整理自——mckinsey

芯片微縮之爭愈演愈烈，半導體公司需要一個新的戰(zhàn)略，從芯片的大小到供應鏈問題都要考慮。

半導體是科技界的無名英雄，在幕后為從玩具、智能手機到汽車和恒溫器的一切事物提供動力。近年來，它們促成了人工智能和機器學習等突破性技術的出現(xiàn)，這些技術改變了我們的生活和工作方式。要把數(shù)字革命提升到下一個水平，就需要擁有更強計算能力和存儲能力的更先進的芯片。

隨著COVID-19危機對供應鏈的破壞和地緣政治緊張局勢的加劇，半導體公司對實現(xiàn)尖端技術的端對端設計和制造能力越來越感興趣。許多政府都有同樣的興趣，并試圖支持本國的半導體市場。但是新的晶圓廠和廣泛的研發(fā)計劃需要數(shù)十億美元的投資，這對生產(chǎn)前沿技術至關重要。在這些方面的失誤，松懈的成本控制，或者低于預期的需求，都可能嚴重降低，甚至會使公司的投資回報率消失。領先的芯片設計和制造還需要在研究、供應鏈、人才和知識產(chǎn)權(quán)保護方面的強大支撐，以及駕馭政府政策的能力。盡管半導體公司可能在其中一些任務上表現(xiàn)出色，但很少有公司具備全面的頂級能力。

考慮到建立工廠基礎設施和提高員工技能需要延長時間，半導體公司需要一個實現(xiàn)設計和制造卓越的長期戰(zhàn)略，這需要將制造問題、設備成本和增強內(nèi)部能力等因素納入考慮范圍。

半導體設計和制造的復雜性和成本逐步增加

在過去的十年里，對尖端技術領導能力的需求已經(jīng)從一個模糊的目標轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽w公司的絕對需要。摩爾定律速度有所放緩。隨著復雜性的增加，芯片上的結(jié)構(gòu)尺寸縮小了。

只有少數(shù)公司有能力設計和制造節(jié)點尺寸為14納米及以下的先進芯片，因為在設計、研發(fā)、縮放和其他工藝中需要大量的技術和投資。與此同時，對這些芯片的需求正在飆升。在包括人工智能和機器學習在內(nèi)的一些主要細分市場中，由于它們結(jié)合了強大的性能和較低的功耗，所以14nm以下的芯片至關重要。

除了少數(shù)人之外，所有人都面臨著一個艱難的市場

半導體行業(yè)穩(wěn)定的技術改進記錄創(chuàng)造了贏家通吃的格局，如果你能在在幾個領域一枝獨秀那將變得很了不起。如果一家公司的產(chǎn)品或服務比競爭對手的稍好一點，它通常就會占據(jù)行業(yè)收入的很大一部分，甚至是絕大部分。這種現(xiàn)象在從設備生產(chǎn)到芯片制造的整個價值鏈上都很明顯。想要挑戰(zhàn)巨頭可能很難趕上，因為那些先進的企業(yè)往往在技術發(fā)展方面領先好幾年。

我們對2015年至2019年的254家半導體公司產(chǎn)生的經(jīng)濟利潤進行分析，贏家通吃的影響變得顯而易見(表1)。我們的分析涵蓋了所有類型的行業(yè)參與者，從設備和材料供應商到為不同終端市場制造專門芯片公司。我們發(fā)現(xiàn)，在從2008年金融危機中復蘇之際，許多公司的經(jīng)濟利潤都出現(xiàn)了強勁增長，盡管它們的利潤率與過去的水平相似。

在調(diào)查案例中，有幾個廠商因其極高的經(jīng)濟利潤而顯得格外亮眼。這些頂級公司大多專注于前沿技術，并繼續(xù)努力追求更小、更高效的半導體。一般來說，頂級公司專注于一個產(chǎn)品部門或價值鏈中的一個步驟，因為實現(xiàn)和保持研發(fā)和制造的領導地位需要付出巨大的努力。

一項特定的業(yè)務——或者一個地區(qū)內(nèi)的一組企業(yè)——可能會成為專業(yè)知識的中心。

英特爾——在臺式機和筆記本電腦cpu市場上占據(jù)主導地位。

高通——智能手機系統(tǒng)芯片市場的強者。

臺積電——芯片制程的領先者。

ASML——光刻機一家獨大。

三星——內(nèi)存市場處于領先地位。

NVIDIA——在美國主導著顯卡市場。

此外，幾乎所有用于半導體制造的特殊化學品都來自日本。日本和韓國公司生產(chǎn)了大部分的硅片。

雖然專業(yè)化帶來了競爭優(yōu)勢，但它也意味著半導體公司和相關業(yè)務高度相互依賴。如今，沒有一家本地市場或公司具備端到端半導體設計和制造所需的全部能力。如果供應鏈出現(xiàn)類似今年因疫情危機而發(fā)生的嚴重中斷，就可能出現(xiàn)生產(chǎn)瓶頸，某些芯片可能出現(xiàn)供應短缺。

