深度:美中摩擦或重塑全球半导体格局

安东尼奥·瓦拉斯(Antonio Varas)、拉吉·瓦拉达拉然(Raj Varadarajan)

本文摘译自波士顿咨询的报告《How Restrictions to Trade with China Could End US Leadership in Semiconductor》,主要谈了美中之间的贸易关系如何影响全球半导体格局。

在数字转型和人工智能时代,强大的半导体产业对于美国的全球经济竞争力和国家安全至关重要。美国长期以来一直是全球性的半导体领导者,占有45%至50%的份额。美国的领导地位建立在一个良性的创新周期上,创新周期依靠进入全球市场来达到为超大型研发投资提供资金所需的规模,从而使美国技术始终领先于全球竞争对手。

不包括中国工厂为外国公司提供的制造支持,中国公司占全球半导体需求的23%。如今,中国的半导体产业(不包括外国半导体公司在中国建立的制造工厂)仅能满足其国内需求的14%。我们估计,“中国制造2025”计划将在2025年之前将中国的半导体自给率提高到约25%至40%,并将美国在全球的份额降低2至5个百分点。

对中国获得美国技术的广泛单方面限制可能会大大加深并加速美国公司的份额侵蚀。(请参见图表1。)已有成熟的非美国供应商可以满足中国70%以上的半导体需求。在接下来的三到五年中,美国公司可以:

• 如果美国继续遵守现行《实体名单》所规定的限制,则将失去8%的全球份额和16%的收入。

• 如果美国完全禁止半导体公司向中国客户出售产品,那么全球市场份额将损失18个百分点, 其收入将损失37%,这实际上导致技术与中国脱钩。

• 这些收入下降将不可避免地导致研发和资本支出的大幅度削减,并在美国半导体行业中损失15,000 至40,000个高技能直接工作。

这样做的结果是:韩国可能会在几年内超过美国成为世界半导体领导者。中国可以长期获得领先力。正如在通信网络设备和其他技术领域的经验所表明的那样。一旦美国失去其全球领导地位,这种动力就有效地扭转了该行业的良性创新周期,并使美国公司陷入竞争迅速下降,市场份额和利润率下降的下行漩涡。较低的研发投入将抑制美国半导体产业的发展。最后迫使他们依靠外国半导体供应商。

为了避免这些负面结果,政策制定者必须设计解决方案,这些解决方案应同时解决美国国家安全问题并保护美国半导体公司的全球市场准入。这是久经考验的创新模型的基本支柱,该模型将使该行业继续实现技术突破。对于美国的经济竞争力和国家安全至关重要。

半导体产业对美国的战略重要性

强大且财务状况良好的半导体产业对美国具有重要的战略意义。半导体使技术突破能够推动经济增长,对国家安全至关重要。

一、实现技术突破。


在过去的三十年中,半导体行业一直是信息和通信技术(ICT)连续革命性发展的核心。反过来,ICT的突破已成为经济增长的推动力,使美国自1988年以来在生产率增长和实际GDP增长方面都大大优于其他高收入国家。美国半导体技术使这些技术的进步成为可能也已经到达了世界其他地区。例如,移动通信已成为历史上全球采用最快的技术,其全球经济影响估计超过1万亿美元。

在过去的三十年中,每个芯片的晶体管数量增加了近100万倍,处理能力提高了450,000倍,并且每年降低了20%到30%的成本。这项技术进步的飞速发展,使它从1980年代的大型机过渡到2010年代的智能手机。如今,全球有超过50亿消费者拥有智能手机,该智能手机的计算能力比NASA用来将Apollo 11送入月球的大型计算机更强大。这样做的结果是,自1987年以来,半导体(工业收入占全球名义GDP的百分比)增长了2.8倍。全球半导体需求以年均8.6%的速度增长,并在2018年达到了4,750亿美元。

我们现在正处于由技术驱动的全球经济另一次大规模变革的早期阶段:数字化转型和AI时代。增强型/虚拟现实体验,无人驾驶汽车,物联网(IoT)和工业4.0系统等革命性应用程序以及智能城市正逐渐成为商业现实。实现这些新应用中的每一个都是半导体技术的进步,其中包括:

• 传感器实时收集丰富的上下游数据

• 5G技术可为数十亿个设备提供安全的高速,低延迟无线连接

• 高性能处理单元,为具有机器学习能力的计算机提供动力

• 各种边缘计算设备中内置的高级低功耗处理器,可以执行非常复杂的任务,例如计算机视觉和自然语言理解。此外,半导体行业目前正在测试首批量子计算原型,其运行速度可比当前计算机快1亿倍。量子计算可以彻底改变需要大量计算强度的领域:例如人工智能和网络安全。

二、 维护国家安全。

半导体工业在1950年代起源于美国国防工业。尽管如今美国国防部(DoD)约占该行业收入的1%,但电子组件在国防和武器系统中无处不在,因此这个领域对于美国军事能力仍然至关重要。《 2018年美国国防战略》列出的国防现代化重点包括微电子,5G和量子科学,这是需要美国投资的战略领域。其他优先领域,例如网络安全,人工智能,自动驾驶系统和高级成像设备,也高度依赖于先进的半导体。(请参见图表2。)“这些技术的优势……是阻止或赢得未来冲突的关键,”美国国防研究与工程部副部长迈克·格里芬(Mike Griffin) 在《国防新闻》最近的一篇文章中写道。

