美国万字报告：芯片设计很重要！
编者按：近日，SIA发布了一个和BCG合作的报告，强调了芯片设计的重要性，并建议美国补贴以保证他们在这个领域的领先。以下为文章全文。
半导体无处不在，它们为从手机到好奇号和毅力号火星探测器等范围广泛的产品提供动力，其对经济也很重要。2021年，全球半导体销售额总计5560亿美元。其中半导体设计——包括设计物理集成电路和相关软件——占据了大约一半的行业研发投资和增值。
美国公司在半导体设计方面发挥了主导作用，美国因此受益于创新的良性循环，增强了其制定技术标准的能力，加强了国家安全，提供了高质量的就业机会，并为原创创造了竞争优势相邻行业的设备制造商 (OEM)。（参见图表 1。）
然而，近年来，美国在设计相关收入中所占份额开始出现下降迹象，从 2015 年的 50% 以上下降到 2020 年的 46%。其他地区，尤其是韩国和中国，在当地出现了增长他们的设计能力。我们的分析表明，在当前轨迹（即，如果规划者不采取任何行动），随着其他地区在未来增长中占据更大份额，到本十年末美国的份额可能会降至 36%。
如果美国旨在捍卫其在设计领域的领导地位并获得设计领导地位相关的下游利益，它需要解决三个挑战。
挑战一：设计研发投入需求上升。
随着芯片变得越来越复杂，开发成本也在上升，尤其是在前沿制造节点上制造的芯片。今天，美国私营部门在设计研发方面的投资比任何其他地区的私营部门都多，但世界各国政府提供了重要的激励措施来吸引先进设计，而美国面临落后的风向。此外，美国对研发的公共支持相对水平落后于其他地区。在美国，由公共投资资助的半导体特定设计和研发的总份额为 13%，而中国大陆、欧洲、中国台湾、日本和韩国的平均比例为 30%。如果在设计和研发方面与国际同行保持一致——包括对在美国进行的先进设计和研发的税收抵免等直接激励措施——将有助于确保美国的设计相对于其他国家的公平竞争。
挑战二：设计人才供给减少。
尽管当今世界上大多数半导体设计工程师都在美国，但美国半导体设计行业面临着技术工人短缺的问题，并且鉴于科学技术人员数量的趋势，到 2030 年这种短缺有望增加到 23,000 名设计师、技术、工程和数学 (STEM) 毕业生以及离开该行业的经验丰富的工程师人数。公共和私营部门必须共同努力，鼓励更多的美国工人进入设计领域，并鼓励有经验的设计师不要离开这个领域或国家。此外，私营部门必须继续通过开发和部署新工具并优先考虑附加值最高的研发和设计来提高其劳动力的生产力。
挑战三：全球市场的开放准入面临压力。
销售是研发投资的最终资金来源，但关税、出口限制和其他因素威胁着美国半导体企业进入全球市场，隐含地使研发再投资面临风险。长期趋势可能会逆转全球化的某些因素，但确保市场尽可能保持开放将使美国受益，美国从自由贸易中获益匪浅，而限制扩散的损失最大。
未来十年，美国私营部门可能会投资 4000 亿至 5000 亿美元用于与设计相关的活动，包括研发和劳动力发展。但为了在未来十年保持领先地位，美国需要补充公共部门投资，以应对上述主要挑战，以整体加强国内半导体行业。
此外，公共部门投资提供的杠杆作用将是巨大的。我们的分析表明，投资于设计和研发的每一美元公共资金都会吸引私营部门对设计和研发的额外投资，最终产生 18 至 24 美元的设计相关销售额。
因此，到 2030 年，对设计和研发的公共投资约为 200 亿至 300 亿美元（包括 150 亿至 200 亿美元的设计税收优惠），这将在十年内产生约 4500 亿美元的设计相关销售额增量，同时支持约 23,000 个设计工作和 130,000 个间接和衍生工作的培训和就业，并巩固美国在半导体设计领域的领导地位。
图1：半导体设计的市场领导地位带来多重优势
半导体设计领导者面临日益严峻的挑战
半导体对于推动经济竞争力、国家安全以及从现代防御能力到自动驾驶汽车等技术的现代世界的运转至关重要。半导体产业具有很高的战略意义，半导体制造越来越成为主要经济体产业政策的重点。然而，在制造半导体或芯片之前，必须对其进行设计，本报告重点介绍半导体设计。
我们首先阐述什么是半导体设计及其重要性，然后讨论美国在该领域的历史以及设计领导地位带来的好处。尽管其价值很高，但在设计方面的领先地位并非不可避免，如今美国要保持其市场领先地位面临三大挑战：与半导体设计相关的难度和研发强度不断增加；国内人才短缺；以及对全球市场准入的威胁，这使得对设计的持续再投资成为可能。我们估计了人才短缺对美国设计领导地位的影响，以及如果美国选择维持半导体设计领导地位，可能采取的潜在政策可能带来的好处和回报。
一、设计是半导体价值链的关键部分
在建造房屋时，建筑师和建筑工程师共同设计高层次布局。这些专业人士决定我在哪里放置房间和窗户，以创造一个满足客户需求的空间。建筑师和建筑工程师必须考虑一系列权衡——例如，居住空间和存储空间之间的权衡——并详细设计框架、管道、电气和其他使住宅宜居的考虑因素。所有这些准备工作必须在实际施工开始之前完成。
