美国5G供应链与中美安全竞争

【学术plus2021新春大礼包】|2019学术大礼包丨加入学术plus丨2018学术大礼包丨2017不可以错过的重磅报告们

5G供应链是中美安全竞争的关键决斗场之一，中美5G供应链竞争是一场经济竞争、技术竞争与安全竞争。本文根据5G供应链中的基础设施提供商、微芯片设计师、微芯片代工厂、移动电话设备提供商、操作系统提供商的供应链流程环节与主要组成部分，分析了5G供应链中各领域的领先公司、中美两国在该供应链中各自的优势和劣势以及二者的依赖与互补性。

《保护5G：美中安全竞争的前进方向》编译：学术plus观察员   Teresa，文文子来源：美国兰德公司，2022年本文主要内容及关键词

1.5G基础设施提供商：5G核心网安全的关键因素（软件+基站）；5G基础设置安全问题（供应商可信度+国外芯片与软件）

2.5G微芯片设计公司：5G微芯片设计全球市场概况（高价值芯片竞争激烈，苹果等制造商将芯片设计业务纳入公司）

3.5G微芯片代工厂及国家政策：全球代工厂概况（台积电/三星/联华电子/格罗方德/中芯/英特尔）；美国微芯片政策（国防部可信代工计划，特朗普政府，拜登政府）

4.移动电话提供商和操作系统提供商：苹果公司5G供应链分析；华为等中国公司5G供应链情况

5.评析：美国虽然掌握芯片设计的关键技术，但芯片制造方面处于最弱势地位，且将面临5G供应链环节的脆弱性加剧的问题。为此，拜登政府制定《2022年美国竞争法案》，并提议资助美国国内新建芯片制造厂，后续进展值得进一步关注。

内容主要整理自外文网站相关资料

仅供学习参考，欢迎交流指正！

文章观点不代表本机构立场

*****

阅读英文原文/完整报告

请点击文末：阅读原文

1.基础设施

5G基础设施提供商

1.1 5G核心网安全的关键因素

基础设施提供商用来建设美国的5G网络、基站、路由器、交换机和服务器的大部分组件都是在海外制造或组装的。从4G向5G过渡的一个重大变化是，许多进入核心网络的硬件组件将不必是专用设备，而可以由云计算服务供应商来提供。5G核心网络独具特色的新部分将是5G基础设施提供提供的软件。5G供应链中，服务器、路由器和交换机并不是5G网络所独具的，所以可以由各种各样的公司来提供硬件。因此，保证5G核心网安全的关键因素是基础设施提供商提供的软件，而不是硬件。

然而，在5G网络或5G RAN的边缘，情况则略有不同。由于5G基站很可能具有边缘计算或边缘云功能，因此5G基站将拥有运行在商品硬件上的软件定义的组件。此外，5G基站将包含独特的5G硬件，用于发送和接收无线信号。每个5G基础设施提供商都会开发和销售自己的5G基站。

1.2 5G基础设置供应商的安全性

5G基础设施供应商主要包括建设和设置由无线运营商运营的5G网络的主承包商。如今，全球主要的5G基础设施提供商均不是美国公司，而是爱立信、诺基亚、三星、华为和中兴。

目前美国没有任何公司可以制造或集成完整的5G网络，而主要从爱立信、诺基亚或三星获取5G网络基础设施，这些公司拥有自己的供应链，为进入基站的关键组件提供支持。为了确保美国网络的安全，并且目前没有证据表明中国的5G基础设施设备在技术上更胜一筹，美国可以继续施行其“只允许美国无线运营商使用中国以外的基础设施提供商”政策。

表：主要蜂窝基础设施供应商及其市场份额估算

来源：Indrayan, 2014; Lewis, 2018; Omdia, 2019; TelecomLead.com, 2016.

注：此表中指的是蜂窝基础设施的供应商，而不是数据网络组件（如互联网路由器和交换机）的供应商。然而，2020年的市场份额数据可能确实包括5G边缘计算节点的供应商。 

1.3 外国芯片和软件的安全性

外国微芯片和软件也可能是意外或有意植入的网络漏洞的来源，这些漏洞可能危及信息与通信技术（ICT）的完整性。而目前约80%的微芯片都在亚洲制造，美国微芯片的供应链也延伸到中国和其他亚洲国家，此外，由于5G网络将成为许多国家(包括美国)关键基础设施的一部分，确保受损的微芯片和软件不被植入美国5G网络将是一个严峻且多方面的挑战。

