（以下材料转自美国白宫报告：建立有弹性的供应链：半导体制造与先进封装综述）

美国商务部

执行摘要

半导体是集成电路的物质基础，集成电路对现代生活至关重要，一般消费者每天（如果不是每小时）使用半导体。基于半导体的集成电路是技术的“DNA”，基本上改变了经济的所有领域，从农业和交通到医疗保健、电信和互联网。半导体行业是美国经济增长和就业创造的主要引擎。半导体几乎应用于每一种技术产品，并支撑着最先进的军事系统。半导体是消费者日常生活中不可或缺的一部分，可以在诸如电灯开关、车库门开启器和冰箱等家居用品中找到，也可以在诸如移动电话、计算机和汽车等更复杂的产品中找到。

美国半导体行业占全球半导体收入的近一半，但美国本土半导体生产能力所占份额已从20年前的37%下降到目前的12%。美国公司，包括主要的无晶圆厂半导体公司，依赖国外半导体资源，特别是在亚洲，这造成了供应链风险。用于半导体制造的许多材料、工具和设备来源有限，半导体制造业地理位置集中，前沿半导体的生产需要数十亿美元的投资。

新冠病毒-19大流行证明了半导体对于应对世界上最紧迫的挑战的重要性，包括利用半导体技术寻找治疗方法、照顾患者、在家工作和学习以及订购食品和其他基本产品。流感大流行期间某些半导体的短缺也表明了确保这些重要产品的稳定、弹性供应链的重要性。由于多种因素，该行业目前正处于短缺状态，包括新冠病毒-19大流行后全球需求的意外变化，以及扰乱特定主要半导体制造中心的事件，如2021年初德克萨斯州的风暴导致数家半导体制造厂关闭。

本报告通过五个相关的基本环节对半导体供应链进行了研究：（1）设计(2） 制作(3） 装配、测试和包装（ATP）和高级包装(4） 材料；(五)制造设备。

•美国半导体设计生态系统稳健且处于世界领先地位，但美国公司高度依赖对中国的销售以实现持续的利润增长和国内研发（R&D）投资。此外，美国设计公司依赖有限的知识产权（IP）、劳动力和制造资源，这些资源对将产品推向市场至关重要。设计：

•美国缺乏生产半导体的足够能力。美国的前沿逻辑芯片主要依赖台湾，成熟节点芯片的需求则依赖台湾、韩国和中国。制作：

•对于技术相对较低的后端半导体ATP，美国严重依赖集中在亚洲的外国资源。此外，随着芯片变得越来越复杂，先进的封装方法代表了重大技术进步的潜在领域。然而，美国缺乏必要的材料生态系统，也不是发展强大的先进包装行业的成本效益高的地方，而中国的大量投资有可能颠覆市场。ATP和高级包装：

•半导体生产需要数百种材料，这给制造供应链带来了挑战。许多用于半导体的气体和湿化学品在美国生产，但外国供应商主导着硅片、光掩模和光刻胶的市场。材料：

•美国在大多数类型的前端半导体制造设备的全球生产中占有相当大的份额，但光刻设备生产除外，光刻设备生产主要集中在荷兰和日本。由于美国半导体制造有限，这些设备制造商严重依赖美国以外的销售。制造设备：

该审查确定了八个交叉风险，涵盖了半导体供应链的大部分已确定威胁：（1）脆弱的供应链(2） 恶意供应链中断(3） 使用过时和过时的半导体以及供应链中公司持续盈利的相关挑战(4） 客户集中度和地缘政治因素(5） 电子产品网络效应(6） 人力资本缺口(7） 知识产权盗窃；（8）在获取创新利益和协调私人和公共利益方面面临的挑战。

以下政策建议旨在解决当前半导体短缺和报告中确定的风险：

1.与业界合作，促进投资、透明度和合作，以解决半导体短缺问题。虽然私营部门必须在短期内率先解决短缺问题，但美国政府可以通过加倍与行业合作，促进半导体生产商、供应商和最终用户之间的信息流动，协助缓解目前的短缺；加强与盟友和合作伙伴的接触，以促进公平的半导体芯片分配、增加投资和增加产量；推动企业采用有效的半导体供应链管理和安全措施。

2.资助在2021财年（FY）国防授权法案（NDAA）中为美国生产半导体（芯片）创造有益的激励措施，授权项目：（1）通过联邦财政援助鼓励制造业建设、扩建或现代化半导体相关设施，以支持半导体制造、ATP和先进封装；（2）通过新的国家半导体技术中心（NSTC）推进研发技术原型化。

3.强化国内半导体制造生态系统通过立法行动落实拜登总统的《美国就业计划》中提出的理念，鼓励支持关键上游产业，包括半导体制造设备、材料和气体以及下游产业，以抵消美国高昂的运营成本，通过商务部国际贸易管理局的SelectUSA等项目继续支持在美国的投资；根据总统2022年预算的要求，通过新的商务部国家标准与技术研究所（NIST）美国制造研究所为制造业提供支持。

4.支持制造商，特别是中小型企业通过研发资源证明新兴技术和融资能够从实验室走向市场，并满足增长的资本需求。

5.为半导体行业的工作建立一个多样化和可访问的人才管道通过大量投资增长STEM人才管道并使其多样化，劳工部就业和培训管理部门基于行业的途径和培训计划，公共/私人投资以帮助为劳动力发展提供资金，以及移民政策的变化以吸引世界上最优秀和最聪明的人才。

6.在半导体供应链弹性方面与盟友和合作伙伴合作鼓励外国铸造厂和材料供应商在美国及其他联盟和合作地区投资，以提供多样化的供应商基础，寻求研发合作伙伴关系，并协调政策以解决市场失衡和非市场参与者。

7.保护美国在半导体制造和先进封装方面的技术优势通过确保出口管制支持政策行动以解决与半导体制造和先进包装供应链有关的国家安全和外交政策顾虑，外国投资审查考虑半导体和先进包装供应链中的国家安全考虑。

介绍

半导体是集成电路的物质基础，集成电路对现代生活至关重要，一般消费者每天（如果不是每小时）使用半导体。基于半导体的集成电路是技术的“DNA”，基本上改变了经济的所有领域，从农业和交通到医疗保健、电信和互联网。半导体行业是美国经济增长和就业创造的主要引擎。半导体几乎应用于每一种技术产品，并支撑着最先进的军事系统。半导体是消费者日常生活中不可或缺的一部分，可以在诸如电灯开关、车库门开启器和冰箱等家居用品中找到，也可以在诸如移动电话、计算机和汽车等更复杂的产品中找到。

根据人口普查局的最新数据，美国约有733家公司

各州参与了半导体器件制造（北美行业分类系统）

（NAICS）334413）[19]2017年，另有140家公司生产用于制造半导体的设备（NAICS 333242）。2这些公司中的大多数规模较小：只有69家半导体器件制造商和22家半导体机械制造商拥有500名或更多员工。[20]按增加值衡量，2019年，这两个半导体行业为美国经济贡献了350亿美元，约占美国制造业总增加值的1.4%。4

2019年，两个与半导体行业相关的NAICS类别直接雇用了207400名工人，占美国制造业总就业人数的1.6%。这些都是高质量、高薪的工作：2019年，半导体制造业劳动力的人均收入为163871美元，超过2000美元是美国所有制造业工人平均工资的两倍（69928美元）。[21]根据半导体工业协会（SIA），美国18个州拥有主要的半导体制造业务。

然而，这些统计数据只反映了整个半导体行业的一部分，因此低估了其对美国经济的重要性。更广泛的行业信息进一步突出了其对美国经济的重要性。新航估计，2020年，美国半导体行业的年销售额为2080亿美元，占据了近一半的世界市场。尽管全球爆发了新冠肺炎，2020年全球半导体销售额仍增长了6.5%。新航估计，到2027年，全球半导体市场的年销售额将达到7260亿美元，复合年增长率为4.7%。此外，新航估计，半导体行业的每一个直接工作岗位都支持近五个额外的工作岗位。[22]半导体也是美国的主要出口产品，2020年出口销售额为470亿美元，总体排名第四，仅次于飞机、成品油和原油。[23]

半导体几乎为经济的每个部门提供动力，包括能源、医疗保健、农业、消费电子、制造业、国防和运输。2019年，按最终用途划分，全球半导体需求为：移动电话（26%）、信息和通信基础设施（包括数据中心、通信网络）（24%）；计算机（19%）、工业（12%）、汽车（10%）和消费电子产品（10%）[24]在这些不同的应用中，直接支持国家安全和关键基础设施的应用约占半导体需求的9%。这些关键的半导体终端用途包括国防和航空航天、电信网络、能源和公用事业、医疗保健和金融服务。[25]国防和其他政府用途略高于全球半导体消费量的1%。[26]

半导体除了在美国经济中发挥核心作用外，对国家安全也至关重要。半导体能够开发和部署先进的武器系统，并控制国家关键基础设施的运行。它们是几乎所有军事系统运作的基础，包括通信和导航系统以及复杂的武器系统，如F-35联合攻击战斗机。它们是未来“必胜”技术的关键，包括人工智能和5G，这对于实现“动态、包容和创新的国民经济”的目标至关重要，在2021年3月的《临时国家安全战略指南》中被确定为美国的关键优势。[27]此外，先进的自主系统、网络安全、空间和高超音速以及定向能的发展也依赖于半导体技术。

新冠病毒-19的流行进一步增加了半导体的重要性。半导体一直是寻找治疗方法、照顾患者、在家工作和学习、订购食品和其他基本产品的一项使能技术，证明了半导体在应对国家和世界最紧迫的挑战和危机方面的重要作用。流感大流行期间某些半导体的短缺也表明了确保这些重要产品的稳定、弹性供应链的重要性。

突然的供应链冲击可能在上述任何一个领域产生深远和不可预见的影响，不仅对特定行业、社区和工人，还可能影响国家安全和关键基础设施。例如，新航估计，台湾铸造厂逻辑芯片生产的中断可能导致依赖这种供应的电子设备制造商损失近5000亿美元的收入。[28]

半导体行业目前正经历着这种类型的供应中断。2020年中期，全球芯片短缺开始出现，当时汽车制造商警告说，用于汽车的相对便宜的半导体正变得稀缺，这可能会扰乱汽车生产。最初的中断是由于新冠病毒-19大流行引起的重大需求冲击。2020年第二季度，在与流感大流行相关的经济放缓最为严重的时候，汽车零部件供应商取消了芯片订单，原因是为了缓解流感大流行在汽车和零部件制造厂的蔓延，行业关闭了六周。零件供应商还试图限制库存和成本，以期在流感大流行后的衰退期间预测汽车需求会下降。13与此同时，流感大流行推动的从家庭经济向工作经济的快速转变极大地增加了对电子设备的需求，包括视频游戏系统、计算机、笔记本电脑、，以及其他电子产品，用于数字基础设施和存储，以支持不断增加的在线活动。根据买方的需求和订单，半导体供应商将生产和铸造订单从需求下降的汽车级芯片转移到需求激增的商业和消费电子芯片。

与早期预测相反，2020年下半年汽车需求的恢复速度远快于预期。这一急剧反弹影响了汽车行业，部分原因是其及时供应链和对上游供应商的可见性有限。当汽车零部件供应商重新订购芯片以满足汽车需求的意外激增时，据报道半导体制造商已经利用闲置产能生产电子设备芯片。[29]因为制造芯片可能需要26周[30]，有时在供应紧张时需要更长的时间，生产量通常提前六个月确定，将生产线从一种类型的芯片切换到另一种类型可能需要几个月。汽车行业的另一个复杂问题是，汽车级芯片只能由合格的生产商生产，它们需要进行广泛的测试，以满足严格的质量和车辆安全要求。这些要求对半导体生产商来说在时间和成本上都是沉重的负担，尤其是与消费品应用相对较高利润率芯片的不太严格要求相比。

2021年3月，日本一家半导体工厂发生火灾，进一步加剧了半导体供应短缺。该工厂占汽车用微控制器市场的30%。该公司，瑞萨电子公司表示，工厂的生产至少需要100天才能恢复正常。[31]此外，半个世纪以来最严重的旱灾正在影响台湾，使半导体制造业更加紧张，这需要大量的水。[32]最后，2021年2月的风暴导致半导体制造商NXP在德克萨斯州奥斯汀的两个工厂失去了公用设施。NXP花了将近一个月的时间才恢复正常运营

对于依赖芯片实现制动、动力转向、发动机控制和安全系统等功能的汽车行业来说，这意味着车辆无法组装完成。汽车制造商在等待零部件时无法维护生产线，导致工厂闲置，工人休假。2021年，这一短缺将使全球汽车业损失1100亿美元，并将导致汽车生产量比汽车制造商计划的少近400万辆

2021年4月，报告开始表明半导体短缺已扩大到其他行业。截至4月30日，高盛（Goldman Sachs）估计，美国总共有169个行业受到短缺的直接影响。[35]供应短缺也意味着行业和消费者的成本上升。鉴于几乎所有行业都依赖于微芯片，日益扩大的短缺意味着商业机会的持续丧失，而与此同时，随着全球大部分地区正在摆脱这种流行病，消费者的需求即将增加。一些半导体公司预测，这种短缺将持续到2022年

绘制供应链图

成品半导体的生产涉及三大步骤：设计、制造和ATP。最早的半导体公司在内部执行所有三个步骤，今天被称为集成设备制造商（IDM）。IDM继续以收入占据半导体市场的大部分。然而，越来越多的情况下，每一步都是单独进行的，不同的公司专门从事这一过程的不同步骤。在无晶圆厂/铸造厂模型中，这三个步骤中的每一个都由专门从事其在供应链中的角色的不同公司执行。除了这三个基本步骤外，半导体工业还依赖于精密的设备和生产过程中使用的数百种材料。因此，本报告通过五个相关的基本环节来研究半导体供应链：（1）设计(2） 制作(3） ATP和先进的包装(4） 材料；(五)制造设备。

半导体供应链从设计到封装，最终并入客户购买的最终产品，极其复杂，地理位置分散。由于公司在具体步骤上的专业化，典型的半导体生产过程包括多个国家，产品可能跨越国际边界70次。[37]整个过程长达100天，其中12天用于供应链步骤之间的运输。下图是供应链的样式化表示。[38]

半导体的体积和重量都很小，这使得地理位置和物流都非常复杂的供应链得以实现。与半导体的价值相比，半导体的运输成本是最低的。然而，这也意味着运输路线的中断可能会造成供应问题。根据所处的阶段、行驶的距离以及产品的性质，使用各种运输方式（如空运、海运、卡车运输）。在某些情况下，需要专门处理，例如制造过程中使用的危险和高纯度气体和化学品，或保护敏感电子设备免受损坏。[39]

半导体设计

半导体设计：概述

半导体（芯片）生产设计的初始阶段虽然历史上由控制整个生产过程的IDM（如美国的Intel和Texas Instruments）执行，但越来越多地由专业化的“无晶圆厂”半导体设计公司执行，它们依靠一家独立的公司来进行半导体的实际制造。制造外包的增加和相关的主要资本投资使得更容易进入工艺设计阶段。这导致行业集中度明显低于制造和设备阶段，以及制造对台湾的依赖。

尽管进入门槛较低，但无晶圆厂设计公司必须与铸造厂密切协调，以确保设计符合生产流程，他们还依赖于IP提供商，通常是其他半导体公司，这些公司开发了关键技术和电子设计自动化（EDA）软件，实现了设计过程。这些上游和下游阶段高度集中，基本IP和EDA供应商的总部主要设在美国，但其大部分劳动力位于美国境外。

