半导体观察 | 麦肯锡：“半导体黄金十年”的未来发展战略【走出去智库】-ESG跨境

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日前，麦肯锡发布研究报告《引领半导体产业的战略》指出，随着自动驾驶、车辆电气化和人工智能对芯片的需求不断增加，企业需抓住机遇迎接“半导体黄金十年”。

走出去智库（CGGT）观察到，过去两年芯片短缺问题一直困扰着许多行业，促使各国愈发重视半导体产业链的建设，美国、欧洲先后出台了竞争法案、芯片法案，加大对半导体产业的投资力度。如果未来中美科技摩擦加剧，或许会造成半导体供需两端脱钩，更需要中国企业提前做好供应链布局。

未来如何做好半导体投资布局？今天，走出去智库（CGGT）编译麦肯锡报告的主要内容，供关注半导体投资的读者参考。

要 点

CGGT，CHINA GOING GLOBAL THINKTANK

1、没有一个本地市场具备端到端半导体设计和制造所需的所有能力，专业知识的集中已经在价值链上形成了一个相互依赖的网络。

2、通过“超越摩尔”实现差异化，除了缩小结构尺寸外，一些半导体公司正在追求“超越摩尔”的创新，以使其产品与众不同。

3、芯片设计越来越复杂，加上价值链的转移和人才竞争的加剧，增加了半导体行业生态系统建设的重要性。

正 文

CGGT，CHINA GOING GLOBAL THINKTANK

从数据来看，当前是半导体公司发展的理想时机。随着芯片需求的飙升，2020年芯片行业的年收入增长了9%，2021年增长了23%，远高于2019年报告的5%。甚至在疫情之前，资本市场就已经对该行业飙升的盈利能力给予了回报，从2015年底到2019年底，半导体公司的总股东回报（TSR）年均达到25%。去年，股东们看到了更高的回报，平均每年50%。由于因为远程办公已成为常态，消费者和企业增加了电子产品的购买，帮助加速了数字革命。

然而，在幕后，今天的半导体公司正面临着一系列挑战。即使晶圆厂满负荷运转，也无法满足需求，导致产品交付周期长达六个月或更长。持续的半导体短缺现在经常成为头条新闻，尤其是当它迫使汽车设备制造商推迟汽车生产时。更重要的是，半导体公司正在努力解决日益增加的设计复杂性、人才短缺以及与疫情相关的问题，这些问题正在破坏连接不同市场参与者的复杂的全球供应链。这种短缺现在令人担忧，促使更多大型科技公司和大型汽车设备制造商将芯片设计转移到内部——这一趋势可能对市场产生重大影响。

在其他行业，制造商通常通过增加产量来应对短缺。但是，半导体晶圆厂的建设和生产升级成本极高，而且非常耗时——通常需要一年的时间进行大规模扩张，或者需要三年多的时间来建设一个新工厂——这使得很难快速增加半导体产量。虽然提高产能有时可能会有所帮助，但它不会立即产生效果，通常需要多年的大量投资，才会出现额外的收入(如果有的话)。

为了帮助半导体公司制定一个全面的成功计划，我们量化了产能扩张的好处，以确定何时可以合理建设。我们还确定了可以帮助半导体公司提高生产率和收入的其他战略，如增加对前沿芯片的关注，追求超越节点规模的创新，进行大胆的长期投资，提高弹性，改善人才渠道，以及在半导体生态系统内合作。

半导体行业发展情况

虽然关于半导体短缺的头条新闻经常泛泛地讨论，但该行业包括许多不同的细分市场:存储器、逻辑、模拟、光学元件和传感器等。单个半导体公司及其生产基地倾向于专注于特定的细分市场。相比之下，他们的最终客户通常需要所有半导体领域的产品，因此依赖于多家供应商。缺少专门的芯片会使最终产品的生产陷入停顿，即使所有其他组件都可用。

考虑到所有生产阶段，整个过程从材料采购延伸到后端制造。对于每个产品细分市场，大多数公司专注于三个或更少的步骤，并可能将某些活动外包给合作伙伴，例如印刷电路板组装。在后端制造之后，半导体成为电子产品价值链的一部分。