2.微芯片设计

5G微芯片设计公司

2.1 5G微芯片设计市场概况

5G基站、服务器和手机的制造都离不开微芯片设计公司。目前，5G微芯片设计公司主要集中在美国、欧洲、中国或亚洲其他地区。其中，大多数美国芯片设计公司均采用无晶圆厂(没有代工厂)运作模式，而将微芯片制造工厂设在亚洲地区。

市场竞争最为激烈的是智能手机(包括5G手机)中使用的高价值芯片，这些高价值组件包括应用处理器、调制解调器和射频前端(RFFE)微芯片。如今，越来越多领先的手机制造商，如苹果、华为和三星，已经将手机中使用的应用处理器和调制解调器的设计业务纳入了公司内部。

表：5G微芯片领先的设计公司

2.2 微芯片设计公司竞争激烈

美国高通公司在包括应用处理器和调制解调器在内的许多类型的移动电话部件方面一度占据着市场主导地位。然而，由于华为和三星等手机制造商把芯片开发纳入了公司内部，使得高通一度损失了相当一部分市场份额。

值得注意的是，英特尔并未被纳入该表格，虽然该公司在面向5G RAN第1层和第2层的全球5G标准专利族（SEPs）上投入了大量研发经费。在5G架构开发的早期阶段，英特尔在开发5G调制解调器芯片的竞赛中与华为、中兴和高通展开了竞争。

当苹果和高通之间爆发公平、合理和非歧视（FRAND）纠纷时，英特尔同意为苹果提供4G调制解调器芯片。而后苹果和高通两家公司对簿公堂，并于2019年4月达成和解。作为和解的一部分，苹果同意向高通支付45亿美元的专利使用费。在和解协议宣布数小时后，英特尔决定退出5G调制解调器业务，称在失去苹果这一主要客户后，该公司可能不会盈利。苹果被迫与高通达成和解，主要是因为英特尔无法生产首款支持5G的iPhone手机所需的5G调制解调器芯片。

那么为什么英特尔在2020年无法生产5G调制解调器芯片，而高通、三星和华为都已经开始生产了呢？一个合理的解释是，新的5G调制解调器需要最先进的芯片速度、片上存储器、低功耗，以及适应手机的小波形因数的能力。英特尔退出5G调制解调器竞争可能是因为它无力完成5G微芯片的制造。虽然英特尔最先进的代工厂使用了10纳米加工技术，但该公司在过去十年中一直在完善该技术，延迟了其“计算机微处理器”的推出时间。期间，美国超威半导体公司（AMD）已经引进了台积电制造的性能更佳的新型7纳米加工技术。英特尔难以生产出10纳米芯片，使其无法按时为苹果生产5G调制解调器芯片，并导致最终停止其5G调制解调器项目，并将整个调制解调器部门出售给苹果。

相比之下，高通的第一个5G调制解调器和骁龙处理器于2019年问世；两者都是在台积电的7纳米代工厂制造的。高通在2020年初推出了第二代5G调制解调器和处理器，包括骁龙865移动平台。作为美国的一家无晶圆厂微芯片设计公司，高通依靠台积电最先进的芯片制造能力，已经能够重新获得在5G芯片市场的领先地位。

美国公司虽然在5G芯片设计方面处于市场领先地位，但却必须依赖国外资源来制造芯片。为了保证由美国设计的芯片的可信度，必须选择可信的外国制造商来制造这些芯片。

3.微芯片代工厂

5G微芯片代工厂及国家政策

3.1 代工厂概况

表：全球主要微芯片代工厂概况（资料来源:统计局，2020年）

3.1.1 台积电

市场领先的台积电为苹果、高通、海思、联发科和其他5G芯片设计公司制造芯片。台积电已经成为许多5G公司供应链中关键的一环。苹果、高通、海思和中兴都依靠台积电的7纳米代工厂来生产自己设计的5G芯片。英特尔在2020年退出了5G微芯片的竞争，使得苹果依赖亚洲代工厂生产5G芯片。台积电是第一家在2019年开始全面生产7纳米芯片的公司。就收入而言，也是全球最大的纯芯片制造商。台积电宣布该公司有望在2022年开始用新的5纳米工艺生产微芯片。

3.1.2 三星电子

三星是微芯片制造的领导者之一，其V1半导体生产线是最先使用极紫外(EUV)光刻技术的生产线之一。三星可以使用新的EUV工艺节点生产7纳米芯片，并将很快开始生产6纳米芯片(三星，2020年)。三星曾经为苹果生产手机处理器芯片，但苹果担心三星滥用苹果的知识产权来改进自己的手机设计，于是将这一任务转交给了台积电。苹果和三星多年来一直就知识产权问题进行诉讼。随着时间的推移，苹果已经能够将三星从调制解调器和处理器的手机供应链中移除。然而，苹果可能仍然依赖三星生产一些最先进的显示屏，这需要独特的半导体制造工艺。

