【消费电子实验室-2022/12/12】11月17日，美国半导体协会（SIA）发布年度报告，研究了美国半导体行业当前的发展现状以及面临的重大挑战。报告指出，2022年全球半导体出货量有望突破历史最高记录，美国半导体公司继续将大约五分之一的年收入投资于研发活动——2021年达到创纪录的502亿美元，美国颁布了具有里程碑意义的《芯片与科学法案》。

但是，美国半导体行业仍然面临重大挑战，如：全球半导体销售增长在今年下半年大幅放缓、中美紧张关系继续影响全球供应链、美国其他重大政策挑战如制定政策保持美国在半导体设计方面的领先地位等依然存在。

为了应对新冠疫情、全球半导体供应链中断和地缘政治紧张局势等挑战，拜登总统于2022年8月9日签署《芯片和科学法案》，提供了关键的半导体制造激励措施和研发投资。《芯片与科学法案》吸引了美国政府和商界领袖的注意力，促成了建设晶圆厂和其他设施的新承诺。《芯片与科学法案》将通过创造就业机会和经济投资改变国家的未来。

芯片激励计划。《芯片和科学法案》的基石是一项390亿美元的制造业激励计划，由美国商务部管理，旨在通过一系列广泛技术投资来振兴美国芯片制造生态系统，支持范围从大型先进晶圆厂到研发项目，技术涉及成熟和先进芯片、新技术和专用技术、制造设备和供应材料。《芯片与科学法案》还为先进制造业设立了25%的投资税收抵免，由美国财政部实施，作为制造业激励计划的补充，以共同缩小美国投资和海外投资之间的成本差距。

芯片研发项目。《芯片与科学法案》将投资130亿美元用于半导体研发，设立了国家半导体技术中心、国家先进封装制造计划、美国制造业研究所、芯片国防基金、计量研发等项目。这些项目旨在完善半导体创新生态，促进政府、产业界、学术界和其他利益相关方之间的合作，为长期创新提供了资金，并有助于培养半导体行业未来创新所需的科学家和工程师。

《芯片法案》已产生的影响。自2020年6月《芯片法案》最初出台以来，半导体企业已宣布了数十个项目，以提高美国的制造能力，扩大国内半导体价值链。随着《芯片法案》的全面实施，预计未来几年还会有更多的项目。目前已公告了46个新的半导体生态系统项目，美国公司研发投资总额超过1800亿美元，将创造超过20万的就业岗位，包括在12个州新建的15个晶圆厂和扩建的9个晶圆厂以及在半导体材料、化学品、气体、晶圆等方面的大量投资。

为了充分实现《芯片与科学法案》的承诺和机会，美国必须拥有一支强大的半导体劳动力队伍。《芯片法案》包括了劳动力发展措施（作为制造业激励计划和研发项目的一部分），以及美国国家科学基金会设立的2亿美元劳动力和教育基金。这些项目对于确保半导体行业拥有熟练的劳动力以满足短期和长期的广泛需求至关重要。

为了强化半导体劳动力队伍，美国需要提供额外的K-12 STEM教育资金，鼓励美国年轻人选择STEM相关职业。这需要政府、产业界、教育界和其他利益相关方共同努力，在课程开发、扩大学徒制、增加职业和社区学院半导体项目、提高高等教育研究奖学金资助和人才项目等方面做出贡献。

为了提升竞争力，美国必须获得来自世界各地的最优秀、最聪明的人才。美国还应该增加获得国际STEM人才的机会，特别是从美国高校获得STEM学位的外国研究生。在美国大学获得高等学位的STEM毕业生中，有三分之二是外国人，美国需要留住这些人才，而不是迫使他们归国。改善STEM硕博士的绿卡发放限制将对美国半导体行业产生革命性影响。国会应该采取行动，永久性地改革和改善现有移民制度，为半导体行业持续创新和发展引进和留住国际人才。