投資過高，回報滯后

在制造和研發(fā)領域的領導地位不僅僅是贏得市場的主要武器;也是成本控制的關鍵。在過去的十年里，這個武器比以往任何時候都更加重要。

首先，考慮工廠建設。目前，建造和裝備5nm生產(chǎn)線的成本約為54億美元，是10nm生產(chǎn)線成本(17億美元)的三倍多。大部分緊密架構(gòu)需要更高的精度。例如，光刻現(xiàn)在使用極端紫外線，就增加了工具的成本。

研發(fā)方面。隨著芯片變得越來越小，研發(fā)工作變得越來越具有挑戰(zhàn)性，因為研究人員要處理量子效應、微小的結(jié)構(gòu)變化和其他可能使研發(fā)復雜化的因素。設計一個5納米制程芯片的成本，從驗證到IP認證的各個環(huán)節(jié)約為5.4億美元。這遠遠高于設計10納米制程芯片所需的1.75億美元和7納米芯片所需的3億美元。我們預計研發(fā)成本將繼續(xù)上升，特別是對于尖端產(chǎn)品。

盡管半導體公司必須為新晶圓廠投入數(shù)十億美元，但它們的投資不會立即看到回報。建造一個Fab和安裝所需的工具大約需要12到24個月，再加上另外12到18個月才能達到滿負荷生產(chǎn)。如果需求超出預期，或者成本超出預期，那么預期回報可能會遠低于預期。

如何建立尖端晶圓廠同時控制成本

為了使風險和潛在回報更加清晰，我們創(chuàng)建了一個簡化的模型來預測半導體公司何時能從新晶圓廠獲得利潤。該模型并沒有提供精確的成本洞察，而是被設計為對獲得投資回報的時間線給出一些一般性的估計。該模型側(cè)重于以下因素:

經(jīng)折舊時間、資本成本和其他因素調(diào)整后投入的資本支出(capex)

按工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品的平均售價計算的年平均營收

運營支出，包括公用事業(yè)、勞動力和材料，因為這將影響公司償還初始資本支出的速度

政府支持的數(shù)量——這是決定公司何時實現(xiàn)盈利的最關鍵因素之一

模型表明,在高利用率的情況下, 半導體公司可以期望在大約五年內(nèi)，即使沒有政府的支持，從他們的新晶圓廠也會獲得正現(xiàn)金流。然而，如果晶圓廠的利用率低于產(chǎn)能，這個時間框架可能會顯著增加。在極端情況下，產(chǎn)能利用率低于約55% - 65%，并維持在這一水平，企業(yè)可能處于可怕的境地。即使在最好的情況下，也就是獲得政府高額補貼的情況下，以55%的產(chǎn)能運營，也需要近十年的時間才能看到投資回報。

在如此大的風險下，半導體公司必須在開始建廠之前徹底調(diào)查產(chǎn)品需求，包括可能的長期變化。如果他們決定繼續(xù)下去，他們還應該嘗試通過兩種策略來降低每片晶圓的成本:工廠規(guī)模和產(chǎn)業(yè)集群。如前所述，它們還應考慮任何政府補貼的影響，因為這可以大大縮短達到收支平衡點的時間范圍，使投資更具吸引力。

工廠規(guī)模

如今，半導體制造商通常會建造擁有大量生產(chǎn)線的大型晶圓廠。就在幾年前，一個每周啟動20,000片晶圓的工廠(wafer starts per week —wspw)還是一件大事。現(xiàn)在，領先的晶圓廠常規(guī)規(guī)模化生產(chǎn)，達到10萬wspw規(guī)模。

除了增加產(chǎn)量，大型晶圓廠還帶來了許多其他優(yōu)勢。在建造階段，每平方米的成本較低。A廠的空殼在總投資中所占比例相對較小;在新晶圓廠，真正的成本驅(qū)動因素是潔凈室技術和制造設備。

在建設階段之后，大規(guī)模的運營可以降低成本，提高勞動生產(chǎn)率，降低每片晶圓的成本。例如，企業(yè)可以集中一些生產(chǎn)職能，如工業(yè)工程，以及一些支持職能，如人力資源和會計。運營兩家較小晶圓廠將在每個廠址擁有重復功能，成本也會更高。勞動生產(chǎn)率也將提高，因為直接制造的員工，如維修和工程團隊，將有更少的停機時間。如果一個地區(qū)或生產(chǎn)線運行緩慢，他們很可能需要其他地方的服務。這些較低的管理成本，加上更大的產(chǎn)量帶來的更大利潤，將增加半導體的利潤。

