellung; (3) Montage, Test und Verpackung; (4) Materialien; und (5) Produktionsausrüstung.

2. Grundlegende Schlussfolgerungen:

Design:

Das US-amerikanische Halbleiterdesign-Ökosystem ist stark und weltweit führend, aber US-Unternehmen sind stark auf Verkäufe nach China angewiesen, um das Gewinnwachstum und inländische (Anmerkung: inländische) Investitionen in Forschung und Entwicklung (F&E) aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus sind US-amerikanische Designfirmen bei der Geschäftsabwicklung in erster Linie auf begrenzte geistige Eigentumsrechte (IP), Arbeitskräfte und Fertigungsressourcen angewiesen. Diese Ressourcen sind entscheidend für die Markteinführung von Produkten.

Herstellung:

Den Vereinigten Staaten mangelt es an ausreichenden Kapazitäten zur Herstellung von Halbleitern. Die Vereinigten Staaten sind hauptsächlich auf [敏感词] angewiesen, um Logikchips für fortschrittliche Prozessknoten bereitzustellen, und sind auf [敏感词], Südkorea und Festlandchina angewiesen, um die Nachfrage nach Chips für ausgereifte Prozessknoten zu decken.

Getestete und fortschrittliche Verpackung:

Für die relativ einfache Back-End-Halbleiterverpackung und -prüfung sind die Vereinigten Staaten stark auf ausländische Ressourcen angewiesen, die in Asien konzentriert sind. Da Chips außerdem immer komplexer werden, stellen fortschrittliche Verpackungsmethoden einen potenziellen Entwicklungsbereich für große technologische Fortschritte in der Zukunft dar. Den USA fehlt das notwendige Ökosystem für Materialien, und die USA sind kein kosteneffizienter Standort für die Entwicklung einer robusten, fortschrittlichen Verpackungsindustrie, und hohe chinesische Investitionen könnten den Markt auf den Kopf stellen.

Material:

Für die Herstellung von Halbleitern werden Hunderte von Materialien benötigt, was die Lieferkette der Fertigung vor Herausforderungen stellt. Viele Gase und Nasschemikalien, die in der Halbleiterfertigung verwendet werden, werden in den Vereinigten Staaten hergestellt, aber ausländische Anbieter dominieren den Markt für Siliziumwafer, Fotomasken und Fotolacke.

Fertigungsausrüstung:

Neben Lithografiemaschinen verfügen amerikanische Unternehmen über einen großen Anteil an den meisten Front-End-Prozessgeräten für die Halbleiterfertigung.

Neben den USA konzentriert sich die Produktion von Produktionsanlagen auf die Niederlande und Japan. Aufgrund der begrenzten Größe der Halbleiterfertigung in den Vereinigten Staaten hängt das Wachstum dieser Gerätehersteller stark von Verkäufen außerhalb der Vereinigten Staaten ab.

3. Über das Design integrierter Schaltkreise

Historisch gesehen war der Entwurf integrierter Schaltkreise in der Anfangsphase der Entwicklung der Halbleiterindustrie (Chipindustrie) keine eigenständige Branche. Der Entwurf integrierter Schaltkreise erfolgte durch IDM-Unternehmen, die den gesamten Produktionsprozess kontrollierten. Typische Vertreter solcher Unternehmen sind beispielsweise Intel und Texas Instruments in den USA. Heute wird der IC-Entwurf zunehmend von spezialisierteren „Fabless-Design-Unternehmen“ durchgeführt, die sich auf unabhängige Fertigungsunternehmen (Foundries) verlassen, um die IC-Herstellung abzuschließen. Der Anstieg der Foundries und der damit verbundenen Investitionen hat den Einstieg in die Designbranche für integrierte Schaltkreise erleichtert. Dies führt zu einer deutlich geringeren Konzentration im Entwurf integrierter Schaltkreise als in der Fertigung und im Gerätebau und macht die Herstellung integrierter Schaltkreise stark von [敏感词] abhängig.