虽然《芯片与科学法案》为解决美国制造供应链中的关键缺口和脆弱性提供了重要激励措施，但也必须对芯片设计采取直接措施来保持美国在该领域的领导地位。

芯片设计是制造过程的第一步，芯片设计的创新对半导体技术的未来发展至关重要。美国半导体公司在全球芯片设计行业处于领先地位，美国在全球设计劳动力中所占份额最大：2021年，全球约有18.7万名半导体设计工程师，其中9.4万名服务于总部位于美国的半导体公司。

但是，美国持续保持半导体设计领导地位尚存在不确定性。除了设计成本不断上升、技能人才短缺以及全球市场准入压力日益增大之外，国际竞争愈发激烈。国际竞争对手认识到芯片设计的战略重要性，正在大力投资建设其国内半导体设计能力。中国大陆地区、韩国、中国台湾地区、欧盟、日本和印度已承诺新增数十亿美元的芯片设计投资，包括提供高达50%的芯片设计投资税收抵免。如果不采取行动确保美国在设计和研发方面的竞争力，美国在全球销售收入中的市场份额预计将从2021年的46%下降到2030年的36%（见图1），而同期中国大陆地区的市场份额预计将从9%飙升到23%。

为保持美国在半导体设计方面的领导地位，SIA敦促国会采取全面、综合的战略，具体行动包括：（1）对先进半导体设计提供25%的投资税收抵免，与《芯片法案》中包含的制造抵免相当；（2）高技能移民改革，确保获得顶尖科学和工程人才；（3）在减税政策方面，恢复研发支出的全额扣除。

图1 主要国家/地区半导体设计市场份额分布（按公司总部所在地）

半导体对许多相关领域的新兴技术都有重大影响，如人工智能、高性能计算、自主系统和机器人。

半导体也在驱动一些可能不那么直接的领域，如生命科学。半导体创新可以在许多方面帮助解锁新的生命科学技术。例如，提供生物和制药模拟的强大计算资源，帮助大幅降低和缩短药物开发的成本和时间线。现代医疗设备是另一类依赖先进半导体的生命科学技术，包括用于健康监测的可穿戴传感器、医疗机器人、用于高分辨率超声的先进成像技术、脑机接口技术和用于创伤干预的植入式设备。这些技术可能依赖先进半导体来协助数据收集和处理，以获得可操作的反馈，或帮助在体内导航以进行精准治疗。考虑到与芯片-生物接口相关的挑战，这类设备通常有独特的封装需求，仍然需要大量的材料和封装方面的研究来设计制造高性能医疗设备，以减少炎症反应和设备污染。

全球芯片短缺及产业应对。虽然芯片短缺和新冠疫情影响在2022年开始缓解，但预计未来十年，半导体需求将持续增长。全球半导体行业正计划通过创纪录的制造和研发投资来满足这一预期的市场增长。从2020年到2022年底，全球晶圆厂产能预计将增长30%，并在2023年增长更高。2022年，全球半导体行业资本支出继续加大、超过1660亿美元，以满足芯片的长期需求。

全球半导体市场持续增长。在过去30年里，半导体行业经历了快速增长，并产生了巨大的经济影响。由于新冠疫情导致的需求增加，2021年全球半导体市场增长强劲。继2020年达到4404亿美元销售额后，2021年全球半导体销售额增长26.2%、达到5559亿美元。世界半导体贸易统计（WSTS）等半导体销售分析机构预计，全球半导体行业销售额将在2022年显著增加到6180-6330亿美元。

未来十年，半导体领域的持续创新将催生一系列变革性技术，包括人工智能、自动驾驶和物联网。事实上，半导体需求的长期增长动力已经稳定。半导体及其服务市场已形成真正的共生关系，正如半导体创新有助于进一步刺激市场需求，并打开全新市场。

半导体终端应用驱动因素反映了新冠疫情需求冲击下的变化。2021年，几乎所有类别的半导体终端应用销售都出现了显著增长。随着越来越多的工作方式转移为远程工作和在线教育，电脑等终端应用类别的销售额出现了显著增长。其他市场，如汽车市场全年经历了大幅增长，最终成为半导体的第三大终端应用市场，见图2。如前所述，2021年全球芯片销售额达到5559亿美元，销量为1.15万亿，其中增长最快的是能够承受高温和其它物理挑战的汽车级芯片。