产业结构

从事半导体设计的公司的结构因所讨论的半导体类型而大不相同。本文介绍了集成电路半导体的三种主要类型：逻辑、存储器和模拟。2020年，逻辑半导体约占市场的42%，内存约占26%，模拟约占14%，其余市场由非集成电路半导体组成：分立器件、光电子器件和传感器器件。

逻辑芯片是计算的基石，构成了最大的半导体类别（根据SIA，逻辑芯片占行业收入的42%）[42]在这类半导体中，市场集中度和设计公司的数量高度依赖于特定的芯片类型。个人计算机中央处理单元（CPU）、专用图形处理单元（GPU）和现场可编程门阵列（FPGA）市场基本上都是双寡头市场，然而，在特定应用集成电路（ASIC）和基于ARM有限公司（ARM）架构的移动设备处理器的供应商群中，竞争明显加剧。CPU是计算机的中央处理器，GPU是用于视频渲染的处理器，FPGA设计由客户或设计师在制造后进行配置，ASIC是为特定用途定制的芯片。

美国是半导体设计领域的世界领先者，许多公司利用了外包制造或将工厂设在美国境外所带来的较低资本支出。基本上所有个人电脑CPU都是由美国的Intel和AMD公司设计的，尽管AMD依赖合同制造。[43]这些公司可能很快就会主导FPGA类别，因为AMD在2020年10月宣布计划以350亿美元的交易收购市场领导者Xilinx。如果此次收购清除了所有监管障碍，AMD Xilinx和Intel将占全球FPGA销售额的85%左右。其他美国供应商微芯片技术、莱迪思半导体和Achronix半导体构成了FPGA市场的大部分剩余部分。AMD还提供了全球专用GPU的主要份额，以及市场领先的美国NVIDIA。

ASIC供应商群中的竞争明显加剧，对基于ARM架构的移动设备处理器的需求较高。三星（Samsung）等芯片制造商在ASIC和移动处理器市场上与美国高通（Qualcomm）和博通（Broadcom）等无晶圆厂公司以及苹果（Apple）、Alphabet、亚马逊（Amazon）等数十家自行设计芯片的美国科技公司展开竞争。除了Intel和Microchip，大多数CPU、GPU、FPGA和ASIC的供应商都是无晶圆厂的，依赖铸造厂进行芯片制造。

根据SIA的数据，占行业收入26%的内存芯片用于存储计算所需的信息。[44]内存类别是商品化的，取决于生产量和规模经济，内存通常由IDM生产。韩国三星（Samsung）和SK hynix（SK hynix）是动态随机存取存储器（DRAM）市场的领头羊，而美国的美光（Micron）市场占有约23%的份额。然而，市场份额领先者正在开发先进的封装技术（即芯片堆叠）和其他前沿产品的IP。30这三家公司在2020年占全球700亿美元市场的95%。[45]

闪存（NAND）生产没有那么集中，2020年，六家公司估计占全球470亿美元市场的99%。三星再次成为市场领导者，NAND市场份额略高于三分之一，其次是日本的Kioxia（前东芝）（20%的份额），总部位于美国的Western Digital（14%）、韩国的SK hynix（12%）、美国的Micron（11%）和美国的Intel（9%）[46]NAND市场似乎准备进一步整合，2020年10月，NAND收入与美光相近的英特尔宣布，计划将其大部分NAND内存业务出售给SK hynix。此次出售将推动合并后的公司在NAND市场份额中排名第二。还有报道称，西方数字和美光可能正在寻求收购Kioxia。[47]此外，2016年成立的中国扬子存储技术有限公司（YMTC）专注于快速扩张，并从中国政府获得了约240亿美元的补贴。到2022年，该公司可能有能力每月生产多达200000块晶圆，超过英特尔目前NAND生产能力的两倍，这对美国内存公司构成了潜在的低成本威胁。[48]

与内存芯片相比，模拟集成电路芯片的商品化程度较低，并且通常不太依赖使用尖端制造节点。在系统和最终用途方面的专业经验是模拟芯片生产的重要价值驱动因素，这使得市场集中度降低，因为公司可以通过在模拟行业内的专业化保持竞争优势。2020年，10家最大的模拟集成电路供应商占据了560亿美元市场的62%，只有德克萨斯仪器公司的市场份额超过10%。[49]许多领先的模拟半导体公司都是“fablite”生产商，制造他们设计的一些芯片，但也外包了很大一部分。

非集成电路半导体分立器件、光电子器件和传感器在2020年的销售额为790亿美元，占半导体市场总额（4400亿美元）的近18%。[50]这类半导体中的大多数都是成熟的节点技术芯片，通常每块只值几美分。这一市场高度分散，制造商众多。非集成电路半导体包括ABB有限公司（瑞典/瑞士）、英飞凌科技（德国）、STM微电子（意大利/法国）、东芝（日本）和美国公司二极管公司、Vishay Intertechnology、Qorvo、dPix和Cree。非集成半导体的关键驱动技术（以及成熟节点技术的例外）是电源管理和小型化方面的创新，尤其是离散功率半导体，汽车，尤其是电子车辆是关键终端用途。[51]美国领导的氮化镓（GaN）研发，碳化硅（SiC）和其他化合物半导体衬底是各种应用的关键发展，包括用于国家安全的电源管理和分配、高频功率放大和光电子（也是成熟节点技术的例外）。平板显示半导体也属于这一类。

工艺步骤

半导体设计过程本身包含几个步骤，通常迭代执行，以达到最符合最终要求的最终设计。基本过程步骤包括规范、系统级或体系结构设计、逻辑设计、物理设计和验证/确认。以下简要回顾这些阶段。

•规格：该步骤列出了芯片满足其最终用途所需的一系列要求。这涉及到将用户需求转化为芯片性能，这意味着对客户需求的深入理解为设计师提供了优势。因此，接近和接近客户对半导体设计运营具有重要意义。

•系统级设计：该步骤涉及打破基本半导体架构。在许多情况下，可以使用预先定义的输入来创建设计，这些输入已经被指定和验证，或者来自公司内部的过去使用，或者来自另一家公司的许可。简单地称为IP或IP核，以模块化形式重复使用过去的设计可以更快地开发新功能并降低成本，因为IP不必为每个新芯片重新开发。

•逻辑设计和物理设计：这些步骤通常使用EDA软件执行，该软件将寄存器传输级代码映射到将在芯片上制造的电子元件的物理表示。

•验证和确认：该步骤与其他设计步骤并行迭代进行，包括测试设计。在这个阶段，设计是通过一个“测试台”来模拟的，这是一个芯片的虚拟模型，确保它按预期运行。验证可以产生大量的测试数据，并花费大量的时间，占芯片设计时间的一半。[52]

为了国家安全，半导体技术还必须具备在军事温度范围（扩展范围）和恶劣环境下使用的资格，包括在适当情况下用于辐射环境的技术特性。此外，还需要更严格和独立的零件验证和确认。汽车用半导体同样必须满足严格的耐久性和测试要求，以承受恶劣的环境条件（例如，极冷、高温和潮湿）。在车辆的整个预期寿命（10至20年）中，它们必须能够承受振动和冲击，并且在测试中的故障率比消费品应用的半导体低得多，以确保它们满足车辆安全要求。随着车辆变得更加自主，并结合越来越多的光探测和测距（LiDAR）、声纳、雷达、视觉系统以及导航和识别技术，这些要求预计将增加，并变得更加严格。

半导体设计：弹性

弹性：知识产权

如上所述，在设计组织内部或从另一家公司获得许可的情况下，重复使用过去的设计（称为IP、IP核或IP块），是快速开发新芯片的一个主要因素。这些IP块代表了一个估计价值50亿美元的市场，代表了从小型内部进程到输入/输出接口（如通用串行总线（USB）和以太网控制器，再到完整的微处理器指令集架构（ISA）的任何设计。[53]IP通常是以预付费的形式获得许可的，但也可能包括基于销售额的版税。

近年来，EDA供应商在IP许可方面的市场份额不断增加，因为他们不断扩展，以提供更完整的设计解决方案，并将IP核心集成到设计软件中。在这种情况下，许可的知识产权包括专利、商标、工业设计、版权和商业秘密。除了领先的EDA供应商（总部位于美国的Synopsys和Cadence以及总部位于美国但由德国拥有的Mentor Graphics）的持续增长外，三星于2019年5月宣布，将通过EDA供应商Silvaco授权其半导体设计IP，从而促进该美国公司的集成设计产品。这一举措突出了铸造厂的价值，使芯片设计师能够为其工艺设计；在设计中内置铸造IP，改变制造商的成本为锁定设计客户服务。

IP核心部门历史上一直由总部设在美国和英国的公司领导，ARM有限公司（英国）位列榜首，EDA提供商SyopOSIS和Cadence。（54）总部设在美国和英国，这些公司拥有全球劳动力；例如，Synopsys超过三分之二的员工在2020年都在美国境外。[55]Arm提供

支持世界上大多数移动设备处理器的IP，数百个许可证持有人代表超过1500亿个芯片售出。[56]Arm目前由日本软银所有，不生产半导体，正在被美国无晶圆厂设计公司NVIDIA收购，此外，在2021年4月，英国政府发起了对拟议收购案的国家安全审查。（57），竞争对手的半导体设计人员以及一些政府反垄断监管机构对继续获得基本知识产权的调查引起了关注。

在过去几年中，中国已采取措施增加对半导体IP的访问和控制。2017，拥有中国政府所有权的私募股权投资基金Cyyon Capital Capital Partners收购了总部位于英国的VIDENT技术，估计是半导体IP的第五大供应商。2018，ARM中国与英国的ARM控股公司成立了51%家中国合资企业。（59）中国对半导体IP的控制可能会限制美国工业的可用性，从而给美国工业带来风险。

弹性：电子设计自动化

由于芯片包含数十亿个晶体管，使用EDA软件自动化电子表示中的电路布局已成为半导体设计过程的关键输入。EDA工具的市场历史上约占整个半导体市场的百分之二，但随着半导体技术节点的缩减导致设计成本上升，EDA工具的市场变得越来越重要。46例如，EDA提供商Synopsys，2019年估计，设计5纳米（nm）芯片的成本将是设计7纳米芯片的两倍。[60]根据IBS，设计7纳米芯片的成本为2.978亿美元，而设计5纳米芯片的成本为5.422亿美元。[61]

自20世纪90年代中期以来，EDA市场一直由三家美国公司主导：Synopsys、Cadence和Mentor Graphics（2017年由德国西门子收购）。这种优势至少部分源于市场领导者购买和合并小型EDA供应商的能力、更换EDA供应商的设计师的高成本以及EDA公司与铸造厂的关系，通常为新的制造工艺提供优先使用特定于工艺的设计“工具包”，以便EDA供应商能够开发特定于工艺的设计流程。这种集成水平突出了半导体生产商获得IP的重要性。

随着集成电路芯片的使用变得越来越普遍，特别设计的芯片对终端用户的价值也越来越高，EDA工具使越来越多的公司能够进入半导体设计领域，例如被称为“系统”公司的半导体用户，包括苹果、Alphabet（谷歌的母公司），还有亚马逊。这些公司通过EDA工具中的研究、开发和IP获得授权，以设计最符合其特定要求的芯片。芯片设计对下游技术“系统”公司的重要性日益增加，这反映在工业流程巨头西门子于2017年收购了Mentor Graphics。整个半导体终端用户系统中微电子的使用增加，以及由此导致的系统设计复杂性的增加，为扩展芯片的使用提供了途径EDA将改进半导体和最终用途系统之间的集成。

恢复力：劳动力

美国半导体供应链严重依赖高技能劳动力。由于设计是由英特尔等IDM、NVIDIA等无晶圆厂半导体公司（其在美国的雇员人数为7500人）以及Alphabet、Cisco和特斯拉等不属于半导体行业的公司进行的，因此很难衡量特定于设计的员工队伍的规模。设计公司所依赖的EDA部门雇佣了数万名额外工人；仅Synopsys一家就在美洲雇佣了5000多名员工，其中80%是工程师。[62]此外，整个行业都得到了美国各大学研发的支持，数千名研究人员参与了研发，估计有250000名学生参加了与半导体相关的研究生课程。[63]

美国吸引和留住优秀员工进入美国大学和公司的能力是美国半导体行业长期竞争力的基础。自1990年以来，就读于半导体相关研究生项目的美国学生人数保持不变，而同期国际学生人数增加了两倍。根据2016-2017年的数据，大约三分之二的电气工程和计算机科学研究生是国际学生。[64]

半导体设计：风险

下文简要回顾了关键设计特定风险。由于半导体设计会影响制造过程中的每一个后续步骤，因此下文所述风险在很大程度上也适用于下游工艺步骤。

•：美国设计公司通常将大部分收入投资于研发；2019年研发强度领先的七家公司中有六家位于美国。[65]随着尖端设计成本的持续上升，设计公司继续投资的能力取决于销售增长，而销售增长越来越依赖于美国以外的地区，尤其是中国的销售。对高研发支出的需求

•：随着国际学生在美国半导体相关研究生项目的招生人数中占越来越多的比例，限制外国出生工人留在美国工作的能力，以及美国出生工人的入学人数持续偏低，这些都存在持续和长期的风险。此外，尽管美国大学每年都有更多的工程和计算机科学专业学生毕业，但该行业在招聘和留住这些毕业生方面面临着重大挑战。相关课程的学生通常比硬件更熟悉软件开发机会，也更容易被软件开发机会吸引。满足国防需求的公司面临着更多的挑战，因为它们无法与商业行业常见的薪酬方案竞争。技术工人

•半导体设计公司由EDA和IP公司提供支持，而EDA和IP公司又通过与制造设施和下游系统的访问和合作提供支持。随着系统变得越来越相互关联和复杂，公司之间的合作以及供应链各个层面的接入将继续变得越来越重要。东亚铸造厂的日益集中（在下文“制造”部分讨论）以及由此导致的与制造商的接触和合作减少的可能性，对美国半导体设计公司在创新方面继续领导世界的能力构成了风险。进入铸造厂

总之，美国半导体设计生态系统稳健且处于世界领先地位，但依赖于有限的知识产权、劳动力和制造资源，而这些资源对于将产品推向市场至关重要。美国公司可以提供所需的IP核和EDA工具，但这些行业高度集中。美国仍然是一个吸引熟练工程师和其他高技能工人的地方，但半导体设计行业面临着熟练工人短缺的问题，并且越来越依赖外国劳动力以及美国境外的设计团队。对美国政府能力的限制。

公司招募外国出生的工人或在大学里吸引外国出生的学生可能会对美国半导体设计行业产生长期影响，如果不能增加美国出生的学生的相关教育和培训机会，也会对美国半导体设计行业产生长期影响。此外，美国无晶圆厂设计行业主要依赖合同铸造厂（主要位于东亚）生产产品，并向美国以外的客户（尤其是中国）销售产品。