3.1.3 联华电子股份有限公司

联华电子是中国台湾的一家公司，最近在中国大陆建立了一家半导体代工厂，该代工厂目前只能制造14纳米芯片。联华电子曾遭到美国联邦调查局起诉。

3.1.4 格罗方德半导体股份有限公司

格罗方德是一家总部位于美国的公司，由阿拉伯联合酋长国的一家控股公司所有。格罗方德是在IBM决定将其领先的美国代工厂出售给外部投资者时成立的。最初的IBM代工厂位于纽约的菲什基尔，一直都是美国国防部“可信代工计划”（Trusted Foundry Program）中最先进的代工厂。格罗方德继续使用这家工厂为美国国防部生产微芯片。格罗方德曾经在微芯片制造方面处于领先地位，在新加坡、美国和德国都有芯片代工厂，但后来退出了开发7纳米节点工艺代工厂的竞争，专注于继续生产12纳米芯片。退出了先进5G微芯片供应链。

3.1.5 中芯国际集成电路制造有限公司

中芯国际可以制造最小14纳米线的芯片，如同台积电一样。

3.1.6 英特尔公司

直到最近，英特尔一直是一家集成器件制造商，英特尔自己设计并制造芯片，也不是合同芯片制造市场的主要参与者。然而，英特尔于2021年年中宣布计划进入合同芯片制造市场。这一战略变化是由新任首席执行官帕特·基尔辛格做出的，以应对英特尔最近的制造困境。如果将英特尔列如上表，按收入计算，它将是第三大微芯片制造商，因为英特尔已经在2021年开始使用拖延已久的10纳米工艺大规模生产芯片。英特尔已经宣布，仍将致力于使用新的7纳米工艺生产芯片，但这种生产能力可能在几年内都难以得到完善；英特尔尚未宣布其首款7纳米芯片何时上市。英特尔宣布，在努力追赶台积电和三星的同时，作为一项临时措施，它将让台积电制造其下一代高性能微处理器，以保持其在这个对英特尔至关重要的市场中的份额。

3.2 美国微芯片政策

三星和台积电在美国5G生态系统中发挥着越来越重要的作用。美国国防部一直关注确保为美国军方提供可信的、未经改动的微芯片。美国国防部一度建立了自己的微芯片代工厂，但很快意识到这种方法过于昂贵。与整个微芯片市场相比，美国国防部需要的微芯片数量很少，而如今建造一个代工厂成本很可能超过100亿美元，出于成本考虑，不足以专为美国国防部建造一个代工厂。于是美国国防部于2005年建立了“可信代工计划”，该计划始于纽约菲什基尔的一家IBM代工厂。然而，据报道，IBM在该代工厂每年都有亏损，并在2014年决定将该代工厂出售给格罗方德。在IBM的帮助下，格罗方德在微芯片制造方面保持或接近最先进水平，直到2018年暂停开发7纳米工艺节点。这实际上是承认了格罗方德不太可能赶上三星和台积电。格罗方德的所有者也没有兴趣资助7纳米工艺继续发展。因此，美国国防部的“可信代工计划”就保持在14纳米。与此同时，在2021年，台积电和三星都拥有了7纳米工艺节点，台积电计划在2022年生产5纳米的微芯片。

特朗普政府认识到，美国的微芯片制造商严重落后于他们在亚洲的竞争对手。2020年，美国政府与台积电达成协议，在亚利桑那州建造一个价值120亿美元的5纳米微芯片代工厂，计划于2024年开工。美国和德克萨斯州也已开始与三星谈判，以扩大其在德克萨斯州的运营，并在德克萨斯州建立一个先进的微芯片代工厂。然而，与三星在美国建立一个新的最先进的制造工厂的最终协议尚未达成。

拜登政府更加重视先进微芯片对美国经济和经济竞争力以及国防部的重要性。在新冠肺炎疫情期间，全球汽车行业经历了微控制器芯片的严重短缺，全球主要汽车制造商不得不暂时关闭生产线。疫情期间的芯片短缺现象正说明依赖外国制造芯片存在风险，这些芯片制造厂可能在某次冲突中遭到关闭、破坏甚至摧毁，或者由于贸易的紧张局势而无法获得芯片。因此，拜登政府提议资助在美国国内建设先进的微芯片制造厂。该计划不仅能够确保美国国防部获得最先进的微芯片，还能够确保美国如超威、亚马逊、苹果、谷歌、微软和英伟达等重要的技术公司获得芯片。