規(guī)模的擴大還將幫助半導體公司提高整體設備效率(OEE)，即生產(chǎn)時間的總量。需求高峰和下降將會趨于平穩(wěn)，因為一個工廠將會為多個客戶服務，并且高吞吐量工具的利用率將會提高。更重要的是，半導體公司將能夠生產(chǎn)更多的產(chǎn)品，并向捆綁訂單或需要大量訂單的客戶提供批量折扣。

如果公司不能擴大現(xiàn)有的工廠或不想建立一個大型工廠，他們可以在一個地區(qū)設立多個工廠以獲得規(guī)模效益。他們?nèi)詫⒛軌驅(qū)⒃S多職能集中起來，并根據(jù)需求在工廠和生產(chǎn)線之間調(diào)動員工。

擴展可以幫助半導體廠商標準化流程，并減少與時區(qū)或語言差異相關的問題。大型晶圓廠在與當?shù)毓陶勁袝r，也將擁有更大的影響力，因為它們將購買更多的量。規(guī)模化將幫助企業(yè)識別和分享從大量生產(chǎn)經(jīng)驗中獲得的最佳實踐。

工廠聚集效應

在建廠時，位置是最重要的考慮因素之一。在可能的情況下，半導體公司應該在產(chǎn)業(yè)集群中建立新的設備，即幾個半導體公司或相關企業(yè)已經(jīng)在一個相對較小的區(qū)域內(nèi)建立了強大的存在。這些集群創(chuàng)造了一個互利環(huán)境，鼓勵合作，促進企業(yè)之間的協(xié)同作用。集群參與者可以獲得比獨立運營的單個公司更高的性能水平和更大的國際知名度。

產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展的地方，例如，在美國境內(nèi)，在硅谷、鳳凰城、紐約北部和奧斯汀都有芯片制造和設備集群。其他集群包括中國、德國、日本、新加坡、韓國和臺灣。集群通常由一個或多個世界級的制造商和附近的研究機構(gòu)領導——這個集群吸引了中小型企業(yè)，并最終創(chuàng)建了一個支持研究和制造的生態(tài)系統(tǒng)。擁有合適技能的潛在員工會被吸引到該地區(qū)，位于產(chǎn)業(yè)集群中的半導體公司也將有機會獲得更大的人才庫，而當?shù)貙W術機構(gòu)可能與當?shù)毓居新?lián)系，從而為學生招聘提供便利。如果企業(yè)從附近的供應商那里接收零部件或其他投入，供應鏈中斷的風險也會降低。

產(chǎn)業(yè)集群可以幫助參與者降低成本，因為它們創(chuàng)造了共享公用事業(yè)和物流成本的潛力。例如，幾個公司可能能夠使用相同的倉庫，或者將它們的交付合并到單個貨物中，企業(yè)間亦可互幫互助。

當?shù)胤秸吹疆a(chǎn)業(yè)集群的增長，并且對區(qū)域經(jīng)濟變得越來越重要，他們可能更有可能補貼工廠建設，投資于前沿研發(fā)，或者提供稅收優(yōu)惠來降低運營成本。最重要的是，這種支持可能會激勵半導體領導者成為產(chǎn)業(yè)集群的一部分。

為有潛力的半導體設計和制造創(chuàng)造環(huán)境

除了要有一個穩(wěn)固的戰(zhàn)略來擴大和聚集晶圓廠，半導體公司必須發(fā)展長期的計劃來改善他們的研究、供應鏈和人才功能。同時，他們必須學會如何駕馭不斷變化的政府政策，確保知識產(chǎn)權(quán)得到保護。

促進前沿研究

半導體公司明白他們的成功取決于他們的研發(fā)項目的實力，特別是在縮小結(jié)構(gòu)尺寸的同時提高芯片性能的能力。但COVID-19危機帶來的全球經(jīng)濟不確定性可能嚴重打擊行業(yè)收入，減少用于創(chuàng)新的內(nèi)部資金。鑒于許多尖端半導體創(chuàng)新的發(fā)展時間很長，外部投資者也可能會退卻。以極端紫外線技術為例，該技術在1995年前后獲得了第一筆研究資金。25年后，終于投入生產(chǎn)。半導體研究也有很高的風險，因為公司經(jīng)常調(diào)查未經(jīng)驗證的技術和流程。例如，半導體公司可能會將他們的業(yè)務擴展到量子計算，但是很難預測這種技術的需求何時會加速。

在這種環(huán)境下，政府對研究的支持

可能會成為成功的關鍵。企業(yè)可能不得不加緊努力，以確保公共資金，并在選擇工廠地點時有所考慮。如前所述，考慮到它們對當?shù)亟?jīng)濟的重要性，屬于某個行業(yè)或特定公司集群的公司可能更容易獲得公共資金。