同样，在制造半导体之前，必须对其进行设计。正如家庭设计中需要权衡——例如，在开放性和隐私性之间——芯片设计需要在性能和能效、通用指令的处理和高度专业化指令的处理以及数字数据输入等理想目标之间进行权衡和真实世界模拟数据的输入。
正如设计独户住宅的专业知识并不能让建筑师具备设计摩天大楼的资格一样，为不同应用设计芯片所需的技能在许多情况下也是不可替代的。（参见附录中的“关键半导体设计技术”。）此外，芯片设计可能是一项艰巨的任务，需要大型团队——有时包括数百名高技能设计工程师，每个人都有不同的专长——在设计之前通力协作多年完成并准备生产。从历史上看，美国在半导体设计方面一直处于世界领先地位。（参见图表 2。）
精心设计的芯片使汽车能够安全运行，先进的医疗设备能够保护或挽救生命，军用雷达系统能够检测危险。半导体设计帮助几乎所有经济部门，从农业到制造业，都变得更加有效和高效。半导体设计在人工智能 (AI) 等新创新中也发挥着关键作用，这些创新正在改变整个技术和经济领域。
当半导体设计得到改进时，所有使用半导体的应用程序也会受益。相反，当半导体设计停滞不前时，所有相关应用也会受到影响。此外，设计创新是未来半导体改进的基础。随着物理扩展难度不断增加，与设计相关的创新（例如新架构和异构集成）将变得越来越重要。异构集成将允许设计人员为每个芯片的不同元素选择最佳制造技术（例如，碳化硅上的电源管理、28 纳米上的模拟功能以及前沿节点尺寸上的高性能逻辑），从而提高性能，提供以前不可能达到的整体性能水平。
设计是区分一种半导体和指导原始硅晶圆如何成为最先进芯片的关键活动，因此设计需要大量研发投资也就不足为奇了。（见附录“半导体价值链总结”。）事实上，设计的研发强度约为20%，EDA和核心IP的研发强度大于30%，而晶圆的研发强度约为10%制造和设备生产。
图2：美国是半导体设计领域的长期领导者
二、设计很复杂，包括多种不同类型的公司和活动
半导体设计涉及两种类型的活动：硬件设计和软件开发工作。硬件设计是一个多步骤过程，包括产品定义和规范、系统设计、集成电路设计和硅后验证。（参见图表 3。）软件开发需要创建固件——一种绕过（例如）终端设备操作系统的低级软件，如笔记本电脑，直接向芯片提供指令。随着设计变得越来越复杂，它变成了一个越来越迭代的过程——尤其是对于领先的参与者——这个过程是并行发生的，以便更早地发现问题，优化整体系统级性能，并缩短上市时间。
硬件设计人员在设计过程中使用新的和已建立的技术。在推动创新时，设计人员会生成新的专业设计，使特定应用能够利用设计和相关技术的最新进展。设计人员通常会使用现有的、可重复使用的架构构建块（核心 IP）来简化和加速总体设计的创建。在所有情况下，设计人员都使用高度先进的 EDA 软件来实现设计过程的自动化，并确保芯片设计可以在不同的且通常是专有的制造过程中制造。由于单个芯片可以容纳数十亿个晶体管，因此最先进的 EDA 工具对于设计现代半导体是不可或缺的。（见“类型的附录中的半导体设计活动”。）
从事半导体设计的公司种类繁多，但主要分为四类：
无晶圆厂公司（Fabless）。这些公司专注于芯片设计，约占设计相关附加值的一半。他们与第三方商业代工厂合作制造（即晶圆代工厂）他们的芯片。
集成设备制造商(IDM)。IDM 负责设计和制造芯片，约占设计相关附加值的一半。在 IDM 中，设计和制造团队共同努力将新芯片推向市场，通常是在内部制造设施中进行。
原始设备制造商(OEM)。汽车制造商等原始设备制造商也在半导体设计中发挥作用。他们使用半导体作为其他产品的输入。一些OEM厂商已经开始设计自己的芯片，主要是针对自己的产品。例如，云计算供应商可以设计具有特定功能的定制芯片，可以很好地执行特定任务。OEM 越来越多地参与芯片设计，并越来越多地参与无晶圆厂公司和 IDM 满足其需求的相同产品和人才市场。
EDA/IP 供应商。EDA 公司是设计公司和代工厂之间值得信赖的中介，提供设计工具、参考流程和一些服务。美国在 EDA 工具方面的领先地位为美国的半导体设计带来了巨大的好处，因为研究人员可以更多地使用自动化工具，工程师可以使用这些工具并支持使用新设计概念进行实验。第三方 IP 提供商设计和许可 IP 构建块（处理器、库、存储器、接口、传感器和安全性）。
除了这些参与者之外，设计服务公司（可以是第三方供应商或制造商的内部团队）在开发和优化新设计方面发挥着重要作用。特别是，无晶圆厂公司经常与特定晶圆厂的设计服务团队密切合作，以确保其设计与晶圆厂的制造工艺兼容。（请参阅边栏“聚焦无晶圆厂代工生态系统”。）密切合作至关重要，因为扩大新工艺涉及建模和达到目标制造产量的固有不确定性。
图3：半导体硬件设计过程包括四个主要阶段
三、聚焦 Fabless-Foundry 生态系统
在 20 世纪 80 年代中期，大型和垂直集成的 IDM（集成设备制造商）进行了所有的半导体设计和制造。为了抵消制造设备所需的高资本支出，IDM 开始向较小的公司提供未使用的制造能力，以保持其晶圆厂的繁忙。虽然这使得一些具有设计专长的公司能够在不运营自己的晶圆厂的情况下生产芯片，但它仍然是 IDM 业务的一小部分。IDM 通常更愿意拥有他们制造的设计，他们发现很难平衡内部和外部客户的需求。