图2 2021年终端需求市场分布

自上世纪90年代以来，美国半导体行业一直是全球芯片销售市场的领头羊，每年占全球市场近50%的份额。此外，美国半导体公司在研发、设计和制造工艺技术方面保持着领先地位或高竞争力。

美国半导体公司在商业模式和半导体制造设备方面处于市场领先地位，但在一些细分领域，美国半导体行业落后于亚洲竞争对手。

总的来说，美国半导体行业在研发最密集的领域保持着领先地位：EDA和IP核、芯片设计和制造设备。然而，前端和后端制造工艺主要集中在亚洲，包括7纳米尖端芯片晶圆制造、组装、测试和封装在内的全球75%的产能集中在亚洲。另外，美国在逻辑器件、分立器件、模拟器件和光电半导体等细分产品方面仍然处于领先地位，而在存储器方面落后于其他国家或地区。这些脆弱性强调了《芯片法案》投资的必要性，该法案为支持更多的本土制造提供了必要的激励措施。

美国半导体行业的研发支出一直很高，反映了美国半导体市场份额的领先地位和持续创新之间的内在联系。

从2000年到2020年，美国半导体行业的研发支出以大约7.2%的复合年增长率增长。2021年，美国半导体行业的研发投资总额为502亿美元。

美国半导体行业的研发占比（研发支出占销售额的百分比）仅次于制药和生物技术行业，位列第三。尽管全球竞争对手都在增加研发投资，以期与美国半导体行业竞争，但美国公司的研发占比高于其他任何国家的半导体行业。

图3 美国各行业研发占比（研发支出占销售额的百分比）及主要国家/地区半导体行业研发占比

具有竞争力的本土劳动力对美国确保半导体领先地位至关重要。此外，强大的本土半导体制造业对增强美国经济至关重要。

在美国49个州，近27.7万人从事半导体行业的设计、制造、测试和研发工作。2021年，美国半导体行业总共为美国提供了184万个就业岗位，包括超过25万个直接就业岗位、近160万个间接就业岗位，为美国创造了1651亿美元的收入。

2021年，美国半导体制造商约46%的前端晶圆产能位于本土，这一比例从2013年的57%持续下降。而美国半导体制造商的其他产能主要位于新加坡、中国台湾地区、欧洲和日本。

过去十年，美国本土之外的芯片制造产能平均增速是美国的五倍，这主要因为各国为吸引半导体制造商而实施的强有力的激励措施。《芯片法案》有望扭转这一长期下滑趋势，使美国在全球半导体制造业增长中获得更高的市场份额。

为了确保美国在全球半导体行业继续保持领导地位，美国必须提升竞争力和创新力。

1. 投资美国半导体领导力：（1）高效、及时、透明地执行《芯片和科学法案》中的政策和计划。（2）在《芯片法案》中为先进制造投资信贷制定法规，以涵盖半导体生态系统的全部创新环节。（3）采取促进创新和竞争力的政策，如制定半导体设计投资税收抵免，并加强研发税收抵免。（4）投资《芯片和科学法案》支持的研究和科学项目，保持美国的技术领先地位。

2. 增强美国的技术劳动力：（1）实施一项国家战略，以适当的投资为后盾，与教育行业和私营部门合作，共同改善美国教育系统，增加STEM人才。（2）改革美国移民政策，吸引并留住世界上最优秀的人才。（3）提供资金保障，强化各层次半导体人才队伍、并确保稳定支持各级教育和技能培训。

3. 促进自由贸易和保护知识产权：（1）批准和改善自由贸易协定，以消除市场壁垒，保护知识产权，促进公平竞争。（2）扩大信息技术协议。

4. 与志同道合的经济体紧密合作：与盟友调整政策和法规，以加强国家安全，促进经济增长、技术创新以及提高供应链弹性。