通過密切跟蹤學術界和初創(chuàng)企業(yè)的研究活動，包括關于新材料和新技術的發(fā)表，企業(yè)還可能獲得更多的研發(fā)優(yōu)勢。這有助于確保半導體公司不會忽視潛在的市場動向。

最后，半導體公司應該通過對其活動采取全面的、跨投資組合的觀點來加強研發(fā)。他們應該對研發(fā)項目的優(yōu)先順序有一個清晰的邏輯。如果半導體公司持續(xù)監(jiān)控研發(fā)支出，重新安排資源的優(yōu)先次序，并確保資金投入到未來可能有高需求的領域，它們將實現(xiàn)收益最大化。

增加供應鏈彈性

半導體公司從世界各地的供應商那里獲得零部件和設備，少數(shù)供應商在某些產(chǎn)品和服務市場上占據(jù)主導地位。這些因素使得半導體公司很容易受到供應鏈中斷的影響。如果一個主要供應商不能交付產(chǎn)品或在最后期限前交貨，生產(chǎn)線可能會陷入停頓。如為應對COVID-19大流行而實施的全球封鎖，會產(chǎn)生更大的影響。

此外，半導體需求的不穩(wěn)定加劇了供應鏈風險。為了應對意外的短缺，企業(yè)需要能夠迅速調(diào)整的靈活而有彈性的供應鏈。從多個供應商采購關鍵部件可能會增強供應鏈的彈性; semicos可以儲存必要的組件和材料，以防范未來的破壞。

雖然這些措施可能會保持生產(chǎn)，但也會提高成本。目前，在新冠肺炎危機造成大規(guī)模動蕩之際，這樣的支出或許是合理的。然而，從長期來看，semicos必須通過密切監(jiān)控供應鏈、識別弱點并建立解決戰(zhàn)略來提高彈性。例如，他們可以識別并提高當?shù)毓痰募寄埽鳛殛P鍵資源的第二個供應來源。確切的解決方案因業(yè)務而異，因為每個公司都有不同的需求和供應商網(wǎng)絡。

獲得全球人才

不屬于產(chǎn)業(yè)集群的半導體公司可能難以招聘到員工，因為當?shù)氐娜瞬艓炜赡軣o法提供足夠的具有正確專業(yè)知識和專業(yè)知識的人才。如果企業(yè)不能加入一個集群，他們可以招募更多的外國人才。一些政府可能會在這方面提供幫助，例如放寬簽證要求，以刺激本地半導體市場。或者，企業(yè)可以考慮在東歐或印度等新地點建立研發(fā)中心。盡管一些地區(qū)可能缺乏芯片設計人才，但它們提供了豐富的軟件開發(fā)人員。隨著軟件在半導體工業(yè)中越來越重要，半導體公司可能會通過將他們現(xiàn)有的芯片設計專業(yè)知識與新的軟件能力相結(jié)合而獲得競爭優(yōu)勢。

引導政府政策，保護知識產(chǎn)權(quán)

政府以多種方式支持本國半導體產(chǎn)業(yè):制定有利于增長的法規(guī)，為創(chuàng)新提供資金支持，為吸引人才創(chuàng)造有利環(huán)境。理想情況下，政府應該始終如一地維持這種支持，但過去幾年，許多地方的政策發(fā)生了頻繁變化。其中一些措施對該行業(yè)不利，比如限制熟練工人進入的移民規(guī)定。但各國政府最近也表達了對支持本國半導體行業(yè)的愿望，一些國家還提供了新的補貼。時刻關注政策變化并迅速調(diào)整的半導體公司可以幫助其業(yè)務保持健康增長并捕捉新機會。

為保護自己的知識產(chǎn)權(quán)，半導體公司同樣應該對專利環(huán)境保持關注。這種保護的必要性比以往任何時候都更大，因為其他行業(yè)的許多新參與者，包括汽車公司、超大型企業(yè)、智能手機公司和初創(chuàng)企業(yè)，已經(jīng)開始開發(fā)自己的芯片并為其申請專利。如果沒有可靠的知識產(chǎn)權(quán)政策，半導體公司可能難以維持創(chuàng)新，因為回報期太長。

制造前沿芯片是一個具有挑戰(zhàn)性和成本密集型的過程，需要在研發(fā)方面進行巨額投資，在工廠建設方面的支出甚至更多。為了在半導體設計和制造方面達到卓越，同時又能控制成本，公司需要一個戰(zhàn)略計劃來進行研發(fā)投資，并有可能建立新的晶圓廠。它們還必須考慮與政府獎勵和補貼有關的機會，以及它們作為一個半導體集群的成員可以獲得的有利的網(wǎng)絡效應。這些措施，結(jié)合供應鏈、知識產(chǎn)權(quán)和其他關鍵領域的改進措施，將有助于半導體公司在競爭日益激烈的環(huán)境中實現(xiàn)卓越的制造能力。