1987 年，张忠谋博士察觉到机遇，并与台湾政府和飞利浦半导体公司合作，成立了台积电 (TSMC)，这是世界上第一家“纯晶圆代工厂”（专门从事制造，不从事在产品设计中）。台积电向其客户保证，作为一家专业的代工厂，它不会在设计上与他们竞争。
台积电采用低成本定价策略，依靠大批量生产盈利。虽然牺牲了早期的利润，但该公司的制造市场份额迅速增长，使其能够收回大量资本支出并投资于下一代技术节点。台积电是受益于台湾政府通过研发援助、劳动力培训、建立高科技企业园区等方式对半导体行业提供广泛支持的公司之一。
尽管 IDM 模式和晶圆代工模式各有优势，但纯晶圆代工的出现降低了设计公司的进入门槛，彻底改变了行业，导致了无晶圆厂半导体设计公司的出现。没有制造的大量资本支出，无晶圆厂公司可以将他们的专业知识和资源集中在设计创新上，并与专门的代工厂合作进行制造。
由于半导体设计技术不断发展，设计领导者必须利用对设计创新至关重要的新技术和未来技术，包括：
硬件和软件协同设计。随着系统变得越来越复杂，设计人员利用设计技术协同优化 (DTCO：design technology co-optimization) 和系统技术协同优化 (STCO：system technology co-optimization) 等实践来确保某一领域的改进不会对整体系统级性能造成问题。“Shift-left”设计原则允许通过利用虚拟原型设计和数字孪生进行并行软件和硬件开发。
基于人工智能的设计。通过利用基于 AI 的工具，设计人员可以更快、更有效地实现功率、性能和面积目标。强化学习和其他 AI 算法可以自动执行不太重要的设计任务，让工程师可以专注于更高级的任务和决策。
2.5D/3D 设计、Chiplet和异构集成。随着新工艺技术的采用速度放缓，设计工程师一直在转向新的设计、集成和封装技术，以帮助提高性能并降低成本和功耗。异构集成允许更多地使用高度专业化的设计以进一步提高性能。
安全设计。对半导体设计安全性的审查越来越严格，促使设计人员更加重视安全硬件模块，并开发增强的工具、方法和加密。在硬件级别为半导体设计安全性可确保系统按预期运行、防止故障并增强网络安全性。
迄今为止，美国已享受到领先世界半导体设计的好处。
截至 2021 年，46% 的半导体行业收入来自总部位于美国的公司的设计活动，几乎是任何其他单个地区的 2.5 倍。美国在设计领域的市场领导地位在逻辑领域最为明显，占该领域设计相关收入的 64%，但它也扩展到离散、模拟和其他 (DAO) 设备的设计，总部位于美国的公司在这些领域产生37% 的设计相关收入。只有在内存方面，韩国公司创造了所有设计相关收入的 59%，美国没有市场领先地位，如图表 2 所详述。
半导体设计的市场领导地位具有多种优势，包括：
创新的良性循环。设计的领导力支持创新的良性循环。例如，设计领导力使美国的公司能够吸引和培训外国出生的人才。这支劳动力的贡献和创新产生了利润，公司可以将这些利润再投资于研发，以推动劳动力的持续扩张和未来的创新。
制定标准的能力更强。在任何技术领域，标准都支持互操作性，并使公司能够更轻松地跨供应链进行协作。通常，设计领先的公司最先开发出需要标准的产品（例如 Wi-Fi、蓝牙和 5G 无线），这使得他们发挥主导作用，就制定的标准达成共识，并迅速发展一套给定标准的优化设计专业知识。拥有众多领先设计公司的地区将在制定和利用技术标准方面处于相对优势。
更强的安全性。设计领导力在两个方面提供国家安全优势。首先，具有设计领先地位的地区可以使用更先进的系统，提高效率。其次，具有设计领先地位的地区可能面临较低的恶意篡改和供应链拦截风险——例如，通过保护关键设计信息并实现设计 IP 的可追溯性和控制。
扩大高质量就业。设计领导力通过高工资直接支持高质量就业，并通过高就业倍数间接支持高质量就业。例如，2020 年，从事半导体设计的美国工人的平均年收入约为 170,000 美元，而美国的平均年收入约为 56,000美元。
相邻行业原始设备制造商的优势。技术重工业中的原始设备制造商在他们设计的系统中广泛依赖半导体。由于在共享的地理和文化背景下进行协作通常更容易，因此 OEM 可以通过与市场领先的芯片设计师直接合作并采用协同设计和系统级优化等实践来创造竞争优势。
四、芯片设计领先地位给OEM带来的好处
半导体设计的创新领导力在多个行业产生创新，从而支持更广泛的经济增长和市场领导地位。
自动驾驶汽车。半导体设计师和汽车制造商可以创建和共同优化芯片，以更高效地处理来自汽车传感器的数据。定制设计的芯片还可以包括关键的安全功能，例如冗余电源系统，以确保芯片在最具挑战性的环境中安全可靠地运行。
智能手机。通过与 OEM 设备工程师密切合作，芯片设计人员可以优化他们的设计以满足最新智能手机不断变化的系统需求。例如，定制设计的芯片可以提高设备上的人工智能性能、图像处理和能效。通过严格控制系统级的设计权衡，设计人员可以创建具有更多创新功能和卓越整体性能的硬件和软件系统。