半导体制造

半导体制造：概述

本节介绍供应链中的下一步，在供应链中，半导体设计被制造成组件类型，如逻辑、内存或模拟设备。在此过程中，半导体制造厂（Fab）或铸造厂（也称为纯播放铸造厂）将盘形晶圆（通常从硅锭上切割而成）制成单个芯片（每个芯片的尺寸都有指甲那么大）。这是一项复杂且高度专业化的能力，需要精确的精度。在晶圆制造的加工步骤中，没有误差的余地。半导体制造厂涉及数千台加工机器、激光器、超精密光学和先进机器人。该制造工艺是世界上最先进的工艺之一，涉及尖端技术和设备，以亚原子级精度运行。半导体供应链的这一阶段约占芯片增加值的24%。[66]产业结构

晶圆厂有两种基本的行业模式。第一类是由垂直集成半导体公司或IDM运营的晶圆厂，它们执行半导体制造过程中从设计到最终测试的所有步骤。IDM约占全球半导体生产能力的三分之二。[67]大多数IDM生产DRAM等内存芯片以及离散模拟设备，尽管美国领先的IDM公司英特尔主要生产逻辑设备。除了英特尔，美国还有几家领先的IDM，包括模拟设备、Maxim集成产品、微芯片技术、Micron、ON半导体和德克萨斯仪器。值得注意的是，虽然总部设在美国，但这些公司在世界各地的工厂从事半导体制造。例如，英特尔除了在美国之外，还在以色列、爱尔兰和中国经营晶圆厂，而韩国三星和其他外国总部公司除了在国际工厂之外，还在美国生产芯片。SIA报告称，美国半导体公司44%的生产能力位于美国。[68]总的来说，2020年，美国的IDM占全球IDM收入的51%，美国在逻辑和模拟芯片方面尤其强大。

许多美国半导体行业的领导者，如AMD、Broadcom、NVIDIA、高通公司和Xilinx，都采用“无晶圆厂”的商业模式，即公司将其设计提供给一家专门从事半导体合同制造的独立公司。这些第三方铸造厂被归类为“纯半导体铸造厂”，因为它们不设计或销售自己的任何芯片，而是作为无晶圆厂半导体公司的合同制造商（有时为IDM提供额外产能或以其他方式生产某些芯片）。一些IDM，尤其是三星，也为无晶圆厂的公司提供铸造服务。

随着建设和维护最先进的半导体制造设施的成本飙升，无晶圆厂/铸造厂的商业模式越来越普遍。芯片制造技术的不断进步需要全新的、日益昂贵的制造设备。最先进的晶圆厂（在5nm工艺节点）的成本至少为120亿美元。[69]单是一个极紫外（EUV）光刻工具（在5nm或以下制造所需，也经常在7nm下使用）的成本就在1.5亿美元范围内，单个晶圆厂需要多种设备。一项估计是，下一代晶圆厂（将在3nm节点上运行）所需的投资可能超过200亿美元。[70]此外，一旦建立了新晶圆厂，运营成本将是巨大的，需要持续进行昂贵的资本投资，以保持在最先进的生产节点上运行。纯功能铸造厂受益于规模经济，这使得它们能够以高效的产能利用率，将半导体工厂维持在芯片设计师所要求的技术前沿，从而承担巨大的成本。根据新航的数据，纯功能半导体代工厂约占全球芯片生产能力的三分之一，但逻辑芯片生产能力的近80%。58台湾半导体制造公司（TSMC）成立于1987年，是世界上第一家纯功能半导体代工厂，在当今市场上占据主导地位。

代工市场由台湾公司主导，仅台积电一家就占代工市场份额的53%。总的来说，台湾公司占据了63%的市场份额。韩国占18%，中国占6%。总部设在美国的阿布扎比铸造公司GlobalFoundries拥有7%的份额，占铸造市场剩余13%份额的一半以上。[71]

虽然美国在IDM芯片市场的份额很大，但它只占全球代工收入的10%；亚洲铸造厂占80%的份额。[72]仅台湾就占全球铸造业务的73%[73]这意味着，如上所述，尽管美国在半导体设计方面处于领先地位，但国内无晶圆厂企业在制造业方面严重依赖外国企业，主要是亚洲的企业。虽然这种铸造业务模式适合大批量的商业应用，但许多国防相关应用都是小批量的，这使得获得先进的半导体制造技术具有挑战性。

工艺步骤

下图是复杂半导体制造工艺的简化表示。从用芯片设计压印的一组光掩模和准备好的清洁晶片开始，执行芯片制造步骤。这些步骤包括：

•光刻（用于创建晶圆电路图案的工艺）；

•蚀刻（从晶圆上移除材料）；

•掺杂（添加元素杂质以调节晶圆的电性能）；

•沉积（用于制造用于制造半导体器件的绝缘和导电材料层的工艺）；及

•抛光或化学机械平整（去除多余材料并在每层上形成光滑表面的过程）。

圆将经历这些过程多次；整个过程是自动化的，并在密封的洁净室中进行。制造一个先进的半导体器件（在10nm或以下的节点）可能需要15周，行业平均需要11-13周。在将设计转移到晶圆上的前端过程之后，晶圆将被测试、抛光并切割成单个芯片。生产的芯片数量各不相同；一个300毫米的晶圆可能会产生600个或更多的单个芯片。

资料来源：新航[74]

半导体制造设施需要大量的占地面积和公用设施基础设施——包括超纯气体、干燥空气和氮气、超纯水、排气系统和高质量可靠的电力。一个大型晶圆厂可以消耗高达100兆瓦的电力，这使得它比许多汽车厂和炼油厂更加能源密集，并且可以使用与一个小城市一样多的水。工厂用水经过能源密集型净化过程，去除所有有机和无机污染物。过滤和处理过程使用泵、电机、驱动器和其他基础设施，将超纯水输送至设施内外，并将废水排出。停电和电压异常会损坏高度敏感的设备，所以电源的可靠性至关重要。电力可以占晶圆厂运营成本的30%。通过提高能源效率节约能源有助于降低成本，同时减少环境影响，提高可持续性。[75]

半导体制造：电流弹性

绝大多数半导体制造业——由IDM和纯铸造厂制造——依次发生在台湾、韩国、日本、中国和美国。美国半导体装机产能[76]约占全球总产能的12%，低于1990年的37%。[77]2019年，台湾占全球装机产能的20%，紧随其后的是韩国，占19%。日本占17%，中国占16%；欧洲为9%。其余6%的产能在新加坡、以色列和世界其他地区

在美国的40家主要半导体工厂中，有一半（20家）使用300毫米（12英寸）晶圆生产，这是现代标准；其他的生产使用200毫米（8英寸）或以下的晶片。2009年至2018年间，全球有100多家150-200毫米晶圆厂关闭，其中70%的关闭地点位于美国和日本。根据IC Insights，许多[80]晶圆厂已经使用了几十年，并且已经超出了其使用目的。在某些情况下，它们被更具成本效益或升级的设施所取代。在其他情况下，拥有晶圆厂的成本太高，公司转向了晶圆厂或无晶圆厂的商业模式。[81]

六家公司经营着二十家300毫米晶圆厂，位于美国八个州，详见下表。除了Skorpios以外，其他所有公司都在海外经营晶圆厂。如上所述，英特尔在以色列、爱尔兰和中国都有半导体生产业务。美光公司除了在美国的工厂外，还在新加坡、日本和台湾设有工厂，而德州仪器公司除了在德克萨斯州还有在中国、马来西亚、台湾和菲律宾的生产。GlobalFoundries是美国领先的纯功能铸造厂，由阿布扎比酋长国通过主权财富基金Mubadala拥有，在德国和新加坡也有工厂。2019年，该公司取消了在中国成都开设工厂的计划。

虽然美国芯片生产能力相对稳定，但美国以外地区，特别是亚洲地区的产能和产量正在增长。因此，新航预测，到2030年，美国在半导体产能中的份额将降至10%，而亚洲的份额将增至83%。2019年，在全球六个新的半导体生产设施中，没有一个在美国，而四个在中国。

正如“设计”部分的讨论所述，本报告涵盖了三种主要类型的芯片：内存、逻辑和模拟。从下图中可以看出，世界不同地区专注于不同的行业。例如，美国只生产5%的内存芯片，而韩国占44%，中国占14%。72在内存领域，如上所述，中国专注于YMTC的快速扩张，为该公司武汉工厂提供240亿美元的补贴。73该公司的扩张和低价产品对美国存储芯片制造商Micron和Western Digital构成了直接威胁。

在逻辑芯片领域（如计算机和手机微处理器），美国没有生产任何领先（10纳米以下）芯片，而台湾占92%。在其他逻辑芯片节点，美国更强大：它生产43%的高级（10-22纳米）逻辑芯片，以及6%到9%的上一代（28纳米及以上）逻辑芯片，而台湾生产31%到47%，中国生产19%到23%。最后，美国生产19%的模拟/离散芯片，中国17%，韩国27%。74

70 该设施已被安半导体以4.3亿美元收购；ON Semiconductor将于2022年底获得East Fishkill工厂的全面运营控制权。

71 国会研究局。”半导体：美国工业、全球竞争和联邦政策”。2020年10月26日，第22页https://crsreports.congress.gov/product/pdf/R/R46581 （最后访问日期为2021年5月26日）。72 Varas等人，“在不确定时代加强全球半导体供应链”。

73 Stephen Ezell，“受到攻击的摩尔定律：中国政策对全球半导体创新的影响”

74 Varas等人，“在不确定时代加强全球半导体供应链”

半导体制造：风险

下文简要回顾了关键制造特定风险。

•美国在最先进的半导体工艺节点缺乏半导体生产能力，目前只有台积电（台湾）和三星（韩国）在该节点生产5nm的半导体。美国最先进的晶圆厂是由英特尔运营的10纳米[82]，该公司预计在2023年前不会全面生产7纳米，并于2021年1月宣布将使用台积电的“增强型”7纳米或更小的生产线生产其最新图形芯片。[83]因此，美国无晶圆厂芯片公司现在几乎完全依赖亚洲制造商（特别是台积电）生产最先进（7纳米或更小）的芯片。这些应用于新兴行业，如电气化、5G和物联网（IoT）。台积电的5nm（未来为3nm）生产将主要用于满足苹果等公司在移动通信设备中的应用需求。除了生产地理集中造成的供应链风险外，国内缺乏最先进技术的能力也引起了对国家安全的担忧，因为需要安全地获得最先进的技术，以便为某些军事应用提供技术优势。美国缺乏最先进技术水平的生产能力：

•如上所述，除了国外对前沿芯片的依赖外，美国还依赖集中在台湾、韩国和中国的资源，以满足各种非前沿内存和逻辑芯片的需求，这些芯片广泛应用于各种消费和工业应用。这影响了美国供应对其当前和未来国家安全和关键基础设施需求至关重要的各个部门的能力。后缘逻辑芯片用于许多军事和关键基础设施应用，其使用寿命可能比消费类应用长得多。成熟芯片依赖于地理位置集中的国外生产：

•由于中国在电子组装领域的主导地位，美国芯片制造商也严重依赖对中国的销售。中国是最大的半导体市场，其中大部分半导体在最终产品（包括消费类电子产品和电器）中再出口。例如，根据《经济学人》2018年的数据，手机芯片供应商高通公司三分之二的收入来自中国，存储器制造商美光公司57%的收入来自中国。[84]英特尔在2020年报告称，中国占其收入的26%。严重依赖对华销售为中国政府提供了经济杠杆，并有可能对美国进行报复。销售收入对中国的依赖程度：

•中国在全球半导体行业的份额相对较小，其公司大多生产低端芯片。中国最先进的pureplay铸造厂半导体制造国际公司（SMIC）只能在14纳米节点上生产，产能有限。然而，该国正处于主要国家主导的努力中，发展一个本土的、垂直整合的产业，在所有领域都领先2030。中国在2019的半导体晶片容量占16%。但预计到2030年将增长到28%。中国政府将向其半导体行业提供1000亿美元的补贴，包括开发60个新的制造设施。[85]正如供应链“设计”部分的讨论所述，中国已通过补贴大力发展本土内存芯片制造商，以打破对世界三大内存公司的依赖：三星（韩国）、SK海力士（韩国）和美光（美国）。美国内存公司Micron是YMTC的直接竞争对手，并且可能是第一家看到其未来竞争力和创新能力因中国补贴而受到威胁的美国公司。中国引领半导体行业的愿望：

•：国内半导体行业经历了劳动力“老龄化”，同时难以吸引和留住具备必要技能的年轻工人（半导体行业与其他技术公司竞争）。晶圆厂的工人，如工厂技术人员和生产线工人，约占国内半导体劳动力的38%。这些工人维护和操作复杂的制造设备；这些职位通常需要至少一个副学士学位或特定技能的实际操作培训。[86]劳动力挑战

•随着半导体技术的进步，建设下一代晶圆厂的成本显著增加。如上所述，5nm节点的晶圆厂成本约为120亿美元，而3nm节点的晶圆厂成本可能超过200亿美元。为了证明晶圆厂的初始投资和持续投资的合理性，晶圆厂的平均利用率为80%。[87]这是中小型半导体公司大多没有晶圆厂的原因之一，它们专注于半导体的设计和IP，而不必维持持续的晶圆厂业务。晶圆厂成本上升：

•生产知识产权，即在将知识转化为产品的过程中创造的制造专有技术，是研发和所有下游经济效益之间的关键环节。投资于开发生产过程知识产权的制造商只能获得与该知识产权相关的利益以及他们所获得的相关市场份额。与知识产权和其他市场相关的相对巨大的利益通常会永远失去。在某些情况下，相同的IP会被其他人重新开发。在其他情况下，相同的IP被窃取。最后，有时同一个问题通过不同的途径得到解决。所有这三个结果都抓住了一些失去的好处。虽然这一原理适用于所有制造业，但由于加工技术与最终产品应用的高度独立性，这一原理在半导体中更加尖锐。开发新制造知识的独特挑战：

总而言之，尽管美国的生产能力一直保持稳定，但相对而言，美国缺乏足够的半导体生产能力，并广泛依赖台湾、韩国和中国的生产来源。美国严重依赖一家公司——台积电（TSMC）——来生产其产品

领先的芯片，对中国成熟的节点逻辑芯片有很大的依赖性。由于半导体是如此关键的组成部分，脆弱的半导体供应链几乎使经济的每个部门都面临着中断的风险。最近影响全球供应链的事件，如新冠病毒-19大流行、天气相关事件和苏伊士运河堵塞等，表明了防备和供应链弹性的重要性。国内生产能力的缺乏也使满足当前和未来国家安全和关键基础设施需求的能力面临风险。美国。

中国为扩大芯片生产能力而进行的大量投资以及美国劳动力的老龄化也对生产构成了威胁。

半导体组装、测试、封装和高级封装

本节回顾了芯片生产的后端部分ATP以及相关的美国供应基地，并讨论了高级封装供应链，包括当前的弹性和风险。

半导体ATP综述

在后端ATP阶段，芯片组装成成品半导体组件，进行测试，并封装成成品。ATP阶段分为两种模式：（1）由IDM和铸造厂进行，或（2）由专门从事测试和组装业务并按合同提供服务的外包半导体组装和测试（OSAT）公司进行。正如下文所述，虽然美国公司拥有ATP收入的28%市场份额和IDM ATP收入的43%市场份额（其次是韩国、日本和欧洲），但公司已将ATP生产外包给美国以外的设施。台积电（台湾）、联电（台湾）、中芯国际（中国）和XMC（中国）等铸造厂已进入包装业务，以增加其向无晶圆厂客户提供的制造服务，特别是芯片的高级包装。台积电在2012年推出了其第一款高级包装解决方案。[88]2017年，市场上有100多种不同的OSAT。[89]有8种大型OSAT；大多数是中小型玩家。