在过去的20年里，该行业在许多价值链环节中变得越来越整合，在每个领域都出现了一些冠军企业。因此，专业知识通常集中在某些市场(例如，美国的无晶圆厂企业和设备制造企业最多)。没有一个本地市场具备端到端半导体设计和制造所需的所有能力，专业知识的集中已经在价值链上形成了一个相互依赖的网络。

专业知识的集中传达了一些优势，因为它通常允许公司共享资源，如电力供应，即使它们是竞争对手，这有助于降低成本。拥有合适技能的员工也可能被吸引到专业集群，从而形成强大的人才库。但这种相互依存性也意味着，局部冲击可能会产生全球性影响，比如2011年泰国的洪水导致该国多个内存后端晶圆厂停产，并将内存芯片价格推高了30%。

半导体短缺背后的因素

在疫情之前，半导体晶圆厂已经接近满负荷运转，因为除了满足客户需求之外，它们尽量避免投资新的资本设备。不确定的贸易动态也促使一些公司增加半导体库存以确保供应。疫情刺激了人们对用于远程工作的电脑和其他设备的购买，进而将需求推至更高水平。

对于汽车原始设备制造商和其他公司来说，一种反应是偏离他们典型的“准时”订单。相反，他们已经开始订购超过必要数量的芯片，这样他们就可以建立库存，手头有储备。然而，从短期来看，这一举措放大了供需缺口。从长远来看，一些公司可能会考虑要求签订有约束力的“照付不议”合同，在合同中，他们可以接受一定数量的芯片，如果拒绝，也可以付费。这种安排有助于公司更准确地将芯片需求与制造能力相匹配。

客户也可以考虑与半导体公司共同投资旨在提高晶圆厂产能的项目。这类项目可以让半导体公司减少前期投资，缓解潜在的资本支出限制。但考虑到晶圆厂建设和产量提升的漫长时间表，共同投资不会立即改善半导体短缺问题。

实现并保持半导体行业的领先地位

尽管目前存在不确定性，但随着越来越多的产品和服务日益数字化，半导体行业仍将迎来进一步增长。正如当前估值所反映的那样，半导体行业当前企业价值的一半以上是基于盈利增长预期：按照最近的利润率趋势，投资者预计长期增长率为每年7%至8%。

但是什么样的策略可以帮助这个行业达到这些目标呢？虽然答案可能因公司的优势和劣势而异，但所有半导体公司可以通过重新思考他们在六个关键领域的方法而受益:技术领先、长期R&D、弹性、人才、生态系统能力和更大的产能。当然，最后一个领域不会带来立竿见影的效果，但它可能是长期战略的重要组成部分。我们已经量化了不同规模晶圆厂的相关成本，以帮助半导体公司确定产能扩张是否适合他们。

技术领先

在所有产品领域，半导体公司都在努力创新，因为更快、更强大的芯片和领先的设备有助于在所有价值链领域创造更大的销售额。拥有最独特技术和产品的公司有可能成为全球冠军。在一项跨行业分析中，半导体行业的R&D支出仅次于制药和生物技术（以销售额的百分比计算）。当研究行业冠军时，发现他们通常通过将以下策略整合到他们的R&D计划中来取得成功。

专注于尖端芯片和制造这些芯片所需的机器。对于半导体制造商来说，制造更小的节点尺寸一直是成功的途径。几十年来，随着半导体公司不断缩小技术节点的规模，芯片上的晶体管数量每两年翻一番——这是摩尔定律预测的速度。然而，近年来，翻倍的速度已经放缓，因为随着行业接近单个芯片上可以包含的晶体管数量的物理极限，技术挑战不断增加。尽管如此，一些公司仍将试图推动这项技术，因为到2025年，最小节点芯片(7纳米及以下)的平均需求增长将比供应增长高出4个百分点。