云计算。设计人员创建定制芯片以满足特定的云计算需求，从高质量视频流到高效的 COVID-19 基因组分析。此类芯片可帮助数据中心优化性能并降低功耗。这些好处在 2020 年很明显，当时快速的云计算帮助研究人员和科学家快速对 COVID-19 变体的基因组进行测序。
5G 通信。芯片设计师与其他通信公司合作以优化系统性能。例如，芯片设计师与网络运营商合作，为网络运营商的基站和设备制造商的收发器设计定制芯片。通过同时解决这些问题，移动网络运营商可以更有效地优化通信系统并更可靠地实施 5G。
医疗设备。植入式起搏器和神经刺激器等医疗设备可以成为救生员。通过设计定制芯片，医疗设备制造商可以确保必须在具有挑战性的物理环境（例如人体内部）中运行的设备能够以超低功耗、极高的可靠性和最大的诊断实用性运行。
国家安全。导弹系统、飞机、无人机和雷达系统都依赖于半导体。芯片设计领先地位使美国国防工业能够增强现有的和创新新的和卓越的防御系统，这对加强国家安全至关重要。
无法保证设计领导地位
设计领导力在过去已经转移，并且可能会再次转移。事实上，自1990 年以来，从公司收入推断的设计领导力在每十年都发生了显著变化。（参见图表 4。）
如今在设计领域处于领先地位的美国半导体公司并没有坐以待毙。到 2021 年，他们在与设计相关的研发方面估计投入了 400 亿美元。然而，鉴于竞争加剧，美国的增长速度比其他地区慢，并有可能失去市场份额。美国的整体市场份额（以整体芯片销售收入衡量）已经稳步下降，从 2000 年的约 50% 下降到 2020 年的 46%，预计到 2030 年将进一步下跌到 36%。
为了解 2030 年市场份额的可能前景，我们按地理区域对设计工程师的流动进行了建模，假设收入和市场份额由研发投资驱动，而研发投资由设计工程师的可用性驱动。我们发现，美国设计劳动力的增长速度可能略高于每年不到 1% 的替代率。相比之下，中国大陆的设计人员以每年 6% 的速度增长，工程师的相对生产率每年提高 6%。欧洲、日本、韩国和台湾的设计工程劳动力预计将以每年 1% 至 3% 的速度增长。总体而言，预计中国大陆半导体行业的快速增长可能导致市场份额增加 14 个百分点，而美国市场份额可能下降 10 个百分点。
造成美国整体市场份额预计下降的关键因素是海外增长更快，这得益于更有利的投资政策和劳动力增长。这种趋势可能会限制总部位于美国的公司进行再投资的相对能力，从而增加领导地位转移到其他地区的可能性。
一、美国半导体行业面临的三大挑战
如果美国半导体行业想要捍卫其在设计领域的领先地位，就需要解决三个挑战：
挑战1：设计和研发投资需求不断上升。
每一代半导体都需要更多的设计和研发投资，包括新的 EDA 工具、IP 和工艺设计套件，以及半导体设计。一些地区为这些努力提供了比美国更多的公众支持，使美国的芯片设计公司处于不利地位，并导致美国市场领导地位受到侵蚀。
图4 ：设计公司的领导地位是不稳定的，每十年都有新的半导体行业领导者出现
挑战2：设计人才供给减少。
半导体设计需要具有专门知识的工人。美国芯片设计公司与半导体行业内外的其他科技公司争夺它们美国，以及其他地区的芯片设计公司也渴望他们最有才华的国民回归。
挑战3：全球市场的开放准入受到限制压力。
半导体在全球的自由流动市场受到关税等因素的压力和出口限制的影响，准备威胁到美国公司实现规模和利润所需的能力，以资助对成本越来越高的下一代设计和研发的投资。
几十年来，全球半导体设计行业已经实现了重要的创新。无论美国是否采取行动保持总部位于美国的公司的市场领导地位，半导体设计的进步都将继续。
解决这些挑战将增加未来半导体设计创新由总部位于美国的公司领导的可能性。在下文中，我们将详细说明这三点：
挑战一：设计研发投资需求上升
从 2006 年到 2020 年，在最新制造节点上设计新芯片的成本增加了 18 倍以上。（参见图表 6。）这种增加对新芯片设计产生了拖累效应，为新进入者创造了机会和现有的非领先企业追赶并扩大其市场份额。
美国私营部门的回应是不断扩大其在设计和研发方面的投资，但相应的美国公共部门在基础研究和直接税收激励方面的支持落后于其他地区。
基础研究经费
多年来，美国政府对高风险基础研究的资助对于深刻影响日常生活的进步（例如，抗生素、互联网和卫星通信）至关重要。政府通常会资助距离太远、太不确定或太难的研究，以至于单个公司无法将其转化为竞争优势。
尽管近几十年来私营企业大幅增加了研发资金，但美国的公共资金占 GDP 的比例一直保持在 0.03%，尽管其他地区已经扩大了公共投资。
图5：自2000年以来，美国公司的市场份额一直在下降，预计到2030年将下降到36%
图6：每个新技术节点的设计成本都在上升
美国、中国大陆、中国台湾、韩国和欧盟最近都宣布了资助扩大本土半导体能力的计划——其中一部分计划支持设计能力。（参见图表 7。）
这些计划包括支持传统基础研究（例如大学内的竞争前研究）和商业发展（例如对半导体公司的股权投资）。在这两个领域的投资加强了对设计领导力至关重要的人才和创新渠道。