虽然有一些美国OSAT公司（尤其是Amkor），但美国公司只占OSAT业务的15%（台湾以52%的份额领先，中国紧随其后，占21%），而总部设在美国的Amkor在美国没有生产设施。

传统上，ATP是一种自动化、低价值的业务，需要相当大的占地面积，雇佣的工人大多是低技术工人（随着下文讨论的先进包装技术的引入，这种情况正在发生变化）。因此，这是外包生产的第一阶段（从20世纪70年代开始），主要是外包到东南亚。如今，ATP的大部分活动发生在中国、台湾和东南亚（新加坡、马来西亚、菲律宾和越南）。SEMI和Techsearch确定了2018年全球超过120家OSAT公司和360家包装工厂。在360家工厂中，100多家在中国，约100家在台湾，在东南亚有43个（其他设施在欧洲或美洲）。[90]中国的OSAT生产是当前主流包装技术，但中国正在开发先进的包装技术。”[91]

此外，在测试方面，出于国家安全考虑，半导体技术必须经过鉴定和测试，以在军事温度范围（扩展范围）、抗辐射和恶劣环境下使用。其中包括使用重离子辐射测试基础设施进行单粒子效应（见）测试。美国现有的重离子辐射测试基础设施很脆弱，无法满足当前或未来的SEE测试需求。客户已经经历了漫长的等待时间和不断上涨的测试价格，如果哪怕一个主要设施突然关闭，它也很容易承受巨大压力。”只有不到六个加速器实验室能够产生具有足够离子种类和能量的离子束，以满足SEE测试的需要。”85这影响了测试的可用性，以支持包括卫星在内的空间机构和行业的未来空间任务。

半导体ATP：风险

如今，美国只有全球半导体封装容量的3%（这不包括测试容量）[92]主要由IDM提供，IDM通常在美国境外拥有ATP设施。虽然这一直是供应链中技术含量较低的组成部分，但却是关键的一步。美国对东南亚、台湾和中国ATP生产的依赖使美国供应链面临中断。

半导体高级封装：综述

如上所述，虽然ATP在历史上一直是供应链中的低价值组成部分，但包装正变得越来越先进。几十年来，半导体行业一直遵循摩尔定律，该定律规定半导体上的晶体管数量大约每两年翻一番。如今，芯片扩展的功率和性能优势在每个新节点上都在减少，而每个晶体管的成本却在增加。尽管扩展仍然是一种选择，因为它变得更加昂贵和困难，半导体行业正在寻找替代方案，包括将芯片和/或多个集成电路放入一个封装中。这就是所谓的高级封装。[93]高级封装代表了线宽收缩的替代和补充技术，因为它在封装而不是芯片级提供了更高的芯片密度，并允许在单个封装中集成不同的芯片功能。先进的封装还允许在定制解决方案中增加商用现货（国防部批准）芯片的使用。

高级封装类型包括芯片堆叠技术，特别是针对内存芯片和嵌入式芯片、扇出晶圆级封装和系统封装（将小芯片或多个芯片组合在一个封装中）。[94]逻辑芯片的一种方法是将标准化IP功能分离为不同的、更小的芯片，称为“芯片”，通过单个封装上的标准接口连接。芯片与其他芯片一起工作，因此设计必须共同优化，硅不能孤立设计。[95]美国国防高级研究计划局（DARPA）和海军部以及行业参与者（AMD、Marvell和Intel）已经有许多项目探索这种方法。先进的包装对国家安全具有重大价值，能够分解功能、安全、体积和环境性能，从而允许定制设备用于独特的国家安全应用。

2019年，高级封装占半导体封装总价值的42.6%，预计到2025年将达到半导体封装总市场的近一半。[96]这将是2014年至2025年6.1%的复合年增长率（CAGR），高级包装收入从2014年的200亿美元增加到2025年的420亿美元，增长了一倍多。这几乎是传统包装市场预期增长的三倍，预计2014年至2025年的复合年增长率为2.2%。[97]

高级包装：当前的弹性

排名前10位的先进封装公司包括：两家IDM（英特尔（美国）和三星（韩国））；铸造厂（台积电（台湾））；全球五大OSAT（ASE集团（台湾）、SPIL（台湾）、Amkor（美国）、Powertech Technology（台湾）和JCET（中国））以及两个较小的OSAT：Nepes Display（韩国）和Chipbond（台湾）。这10家公司处理大约四分之三的高级封装芯片。[98]

美国的高级包装主要由IDMs提供，包括Intel、Texas Instruments和Micron。[99]一家美国铸造厂GlobalFoundries也提供高级包装服务。94此外，小型公司，如Micross、Skywater和Qorvo，提供先进的包装服务，以满足利基防御和工业需求。[100]

如上所述，尽管中国目前没有强大的先进封装能力，但它正在开发先进的封装能力，以弥补其缺乏先进半导体生产的不足。[101]

此外，随着先进包装能力和需求的增长，针对《联邦公报》调查通知（NOI）提交的评论指出，美国缺乏先进封装基板（基于印刷电路板技术）和相关供应链的能力，存在漏洞。[102][103]基板供应商位于亚洲。主要基板公司包括：Ibiden（日本）、Naya（台湾）、Shinko（日本）、三星（韩国）、Unimicron（台湾）、深南电路

（中国）、珠海悦雅（中国）和AKM电子工业（中国）。[104]此外，印刷电路板制造业已转移到中国，使中国成为基板供应商更具吸引力的市场。[105]IPC/U.S.Assured Electronics Partnership for Assured Electronics（USPAE）估计，美国在下一代电子应用所需的印刷电路板制造技术方面落后亚洲20年，在印刷电路板制造能力方面落后亚洲30年电路板制造业，如先进微电子封装所需的基板。[106]美国印刷电路板制造业曾占全球总产量的30%以上，但如今只占不到5%。101

半导体高级封装：风险

与高级包装相关的主要风险如下所述。

•虽然中国缺乏强大的先进包装能力，但中国政府在先进包装方面进行了大量投资。在过去几年中，先进封装一直是中国半导体行业的技术重点，国务院的目标是到2015年，先进封装占中国厂商所有封装收入的30%左右。[107]2021年1月，中芯国际新任副董事长表示，中国企业应专注于先进封装，以克服其在降低半导体线宽方面的弱点，这可能表明中芯国际将积极进军先进封装领域。[108]斯蒂芬·希尔伯特，美国半导体封装设备公司KLA的高级营销总监在2018年报告说：“……我们看到OSAT在中国的强劲投资，因为先进的封装能力能够与中国的前端晶圆厂项目相匹配。”[109]中国对先进包装的投资可能会在未来颠覆市场：

•先进的封装基板，基于印刷电路板技术，印刷电路板制造主要位于亚洲，后者主要位于中国。这给寻求在美国投资先进包装的公司带来了挑战。缺乏先进包装材料的能力：

•少数美国公司为国防需求提供先进的包装解决方案，这些解决方案只占市场的一小部分。随着先进的包装能力在美国境外的持续增长，它们将很快超过国防需求量，市场力量将把前沿能力吸引到海外。最终，数量推动创新和运营学习；如果没有商业规模，美国将无法在质量、成本或劳动力方面跟上技术。仅国防需求不足以将先进包装保持在陆上：

总之，美国的后端ATP能力依赖于集中在亚洲的外国资源，这在供应链的这一部分造成了供应链中断风险。随着业界寻求新的方法来补偿在最先进或最小的节点上越来越小的功能尺寸所带来的复杂性、较低的产量和日益减少的边际回报，包装变得越来越先进。而

美国及其合作伙伴拥有先进的包装能力，而中国对先进包装的大规模投资有可能颠覆未来的市场。此外，美国缺乏开发先进包装技术的生态系统。

半导体材料

如上所述，现代芯片制造是一个极其复杂的过程，需要在几个月内完成数百个步骤。在半导体制造的基本投入中，有数百种材料用于制造过程的各个阶段。评估半导体制造工艺的所有输入超出了100天审查的范围。[110]，[111]一家市场研究公司估计，2020年，半导体行业的电子材料、化学品和气体的全球市场价值为183亿美元，预计到2025年将增长至262亿美元。[112]然而，以下简要回顾了某些关键半导体材料的供应链。

多晶硅

半导体的制造过程始于硅，硅是地壳中含量第二丰富的元素。虽然大多数硅用于钢铁和铝工业，但冶金级硅用于生产多晶硅，多晶硅是电子和太阳能工业中使用的一种高纯度硅。半导体供应链从超高纯度的多晶硅开始，纯度为99.999999999%。它通常被称为“11个9”——杂质相当于16个奥运会大小的游泳池中的一粒沙子。为了生产超高纯度多晶硅，硅是在一个非常能源密集的过程中与化学物质如三氯氢硅气体结合的。太阳能工业中使用的多晶硅级别较低，被称为“9 9”纯，太阳能应用占多晶硅需求的90%。[113]

有几家电子级多晶硅制造商在美国制造，包括Hemlock Semiconductor（密歇根）、挪威REC Silicon、德国Wacker Polysicon和日本Mitsubishi Materials America。总部位于美国的Hemlock Semiconductor表示，它有能力将多晶硅产量提高50%，每年产量高达35000吨。109尽管美国目前有生产能力，但据国内生产商称，由于中国加强其在半导体和太阳能供应链中的主导地位，美国半导体级多晶硅的技术领先地位和生产面临风险。由于这些行动，包括对进口到中国的多晶硅征收高额关税，美国多晶硅生产商被切断了与中国市场的联系。中国市场占全球太阳能级多晶硅市场的95%以上。美国目前还没有太阳能行业的直接客户和直接客户。由于半导体级和太阳能级多晶硅的生产工艺密切相关，美国生产商必须能够利用太阳能产品的强劲全球市场，确保半导体材料的持续生产。110根据这些生产商的说法，中国目前占多晶硅产能的70%以上，美国占9%

半导体晶圆

多晶硅生产完成后，必须将其生长成锭状，然后将锭状物切成薄片，制成薄的盘状硅片，芯片制造过程由此开始。美国缺乏将多晶硅转化为抛光空白晶圆的制造能力。由于大多数半导体是由硅制成的，这是一个关键的弱点。

硅晶圆市场的主要参与者能够生产用于最先进半导体晶圆厂的300 mm晶圆，其总部位于日本、台湾、德国和韩国。日本公司在这一领域占据主导地位，估计占56%的市场份额，其次是台湾（16%）、德国（14%）和韩国（10%）。只有弗吉尼亚半导体等小型美国公司生产硅片，尽管一些外国（德国、日本和台湾）公司在美国有生产设施。中国并不是这个市场的主要参与者，生产300毫米晶圆的能力非常有限；据估计，中国企业的市场份额不足5%。[115]

全球半导体行业一直在不断增加使用的硅片直径，因为硅片直径越大，可用于制造的硅片就越多。目前，半导体工业广泛使用300毫米晶圆；一些领先制造商对450 mm晶圆生产的投资进行了探索，但半导体加工工具的制造成本显著提高，预期投资回报降低，导致该方法被放弃。两百毫米晶圆仍然有很大的市场，特别是在商品半导体方面。

关于硅片制造设备，根据针对NOI提交的意见，大多数专用设备，包括用于从多晶硅中生长铸锭的专用炉，称为直拉机或直拉机；以及用于将多晶硅转化为晶圆的特殊材料，包括石英坩埚、石墨部件和切片线；是否在美国独家采购或不生产

国家。[116]

尽管绝大多数商用半导体都是由硅片制成的，但化合物半导体具有不同物理和导电性能的材料薄层，更适合于5G通信、自动车辆、可再生能源和军事系统中的关键新兴应用。这些材料，包括锗、砷化镓（GaAs）、GaN和SiC，继续在硅的温度阈值之外发挥作用，因此可以在尺寸、重量和功率要求较低的情况下提供优异的性能。从历史上看，化合物半导体是为军事或特殊通信和光电子应用而开发的，价格更高。然而，随着它们越来越多地被商业化使用，并且在GaN和SiC方面也有了发展，成本差异已经减小。

美国目前在用于雷达、电子战和通信的微波电子方面处于领先地位。其他国家，特别是中国，正在进行大规模的国家投资，以建立自己的GaN电子能力

美国能源部早就认识到开发电力电子用复合半导体的重要性，并于2015年成立了美国制造业协会美国电力公司。美国电力公司是由60家公司组成的财团，大学和联邦实验室致力于加速在电动汽车、可再生能源和电网等应用中采用美国制造的碳化硅和氮化镓

此外，DARPA还资助了许多项目，重点是磷化铟、砷化镓、SiGe、SiC、GaN和氮化铝，以及最近在超宽带隙半导体方面的工作。[119]除了这项研究投资之外，仍然需要大量的国内铸造厂，因为SiC和GaN的铸造服务主要在海上。[120]

美国是SiC部署领域的全球领导者，使其成为真正的竞争力成功案例，这在很大程度上归功于几十年来美国政府持续大量的投资。美国有本土的SiC公司，也吸引了大量的外国直接投资。Cree Power（美国）或许是前者最著名的例子。关于外国直接投资，英飞凌（德国）近年来通过2015年收购美国公司国际整流器公司和2020年收购赛普拉斯半导体公司，大幅增加了其在美国的业务。

光刻掩模和光刻胶

包括分划板在内的光掩模是包含用于生产集成电路的图案的板。由于定制光掩模通常由最终用户识别，因此它们是半导体供应链中恶意篡改风险最大的领域之一。

随着晶体管越来越小，光掩模也变得越来越复杂，以便将越来越复杂的图案准确地转移到硅片上。掩模的制作过程与芯片本身的制作过程类似，使用电子束光刻机和激光光刻机。在半导体制造工艺的光刻步骤期间，光通过光掩模照射以在晶圆上产生图案。光致抗蚀剂是一种用于形成图案的光敏有机材料，然后施加到晶圆上，然后使用光刻工具将晶圆曝光。在光刻胶中产生的图案然后在晶圆中蚀刻，以产生半导体设计的微小、高度复杂的电路图案。使用EUV技术制造最先进芯片的光掩模与传统光掩模有显著不同。EUV掩模的工作原理是反射光，而不是阻挡光，并使用硅和钼层状衬底，而不是铬和石英。

在大型半导体公司中，光掩模的强制生产很常见。英特尔（美国）、三星（韩国）、台积电（台湾）和中芯国际（中国）都有内部掩模制造业务。然而，无晶圆厂半导体公司依赖于商业光罩制造商，其领导者的总部设在日本、美国和台湾。安全与新兴技术中心

据估计，日本公司控制了53%的商业面具市场，美国公司控制了40%，台湾公司控制了7%

根据CSET供应链研究，日本公司也占据了半导体光刻胶市场的主导地位，估计占有90%的份额。剩下的10%主要由美国和韩国的公司持有。中国本土几乎没有能力生产先进的光刻胶。

超纯和常规化学品和气体

半导体行业有许多化学品和气体供应商，主要公司位于美国、日本和欧洲。外国公司通常在美国设有办事处。大多数化学和气体供应商的大部分业务不在半导体行业。

美国、日本和法国生产半导体气体。目前，六大供应商——

Versum Materials（美国）、SK Materials（韩国）、MTG/TNS（日本）、液化空气（法国）、林德/普莱克斯（英国/美国）和KDK（日本）——控制着大约一半的市场，约50家供应商占据了另一半的市场。[122]

