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9月29日消息，本周一，美国半导体行业协会（SIA）发布了其年度行业报告。该报告共27页，从半导体在新冠肺炎疫情中的表现、美国半导体行业在全球的地位、半导体行业对美国国内经济的影响等进行了梳理和分析。根据这份报告，2021年半导体行业资本支出预计将接近1500亿美元，而此前该支出从未超过1150亿美元。由于疫情和新兴技术等因素，2020年全球半导体销售额增长了6.8%，为4404亿美元。近年来，虽然美国占全球芯片制造份额有所下滑，但是美国半导体公司研发占销售额比例超过任何其他国家，是行业的重要创新来源。
在2020年和2021年，缺芯问题引发了全球关注。报告指出，半导体行业一直在努力增加产能，以保障芯片供应。由于市场需求火热，前端晶圆厂的产能利用率普遍超过80%，个别晶圆厂产能利用率甚至高达90%、100%。SIA预计，2021年全球晶圆厂产能利用率将进一步提高。
▲全球晶圆厂产能利用率变化
如今，全球半导体行业正在加大制造和研发投资，以满足未来的市场增长。2021年以来，全球芯片制造商正在投资新的晶圆厂。此外，半导体行业的资本支出（CAPEX）创造了历史纪录。SIA预计，2021年的行业资本支出将接近1500亿美元，2022年则将超过这一数字。而在2021年之前，行业年度资本支出从未超过1150亿美元。当前的芯片短缺提醒了人们芯片对于汽车等行业的重要性，从长远来看这种重要性将会不断加大，全球对芯片的需求也会继续上升。
由于疫情影响和新兴技术的发展，半导体市场增速较快。2019年，全球半导体销售额为4123亿美元，2020年全球半导体销售额增长6.8%至4404亿美元。根据世界半导体贸易统计组织（WSTS）的数据，2021年全球半导体销售额将达到5270亿美元，2022年则可能达到5730亿美元。
▲全球半导体市场变化
受疫情影响，各种终端对芯片的需求也发生了较大变化。根据SIA的数据，2020年半导体销售额涨幅最高的终端产品是电脑，其销售额上涨了21.2%，市场价值达1422亿美元。2020年下降最多的则是政府终端，该业务的半导体销售额降低了11.8%，仅为46亿美元。备受关注的汽车行业则波动较大，最终减少了0.3%。
▲2020年半导体在各终端市场价值
整体看来，2020年全球半导体需求最高的是电脑，该终端占据了32.3%的全球半导体份额；智能手机等通信终端紧随其后，占据了31.2%的份额。消费电子、工业、汽车3大终端分别占据12%、12%和11.4%的半导体份额。如果以地区来看，美国半导体公司的销售额占据了全球接近一半的市场份额，韩国、日本、欧洲、中国等国家和地区企业所占市场份额分别为20%、10%、10%和12%。
▲2020年半导体在各终端份额（左）以及各地区的全球市场份额（右）
具体来说，美国半导体行业在EDA、IP核、芯片设计和半导体设备等环节处于领先地位，而在硅片等原材料、封装、测试等环节处于落后。在芯片制造方面，美国本土缺少10nm以下的逻辑芯片制造能力，在模拟芯片和存储上则处于领先地位。
▲按各供应链环节和地区划分的半导体附加值和份额
值得注意的是，美国在芯片设计方面的优势已成为其保持行业地位的关键。芯片设计属于技术密集环节，其研发占整个半导体行业的65%，附加值则占53%。自90年代以来，采用无晶圆厂模式（Fabless）的公司不断增多。2000年，无晶圆厂企业的销售总额占整个半导体市场的10%不到，2019年这一数字已接近30%。美国无晶圆厂企业销售额占全球无晶圆厂的60%，也拥有全球最多的设计人才，是美国在半导体领域保持领先地位的关键。虽然此前美国政府对半导体投入并不如其他政府，但美国半导体公司的研发支出一直在增长。2000年到2020年期间，其年复合增长率为7.2%。2020年美国半导体产业用于研发的总投资额达440亿美元。
▲美国半导体公司研发投入
就研发支出占行业销售额比例来说，美国半导体行业的研发支出占比仅次于制药和生物技术行业，而且其研发占比高于任何国家的半导体行业。SIA称，这些对研发的高水平投入推动了美国半导体行业的创新，帮助其保持了在全球市场中的领先地位，并在美国各地创造了就业机会。
▲美国行业研发支出排名（左）和半导体研发支出排名（右）
而在芯片制造上，基于先进制程的逻辑芯片制造是美国半导体行业的短板。在存储芯片领域，美国在DRAM和3D NAND闪存方面有着较强的竞争力，美光等公司正在全面迎接EUV光刻技术的到来。此外，美国还在先进封装、化合物半导体和碳化硅等宽禁带半导体制造技术上处于领先地位。
SIA指出，美国半导体行业对其国内经济至关重要。据其统计，美国从事半导体设计、制造、测试和研发的人员超过27.7万，能够影响2600多万美国工人。报告显示，每个半导体岗位都会额外制造5.7个工作岗位。2020年，美国半导体行业就创造了185万个工作岗位。除了创造就业，半导体行业对GDP的影响十分重要。2020年美国半导体行业对GDP的总影响达2464亿美元，还创造了1608亿美元的收入，覆盖范围包括建筑、金融、休闲、酒店等不同领域。在出口方面，2020年美国半导体总出口额达490亿美元，仅排在飞机、成品油和原油之后。