然而，尽管投资有所增加，但公共投资（包括直接公共研发资金、税收优惠和其他近期举措）在美国半导体特定设计和研发资金中的总份额为 13%。相比之下，欧洲、日本、中国大陆、韩国和台湾的公共投资资助的半导体专用设计和研发份额为 30%。（参见图表 8。）
税收优惠
研发税收激励激励私营部门公司增加研发支出。美国在联邦、州和地方计划中提供的平均累计研发税收激励为 9.5%，低于一组比较区域的中值。（参见图表 9。）
在美国，这些政府激励措施通常适用于所有行业，但其他地区也采用了针对半导体行业的激励措施，包括设计激励措施：
韩国最近建立了一个“核心战略技术”轨道，允许对半导体研发给予高达50% 的税收减免。
中国大陆对主要设计公司在第一个盈利年度后免征企业所得税五年，之后减按10%的税率征收。
作为其设计相关激励计划的一部分，印度政府计划通过提供高达合格研发支出的 50% 的激励来扩大对国内半导体设计的支持。
由于人们执行大多数设计活动，因此将这些活动跨境转移比转移物理制造设施等更容易。通过设计激励为与设计相关的研发提供更直接的支持，美国可以通过鼓励美国和非美国公司在美国扩大或建立设计中心来帮助阻止其设计份额的流失。
图7：几个国家的政府资助了当地半导体设计能力的扩展
由公共投资资助的半导体特定研发的估计份额(%)(包括最近宣布的计划的估计)
图8：由公共投资资助的半导体特定设计和研发份额因地区而异
图9：不同地区的研发税收激励率差别很大
挑战2:设计人才的供应正在减少
2021年，全球约18.7万名半导体设计工程师中，总部位于美国的公司雇佣了约9.4万名。其中，约60%位于美国境内，约40%位于国外。(见表10)
尽管总部位于美国的公司无疑将继续利用全球人才库，但大多数公司的设计创新核心联系都存在于国内网站。因此，为了保持设计的领先地位，总部位于美国的公司必须增加他们在美国的员工数量。
为了更好地理解这些动态，我们对设计劳动力采取了自下而上的观点，考虑到劳动力的当前规模、所需的不同技能、人才在全球的当前分布、大学的流入和流出(以退休、行业变化和外国出生的人才从美国离开的形式)。
我们的分析发现，从2021年到2030年，美国大学平均每年将培养和毕业近15.6万名本科或研究生，他们的专业领域原则上可以转化为半导体设计的职业——例如，电子工程(EE)或计算机科学(CS)。在这一数字中，每年约有2%的人进入设计行业，这相当于平均每年约有3300名新雇员。在很大程度上抵消了这一招聘的将是每年约2650名行业级人员的减员(约占设计劳动力的4%)，通过退休(减员的60%)，移民(23%)和职业变化(17%)。(参见附录中的“半导体设计劳动力和市场份额模型”)
图10：全球近三分之一的半导体设计工程师在美国工作
2021年全球顶尖公司的半导体设计工程师的位置估计
因此，美国设计劳动力的净增长将低于每年1%，我们估计，到2030年，美国设计劳动力将增长到约66,000名工程师。然而，随着半导体市场的增长，要保持目前美国46%的市场份额，将需要大约89000名国内设计工程师。约23,000名工程师(占所需劳动力的25%)的缺口将包括约90%的学士或硕士级别工程师和约10%的博士级别工程师。(见附表11)
一些人才缺口可以通过提高生产力来填补，但从更大的角度来看，避免人才严重短缺需要增加科学、技术、工程和数学(STEM)毕业生流入半导体设计领域，并增加现有人才的保留，包括女性和代表性不足的少数族裔。
STEM毕业生
历史上，美国的学院和大学提供了世界上最好的STEM项目。美国拥有世界上大约一半的电子工程和计算机科学顶尖大学项目，这两个学科与半导体设计最相关。通过这些项目，美国在半导体设计教育和培训美国公民和外国公民方面发挥了重要作用。
然而，如今，在美国攻读学位的学生中，只有19%左右的人专注于stem相关领域的研究，而在中国大陆，这一比例为40%，印度为32%，韩国为30%，西欧为23%。此外，美国大学在这些领域的招生在很大程度上依赖于外国学生，他们占美国电子工程和计算机专业所有学生的28%，占电子工程和计算机研究生课程所有学生的65%。(见表12)
其他地区正在扩大对STEM教育的投资，这加剧了参与方面的差距，如下例子所示:
2008年，韩国成立了Meister schools，这是一种专注于半导体行业的新型职业高中，课程根据当地半导体行业需求量身定制，将工业实习纳入学生计划，教员中包括行业专家。
2017年，中国大陆将STEM纳入小学课程。第二年，政府启动了《中国STEM教育2029创新行动计划》，以增加学生接受STEM教育的机会。此外，教育部还在19所大学开设了集成电路博士课程。
2019年，台湾教育部宣布了一项计划，在K-8和9-12学校增加对STEM教育的资助。
日本制定了一项法律要求，要求政府每五年更新一次STEM教育计划，以支持科学、技术和创新。
尽管对教育政策备选方案的全面评估超出了本报告的范围，但我们注意到两种可能的高级别行动方针。首先，美国可以努力增加在相关STEM领域学习的学生数量，包括电子工程和计算机科学。其次，美国可以努力增加选择从事半导体设计职业的电子工程和计算机专业毕业生的数量。