美国、德国和日本是湿化学品的主要生产国。KMG Chemicals（美国）、Avantor（美国）、霍尼韦尔（美国）、巴斯夫（德国）和关东化学（日本）拥有湿化学品60%以上的市场份额。[123]

原料

用于生产晶圆的原材料——包括硅和镓——集中在中国。氦气也很短缺。美国是氦的来源，但它是天然气生产的副产品，因此受天然气价格的影响。121

行政命令（E.O.）14017要求的关键矿物和材料供应链审查中讨论的一些关键材料、矿物和稀土元素用于半导体制造（包括镓和多晶硅）。然而，尽管这些材料对半导体制造工艺至关重要，但这些材料的其他用途是这些材料的消费者[124]，这些材料的问题并非半导体行业特有。

半导体材料：风险

•极其复杂的半导体制造过程需要数百种基本投入，其中许多是原材料、化学品和气体。这些材料有其自身复杂的供应链，可能包含可能中断生产的潜在瓶颈。除了原材料外，化合物半导体材料在商业和军事应用中也越来越重要。在自动化车辆、可再生能源和云计算领域的全球领先地位将需要持续投资于材料研究，以了解和表征独特的材料特性，并以有效利用这些特性的方式加以利用。[125]所需材料种类：

•许多用于半导体制造的材料在美国的产量有限。大部分硅片在日本制造，另外四分之一的供应来自附近的台湾和韩国。此外，包括硅和镓在内的一些原材料主要来自中国。某些特殊投入品，如某些电子级气体和化学品，也限制了国内采购，如果有的话。[126]这些材料的供应中断可能会对半导体生产产生深远影响。对国外采购的依赖：

•除了依赖非美国来源外，许多半导体制造材料的国外来源都集中在东亚。如上所述，镓和铟主要来自中国，硅片、光刻掩模和光刻胶主要来自日本。其他供应源主要集中在台湾和韩国。供应商的地理集中度：

•化学品和气体的远距离供应链可能带来安全和材料纯度问题，半导体制造需要不断输入某些气体和化学品。因此，气体和化学品公司通常在半导体工厂附近进行生产/服务。高纯度湿化学品已经供不应求，因为根据公众评论，低利润率没有刺激扩大产能。[127]化学品和气体的安全性、可用性和运输：

总之，外国供应商在硅片、光刻掩模和光刻胶市场占据主导地位。日本公司在这些行业尤其强大。然而，这些产品在世界各地生产，许多外国总部公司在美国拥有生产设施，为国内半导体制造商提供服务。美国及其盟国生产用于半导体的气体和湿化学品。中国没有具有竞争力的、技术先进的晶圆、光刻掩模或光刻胶本土生产能力。然而，中国是镓的全球领先供应商，镓是氮化镓和砷化镓半导体的基本元素之一。

半导体制造设备

中小企业：概述

SME有多种类型，每种类型用于半导体生产线的不同步骤。有特定于制造裸晶圆（在上面的“材料”中涵盖）、将裸晶圆加工成晶圆上的半导体（前端）、封装（后端）和用于制造光掩模（掩模制造）的设备类型。芯片制造商需要其生产线中所有类型的前端设备。复杂的前端半导体制造设备的成本是半导体制造厂高成本的主要原因（以及建筑成本）。[128]

前端SME包括用于制造步骤的设备，包括光刻、蚀刻、掺杂或离子注入、沉积、抛光或化学机械平坦化。特别值得注意的是金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备，这是一种沉积某些金属薄层的特定类型的沉积设备，主要用于生产化合物半导体，包括基于GaAs和GaN的半导体。后端SME包括用于ATP和高级包装的设备。

中小企业：当前的弹性

中小企业行业由美国（占收入41.7%）、日本（占31.1%）和荷兰（占18.8%）的公司主导。韩国拥有2.2%的份额，其余份额由中国、德国、台湾、以色列、加拿大以及其他东南亚和欧洲国家分享。[129]许多韩国中小企业公司由三星或SK hynix拥有，或者这些韩国半导体公司中的一家是他们的主要客户。[130]尽管有一家中国公司生产各类半导体制造设备，但除了组装和封装设备以及MOCVD外，中国公司在任何类别中都没有显著的份额。

2019年前五大半导体制造设备公司为应用材料（美国-18.8%的世界市场份额）、ASML（荷兰-16.8%）、东京电子（日本-13.4%）、Lam Research（美国-11.8%）和KLA Corporation（美国-6.8%），[131]占世界市场的67.6%（按价值计算）。

如下图所示，虽然美国在大多数前端SME的生产中占有重要的市场份额，但光刻扫描/步进设备是一个显著的例外，它几乎全部由荷兰公司ASML和日本公司尼康和佳能制造。

一个SME可以有100多个零件，SME零件和配件（HS 848690）是该行业最大的贸易类别。根据对制造商的人口普查调查，美国半导体制造设备销售收入的一半用于零件和其他材料。

公司为外国公司销售的设备提供关键部件。值得注意的是，Cymer（美国）为ASML的EUV步进/扫描光刻机制造激光器。ASML于2013年收购了Cymer，但Cymer仍然是位于美国的ASML的一个独立运营单位。此外，上述“材料”一节中提到的一些矿物和材料用于半导体制造设备的制造。

由于有限的市场和客户以及销售的周期性，大多数大型设备公司生产不止一种类型的设备，因此他们可以向客户提供全套设备和保养选项。光刻步进机/扫描仪设备公司，如ASML，由于设备的独特技术，属于例外。Lam Research专注于沉积和蚀刻，东京电子（TEL）专注于沉积和蚀刻，KLA专注于计量和检验。[133]

如上所述，对于光刻，ASML（荷兰）是EUV步进/扫描仪的唯一生产商，EUV步进/扫描仪对于生产线宽小于等于5 nm的集成电路至关重要。然而，目前只有台积电（TSMC）和三星（Samsung）两家半导体制造商在生产中使用EUV机器，成本超过1亿美元。ASML和尼康都生产深紫外（DUV）光刻机，通过光掩模投射光束，并在晶圆上生成光掩模图案的小图像。除荷兰和日本外，美国和其他国家在光刻设备中的份额主要是用于特定低体积芯片或制作光掩模的光刻设备。

日本和荷兰领先的一个例外是MOCVD设备，该设备用于生产非硅材料（如GaN和GaAs）制成的半导体，包括LED、激光二极管和其他光子芯片、功率/射频设备和太阳能电池。如上所述，GaN芯片具有国防意义。MOCVD设备由Veeco（美国）、Aixtron（德国）和

AMEC（中国）。中国试图通过收购获得MOCVD市场的市场份额。2016年，中国实体福建宏晶投资基金（福建宏晶投资基金）试图收购爱克斯顿，该基金是一家为该交易而成立的公司，包括国有和地方国有机构，但在美国外国投资委员会（CFIUS）进行审查后，奥巴马总统阻止了该交易后，潜在收购方放弃了其收购出价。[135]

蚀刻设备排名前三位的公司是美国林研公司、日本东京电子公司和美国应用材料公司。[136]包括AMEC在内的中国公司在蚀刻技术方面有一定的专业知识，可以在除领先优势以外的大多数细分市场竞争，但其市场份额仅为1%左右。135

与前端中小企业相比，美国在后端包装中小企业中的市场份额相对较小（4.9%）。日本拥有最大的包装设备份额（35.7%），其次是中国（22.9%）和荷兰（11.1%）。然而，总部设在美国的Kulicke和Soffa是一家领先的中小企业包装公司。美国和日本是后端测试设备（ATP）的领导者，具有市场占有率分别为33.5%和48.6%。

•即使在广泛使用300毫米线等新技术的情况下，许多类型的半导体，特别是小表面积分立半导体、复合半导体和成熟节点集成电路半导体，设计用于在200毫米甚至更小的晶圆上生产。因此，铸造厂通常都有200毫米和300毫米的生产线，而半导体生产的很大一部分是200毫米或更小的晶圆。目前，200毫米设备短缺，没有任何减少的迹象。目前有200多家工厂在200毫米晶圆上生产半导体，主要用于成熟的节点芯片（350纳米至90纳米）。汽车、消费者（游戏）、无线通信、5G智能手机和LED较小晶圆尺寸的中小企业短缺：

被引用为200 mm容量的驱动需求。此外，模拟、显示驱动器、电源管理集成电路和射频设备使用200mm或更小的晶圆，工业和功率半导体，尤其是GaN或其他化合物半导体，通常使用此类晶圆。一家中小企业公司报告称，尽管从2010年到2015年，200毫米晶圆设备的销售额下降，在200毫米和300毫米之间出现了50-50的预期差距，但需求逆转至2010年的水平。SEMI报告称，2019年，共有五家新的200毫米晶圆厂，七家于2020年开始建设（三家在中国，一家在美国、日本和台湾）。虽然200毫米的设备曾经作为二手设备提供，但这个市场已经枯竭。200毫米的新设备也很难获得，尤其是光刻设备

•如今，新设备的购买将是由于新工厂、新技术、新功能或增加产量的需要，增加了服务和升级的重要性，并将行业整合为具有广泛产品的大型供应商，如应用材料、东京电子和Lam研究。这也使较小的设备公司面临被较大公司吸收或失去对较大公司子公司的销售的危险。行业整合：

总之，美国在大多数前端中小企业的全球生产中占有相当大的份额，但光刻设备生产除外，该设备生产集中在荷兰和日本。美国在全球后端测试设备的生产中也占有相当大的份额。相比之下，美国在全球中小企业后端包装设备中的市场份额相对较小，而中国的市场份额较大。虽然中国目前高度依赖非中国来源的中小企业（包装和MOCVD除外），但它正在提供大量投资，重点生产此类设备。这些投资为受益公司提供了相对于其他公司的重大优势，投资于研发生产前沿芯片设备。

风险评估

半导体制造供应链是如此广泛，包括如此多的材料和工艺，以至于识别半导体供应链的风险实际上等同于识别一般制造业的所有风险。例如，SIA注意到，其一个成员拥有16000多家供应商，其中一半以上在美国境外，并且半导体在到达最终目的地之前可能跨越国际边界多达70次。144因此，本报告中涉及的风险并不详尽，但这是对美国半导体行业面临的主要风险进行广泛分类和总结的一次尝试。

上述许多特定类别的风险通常是更一般的供应链挑战的症状。商务部已经确定了广泛的风险，包括半导体供应链的大多数已确定的威胁：（1）脆弱的供应链(2） 恶意供应链中断(3） 使用过时和过时的半导体以及供应链中公司持续盈利的相关挑战(4） 客户集中度和地缘政治因素(5） 电子产品网络效应(6） 人力资本缺口(7） 知识产权盗窃；（8）在获取创新利益、协调私人和公共利益方面面临的挑战。

脆弱的供应链：大量投入、行业集中和地理集中

半导体制造业的供应链是巨大的。除了晶圆片和光罩等直接可见的输入外，半导体的制造还需要数百种化学品和几十种气体。2018年对两个存储设备制造设施的化学用途进行了研究，发现它们每年使用400多种化学产品，重量超过45000吨。[145]根据NIST，光是半导体生产就可以使用多达49种气体。[146]这些化学品中的许多都有自己广泛的供应链，通常起源于美国境外，或者可能依赖有限或单一的供应来源。

虽然通常不被认为是制造投入，但可靠的水和能源来源对半导体制造至关重要。一位回应NOI的评论人士指出，“一个典型的半导体生产设施每天使用200万到500万加仑的水。”台积电最近宣布计划建造一个工业水处理设施，以更好地隔绝干旱或其他与水有关的干扰，目标是到2024年满足该公司40%以上的每日15.6万吨用水量。[147]

半导体制造的能源需求也很高。设施每运行一小时可能需要高达100兆瓦时的电力，[148]相当于美国普通家庭在九年内消耗的电力。149电力占制造运营成本的30%，获得可靠且价格合理的能源对于半导体制造商的竞争力至关重要。150晶圆厂突然停水或断电会毁坏目前在生产线上的晶圆，制造商为此付出高昂的成本。

对于可以保存在库存中的投入，通过减少库存来节省成本的努力增加了供应链中断的脆弱性。虽然许多公司寻求多个供应商以降低中断风险，但对于某些项目而言，这可能是不可能的。如上所述，半导体供应链的许多环节高度集中，一个或几个供应商主导特定流程或重点领域。其中一个最明显的领域是光刻设备，只有ASML提供EUV设备，前三大供应商（ASML、尼康、佳能）几乎占据了全部市场份额。

美国在无晶圆厂半导体设计方面处于世界领先地位，这引入了外包制造服务的额外供应限制。如上所述，80%的铸造市场份额位于亚洲，几乎全部位于台湾。由于芯片制造服务的潜在供应商数量有限，且地理位置高度集中，自然灾害等单一事件可能导致整个供应链出现重大中断。

事实上，半导体制造供应链的全球化和高度专业化结构，加上地理制造集群的经济效益，增加了自然灾害和人为灾害造成中断的风险。例如，在2020年12月，台湾一家内存厂一小时的停电影响了全球10%的DRAM供应。[149]在最近的一个例子中，德克萨斯州2021年寒冷天气导致的停电导致奥斯汀的三家芯片制造厂短期关闭，受新冠病毒-19影响的供应链进一步紧张。[150]此外，在2021年3月工厂发生火灾后，日本芯片生产商瑞萨电子公司（Renesas Electronics Corporation）表示，该工厂需要100天才能恢复正常生产。这进一步加剧了汽车芯片短缺，因为受影响的生产线三分之二的产量供应汽车芯片。[151]东亚主要集中在关键材料投入和制造工艺，美国半导体制造业集中在德克萨斯州、亚利桑那州和俄勒冈州，单个事件产生重大影响的可能性更高。

半导体以及与半导体制造相关的材料和设备的国内制造、加工和分销可能会受到现行和未来环境法规的影响。受监管实体，包括半导体行业的实体，可能需要确定其供应链中的特定化学品，并在必要时进行研发以减少或更换这些化学品。鉴于本文件概述的供应链的复杂性和挑战，在某些情况下，这可能是一项重大任务。美国环境保护局意识到这些问题，包括评论人士就《有毒物质控制法》下的具体行动提出的问题，[152]，并一直与半导体行业就如何在制定未来法规时考虑供应链影响进行沟通。

恶意供应链中断：插入和假冒

随着芯片复杂性、工艺分离和外包的增加，半导体及其供应链受到恶意破坏的风险也随之增加。根据国防部（DoD）国防科学委员会网络供应链工作组的说法，“在武器系统的生产和部署过程中，或在部署系统的维持过程中，可随时通过供应链插入恶意微电子漏洞。”[153]设计步骤特别容易受到插入更改的影响。这种攻击不需要针对特定的最终用户；由于设计和IP块可以跨数百万芯片使用，经过修改的设计可能会在使用它的所有芯片上插入后门，恶意参与者随后能够针对使用该芯片的系统，因此针对已知最终用户的专门设计可能特别容易受到攻击。在制造专用光掩模和封装的过程中，最终用户也很容易识别。