节点尺寸的重要性因设备细分市场而异，对尖端芯片的需求在某些类别中将比其他类别增长更多。由于客户期望计算密集型应用的高性能，在最小可用技术节点上设计芯片的半导体公司可能在这些领域具有明显的优势。在其他领域，较大的节点通常是合适的，因为客户对当前的芯片性能感到满意，或者需要特定的功能，如快速切换，并且认为转移到较小的节点尺寸没有什么优势。

设备制造商可以通过创造实现前沿创新所需的机器来获取增长。此外，他们可以创造出包括先进技术的设备，以优化过程控制和提高产量。

对特定成熟节点（40到65 nm）的需求也高于平均水平，因为它们用于汽车和其他关键产品。然而，从历史上看，它们的利润率往往较低，因此有时很难支持扩展成熟节点容量的业务案例。如果建造新的晶圆厂，高昂的前期成本将意味着，公司最初从这些晶圆厂获得的利润将低于资产折旧后的现有晶圆厂。为了确保长期稳定的回报，厂家可以努力从客户那里获得硬承诺，以确保新的晶圆厂一上线就有较高的利用率。

通过“超越摩尔”实现差异化，除了缩小结构尺寸外，一些半导体公司正在追求“超越摩尔”的创新，以使其产品与众不同。例如，一些公司正在开发基于硅以外材料的半导体。碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等化合物半导体材料特别适合于需要高功率和高频率的应用，因为它们限制了能量损失，并允许产生较小的形状因子。

提高可持续性和电气化推动了SiC和GaN功率器件的采用，预计这两类器件的复合年增长率（CAGR）将远远超过整个功率半导体市场预计的5%的增长率。在基本情况下，SiC器件的年市场增长率预计为23%，GaN功率器件的年市场增长率预计为40%。

设备制造商可以通过推出专门加工SiC或GaN的机器来促进创新并抓住新的机遇。鉴于对这些机器的需求将低于对主流前沿设备的需求，制造商应仔细审查开发这些最初利基产品的商业案例。代工厂可以为更广泛的无晶圆厂半导体厂商提供基于SiC和GaN的创新技术。

对创新功能的关注在高增长细分市场(如物联网)中可能尤其有价值，因为这有助于将产品与竞争对手区分开来(例如，通过优化几种射频应用中所需的快速切换)。几个IDM和代工厂已经在成熟的节点中开发这样的产品。

半导体元件的先进封装。这些技术在操作过程中提供了更好的管理，允许公司将半导体元件放置得更近。由于连接点数量更多，这些芯片提供了更高的数据传输率和更好的性能。此外，先进的封装允许半导体公司将成熟和领先的芯片结合在一个集成系统中，用于需要这两种类型的应用，从而降低成本。这种趋势被称为异构集成，使公司能够组合多个较小的芯片，而不是制造一个大芯片。较大的芯片通常具有较低的成品率，其下降通常与芯片尺寸成比例，因此异构集成可能带来巨大的成本优势。

2020年，先进封装市场的价值为200亿美元，预计到2026年，这一数字将增至450亿美元，届时将占封装收入的50%左右。尽管领先的IDM和铸造厂正在推动封装创新，但先进的技术也为价值链上的其他参与者创造了机会，因为它们刺激了对新材料和新设备的需求。

专业应用。专用集成芯片(ASIC)将明确定义的算法和功能集成到其芯片设计中，并为特定目的定制，如用于人工智能和云计算。这一领域最近发展迅速，可能会为更多的参与者提供一个良好的机会。希望专注于开发专用半导体的小公司仍会发现自己的产品需求旺盛，即使它们的客户群相对较小。

ASIC的客户群包括许多不同的公司，如汽车OEM和Hyperscaler，他们的需求会有所不同。一些客户可能会决定在内部设计自己的ASIC，以改进定制，使其产品与众不同，并缩短交付周期。然后，他们将直接与铸造厂合作，以满足其制造需求。其他参与者，通常是较小的参与者，更喜欢有一个ASIC合作伙伴，负责从设计到最终产品的所有步骤，因为这需要许多专业能力。

大胆的长期研发投资

半导体行业的R&D周期可能非常长，有时会超过十年，公司通常看不到立竿见影的回报。从历史上看，一些政府曾资助此类工作，因为大多数上市公司并不总是对这种长期投资感兴趣。