Obwohl die Eintrittsbarrieren niedrig sind, müssen Fabless-Designunternehmen eng mit Gießereien zusammenarbeiten, um sicherzustellen, dass die Designs für den Produktionsprozess geeignet sind, und sie verlassen sich auf IP-Lieferanten (in der Regel andere Halbleiterunternehmen, die Schlüsseltechnologien entwickeln) sowie auf die Automatisierung elektronischer Designs (EDA). Software-Unternehmensunterstützung. Sowohl die vor- als auch die nachgelagerten Phasen der IC-Designbranche sind stark konzentriert. Bedeutende IP-Anbieter und EDA-Anbieter haben ihren Hauptsitz hauptsächlich in den Vereinigten Staaten, die meisten ihrer Praktiker sind jedoch außerhalb der Vereinigten Staaten ansässig.

Industrielle Struktur

Aufgrund der unterschiedlichen Arten von Produkten, mit denen sich Unternehmen befassen, sind Größe, Technologie und Struktur der Unternehmen, die sich mit dem Design von Halbleitern oder integrierten Schaltkreisen befassen, sehr unterschiedlich. Dieser Bericht unterteilt Halbleiter mit integrierten Schaltkreisen in drei Haupttypen: logische oder digitale Schaltkreise, Speicher und analoge Schaltkreise. Im Jahr 2020 machen logische oder digitale integrierte Schaltkreise etwa 42 % des Gesamtmarktanteils aus; Speicherprodukte machen etwa 26 % aus; analoge integrierte Schaltkreise machen etwa 14 % aus; Andere Halbleiterprodukte sind nicht integrierte Schaltkreisprodukte, einschließlich diskreter Geräte, optoelektronischer Geräte und Sensorgeräte.

Logische oder digitale integrierte Schaltkreise sind die Grundeinheiten von Computern oder Computerkomponenten und stellen die größte Kategorie auf dem Markt für Halbleiterprodukte dar. Laut der World Semiconductor Association SIA machen Logikchips 42 Prozent des Branchenumsatzes aus. In dieser Kategorie von Halbleiterprodukten hängen die Marktkonzentration und die Anzahl der Designunternehmen stark vom jeweiligen Chiptyp ab. Die Märkte für Personalcomputer-Zentraleinheiten (CPU), dedizierte Grafikverarbeitungseinheiten (GPU) und feldprogrammierbare Gate-Arrays (FPGA) sind im Wesentlichen ein Duopol. Die Anbieter anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreise (ASICs) sind stark fragmentiert und ihr Wettbewerb intensiviert. Zu den Produktkategorien gehören ASIC- und ARM-basierte Prozessoren für mobile Geräte. Eine CPU ist die zentrale Verarbeitungseinheit eines Computers, eine GPU ist ein Prozessor, der zum Rendern von Videos verwendet wird, ein FPGA-Produkt wird zur Konfiguration durch einen Kunden oder Designer nach der Herstellung verwendet und ein ASIC ist ein kundenspezifischer Chip, der für eine bestimmte Anwendung entwickelt wurde.

Der Bericht geht davon aus, dass die Vereinigten Staaten weltweit führend im Design integrierter Schaltkreise sind und viele Unternehmen die Fertigung auslagern oder Designer außerhalb der Vereinigten Staaten ansiedeln, um ihre Investitionsausgaben zu senken. Grundsätzlich werden alle PC-CPUs auf der Welt von den amerikanischen Unternehmen Intel und AMD entwickelt, wobei Intel die Chipherstellung im eigenen Haus durchführt, während AMD sich bei der Chipherstellung auf Gießereien verlässt. Unterdessen könnten Intel und AMD bald die FPGA-Kategorie dominieren, da AMD im Oktober 2020 bekannt gab, dass es die Übernahme des FPGA-Marktführers Xilinx für 35 Milliarden US-Dollar plant. Wenn die Übernahme die behördliche Genehmigung erhält, würden AMD-Xilinx und Intel etwa 85 Prozent des weltweiten FPGA-Umsatzes ausmachen. Weitere US-Anbieter wie Microchip Technology, Lattice Semiconductor und Achronix Semiconductor machen den Rest des FPGA-Marktes aus. Den größten Anteil an der weltweiten GPU halten AMD und das marktführende US-Unternehmen NVIDIA.