假冒和重复使用半导体带来了额外的风险。除了整个电子行业系统和终端用户每年遭受1000亿美元的仿冒品受害者的收入损失外，仿冒半导体还可能导致早期或灾难性故障。[154]防御系统和关键基础设施尤其面临仿冒品的风险，因为这些使用通常会对组件施加更大的压力，并对故障产生更可怕的后果。由于假冒半导体可能无法检测到故障和问题，或者可能由于错误读数导致设备错误校准，因此检查、传感和监控也面临着特殊风险。在这种情况下，最简单的伪造形式是重新包装或标记旧的、错误的品牌或不符合规格的半导体。半导体公司已经开发出复杂的产品标记和其他计数器。

国防部于2003年制定了“可信代工计划”，以确保美国政府半导体供应链的完整性。为此，国防部指令5200.44要求“在适用系统中，集成电路相关产品和服务应在定制设计、定制制造时，从国防微电子活动（DMEA）认可的可信供应商处采购，或者针对特定的国防部军事终端用途（通常称为专用集成电路（ASIC））。“由于美国没有领先的半导体制造商或国家技术和工业基地的其他成员，[155]国防部目前无法确保进入安全的供应链。类似地，能源部阿贡国家实验室计划的极光超级计算机也不得不从使用英特尔转向台积电，因为英特尔推迟了7纳米的生产

陈旧半导体的使用以及对供应链中公司持续盈利能力的相关挑战

除了获得用于新系统的前沿芯片外，美国对成熟节点和过时半导体的持续需求也很大。特别是许多防御系统在最初设计之后的几十年内仍在服役，这些系统的维持需要持续的能力来制造和更换不再是尖端的部件。例如，B-2轰炸机使用的芯片在投入使用7年后就已经过时；替换过时的电气部件最终花费了替换整个电气系统成本的近40%。159国防和其他关键系统的寿命通常以几十年计，半导体密度每两年翻一番，美国的国家安全可以依靠几代人的半导体。

此外，对于消费类应用，对芯片的需求持续多年，与领先地位相去甚远，这给持续盈利能力和组件生产带来了挑战。例如，在整个电子生态系统中，汽车和其他电子设备中普遍存在的成熟节点芯片（线宽较大的芯片）受到当前短缺的严重影响。这些处理器的成本相对较低，在许多不同类型的终端用途中执行任务，特别是微控制器。[157]尽管需求持续，建造和运营以旧技术为重点的新制造设施的相对成本很高，并且由于成熟节点生产的半导体设备供应商供应有限而变得复杂。

客户集中度和地缘政治因素：对中国的依赖和潜在的国际冲突

尽管美国在半导体制造能力方面不再领先于世界，但它确实在关键的EDA、IP和SME领域发挥着主导作用。由于世界上大部分半导体制造业都在亚洲进行，这些公司的芯片生产高度依赖美国以外的制造业。他们还严重依赖美国以外的销售收入，这反过来又为前沿芯片的持续开发提供资金，以保持其市场领先地位。如上所述，美国设备公司几乎完全依赖非美国销售，对中国的销售占越来越大的比例。在短期内失去与这些客户的联系可能会产生永久性影响，因为制造商会根据设备供应商重新设计流程。

因此，美国半导体公司，特别是设备供应商和EDA供应商，有可能受到美国和中国之间贸易限制的重大影响，其大部分收入面临长期中断的风险。基于中国政府对半导体行业的雄心壮志，无论从长远来看，这些收入来源都可能面临风险，但考虑到它们对业务的再投资能力直接取决于对中国的销售，它们的长期生存能力会立即受到减少销售的行动的影响。除了中国政府计划成为全球半导体生产领导者外，美国公司目前对中国销售的依赖，是美国半导体行业面临的最大、最一致的风险之一。这种短期依赖性和长期脆弱性突出表明了采取整体方法解决中国半导体生产活动日益集中问题的重要性。中国的计划和行动在下面的“竞争对手行动”一节中进行了更全面的探讨。

除了中国的半导体专项计划外，必须注意的是，世界上大部分最先进的半导体制造设施都位于受地缘政治和地质风险影响的地区。许多制造工厂位于中国大陆和台湾，并由这两个经济体的实体所有，这一事实使世界半导体共同体面临地缘政治行动的巨大风险。即使是轻微的冲突或禁运也可能对美国造成直接的重大破坏，并对美国供应链的恢复能力产生长期影响。

电子产品网络效应：美国微电子生态系统的持续侵蚀

一般来说，电子产品的生产，特别是半导体产品的生产，都受益于所谓的“制造业集群”。类似公司的区域集群通过共享基础设施和供应商，为集群中的公司提供了集聚利益，为其劳动力建立了一个庞大的人才库，[158]在将自己确立为半导体的主要直接客户的过程中，中国确立了一个市场地位，如果不加以遏制，将使其在全球半导体行业的影响力不断增强。

由于许多最大的客户已经在中国，半导体公司有动力在附近建立业务，这反过来又有助于增加在那里建立半导体相关业务的吸引力。2017年商务部对美国半导体行业的一项调查发现，在中国有供应商或客户的公司中，42%的公司也将部分设计或制造外包给中国，而在中国没有供应商或客户的公司中，这一比例为18%。

一个具有启发性的例子是印刷电路板行业，正如2018年国防部报告《评估和加强美国制造业和国防工业基础及供应链弹性》中所强调的：

印刷电路板的案例同样凸显了工业基地面临的日益严重的风险。印刷电路板子扇区为构成电子系统的各种集成电路和组件提供基板和互连。今天，全球印刷电路板生产的90%在亚洲，其中一半以上发生在中国；而美国印刷电路板子行业正在老化、收缩，无法保持最先进的刚性和刚性印刷电路板生产能力。

事实上，2016年，一家主要印刷电路板生产商向商务部报告说，它可以在中国或美国以大约相同的成本建造一个新的裸印刷电路板生产基地，但由于中国存在上下游供应链，因此在中国建立新工厂更符合逻辑，也更有利可图。同样，即使在相同的成本基础上，在中国制造电路板现在已经成为更好的商业选择，随着中国在半导体生态系统中所占份额的增加，美国半导体行业面临的风险将继续上升。

人力资本挑战

美国迫切需要半导体行业的高技能工人。德勤和半导体公司2017年的一项行业调查发现，77%的受访半导体高管认为该行业面临严重的人才短缺，另有14%的企业预计会出现严重的人才短缺。[159]2017年商务部的一项调查也发现，71%的企业将“寻找合格工人”列为2018年至2022年三大预期劳动力问题之一，近一半的受访者将其列为最紧迫的劳动力问题。

在技术劳动力竞争如此激烈的情况下，美国半导体行业高度依赖移民，估计有40%的高技术工人出生在国外。[160]英特尔和美光公司都在2020年报告说，限制移民是招聘和留住人才的一项挑战，从而给他们的业务带来风险。[161]

美国的大学是半导体行业的主要吸引力和人才来源。2020年，国际学生约占半导体相关研究生项目招生人数的60%。[162]随着中国越来越多地寻找外国人才，将这些学生留在美国既有助于支撑国内半导体行业，也有助于防止竞争对手获得超越美国所需的人才。

半导体研究公司（SRC）和行业协会在其关于半导体供应链行政命令查询通知的公开评论中半报告了其针对半导体供应链的外展、教育和培训计划以及建议。[163]知识产权盗窃

除了寻求获得熟练的半导体工人外，有迹象表明，正如信息技术和创新基金会所写的，“通过知识产权盗窃获得外国半导体技术一直是中国战略的关键支柱。”[164]多家中国半导体公司被指控窃取商业机密，包括国有福建金华集成电路公司，Co.[165]对知识产权的非法追诉不仅限于中国：从2012年到2016年，平均每年有100多起涉及半导体专利的诉讼提交给美国地区法院，2016年，通过多方审查程序（2012年启动）向专利审判和上诉委员会提交了类似数量的半导体相关申请。[166]半导体行业依靠知识产权的保护和合理获取。半导体设计和相关EDA工具本质上是IP的应用，美国在这些领域继续领先的能力取决于对IP的充分保护。

相关的关注领域是强制技术转让和半导体生产过程外包导致的知识产权泄漏。在中国政府促进半导体产业发展的计划中，有鼓励或要求向中国企业转让知识产权的政策，包括通过与中国企业合资的方式。美国半导体企业以及美国半导体设计公司在中国生产所依赖的台湾和韩国公司的活动增加，可能导致知识产权从美国公司向中国公司的转移加速。

积极追求和捍卫知识产权反映了半导体行业的整体竞争力水平以及保持竞争优势的重要性。半导体行业是仅次于生物制药的世界上研发最密集的行业；能够从研发支出中获益，以实现未来的持续创新。[167]资本支出也存在同样的动态，因为建造尖端晶圆厂的成本正在迅速增加：摩尔第二定律认为，建造半导体制造设施的成本每四年翻一番。对于那些以尖端技术为目标的公司来说，不利用现有技术可能导致无法投资未来技术。

获取创新利益、协调私人和公共利益方面的挑战

在最佳条件下，私营公司，特别是那些没有获得大规模国家补贴的公司——优化其个体商业条件将带来有效的市场和可持续增长。然而，制造半导体所需的巨额研发和资本支出以及前沿技术的发展速度意味着私人激励和公共利益很容易发生错位。数十亿美元的投资至少需要几年时间才能显示出回报，而不断增长的投资需求降低了私营部门的投资意愿，特别是在需求不确定的情况下。

尽管私人在半导体行业的研发方面投入了大量资金，但这些支出都是针对“D”方面的：应用研究和产品开发，这些都有助于推动摩尔定律的扩展。[168]许多公司没有承担长期风险所需的风险容限，高失败率的基础研究项目是推动全新芯片设计和制造工艺以支持新兴计算方法所必需的。172即使取得成功，单个公司也很难获得与基础科学突破相关的所有经济利益，让他们对尝试更不感兴趣。[169]

鉴于上文讨论的集群和网络效应的好处，停止投资或开始离岸外包的个人决定可能会对行业的其他部分产生负面影响。例如，GlobalFoundries在2018年做出的停止7纳米生产的决定“并非基于公司面临的技术问题，但仔细考虑了该公司7 LP平台带来的商机以及财务问题。”[170]停止7 nm生产的决定可能是GlobalFoundries最有利可图的商业决定，但短期内美国没有任何尖端铸造厂。

这种国内产能的缺乏可能很快会通过在美国投资新能源而得到缓解

美国的制造设施（下文讨论）。正如GlobalFoundries停止7纳米生产的决定限制了国内设计公司的选择一样，英特尔、台积电或三星在国内铸造厂的单方面投资可能会在整个半导体供应链中产生积极的连锁反应。

这些个人决策的更广泛的外部影响在半导体制造业中得到了放大，该行业高度整合，政府干预显著，特别是在中国。当美国公司面临不确定的未来需求时，通常必须削减招聘、资本支出和研发，而中国的公司，无论是否拥有政府直接所有权，都能够在知道中国政府将为该行业贡献数十亿美元的基础上继续投资。

机遇与挑战

机遇：促进对国内半导体制造业的投资

如前所述，美国在半导体生产和制造能力中所占的份额已从20年前的37%下降到目前的12%（按每月晶圆总产能计算）。美国公司，包括主要的无晶圆厂半导体公司，依赖国外半导体资源，特别是在亚洲，造成了明显的供应链风险。此外，令人担忧的是，美国半导体行业目前并没有在美国制造大量尖端集成电路，而是依赖台湾制造这些领先节点半导体。这些尖端芯片是范式转换技术的基础，如人工智能和5G，这些技术已经被国防部认定为国家安全重点。美国的材料也依赖外国来源。

为了解决这些问题，美国政府有机会促进对国内半导体制造设施的投资以及半导体关键投入品的制造。有很好的证据表明，这种情况已经发生：台积电（TSMC）、三星（Samsung）、英特尔（Intel）和GlobalFoundries都宣布了在美国投资半导体制造业务的计划。

•台积电去年宣布计划在亚利桑那州凤凰城地区建造一个先进的芯片铸造厂，投资120亿美元，计划于2024年完工。221该工厂将生产5纳米芯片，月产能为20000片，并将雇佣1600名工人。222

•三星正在考虑投资170亿美元扩大其在美国的生产能力，这将增加3000个工作岗位[208]，预计将于2023年开始运营。[209]工厂扩建的技术细节尚不清楚；一份报告表明，该设施将能够在3nm节点上进行生产。该公司正在寻求在德克萨斯州奥斯汀设立20年的物业税退税，并表示也在考虑在美国（亚利桑那州和纽约州）和韩国设立办事处。

•英特尔于2021年3月宣布，将投资200亿美元，通过在其亚利桑那州钱德勒校区建设两个新工厂来扩大其制造能力。晶圆厂不仅满足英特尔的要求，还将为无晶圆厂客户提供铸造能力。这项投资预计将创造3000个固定的高薪工作岗位

•GlobalFoundries正在寻求联邦和州政府的支持，以补贴或奖励的形式，在其位于纽约马耳他的现有晶圆厂（晶圆厂8）附近建立晶圆厂。Fab 8最近实施了出口管制安全措施，以允许制造≥受《国际武器贸易条例》或《出口管理条例》约束的12纳米装置。[211]

提高国内半导体生产能力不仅有助于解决半导体供应链所有环节的供应链脆弱性，还可能成为高质量、高薪工作的来源。新航估计，半导体行业的每个直接工作岗位产生四到五个间接工作岗位。此外，在美国扩大生产将有助于确保维持一支训练有素的国内核心劳动力队伍。在前沿缺乏生产可能导致在前沿工作的美国工程师缺乏经验，从而使美国在设计专业知识方面处于领先地位。

半导体生产设施还可以支持上下游部门的工作岗位——如电子材料、封装和测试。电子材料制造商已经在美国拥有生产设施；增加半导体生产将鼓励在供应链的这些和其他关键步骤中增加产能和工作岗位。对NOI的几项回应来自美国境外半导体制造设施的现有供应商，并表示他们有兴趣在美国建立工厂以支持新的国内制造设施。[212]

此外，如上所述，美国也缺乏后端芯片处理能力。半导体生产工艺的这一阶段对技术的要求比制造芯片要低，进入这一领域的壁垒也较低。然而，这是芯片制造过程中至关重要的一步，也是中国既有能力又有市场份额的领域，因此有能力故意或无意中断供应链。美国政府鼓励先进芯片封装和测试的政策也可以增强供应链的弹性。这些激励措施可以针对边缘化或经济萧条的社区，这些社区没有从新宣布的芯片生产投资计划中获益。大部分生产在德克萨斯州奥斯汀和亚利桑那州菲尼克斯地区，这些地区已经是技术繁荣的地区。

小型企业管理局（SBA）；几个商务部局，包括

经济发展管理局、少数民族商业发展局和NIST制造业扩展合作伙伴计划；美国进出口银行（EXIM）都有计划、专业知识和资源，可以用来实现扩大国内半导体生产的目标。

挑战

增加国内半导体生产的最大挑战是成本，包括绝对成本和相对于其他国家的成本，如“制造”和“竞争对手行动”以及“联盟/合作伙伴国家行动”部分所述。世界上任何地方的大批量300毫米晶圆厂都可能耗资数十亿美元，而领先的晶圆厂则可能耗资数百亿美元。确定半导体最佳制造地点的最关键因素包括与现有半导体生态系统/足迹的协同效应、获得熟练人才、知识产权保护、劳动力成本和政府激励。虽然美国在前三个因素上表现良好，但劳动力成本更高，政府的激励也明显减少。因此，在美国建造一家新工厂的10年成本可能比在台湾、韩国或新加坡建造同一家工厂的平均成本高出30%—60亿美元，比在中国高出50%。大部分成本差异（估计为40-70%）都是由政府激励造成的。[213]