为了增加参与电子工程和计算机科学研究的学生数量，美国可以致力于拓宽公众兴趣和改善机会——例如，通过资助更多的K-12 STEM教育，促进女性和代表性不足的少数民族的更强包容性，为电子工程和计算机科学的大学奖学金提供额外的资金，或为追求半导体设计职业的学生提供贷款减免。(参见SIA对国家STEM战略信息请求的回应。)
为了增加工程设计和计算机科学专业的学生继续从事设计职业的数量，政策制定者可以增加对国内研发的税收激励，从而有效地创造就业信贷;提供与现有国防科学与工程研究生(NDESG)和国家科学基金会(NSF)奖学金类似的设计相关研究奖学金，资助博士研究;或者为进入设计行业的学生提供有针对性的贷款减免。美国还可以采取措施，确保世界上最优秀、最聪明的学生——包括在美国大学接受过培训的其他地区学生——能够随时进入美国设计行业。地区层面的移民配额造成了一批高技能工人的积压，他们想在美国工作，但却无法做到。
这些项目的成本各不相同。然而，假设每个硕士/理学级学生的平均债务负担为2.5万美元，博士级学生的项目总成本为20万美元，如果2022财年的资金水平一直维持到2030年，那么到2030年，填补人才缺口将需要至少10亿美元的直接资金，相当于NSF资金的1.2%。如果美国政府提供资金，大学和雇主的协调行动将至关重要。例如，随着课程规模的扩大，机构需要保持质量，雇主需要积极参与学生的教育和培训。总之，这些努力将提高设计相关职业的知名度和吸引力。
经验丰富的工程师
每年约有2%的设计工程师离开美国的设计队伍。其中约40%的人出国是为了在其他行业寻找机会，而60%的人出国是为了在美国以外的地方找到工作——包括设计行业。私营部门必须对留住每年离开设计队伍但留在美国的工程师承担主要责任。
然而，与此同时，通过鼓励美国以外的半导体设计工程人才流入——例如，通过增加或取消高技能工人永久移民资格的地区配额——公共部门拥有一个巨大的、低成本的机会来增强设计劳动力队伍。留住离开美国的员工，可以将设计劳动力的基线增长率提高大约一倍，并对缩小国内人才缺口做出有意义的贡献。
图11：到2030年，美国半导体设计行业将面临23,000名高技能工人的短缺
图12：美国半导体设计公司严重依赖国际学生，其注册人数正在下降
挑战3:开放进入全球市场面临压力
长期以来，美国设计公司一直受益于开放进入全球市场。(参见限制对华贸易如何终结美国半导体行业的领先地位。)这种接入使设计公司能够与其他地区的专业合作伙伴合作，为最终客户设计更好的半导体全球市场，加上知识产权保护，也为美国设计公司提供了庞大的客户群，他们可以利用这些客户群扩大规模，产生利润，然后再投资于设计和研发。简言之，开放进入全球市场和合作伙伴是创新良性循环的重要组成部分。(见表13)
然而，随着地缘政治紧张局势的加剧，自由和开放的贸易受到关税、出口管制和产业政策等形式的挑战。正如我们在2020年所指出的，“广泛的单边限制……获取美国技术将显著加深和加速美国公司(设计)份额的侵蚀”——从而削弱对研发的再投资。贸易限制对美国乃至全球半导体行业产生了深远的负面影响，损害了所有参与者。
例如，目前美国的出口限制鼓励中国寻找半导体设计的替代来源。(参见侧栏“中国不断增长的半导体设计生态系统”)中国OEM占全球半导体需求的27%(仅次于美国的34%)，是最重要的非美国半导体市场。(见表14)作为美国出口限制的直接结果，非美国OEM正越来越多地转向本土设计的半导体。
如果欧盟、印度、日本、韩国、中国大陆和其他地区越来越多地寻求将半导体价值链的要素本地化，那么全球大型市场就有可能被规模较小的本地巨头企业割据，从而损害所有参与者的利益。
图13：研发是支持美国技术领先地位的创新良性循环的一部分
中国半导体设计生态系统的发展
自2017年以来，中国内地设计行业的增长主要是由中国越来越有竞争力的无晶圆厂设计公司的崛起所推动，目前中国无晶圆厂设计公司占全球无晶圆厂半导体销售额的16%。从2017年到2020年，中国前25家无晶圆厂企业的营收翻了一番，从122亿美元增至244亿美元。从2019年到2020年，中国半导体公司的风险投资增长了366%以上，其中约70%的交易流向了设计公司。
至少在一定程度上，这种加速增长是美国限制中国原始设备制造商进入其市场的结果，导致这些原始设备制造商试图建立有弹性的国内供应链——中国政府的产业政策加强了这一努力。政府的激励措施——包括直接研发投资赠款、增值税退税、资本支出支持和免除企业所得税——鼓励了中国国内半导体生态系统的发展。
意识到它们的重要性，中国政府和中国工业都在加速投资于国外电子设计自动化(EDA)工具、核心知识产权(IP)和制造业的国内替代品。中国国家集成电路产业投资基金已经向EDA和IP公司投资了1.25亿美元。2021年，中国大陆的12家EDA公司融资超过3.1亿美元，较2020年同期增长54%。政府支持的基金还向中国内地最大的代工企业中芯国际(Semiconductor Manufacturing International Corporation)投资了逾20亿美元。