尽管许多投资者可能对长期提供资金持怀疑态度，但半导体公司已经证明，大胆的长期投资最终会带来丰厚的回报。例如，ASML花了17年时间和大约70亿美元开发其极紫外光刻技术，包括批量生产该技术的能力。长期的R&D是值得的，因为该工具现在是ASML的主要收入来源。同样，Arm花了六年时间开发了一款64位处理器，该处理器现在是该公司收入的重要来源。

其他大量投资于长期R&D项目的公司可能有助于促进技术飞跃——通常远不止减少节点——这可能有助于改善社会。比如，量子计算专用芯片的创造可以改善制药开发、可持续性计划和其他跨行业计划。在大多数情况下，半导体公司专注于在他们已经强大的领域增加投资，而不是进入新的领域来进一步扩大他们的技术优势。

在动荡的世界中增强弹性

像其他企业一样，半导体公司和其他行业利益相关者仍在试图制定新的战略，以管理新冠疫情危机带来的巨大破坏，包括供应链问题和需求变化。有一点是明确的:疫情大流行后的世界可能会变得更加动荡，这将要求企业具有更强的弹性。

在本地供需严重不匹配的市场，半导体公司可以考虑将更多产能用于最迫切需要的节点，以提供一些短期缓解。例如，欧洲终端客户在很大程度上需要节点大于28纳米的半导体用于汽车和工业应用，而美国客户对节点小于7纳米的半导体有更高的需求。额外的产能可能最适合满足这种需求。除了有助于当地市场，这些举措将增加供应链的弹性，减少市场间的依赖。

半导体公司还可以通过提高灵活性和响应能力来帮助缩短交付周期，例如扩大供应商基础、加强定价策略、改善客户的芯片分配、与行业组织合作探索芯片短缺的解决方案，以及邀请客户共同投资定制芯片的开发。

当前的经济形势要求增加灵活性。虽然现在对半导体的需求强劲，但主要市场的低迷可能需要新的策略来最小化资本支出和最大化收入。例如，半导体公司可能会考虑修改其首付政策，并向客户收取专用容量的预付款，或者他们可能会要求客户提前18个月以上提供有约束力的需求预测。

强大的人才渠道

随着半导体对产品差异化变得越来越重要，一些电子公司、汽车OEM和超大规模计算正在将芯片设计转移到内部，以增加定制和消除瓶颈。这些举措使得本已稀缺的半导体人才竞争比以往更加激烈。同时，随着半导体功能的扩展，芯片设计变得越来越复杂，这需要更多的劳动力。五纳米节点的劳动力增加尤其多，这是最难设计的，需要最多的劳动力。

随着竞争的加剧，半导体公司明智的做法是加大招聘人才的力度，包括拥有工艺技术和运营管理专业知识的员工。但首先，他们必须解决形象问题。在最近的一项员工调查中，半导体行业在工作场所吸引力的多个维度上排名低于科技和汽车行业，包括工作生活平衡、职业机会以及多样性和包容性。

随着半导体公司加大招聘力度，它们可能需要打造自己的品牌。通常情况下，半导体产品比终端产品受到的关注少，未来的员工可能对该行业中许多强大的创新型公司知之甚少。公司可能还需要评估薪酬、学习和发展机会，以确保他们与其他行业的企业处于同等水平。

劳动力短缺的一个可能解决方案是与学术机构建立伙伴关系，特别是在人才非常短缺的市场。如果半导体公司考虑支持学习项目，并可能提供课程指导，毕业生更有可能拥有在该行业工作所需的技能。

改善半导体生态系统内的协作

芯片设计越来越复杂，加上价值链的转移和人才竞争的加剧，增加了半导体行业生态系统建设的重要性。与客户的合作已经变得越来越普遍。例如，许多希望提高设计能力的汽车原始设备制造商现在正在与半导体公司合作，特别是在开发特定应用解决方案方面，如自动驾驶汽车。