鉴于全球半导体需求预计将增长，导致2020年至2030年间半导体制造能力需要增加50%以上，美国有机会重新获得更高的晶圆厂产能份额。

机遇：通过研发保持和提升美国在半导体技术方面的领先地位

美国在半导体创新方面处于世界领先地位，推动了几乎所有现代技术的变革性进步，从计算机到手机再到互联网本身。而美国。

半导体设计生态系统稳健且处于世界领先地位，供应链的这一部分面临着上述诸多挑战。具体而言，美国的设计生态系统稳健且处于世界领先地位，但依赖于有限的知识产权、劳动力和制造资源，这些资源对于将产品推向市场至关重要，同时也依赖于持续进行重大研发投资的能力。本节重点介绍与研发相关的机会。

美国政府可以而且必须通过支持研发和解决存在缺陷的领域，在维持美国在半导体技术方面的领导地位方面发挥重要作用。联邦政府对半导体相关研究的投资有可能显著增加美国国内生产总值（GDP），并创造数千个高质量就业岗位。

包括DARPA、国家实验室和NIST在内的联邦科学和研究机构可以带头建立公私合作伙伴关系和财团，推动半导体在材料、设计、建筑和制造技术等科学领域的创新。基础科学研究私人资金的市场失灵意味着破坏性技术突破通常与政府研究项目和联邦政府资助的学术研究相关联。229此外，根据行业数据，公私合作关系将行业联系起来，学术界和政府，并不断向行业成员提供来自世界各地的新想法、新发现和新材料。然而，他们在将这些技术转化为工业生产阶段方面并不那么成功。

两党立法，如《芯片法》，日益认识到保持美国半导体领导地位的重要性以及美国政府实验室在这方面利用其技术专长的潜力。一项广泛、协调良好、资金充足的联邦倡议可以建立在这一日益增长的共识之上。

美国可以与台湾、欧洲、日本和韩国等关键合作伙伴进一步探索与半导体相关的研发机会，美国与这些合作伙伴有现有的科技协议。汇集多个国家的资源有助于促进研发投资，并分散多个国家的投资风险。成功的跨国研发工作的一个例子是EUV技术和设备，30年来，美国、日本和欧洲都参与其中。

挑战

资金是开发下一代半导体技术的主要挑战。半导体的设计和生产已经非常复杂，而且是在亚原子水平上进行的。技术进步正在冲破物理学的壁垒，突破现有限制的突破将涉及巨大的成本。因此，政府、工业界和学术界必须建立广泛的伙伴关系，共同努力实现这些目标，因为企业单独实现这些目标越来越困难。美国在半导体相关研究方面的投资需要在当前水平上大幅增加。研究对于推进半导体设计至关重要，联邦政府在半导体研究方面的投资只占研发总额的一小部分。相反，包括中国在内的其他政府正在增加研究投资。

另一个挑战是确保各联邦参与者（和私营部门参与者）之间的协调，以最大限度地减少重复工作，并最大限度地提高潜在的投资回报。

机遇：创造途径支持供应链沿线的国内半导体就业

半导体行业提供了从科学家、工程师到制造业工人等各个层次的就业机会。扩大国内半导体生产并保持其技术优势需要强大的国内劳动力。拥有大专或以下学历的工人在直接和间接工作中都有机会。其中一些机会需要通过学徒、职业和技术教育计划进行专门培训。

大部分直接工作岗位，特别是前沿生产岗位，需要学士学位或高级学位，年薪超过17万美元。230

资料来源：2015年和2016年美国社区调查公众使用微数据，美国商务部231

制造业工作包括电气技术员、装配工、测试员、机械师和一线主管。这些工作可能非常适合注册学徒制和社区大学项目。半导体公司与社区学院合作，可以开发特定于生产线的培训计划，这将使行业、当地社区和个人受益。培训计划、就业机会和半导体生产工作的一部分应该提供给传统上代表性不足的人口以及该国经济萧条或非工业化地区。

为了更好地让学生为专上课程做好准备，公司还可以与州和地方层面的职业和技术教育（CTE）项目合作，开发技术准备项目。

230 “参与支持更强劲的美国就业增长”（半导体行业协会，2021年5月）。

231 2015年和2016年美国社区调查公共使用微观数据，美国商务部，美国人口普查局，表1.11按STEM详细职业划分的25岁及25岁以上工人的教育程度，20152016，NAICS 3344中人口最多的STEM职业收集的数据。

大多数CTE课程面向学校或地区的所有高中生，培养学生的学术、技术和就业技能，为学生在劳动力和高等教育中取得成功做好准备。

新工厂的建设为熟练的建筑工人创造了就业机会。如果《芯片法案》得到充分资助，晶圆厂的扩建、升级和建设预计将创造22000多个就业机会。此外，该投资预计将创造数万个间接就业机会。[214]

总的来说，行业分析表明，该行业五分之一的工作不需要大学学位。233然而，随着制造业工具和加工变得越来越先进，制造业工作越来越需要长期的教育和培训投资。前沿晶圆厂在很大程度上依赖于拥有学士学位或更高学历的工人。专有数据表明，领先晶圆厂75%至90%的员工拥有学士学位或更高学历，50%至60%的工程师拥有高级学位。

美国拥有高技能劳动力的优势。大学在包括微电子在内的技术领域已经很强大，美国国家实验室也是世界一流的。这些机构中有许多依赖于外国出生的学生和工人。

挑战

美国迫切需要半导体行业的高技能工人，增加对前沿生产的投资将增加这一需求。电气工程师尤其短缺，这是半导体工人的最大类别之一。德勤和SEMI在2017年进行的一项行业调查发现，约60%的受访者认为难以填补空缺

工程职位。其他被确定为难以填补的职位包括计算机科学家、软件工程、机械工程、计算机系统工程、材料科学与化学

美国依靠外国出生的工人来填补这些空缺。更广泛地说，美国半导体行业40%的高技能工人出生在国外。[216]许多在美国院校攻读这些学位的学生都是在外国出生的，尤其是在高等学位方面。2020年，国际学生约占半导体相关研究生课程入学人数的60%。[217]

通过大幅增加对训练有素工人的需求，《芯片法》条款可能会立即引起业界对更多外国出生学生和工人的呼吁。在美国，电气工程师在一系列行业中的需求量都很高，新工程师需要大量的学术和在职培训。然而，《芯片法》的条款也创造了一个机会，如果不是一个动力的话，那就是将半导体制造商聚集在一起，共同解决他们所面临的最严重的技能短缺问题。目前半导体制造业的地理集中，主要集中在亚利桑那州、加利福尼亚州、俄勒冈州和得克萨斯州，可以促进合作，以确定共同的技能需求和途径。建设新的半导体工厂需要多年的努力，同时，这些公司可以建立必要的教育和培训计划，为美国工人做好准备，并解决非裔美国人、拉丁美洲人和女性在半导体技术领域代表性严重不足的问题。

拥有科学、技术、工程和数学（STEM）学位的工人在美国劳动力市场上备受垂涎，美国是STEM毕业生分流率最高的国家之一。例如，即使是许多美国电气工程专业的学生，也会从事该领域以外的工作，如咨询或银行业。雇佣外国出生、在美国接受过培训的电气工程师和其他STEM工人是确保雇佣挑战不会破坏芯片法条款支持的扩张的一种选择。此外，随着中国越来越多地寻找外国人才，将这些学生留在美国既有助于支撑国内半导体行业，也有助于防止竞争对手获得超越美国所需的人才。英特尔和美光都在2020年报告称，限制移民是招聘和留住人才的一大挑战，因此对其业务构成了风险。[218]对外籍员工的战略招聘必须与雇主驱动的培训美国员工的公私投资相平衡。

机遇：在一系列半导体相关问题上加强国际参与与合作

半导体供应链中最先进的技术环节集中在作为美国盟友和合作伙伴的国家之间，这一事实为在半导体相关问题上形成合作、多边的方法创造了机会。这些国家有许多相同的担忧，包括供应链脆弱性、技术领导力的重要性以及与中国的愿望背道而驰。与这些志同道合的国家的持续合作将促进出口管制政策、国际研究伙伴关系的协调，并通过建立多样化的供应商基础来改善供应链的脆弱性。在这些问题上的国际参与对于促进美国工业的“公平竞争环境”是必要的。虽然工业供应链和投资几乎完全属于美国私营部门的权限，但日本、韩国和台湾却并非如此，它们在政府和私营部门之间有着长期的工业协调历史。因此，美国政府直接参与协调在日本、台湾和韩国的美国商业和工业伙伴之间建立工业伙伴关系的工作至关重要。

机会：鼓励私营部门开发和实施“最佳实践”，以降低半导体供应链风险

提高半导体行业和最终用户部门的私营企业对全面供应链审查重要性的认识，有助于确定关键材料的唯一/单一来源，并使供应商/工厂/地区多样化。

许多追求利润的公司以最小化成本、减少库存和提高利用率为目标做出供应商决策。然而，这种方法可能不具备吸收供应链中断的灵活性。此外，公司可能没有充分意识到其供应链对自然或政治现象造成的潜在全球冲击的脆弱性。考虑到材料来源地的数量、制造作业的地理位置以及运输路线，供应链风险管理可能会很复杂。

“最佳实践”供应链方法可以帮助公司识别风险并确定其优先级，然后制定监控和管理风险的政策。提高全球供应链的透明度和了解，还可以对工人权利和环境责任等因素进行评估。

机遇：新兴技术的国内生产可以推动美国对半导体的需求

如上所述，供应链各个环节的美国半导体公司，包括EDA供应商、中小企业供应商和芯片制造商，高度依赖国外销售，尤其是对中国的销售。这是因为芯片生产集中在东亚，而中国是半导体的主要消费国。根据SIA的数据，中国约占全球半导体消费的24%，美国约占25%，这使得美国和中国成为全球最大的两个半导体消费国。[219]而目前美国和中国的需求大致相当，在未来五年内，预计中国的需求将继续增长，表现将超过世界其他地区。[220]这将增加美国半导体制造商对中国销售的依赖性，如上文所述，短期和长期的金融脆弱性将面临风险。

与商业市场相比，国防部的可信微电子市场微不足道。但对微电子安全性的需求远远超出了国防部采购中需要可靠组件的那一部分。随着市场意识的提高和相关风险的缓解，可信赖的微电子市场可能会扩大几倍。换句话说，如果关键基础设施、大众运输、5G网络、工业物联网、互联车辆和医疗设备发展出更高的安全要求，市场和成本结构将发生重大变化。

随着美国追求下一代技术的领先地位，并投资于高速宽带基础设施、电动汽车、电网恢复能力和发电现代化等关键基础设施项目，作为这些技术关键的半导体需求将增加，国内生产可以部分满足这一需求。培育国内对这些前沿产业的开发、生产和需求，将为前沿半导体技术和生产提供“锚”。这将有利于国防部和国家安全，因为与商业市场相比，单独的国防需求很小。随着半导体越来越多地嵌入到整个经济的技术中并成为其不可或缺的一部分，安全的供应链对美国经济和国家安全的重要性与日俱增。

机遇：应对气候挑战

半导体行业对于应对美国和全世界面临的气候挑战至关重要。未来使用100%清洁能源的电网将建立在半导体技术之上。通过对国内半导体研究、开发和生产的投资，美国将在实现零排放目标的竞争中处于领先地位，并在实现这些目标所需的产品、设备和技术方面具有竞争力。

同样，半导体是未来计算密集型电动汽车的关键。一个强大的半导体供应链，将加速美国制造清洁汽车的能力，并将这些汽车用于美国和全球道路。

机遇：利用污染预防计划提高半导体制造业的可持续性

美国半导体制造商及其供应商可以通过更多地参与旨在减少其行业环境足迹的努力，来建立市场并提高恢复力。有几项努力有助于减少或抵消该行业的排放。

半导体制造商可以提高其氟化温室气体（F-GHG）的销毁效率，并实施工艺改进以减少这些排放。电子产品环境评估工具（EPEAT）是一种全球生态标签，帮助购买者识别和采购更可持续的电子产品，它鼓励在EPEAT注册的计算机产品中使用300毫米晶圆厂制造的半导体，以减少其以公吨CO2为基础的F-GHG排放。半导体制造业使用并能排放多种F-GHG。其中一些F-GHG是高强度的温室气体，一磅一磅地在大气中捕获的热量是二氧化碳的23000倍，可以在大气中保持数千年。根据EPEAT计划，计算机可以获得额外的分数和更高级别的注册（银或金），以使用减少F-GHG排放的晶圆厂半导体，从而将制造过程中的F-GHG排放量减少90%以上。美国政府是世界上最大的信息技术（IT）产品购买者之一，需要采购EPEAT注册产品，向IT部门发出强烈的需求信号，以鼓励制造和销售更可持续的电子产品。全球各地的采购商都以美国联邦政府为榜样，也在寻找EPEAT产品，作为其可持续采购计划的一部分。环境保护署保守地估计，减少半导体制造过程中释放到大气中的FGHG可能导致全球二氧化碳排放量从基线水平减少约1000万公吨，美国二氧化碳排放量从基线水平减少约200万公吨。

绿色电力合作计划减少了污染以及与传统用电相关的健康和环境负面影响。在2020年报告年度，合伙企业100强合作伙伴名单上确定的三家半导体行业公司共使用了6581859722 kWh的绿色能源；两家半导体制造商100%使用绿色电力。

美国各地的污染预防中心可以获得资助，以扩大其任务范围，包括在半导体工厂或行业供应链中开展预防污染的研究和推广活动。EPEAT标准的计划更新将提供一个机会，进一步鼓励向更可持续的半导体制造转变。应该考虑联合行业减少碳排放的努力，将其转化为半导体行业，超低碳太阳能联盟就是其中之一。这项工作旨在减少太阳能材料中嵌入的碳。类似的材料和工艺也被用于半导体制造，在这里可能会有环境收益的机会。应考虑新的资金来源，以研究半导体行业废物流在本行业和其他行业的回收和再利用。

随着国内半导体相关工厂的建设或扩建，以解决供应链的脆弱性，并确保美国在这一关键技术方面继续保持领先地位，也有机会将其建成下一代设施，他们消耗的能源正朝着风能和太阳能等零碳能源的清洁能源发展（清洁能源标准）。

建议

一个安全而有弹性的半导体供应链需要整个国家的努力，将私营部门、政府、大学和其他非营利组织以及工人的资源和创造力汇集在一起。本报告提出了七套主要建议，以扩大和确保美国半导体供应链：

1. 与工业界合作，促进投资、透明度和协作，以解决目前的短缺问题

2. 为美国筹码条款提供充足资金，以促进美国的长期领导地位

3. 强化国内半导体制造生态系统

4. 支持供应链上的中小企业和弱势企业加强创新

5. 建立人才管道

6. 与盟友和合作伙伴合作，建立恢复力

7. 保护美国的技术优势

1.与工业界合作，促进投资、透明度和协作，以解决当前的半导体短缺问题：

目前的半导体短缺是多种因素造成的，包括与新冠疫情相关的全球需求意外变化，以及扰乱特定主要半导体制造中心的事件，如2021年初德克萨斯州的风暴导致数家半导体制造厂关闭。美国和全球生产继续调整以解决短缺问题；然而，短缺继续对美国工人和消费者产生负面影响，对美国经济前景构成持续的不利影响。虽然私营部门必须在短期内率先解决短缺问题，但美国政府可以通过促进投资、透明度以及与行业、合作伙伴和盟友的合作来帮助缓解当前的短缺。