▲美国半导体行业所带动的GDP
值得注意的是，相比2013年，美国半导体制造商逐渐开始更多地将前端晶圆厂产能设在新加坡、中国台湾、欧洲、日本等地区。2013年，约57%的美国半导体制造商晶圆产能位于美国；2020年，这一数字降到了43%。
▲美国半导体制造厂商晶圆厂产能地区占比
过去十年，海外芯片制造产出的平均增长率是美国的五倍。事实上，全球3/4的芯片制造能力集中在东亚地区，中国大陆很可能在2030年占据全球最大的芯片制造份额。这也是美国半导体行业协会呼吁美国出台激励法案的重要原因之一。同时，美国政府对芯片研究投资占GDP的比重基本持平，相比其他国家有所不足，削弱了芯片制造、研究实力。为了改善这一局面、创造高薪岗位，美国两党通过了CHIPS芯片法案，但该法案仍有待美国国会拨款。
▲2019年全球逻辑芯片产能情况
此外，美国国会还考虑制订名为FABS法案的芯片制造法案，该法案将包含半导体投资税收抵免政策，以帮助加强其半导体生态系统。SIA认为通过这些法案，美国芯片制造将会迎来复兴，并确保其在人工智能、量子计算、5G/6G等基于半导体的关键技术上处于领先地位。1、加强投资美国半导体行业，包括制定投资税收抵免政策等，以刺激创新；2、加强美国技术人才实力，改善教育体系，并吸引外国技术人才移民；3、促进自由贸易和知识产权保护，扩大信息技术协定；4、加强和盟友合作，认识到半导体供应链的全球属性，塑造更有利于增长、创新和供应链弹性的监管和法律环境。
对于全球来说，2021年最重要的事情还是抗击新冠肺炎病毒疫情，半导体行业也不例外。SIA称，疫情期间，半导体行业在五大领域发挥了自己的作用，对抗击疫情作出了自己的贡献。半导体是当前许多医疗设备重要的组成部分，能够提供如操作控制、数据处理和存储、无线连接和电源管理等功能。由于半导体能够提供以前非半导体器件的功能，医疗设备的性能有所提升，成本则有所下降，有助于应对疫情和改善整体医疗环境。SIA举了两个具体的例子来验证这一说法。第一个是便携式超声设备，该设备可以检测患者肺部病变等病毒症状，快速识别与新冠病毒相关的急性肺炎特征，而无需等待核酸检测。这种设备之前采用压电晶体作为超声波探头，这使得超声波检测设备的价格一般超过10万美元。通过半导体芯片替代压电晶体，设备成本仅需数千美元，可以更便捷地探测、评估患者身体内部情况。第二个是呼吸机。在疫情期间，呼吸机用于帮助严重肺损伤的患者进行辅助呼吸。呼吸机系统使用半导体传感器和处理器来监测生命信号。传感器用于确定患者每次呼吸的速度、体积和氧气量，并根据患者的需要准确调节氧气水平。处理器控制电机速度，辅助患者进行呼吸。对于许多重新开放的工作场所和公共设施来说，对大量人员进行体温检查十分重要。当前的热像仪或非接触式额头红外温度计是两种常用的方式，这些设备也依靠传感器和模拟芯片等半导体将温度等数据转化为数字读数。大流行迅速产生了大量可以用于开放新冠病毒疫苗的数据，但是其庞大的数据量使研究人员很难快速找到所需的数据。而尖端半导体技术正在简化疫苗研究人员对数据的搜集过程。美国的一家半导体公司工程师开发了一个名为Deep Search的平台，该平台使用自然语言处理来标记研究论文，以便研究人员通过搜索引擎可以更快地发现所需论文。在疫情初期，产业界、学术界、国际政府机构等组成了COVID-19高性能计算联盟（The COVID-19 High Performance Computing Consortium），该联盟成员拥有超算平台和AI部署能力，在疫情初期帮助大学、公司和医院将疫苗建模和模拟潜在治疗时间从几周缩短到了几分钟，大大节省了疫苗的开发时间。
▲COVID-19高性能计算联盟官网页面
在疫情期间，半导体是公司远程办公和学校网课通讯的基础设施。随着疫情发展，远程办公、教育的趋势还在持续，顶级企业的网络使用率已增长了30%-50%，就连物流和交付都很大程度上依赖于基于芯片的通信服务。封城时，商店物品、杂货和餐厅食品的运输十分普遍。杂货配送公司利用智能手机App来连接购物者和顾客，这些基于半导体的服务使取货和送货都变得简便、安全。半导体技术更是加强了对老年人、糖尿病患者和听力障碍者等弱势群体的保护。疫情爆发后，实时监控系统能够帮助医生对这些人群提供远程医疗帮助和指导。由于新型半导体传感器的出现，可穿戴设备可以提供对血糖等健康指标的监测服务。此外，半导体还改善了听力障碍者的处境。当疫情来临时，许多感染新冠病毒的人患有听力损失问题，所以几家听力护理公司推出了允许患者远程护理的医疗平台。在部分地区，远程医疗平台的用户增加了700%以上。
虽然美国半导体行业在芯片制造份额上有所下滑，但是高通、苹果、英特尔、IBM等国际巨头不仅手握大量市场份额，更是在专利、研发投入上处于领先地位。全球缺芯的当下，中国半导体玩家固然获得了扩大市场份额、实现国产替代的机会，但也让美国政府和行业意识到了制造环节的重要性，开始推进芯片制造领域的投资和立法。未来，中、美双方在半导体领域的博弈与合作，将成为影响行业发展走向的重要因素。
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