在另一种类型的合作中，公司可以创建生态系统，其中参与者开发许多客户可以利用的知识产权（IP）模块。例如，Arm开发了一种处理器体系结构，其他人可能会对其进行许可。这一策略降低了所有相关方的成本。一些公司还与学术机构建立了强大的知识产权合作伙伴关系。

主要的半导体公司也有联合开发和调整其技术模块的悠久历史，从而减少了组织创造不适合价值链的技术的机会。同样，行业协会可以在为长期技术路线图提供指导方面发挥重要作用，专门的半导体研究机构，如比利时的Imec，可以在竞争前研究期间召集参与者进行合作。

除了合作伙伴关系之外，半导体公司可能还想实施一项计划性的并购战略，即在行业整合的过程中，围绕一个特定的主题，对小型收购采取一系列方法。如果他们这样做，他们可能会受益于专注于收购，这将使他们能够进入相邻领域，打开重要市场，或增加对未来增长和扩大其技术领先地位至关重要的能力。然而，目前目标公司的稀缺性要求潜在收购方迅速调查和执行合并。

与其他生态系统成员的合作也可以采取更加非正式的形式。如果多家半导体公司同意建设或扩大设计和制造中心，它们可能更容易吸引人才，并可能获得其他好处，如合作开发知识产权的能力。

更大的产能

对于一些半导体公司来说，产能扩张可能会带来好处。但是考虑到建设和设备所需的巨额资金，公司领导在推进之前必须仔细考虑工厂的生产能力。当以每12英寸掩模层为指数时，操作和构造成本随着产能的增加而下降。例如，对于具有每周25万LSPW能力的晶圆厂，建设和运营成本都在30亿美元左右。对于产能为40万LSPW的晶圆厂，建设成本降至20亿至30亿美元，之后趋于平稳。对于产能约为575000 LSPW的晶圆厂来说，运营成本达到了一个平台。

我们的分析表明，产能至少为60万LSPW的晶圆厂会产生最佳的成本状况。这相当于每周12，000到20，000个晶圆开始，具体取决于产品。生产的芯片类型将显著影响成本，随着节点尺寸的缩小，成本将呈指数增长。建立一个产能至少为600，000 LSPW的40纳米制造厂可能需要约50亿美元，其中约80%的投资用于设备支出。但是生产最小节点尺寸的尖端晶圆厂可能要花费100亿美元甚至更多。

半导体公司或许可以通过在已经有类似企业集群的地区建造晶圆厂来获得一些成本优势，因为这可能有助于确保足够的人才和资源(如土地、能源和水)。在另一个节省成本的举措中，玩家可以尝试改善工具连接和升级，以更快地收回投资成本。他们的努力可能包括与设备制造商建立伙伴关系，应用先进的分析技术来提高产量。例如，先进的组合学习使建模成为可能，有可能在整个制造周期中取代物理测试的一些元素，从而降低成本和缩短上市时间。例如，公司可以使用数据从物理计量转换到虚拟计量。

在芯片需求超过当地供应的市场，一些政府官员也在考虑提高当地前端制造能力的策略，特别是在供应链中断加剧和地缘政治问题使贸易变得复杂的情况下。在某些情况下，他们可能会补贴晶圆厂建设，研究表明，这可以帮助公司更快地收回投资。但许多政府官员可能没有意识到他们在试图赶上领先市场时将面临的所有挑战。

由于半导体价值链如此复杂和专业化，在可预见的未来，该行业可能仍将是一个高度相互依赖的全球网络。由于没有哪个市场的公司具备整个端到端价值链所需的所有能力，因此每个公司都应该专注于加强自己在领先领域的地位。

结论

虽然半导体隐藏在设备当中，但在每个人的生活中扮演着比以往任何时候都更重要的角色，如从小学生到疗养院的病人的需求。目前的半导体短缺突出了这一事实，并使该行业对运行良好的半导体供应链的依赖非常明显。一些最令人兴奋的趋势，包括与自动驾驶、车辆电气化和人工智能相关的趋势，依赖于半导体技术的不断创新和稳定的芯片供应。我们相信，如果利益相关者现在做好准备，抓住未来的机遇，这些趋势将使未来十年成为“半导体黄金十年”。

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