Der Wettbewerb in der ASIC-Lieferantenbasis hat erheblich zugenommen und die Nachfrage nach Prozessoren für mobile Geräte, die auf der ARM-Architektur basieren, ist hoch. Chiphersteller wie Samsung konkurrieren auf den Märkten für ASICs und mobile Prozessoren neben Fabless-Designfirmen wie Qualcomm und Broadcom sowie Dutzenden US-amerikanischen Technologieunternehmen, die ihre eigenen Chips entwickeln, darunter Apple, Alphabet und Amazon. Mit Ausnahme von Intel und Microchip sind die meisten CPU-, GPU-, FPGA- und ASIC-Anbieter weltweit und in den USA Fabless-Anbieter und verlassen sich bei der Entwicklung von Chips auf die Gießereifertigung.

Laut SIA machen Speicherchips, die zum Speichern von für die Datenverarbeitung benötigten Informationen verwendet werden, 26 % des Branchenumsatzes aus. Speicherchips sind vollständig kommerzialisierte und wettbewerbsfähige Kategorien, und ihre Vorteile und ihr technologischer Fortschritt hängen vollständig von der Ausbeute und den Skaleneffekten ab. Speicherprodukte werden in der Regel von IDM-Unternehmen bereitgestellt. Das südkoreanische Unternehmen Samsung und das südkoreanische Unternehmen SK Hynix sind führend im Bereich dynamischer Direktzugriffsspeicher (DRAM). Das US-Unternehmen Micron kommt auf etwa 23 Prozent. Die Marktführer entwickeln derzeit fortschrittliche Verpackungstechnologien (z. B. Chip-Stacking) und geistiges Eigentum für andere führende Produkte. Diese drei Unternehmen machen im Jahr 95 etwa 70 % des weltweiten 2020-Milliarden-Dollar-Marktes aus.

Die Produktion von Flash-Speichern (NAND) ist weniger konzentriert, wobei schätzungsweise sechs Unternehmen im Jahr 99 etwa 47 % des 2020 Milliarden US-Dollar schweren Weltmarktes ausmachen. Das südkoreanische Unternehmen Samsung ist mit etwas mehr als einem Drittel des NAND auch Marktführer bei Flash-Speicherprodukten Markt. Auf das südkoreanische Samsung folgt das japanische Unternehmen Kioxia (ehemals Toshiba), das einen Anteil von rund 20 Prozent hat. Den dritten Platz bei Flash-Speicherprodukten belegt die Western Digital Corporation aus den USA mit einem Anteil von etwa 14 %. Ebenfalls in diesem Segment sind SK Hynix in Südkorea (12 %), Micron in den USA (11 %) und Intel in den USA (9 %). Globale NAND-Unternehmen scheinen sich auf eine weitere Konsolidierung vorzubereiten. Intel, dessen Umsatz mit NAND-Produkten dem von Micron ähnelt, gab im Oktober 2020 bekannt, dass das Unternehmen plant, den Großteil seines NAND-Speichergeschäfts an SK Hynix zu verkaufen. Der Verkauf wird das kombinierte Unternehmen auf Platz 2 beim NAND-Marktanteil bringen. Es gibt auch Berichte, dass Western Digital und Micron möglicherweise eine Übernahme von Kioxia anstreben. Darüber hinaus expandiert Yangtze Memory Technologies (YMTC), ein 2016 gegründetes chinesisches Unternehmen, rasant und hat Subventionen in Höhe von rund 24 Milliarden US-Dollar erhalten. Quellen der chinesischen Regierung. Das Unternehmen könnte bis 200,000 in der Lage sein, bis zu 2022 Wafer pro Monat zu produzieren, was mehr als das Doppelte der aktuellen NAND-Kapazität von Intel darstellt und eine potenzielle Bedrohung für US-Speicherunternehmen mit niedrigen Kosten darstellt.