中国企业也在投资于国内芯片设计的弹性。2021年，AI芯片(包括GPU和HPC)公司——过去5年成立的数十家公司——通过92笔交易，通过多个融资轮筹集了45亿美元的总资金。此外，中国企业正在采用和推广RISC-V等开源设计技术，以避免对可能受到出口限制的技术的依赖。
中国的大型整车厂正越来越多地参与芯片设计，以开发美国公司销售的服务器芯片的潜在替代品。例如，阿里巴巴最近宣布开发一种基于先进的RISC机器(ARM)的服务器CPU，可以部署到其数据中心，减少对外国半导体的依赖。
中国前25家无晶圆厂企业的营收翻了一番，从2017年的120亿美元增至2020年的240亿美元
图14：美国和中国的原始设备制造商占全球半导体需求的60%以上
2020年按OEM总部地区划分的全球半导体需求(%)
如果美国渴望保持其在设计领域的领导地位，公共投资和激励措施将有很长的路要走，以催化上升势头
在过去的30年里，美国在半导体设计方面的领先地位为国家的GDP(2020年约为1200亿美元)做出了巨大贡献，创造了高技能工作岗位(2020年约为17.3万)，并提供了一系列其他好处——从更大的关键基础设施安全到为邻近行业的国内OEM提供优势。但美国在设计领域的领导地位及其带来的好处并非不可避免。
无论美国政府或美国公司做什么，半导体行业都会发展，半导体设计将继续在美国和国外发生。
要保持在设计领域的领先地位，美国必须拥有足够的私人和公共投资，以及足够多的劳动力，以维持市场份额，从而实现再投资的良性循环。如果在这些方面不采取行动，从事设计活动的美国公司将在未来十年因市场份额的侵蚀而累计损失4500亿美元的销售额。
作为起点，考虑到目前的趋势，预计在未来十年，私营部门在设计研发方面的总投资额将达到4000亿至5000亿美元。为了补充这一承诺，美国政府将需要增加200亿至300亿美元的税收优惠和对公共研发的直接资助(相当于私人部门投资的4%至6%，或美国当前支持水平与其他地区平均支持水平之间差距的40%至50%)。典型的组合方案将通过设计税收激励，提供大约三分之二(150亿至200亿美元)的公共投资。
解决新出现的劳动力问题需要在两个方面采取行动:对STEM教育进行投资，增加来自美国以外的人才流动，以培训大约2.3万名额外的设计工程师。虽然不同的政策办法将有不同的费用，但到本十年结束填补这一缺口的累计费用可能少至约10亿美元。
通过这项投资，总部位于美国的设计公司将产生约4500亿美元的增量销售额，2.3万个工程领域的直接工作岗位，以及13万个其他领域的间接和诱导工作岗位，并将巩固美国在半导体设计领域的领导地位。(见附录附件15和“半导体研发模式的公共投资回报”)
半导体行业正吸引着政策制定者的浓厚兴趣。随着世界各国政府和企业在半导体领域的大量投资，半导体设计的创新肯定会继续下去。解决本报告中讨论的挑战的公共投资将增加未来设计创新发生在国内的可能性，并有助于保持美国目前享有的设计领先地位。
图15：对半导体设计的公共投资可以增加销售，创造就业机会，并巩固美国在半导体设计方面的领导地位
附录
主要的半导体设计技术
半导体主要有三类(参见《在不确定的时代加强全球半导体价值链》):
逻辑半导体是集成电路，作为计算的基本构建模块或“大脑”。这类逻辑既包括高级逻辑也包括更成熟的逻辑，它们共同包含微处理器、微控制器和其他允许执行计算操作的技术。
内存存储操作所需的指令、算法和数据，并部署在所有集成电路应用中。由于数据存储需求随着物联网、人工智能和边缘计算的进步呈指数级增长，内存容量和带宽正成为关键因素，需要不断创新。
分立、模拟和其他(DAO)半导体传输、接收和转换处理非二进制参数的信息，如温度和电压。分立产品包括二极管和晶体管，它们被设计来执行单一的电气功能。模拟产品将声音等模拟信号转换为数字信号，并支持多种电源管理功能。这类传感器还包括光学和非光学传感器。
在这些类别中，公司通常专门设计特定半导体类型的子集。部分原因是，不同地区控制的收入市场份额因产品细分而异。尽管地区的市场份额集中在先进的处理器，例如，区域市场份额更分散在非光学传感器。(见图表。)
半导体应用可能需要来自以上所述的多个大类的芯片。例如，许多手机的DAO内容(对于手机连接、相机功能和功耗管理等功能至关重要)几乎与逻辑内容(包括随着每一代新手机提供不断增强的计算能力的微处理器)和内存(用于在设备上存储数字内容)一样多。
半导体价值链概述
正如在《在不确定的时代加强全球半导体价值链》一文中所讨论的那样，半导体价值链是复杂和全球化的。价值链中的每一项活动都需要不同水平的研发投资和资金(不包括资金);因此，每个活动负责通过价值链产生的整体价值的不同份额。
竞争前研究
竞争前研究是半导体设计和制造的关键投入，通常是科学和工程领域的基础研究，由来自工业界、大学、政府资助的国家实验室和其他研究机构的科学家组成的全球网络进行。
竞争前研究经常得到政府和大学的支持，与专利研究和开发相反，它的研究成果经常被发表和广泛分享。例如，美国国防部在20世纪80年代末的微波和毫米波集成光栅电路(MMIC)项目对新材料(如砷化镓)进行了研究，以用于军事系统。今天，多家公司将砷化镓基半导体用于其他应用，例如使智能手机与手机发射塔建立无线通信连接。