•4月，商务部发起了一项倡议，召集供应链沿线的行业利益相关者，以增加沟通和透明度。通过这些会议，业界认识到政府可以发挥有益的支持作用，加快信息流动，发现数据缺口和投资机会。商务部应该支持这项工作，潜在地利用商务部供应链竞争力咨询委员会、国土安全部网络安全部的召集权商务部应加强与工业界的合作，以促进半导体生产商、供应商和最终用户之间的信息流动：

以及基础设施安全议程的部门协调委员会或其他努力。私营部门应继续发挥主导作用，包括通过确定激励供应链中各公司之间信息共享的方式。

•迄今为止，美国政府机构开展了广泛和高级别的外交活动，以确保公平的芯片分配，并确认最大限度地提高了盟友和伙伴国家的半导体制造能力。美国政府应继续与盟国和合作伙伴合作，鼓励增加产量，并向美国企业公平分配供应，同时阻止囤积和其他可能延长当前短缺的活动。政府还应继续其商业外交，以促进外国公司在国内半导体行业的投资。这些努力最近取得了成功，例如，美国和韩国宣布建立伙伴关系，以增加全球汽车成熟节点芯片的供应，并支持两国的领先制造业。政府应加强与盟友和合作伙伴的接触，以促进公平的半导体芯片分配，增加生产，并鼓励增加投资：

•半导体制造商和供应商以及终端用户行业的公司都可以降低自然灾害或事件造成阻碍或停止整个供应链的风险。此外，如本报告所述，由于供应链复杂，半导体存在恶意插入和假冒的风险。解决这些风险的具体建议如下：在中期内，政府应推动各公司采用有效的供应链管理和安全措施：

o公司应（1）做出合理努力，对中断的供应进行情景规划，并使来源多样化，以包括多个或低风险区域(2）考虑不断变化的产品设计，以使芯片使用更加灵活；3） 加快产品升级周期，降低搁浅产品的长尾风险(4） 确保形式和功能的向后兼容性，以便可以用较新的芯片替换较旧的芯片；（5）签订合同，允许根据需求的意外变化调整数量。

o为了减少运输和物流问题的影响，在下订单之前，公司应创建风险调整需求的场景，以便在决定订单数量时考虑不同场景。为了进一步协助这些工作，公司可以利用能够更好地了解可用物流能力的技术平台。

o NIST应继续与行业合作伙伴合作，以确定供应链挑战并提供潜在的解决方案，包括通过与行业在供应链保证方面的合作，这将产生示例实现，以证明购买的计算设备在制造和分销过程中是否是真实的和不变的。

2.通过在2021财年NDAA中为美国筹码条款提供全额资金，提升美国的长期领导力和恢复力。

拜登·哈里斯政府赞扬国会在2021财年NDAA中批准两党合作的美国芯片条款，从而认识到强大的国内半导体制造和研发能力的重要性。作为第一步，国会应该为筹码条款提供至少500亿美元的资金。生产激励措施应支持美国在领先芯片生产方面的领导地位，确保关键行业的成熟节点供应链，并确保国内以及盟国和合作伙伴生产的产品的安全。

•与美国就业计划提案一致，建设或扩大半导体设施的联邦激励措施是必要的，以应对外国盟友和竞争对手提供的大量补贴。NDAA授权商务部向私人实体或公私联盟提供财政援助，以资助、建设、扩建或现代化设施，支持半导体制造、ATP和先进封装。这些激励措施应该支持跨多个节点的生产。投资应支持维持半导体行业竞争力所需的前沿逻辑产品的生产，以及关键行业和国防需求所需的成熟节点逻辑芯片、模拟和离散芯片的生产，以及存储器芯片的生产，面对中国在内存行业投资的增加，这需要支持。制造业：

•国会还应为研发的基本投资提供资金。根据NDAA的授权，这些资金可以支持NSTC，以推进下一阶段的创新、高级封装和集成、新材料、架构、工艺、设备和应用的研究，最重要的是，弥合研发和商业化之间的差距。这些资金可以支持NIST建立新的项目，以促进在岸先进包装和测试能力的发展。拨款也可能支持国防部新的或扩大的研发项目。例如，国防部的资金可用于继续或扩大DARPA电子复兴计划的研发，包括实验室到制造项目。这些努力应与NSTC研发计划和优先事项紧密结合。研究和发展：

•NDAA授权设立一个多边半导体安全基金，如果获得资金，该基金应支持安全半导体和安全半导体供应链的开发和采用。这应该包括与盟国的联合研发计划。该基金由国务院运营，将支持与外国合作伙伴的外交努力，以调整出口管制、外国直接投资筛选、供应链安全、知识产权保护和补贴透明度要求等政策。多边基金：

3. 强化国内半导体制造生态系统

如本报告所述，半导体制造业的生态系统对于培育强健和可持续的商业半导体行业至关重要。美国政府应采取以下措施推进这一目标：

•国会应通过拜登总统的美国就业计划中的建议，除了半导体研究和制造以及关键供应链工作的要求外，将通过投资于发电、输电、清洁能源、宽带和电动汽车等关键半导体行业，推动美国对半导体的需求，进而刺激私营部门的投资。此外，清洁能源和水资源的投资应该抵消新半导体制造设施的能源成本——这两者都是半导体制造业的关键投入。投资支持半导体制造所需的基础设施：

•o国会应授权并资助激励措施，以支持关键上游产业，包括半导体制造设备、材料和气体以及整个供应链的下游产业。有了额外的授权资金，商务部可以为此类设施提供财政支持，进出口银行可以为有足够出口联系的设施提供贷款或贷款担保，SBA贷款和计划可以支持小型国内供应商。支持半导体制造供应链中的私营部门投资。

o SelectUSA为寻求在美国投资的国际和美国来源的外国企业提供的服务可用于吸引半导体制造供应链的投资。SelectUSA服务包括市场研究产品，如研究和位置报告服务、投资咨询、向州级经济发展组织介绍以协助组织土地和相关基础设施、教育和配对活动，以及协助引导联邦监管系统。

• 为与国家安全需求相关的国内芯片生产提供重点支持：

o国防部应支持分析SEE测试需求的研究，以确定新SEE测试设施的建设是否需要额外投资。

o有了额外资源，国防部应增加投资，升级现有设施的SEE测试能力，以满足需求，并通过购买SEE测试的批量购买。

o国防部应投资于抗辐射微电子数据收集、存储和分析服务，以支持协调、集中的国防部SEE测试资源管理活动。

4. 支持中小型半导体企业，包括弱势企业

中小型供应商代表了参与半导体和相关设备制造的大多数美国公司，并将受益于专门支持，以增加其市场份额和恢复力。他们的需求是多样的，从证明新兴技术的研发资金、支持商业化的融资，到抵制掠夺性外国收购行为的支持。这个

管理部门应帮助小型企业扩大规模并连接到商业生产，包括通过现有的SBA计划，针对半导体供应链中有前途的领域，如设计、半导体制造设备、材料、生产服务、制造、材料、组装、，“测试和包装”和高级包装。此外，政府应该帮助新技术商业化，将投资目标锁定在有前途的后期创新者身上。

•大型联邦研发机构（国防部、商务部、能源部）应以一致和协调的方式使用小企业创新研究/小企业技术转让（SBIR/STTR）计划，以表明对美国的承诺和兴趣。研发资金：

创新和新兴技术，尤其是半导体行业相关领域的初创企业和小型企业。这可用于建立广泛的实践社区，有意将创新型小企业纳入其中，并扩大与大学加速器的联系，包括历史上的黑人学院和大学（HBCU）以及少数民族服务机构（MSI），以推动技术进步。

•有前途的小企业应得到联邦机构的支持，以扩大其业务规模，通过清晰的“增长链”将这些企业与商业价值链联系起来支持商业化：

•SBA应通过提请小型企业投资公司计划中的私人投资者注意作为债务和股权投资的潜在来源，协助美国小型半导体公司；并帮助这些公司利用低成本贷款计划获取营运资金、建立库存、拉动内需、收购外国所有者和投资者、为设备采购融资和扩大设施。满足增长的资本需求：

•进出口银行可以为有足够出口联系的设施提供资本投资贷款或贷款担保，并为出口的美国商品和服务提供贷款和贷款担保。进出口银行还可以协助满足资本需求：

5. 为半导体行业的工作建立一个多样化且易于获取的人才渠道

美国政府和国会应该做出重大投资，以发展和多样化STEM人才管道，这对美国半导体制造业和许多其他行业至关重要。它还应扩大部门伙伴关系，通过这种伙伴关系，雇主与培训提供者、中介机构、工会和社区组织合作，创造就业机会的途径。培训应该与严格的劳动标准相结合，包括自由公平地选择加入工会和集体谈判。

•为此，ETA应继续向为工人提供高技能就业准备的合作伙伴提供培训补助金和工具，包括：劳工部（DoL）就业和培训管理局（ETA）应支持半导体行业基于行业的就业途径。

o ETA应提供H-1B技能培训补助金，以支持关键领域的培训合作，包括半导体制造。这些补助金应针对退伍军人、军人配偶、过渡服役人员和适用部门中任职人数不足的人群，包括妇女、有色人种、涉及司法的个人、残疾人、，以及其他存在就业障碍的人群，这些障碍阻碍了进入中高技能H-1B职业。

o政府应使用ETA基金与工业和劳工、社区学院和非营利合作伙伴合作，通过其注册学徒计划支持半导体就业途径。通过行业和劳动力驱动的合作关系，学徒制提供了高质量的职业道路。

o ETA应继续促进半导体行业相关能力模型的使用并提供技术援助，如与SEMI和其他主题专家合作开发的先进制造能力模型。

在与ETA协商后，SEMI目前正在为先进制造能力模型制定额外的详细级别，描述半导体行业特有的行业技术能力。未来几个月，ETA计划在其能力模型交换所网站上发布更新后的模型。

o美国就业计划通过职业培训促进职业准备计划创造部门就业。国会应该为这些投资提供资金，这些投资将针对半导体制造等高增长行业和部门。投资将支持行业合作伙伴关系的形成、行业培训计划的发展和规模扩大，以及建立以行业为中心的职业中心。该计划还将提供支持，使培训的提供现代化，包括使用在线模式。劳工部将向劳动力系统实体、教育机构、雇主/行业团体、劳动管理伙伴关系、社区组织和工会的联合体提供补助。投资还可用于提供综合服务和支持，帮助工人成功完成培训计划。虽然该计划主要针对职业生涯早期的工人，但它可以用来将更多代表性不足的社区引入这一技能型劳动力队伍，并开始建设管道

o国防部应投资于战略性公私学术合作劳动力发展模式，重点关注1）定制课程，以满足国防微电子人才需求；2）国防工业基地和美国机构的招聘。

•将顶尖STEM人才流失给竞争对手国家会损害美国的竞争力，尤其是当工人在美国大学接受教育时，会适得其反。在为半导体生产奖励提供资金的同时，国会应通过增加高技能签证的数量，解决包括工程师和计算机科学家在内的高技能半导体工人的迫切需求，取消国家对就业签证的限制，并免除高技能STEM人才的就业签证上限。国会应于2021年1月20日通过拜登总统提出的《美国公民法》。该法案的相关措施：保留并支持外国工人填补半导体劳动力的基本缺口:

o增加就业签证的总数，并免除配偶和未成年子女签证持有人的绿卡上限。通过增加每年发放的签证数量，并收回未使用的签证，该法案将清除基于就业的签证积压，减少可能长达数十年的等待时间。

o取消每个国家的签证上限，最终增加来自中国和印度等大国的高技能人才的机会。

• 建立一个由工程师和计算机科学家组成的多元化管道，这需要多年的STEM教育：

o国会应投资于中学和高中的循证CTE项目，以确保学生准备好在各个领域取得成功，包括高级STEM领域。资金应该增加获得计算机科学的机会，并在中学和高中创建高质量的职业路径计划，优先考虑让学生获得大学学分或获得文凭的模式，以及将代表性不足的学生与STEM和需求领域联系起来的模式，包括利用学校、社区学院和雇主之间伙伴关系的项目。

o国会应增加对在STEM领域有消除种族不平等记录的机构的投资。哈佛商学院和部落学院和大学（TCU），以及诸如拉美裔服务机构和亚裔美国人和土著美洲太平洋岛民服务机构等MSI总共招收了600多万本科生，其中400万是有色人种学生。拨款应：包括专门用于HBCU、TCU和MSI的研发拨款；确保HBCUs、TCU和MSI的学生拥有最先进的设备，包括升级的实体实验室、计算能力和网络；创建200个卓越中心，作为HBCUs、TCU和MSI的研究孵化器，提供研究生奖学金和其他机会。

6. 在半导体供应链弹性方面与盟友和合作伙伴合作

深化与盟友和合作伙伴的接触，以支持更具弹性的全球半导体供应链，并从全球半导体制造业最不可或缺的国家开始分享额外研发的好处。具体建议如下：

•商务部应鼓励联合和合作伙伴铸造厂和材料供应商在美国以及联合和合作伙伴地区投资，以提供多样化的供应商基础。

•机构间应促进研究与发展伙伴关系和政策协调，以解决不公平的贸易做法和产业政策。

•跨机构应继续就供应链问题与盟友和合作伙伴合作。这包括通过四边形安全对话（美国、印度、澳大利亚和日本），该对话最近宣布了一项关于半导体供应链的对话，以及通过与大韩民国的双边接触促进相互补充的半导体投资。

7. 保护美国在半导体制造和先进封装供应链方面的技术优势

•出口管制通过识别可增强军事、情报和安全能力的技术来保护美国国家安全；并为美国及盟国和伙伴国的技术领导做出贡献。具体建议如下：确保出口控制支持半导体制造和高级封装供应链：

o管理部门应针对和实施出口管制，以支持政策行动，识别和解决半导体制造和先进封装供应链中的漏洞。

o政府应针对关键半导体设备和技术实施出口管制，以解决某些供应链漏洞。政府还应努力与主要供应商盟友和合作伙伴就有效的多边控制进行合作和协调。总之，这些控制措施将通过限制相关国家的先进半导体能力来保护美国的国家安全利益，同时保持美国半导体行业的领导地位。

•与出口管制类似，CFIUS对半导体行业相关外国投资交易的审查包括对特定交易的威胁、脆弱性和潜在国家安全后果的分析。CFIUS基于风险的分析可以包括与供应链弹性相关的因素，如目标美国企业在具有国家安全影响的供应链中的作用。具体建议如下：继续确保在半导体制造和高级封装供应链中，出于国家安全考虑对外国投资进行审查：

o在进行审查时，CFIUS应该继续考虑该交易对半导体制造和国家包装安全供应链中的国家安全漏洞的影响。

o经修订的《国防生产法》授权，并符合适用的保密要求，CFIUS应继续酌情与外国合作伙伴开展强有力的外联活动，以分享有关行业和收购趋势及威胁的信息，并鼓励盟友和合作伙伴实施强有力的基于国家安全的投资筛选制度。这些机构间努力将继续实施该战略，以建设其审查、减轻、禁止或要求撤资可能威胁国家安全利益的外国投资的能力，并分享信息，使美国和我们的合作伙伴能够更好地识别和应对跨国风险。