Im Vergleich zu Speicherchips ist die Kommerzialisierung analoger integrierter Schaltkreisprodukte weniger wettbewerbsfähig. Und darüber hinaus sind analoge Schaltkreise im Allgemeinen weniger auf den Einsatz modernster Herstellungsprozessknoten angewiesen. Die Endverwendung im Anwendungssystem, Wissen und Erfahrung beim Design des Chips sind wichtige Faktoren für den Wert analoger integrierter Schaltkreise. Daher ist die Marktkonzentration der Produktunternehmen hier nicht zu hoch, da Unternehmen für analoge integrierte Schaltkreise einen Wettbewerbsvorteil erzielen können, indem sie sich auf den analogen Bereich konzentrieren. Im Jahr 2020 entfielen 62 % des 56-Milliarden-Dollar-Marktes auf den weltweit größten Anbieter analoger integrierter Schaltkreise, wovon allein Texas Instruments mehr als 10 % des Marktes ausmachte. Viele der führenden Unternehmen für analoge Halbleiter sind „Fab-Lite“-Hersteller, die einige der von ihnen entwickelten Chips selbst herstellen, obwohl sie einen großen Teil der Chips auch auslagern.

Im Jahr 2020 wird der weltweite Umsatz mit diskreten Geräten, optoelektronischen Geräten und Sensoren (nicht integrierte Halbleiter) in Halbleiterprodukten etwa 79 Milliarden US-Dollar betragen, was fast 18 % des gesamten Halbleitermarktes ausmacht (insgesamt etwa 440 Milliarden US-Dollar). Die meisten Halbleiterprodukte dieser Kategorie befinden sich in ausgereiften Prozessknoten, wo sie günstig sind und es nicht ungewöhnlich ist, dass ein einzelnes Produkt einen Cent wert ist. Der Markt für solche Produkte ist mit zahlreichen Herstellern stark fragmentiert. Zu den Nicht-IC-Halbleiterunternehmen zählen ABB Ltd. (Schweden/Schweiz), Infineon Technologies (Deutschland), STM Microelectronics (Italien/Frankreich), Toshiba (Japan) sowie die US-Unternehmen Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix und Cree. Die wichtigsten Antriebstechnologien für nicht integrierte Halbleiterprodukte, insbesondere diskrete Leistungshalbleiterprodukte, sind Innovationen im Energiemanagement und in der Miniaturisierung. Solche Produkte nutzen Automobile, insbesondere Elektrofahrzeuge, als wichtige Anwendungsterminals. In den USA dominiertes Galliumnitrid (GaN), Siliziumkarbid (SiC) und andere Verbindungshalbleitersubstrate sind Schlüsseltechnologien für eine Vielzahl von Anwendungen. Sie werden häufig in der Energieverwaltung und -verteilung, der Hochfrequenz-Leistungsverstärkung, der Optoelektronik und der nationalen Sicherheit eingesetzt. Auch Halbleiterbauelemente mit Flachbildschirmen fallen in diese Kategorie.

Im Bereich der nationalen Sicherheit muss die Halbleitertechnologie auch für den Einsatz im Temperaturbereich (erweiterter Bereich) und in rauen Umgebungen geeignet sein, einschließlich technischer Eigenschaften für den Einsatz in Strahlungsumgebungen, wo zutreffend. Darüber hinaus ist eine strengere und unabhängige Überprüfung und Validierung der Komponenten erforderlich. Halbleiter für Automobilanwendungen müssen zudem strenge Haltbarkeits- und Testanforderungen erfüllen, um rauen Umgebungsbedingungen (z. B. extremer Kälte, extremer Hitze und extremer Feuchtigkeit) standzuhalten. Sie müssen Vibrationen und Stößen während der gesamten 10- bis 20-jährigen Lebenserwartung des Fahrzeugs standhalten und haben in Tests wesentlich niedrigere Ausfallraten gezeigt als Halbleiter für Verbraucherprodukte, um sicherzustellen, dass sie die Sicherheitsanforderungen für Fahrzeuge erfüllen. Diese Anforderungen werden voraussichtlich zunehmen und strenger werden, da Fahrzeuge immer autonomer werden und mehr Lichterkennungs- und Entfernungsmessungs- (LiDAR), Sonar-, Radar- und Bildverarbeitungssysteme sowie Navigations- und Identifikationstechnologien einsetzen.

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