设计
有关此主题的详细讨论，(参见“设计是半导体价值链的关键部分”)。
电子设计自动化(EDA)与核心IP
半导体芯片设计和生产依赖于电子设计自动化(EDA)软件工具和整个微电子供应链的流程，从最初的架构研究、实现、验证到制造、良率学习、封装和生命周期管理。EDA公司是设计公司和代工厂之间值得信赖的中介。此外，半导体设计者广泛使用现有的知识产权(IP)构建块，用于通用组件，如处理器、标准单元、存储器和特定于过程的模拟混合信号接口块。EDA工具和IP必须启用——也就是说，为特定的代工和流程量身定制。半导体设计实现的三个关键领域是:
美国在逻辑设计(尤其是高级处理器)方面领先，但在光电子和其他传感器方面落后
设计工具。这些工具是为特定的代工、技术节点和过程设计套件(PDK)启用的。一个代工厂可能有十几个或更多的工艺技术或变体。
第三方IP构建块。这些构建块是为与每个代工的特定PDK以及任何低泄漏、无线电频率、极端环境等扩展兼容而定制的。因此，它们是设计师实现其设计的关键起点。
参考平台。这些系统仔细地结合EDA工具和IP来自动化和优化功率、性能和面积(成本)的设计。
制造业
半导体制造包括两套流程：前端晶圆制造；后端封装、组装和测试。先进的设备和材料支持这两套工艺。随着制造工艺的改进，设计师有更大的空间来设计更好的芯片。
前端晶圆制造。高度专业化的半导体制造设施，被称为“晶圆厂”，将芯片设计应用到硅片上。每个晶圆通常包含多个相同设计的芯片。制造过程是复杂的，需要高度专业化的投入和设备。根据产品类型的不同，整个过程将包括400到1400个步骤，可能需要14到20周才能完成。
设计与前端晶圆制造紧密相连。在设计过程中，最初的工作是在一个电子的、基于软件的芯片模型上完成的。然后，晶圆厂提供测试硅来验证电子模型，并为设计的可制造性提供重要的输入。密切的合作是至关重要的：扩大新工艺涉及建模和达到目标制造产量的不确定性。设计工程师和晶圆制造工程师使用PDKs(本质上是制造过程的文档)，共同调试设计特征，并验证制造过程和芯片设计是兼容的。
后端包装、组装和测试。半导体组装公司将硅晶圆转换成成品芯片，再组装成电子设备。硅晶圆被切成独立的芯片，封装，经过严格的测试，然后运往电子设备制造商。
设备和材料
半导体制造使用50多种尖端设备进行前端和后端加工。光刻工具是生产先进芯片的关键，是制造企业最大的资本支出之一。半导体制造也使用多达300种特殊材料。
半导体设计活动的类型
半导体设计活动主要有两种类型:
硬件设计。半导体硬件经过多个步骤的设计过程，包括生产定义和规范、系统设计、集成电路设计和后硅验证。这些步骤在正文的附录3中进行了说明。
软件开发。软件开发包括创建固件，这是一种嵌入在硬件上的软件，可以对操作相机等特定功能提供低级控制。固件可以支持更高级别的软件，如操作系统，它可以与特定的设备交互和控制，或者如果设备足够简单，它可以独立工作。软件开发还可能涉及平台和软件开发工具包(sdk)的创建，其他公司可以使用这些平台和软件开发工具包构建复杂的功能，如人工智能视觉系统。
半导体设计劳动力和市场份额模型
半导体设计劳动力和市场份额模型分析了全球不同地区的半导体设计劳动力：欧洲、印度、日本、中国大陆、韩国、台湾、美国和世界其他地区。该模型还分析了当前美国半导体设计劳动力，以及未来几年将影响其规模的趋势，以预测2030年美国半导体设计劳动力的规模和技能。该模型支持本报告正文附录5和附录11中确定的预测。
该模型评估了半导体设计工人的生产力的当前和预测趋势，考虑了他们的技能、雇主、居住地区和其他因素。该模型还考虑了全球半导体行业的收入增长率，并将这些信息整合到2030年每个地区的收入市场份额中。
对于美国的劳动力，模型考虑的流入趋势包括半导体相关领域的新毕业生、进入半导体行业的比率和移民。它所考虑的外流趋势包括退休、退出该行业以及自愿和非自愿移民。该模型还考虑了半导体设计所需的不同技能，包括但不限于教育水平(例如，博士学位持有者与学士学位持有者)和专业知识的子领域(例如，软软件专家与硬件专家)。
除了基于现有的现状轨迹进行预测外，该模型还使用情景来评估2030年美国半导体设计工程师的供求关系中个别变量变化的影响。
半导体研发模式的公共投资回报
半导体研发的公共投资回报模型分析了在不同情景下公共投资对美国经济的影响。该模型支持了该报告对公共资金投资回报的估计。
该模型基于行业预测和财务数据，分析了到2030年全球和美国半导体行业收入的增长。它考察了美国半导体工业的组成，在美国发生的设计活动的份额，以及在设计和研发方面的预期投资水平，将这些信息与来自学术研究的发现相结合，研究新研发投资对GDP和就业的直接、间接和诱导影响。然后，该模型集成了半导体设计劳动力模型中的分析，以考虑随着时间的推移，美国设计劳动力的规模和技能的变化，以及劳动力变化对公共投资回报的影响。
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