4.终端提供商

移动电话提供商和操作系统提供商

5G架构最重要的一部分就是手机/用户终端（UE）。手机必须体积小、重量轻，同时还能在多个频段提供高容量的数据通信。手机还必须符合全球无线运营商的大范围频率分配。在5G时代，手机将在最宽的频率范围内工作，从所谓的6GHz以下频段（Sub-6GHz）到22GHz及更高的新毫米波频段。这些特点对手机制造商提出了具有挑战性的技术要求。

4.1 手机市场整合

从3G、4G到5G的过渡中，每一次过渡都导致了手机市场的重新整合。曾经的大公司，如诺基亚、黑莓和索尼等，已经不再生产手机或失去了大量的市场份额。尽管发生了相当大的变化，美国公司依然在手机市场发挥着重要的作用。谷歌虽不是硬件市场的大公司，但是为目前在售的大多数智能手机提供了操作系统，谷歌在安卓手机操作系统的主导地位支持了其在数字广告的巨大市场。三星拥有最大的市场份额，并推出了几款5G手机。三星以垂直整合/IDM的模式运作，不仅设计而且生产自己的手机芯片组。

4.2 苹果公司5G供应链分析

2021年，苹果在全球手机市场上销量排名第三，并于2020年10月推出了首款5G手机。苹果的应用处理器是在公司内部设计，并依靠能力一流的微芯片供应商来提供调制解调器、射频前端和音频处理芯片等特定商品（其中调制解调器由英特尔和高通提供）。虽然其供应链供应商可能比三星或华为都少，但利润更高；其芯片制造商都是较小的公司，如思佳讯和威讯联合。

在英特尔退出手机调制解调器业务后，苹果收购了英特尔的调制解调器部门，可能有一天会设计自己的调制解调器。这次收购有助于苹果确保5G调制解调器芯片的持续供应，以防高通出现衰退或收取过高的芯片专利费。因此，苹果也可能很快采取如华为和三星一样更加垂直整合的运营模式，但在芯片制造环节仍需假手他人。

4.3 华为等中国公司5G供应链概况

在被美国列入黑名单之前，华为在手机销售数量方面的市场份额排名全球第二，并在2019年先于苹果推出了第一款5G手机。华为试图成为一家完全整合的5G公司，设计了自己的5G芯片，并拥有设计5G芯片所需的知识产权。然而，华为尚不具备制造自己的5G芯片的能力，必须依赖台积电制造其领先的5G手机所需的最先进的芯片。自从被列入黑名单以来，华为的市场份额明显下降。

除了三星和苹果，表4.3中显示的其余硬件制造商都是中国公司，都依靠包括美国芯片设计商在内的其他供应商提供手机芯片。据日经报道称，高通公司就向除华为以外的许多中国手机制造商提供调制解调器和处理器芯片。

5.评析

5G竞争已经成为中美竞争的重要领域，5G供应链及其组件的安全问题，也愈发得到各国政府的高度重视。尤其疫情期间芯片短缺现象，对各国5G供应链造成了重大冲击。

对美国来说，虽然掌握芯片设计的关键技术，但芯片制造方面处于最弱势地位，完全依赖如台积电等外国公司，更容易受到贸易紧张的直接影响，从而加剧美国5G供应链环节的脆弱性。为此，一方面美国将继续监控5G供应链的关键环节，以确保国外微芯片代工厂的可信度与持续性，另一方面在美国境内建立先进的微芯片代工厂。如此才能确保美国在5G供应链的所有环节微芯片的可靠性。

从中美竞争角度来说，美国拜登政府上台后，加大了对中国在半导体领域的打压，2022年年初，众议院通过了《2022年美国竞争法案》（America Competes Act of 2022）,其中包括对半导体行业的约520亿美元拨款和补贴，以及加强高科技产品供应链的450亿美元。然而，由于美国国会两院分歧，该法案仍未正式获批。据路透社5月6日消息，一名国会工作人员透露，两院达成最终协议或许还需要几个月时间。

此外，拜登政府提议资助在美国国内建设先进的微芯片制造厂。一旦该计划成功获批，不仅能够确保美国国防部获得最先进的微芯片，还能够确保美国如超威、亚马逊、苹果、谷歌、微软和英伟达等重要的技术公司获得芯片，进而影响美国乃至全球半导体芯片格局的变动，值得进一步关注。

（全文完）   

参考链接：

https://www.rand.org/pubs/research_reports/RRA435-4.html

https://www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2021/09/23/readout-of-biden-administration-convening-to-discuss-and-address-semiconductor-supply-chain/

    声明：版权归原作者所有。文章观点不代表本机构立场。图片均来自于网络。

• 《中国电子科学研究院学报》欢迎各位专家、学者赐稿！
• 投稿链接 http://kjpl.cbpt.cnki.net
  
• 邮箱：[e-mail]