随着数字化连接的电子系统对于管理先进武器系统以及关键基础设施和信息变得越来越重要,能提供可靠和安全组件的可信赖半导体供应商对于国家安全变得更加重要。为此, DARPA率先开展了一项为期多年的电子复兴计划。该计划的重点是通过与美国公司建立公私合作伙伴关系来设计用于军事用途的半导体设计和基础技术。同时,国防部正在倡导“可信赖和有保证的微电子”等计划,以确保用于国内供应的价值链制造层的安全。该计划在2020年的90种国防部研发计划中占第二位。

建立美国半导体领导者的良性循环

根据Gartner的数据,2018年美国半导体公司(包括在自己的工厂中设计和制造产品的集成设备制造商(IDM),以及依靠独立代工厂制造其芯片的无晶圆厂设计公司)在全球半导体市场中提供了约48%的份额。而在从PC和IT基础设施到消费电子产品的所有最终应用市场中,美国在32种半导体产品类别中的23 种中均处于领先地位。(参见图3)


美国半导体公司将这一市场地位成功转化为强劲的财务业绩。在过去五年中,它们为股东带来了近14%的年均回报率,比标准普尔500指数高出4个百分点,截至2019年11月,它们的总市值约为1万亿美元。财务实力对于使该行业在未来继续对R&D进行大量投资至关重要。

确,美国半导体行业在全球的领导地位归功于大规模研发投资带来的卓越技术和产品创新。半导体是由高度先进的制造工艺生产的高度复杂的产品。改进通常需要在硬科学上取得突破,而这些突破需要很多年才能实现。在过去的十年中,美国半导体行业在研发方面的投资为3,120亿美元,仅在2018年就达到390亿美元,几乎是全球半导体研发总投资额的两倍。就其本身而言,美国政府在基础研究方面进行了大量投资,这有助于弥合学术突破与新的商业产品之间的鸿沟。但是,与其他国家相比,美国的政府投资多年来一直持平或下降。(请参见“赢得未来:维持美国半导体技术领 导地位的蓝图”,半导体工业协会,2019年4月)技术领先地位使美国公司得以建立创新的良性循环。大量的研发工作带来了卓越的技术和产品,进而带来了更高的市场份额,通常还带来了更高的利润率,从而助长了良性循环。(参见图4)

这个良性循环的核心在于两个因素:R&D强度和规模。从历史上看,美国半导体公司一直将其收入的约17%至20%用于研发,大大高于其他地区的半导体公司的7%至14%。实际上,2018年美国半导体公司的研发强度水平在美国经济所有部门中排名第二,仅次于制药/生物技术部门。

规模是创新良性循环的第二大支柱。2018年,美国半导体产业的产值达到2260亿美元,远远超过其他竞争地区的半导体产业。它的规模是韩国半导体产业的两倍,是日本的五倍,是欧洲的六倍,是中国的十五倍。

开放进入国际市场是规模发展的关键要求,因为美国国内市场仅占全球半导体需求的不到25%。美国约80% 的行业收入来自对包括中国在内的出口市场的销售,根据美国国际贸易委员会的数据,中国约占全球需求的23%。如果按价值计算,半导体是2018年美国第四大出口产品,仅次于飞机,成品油和原油。

全球开放还使美国半导体行业能够利用高度专业化的资源来制造日益复杂的产品。例如,在一家耗资150亿美元的晶圆厂中,我们的高精度设备需要大约1500个步骤才能制造出领先的7纳米芯片。尽管美国公司可以在价值链的设计和设备层上广泛依赖美国本土的半导体生态系统,但它们也依赖外国合作伙伴提供各种电子材料。用于某些过程的设备;以及用于制造,组装和测试芯片。没有哪个公司或国家具有控制整个供应链的技术能力。(参见图5)

 

加剧国外竞争

尽管在全球范围内拥有明确的领导地位,但美国半导体行业仍面临着巨大的竞争。因为类似智能手机,个人计算机和消费电子等终端产品都拥有很短的周期,但是他们占有一半以上的半导体总需求,那就意味着美国半导体公司必须每年进行激烈竞争才能赢得每款新一代设备的供应合同。

在全球32条半导体产品线中,有18条(占全球总需求的61%)线中至少有一家非美国公司的全球市场份额为10%或以上,这使其有可能成为替代美国的可行选择。美国公司甚至在某些他们几乎垄断的产品领域(例如中央处理器(CPU),图形处理单元(GPU)和现场可编程门阵列(FPGA))中的表现也很脆弱,虽然他们目前在这些领域中所占的市场份额合计超过90%。但是随着全球的大型客户越来越多地为其数据中心设计一种被称为专用集成电路(ASIC)的定制芯片,他们优化了这些芯片以在自己的大型硬件设备中使用,这些硬件设备是为涉及大量数据处理(例如AI,计算机视觉和加密货币挖掘)的特定用例而构建的。

尤其是,美国半导体公司的竞争日益激烈,来自韩国和中国的市场份额自2009年以来分别增长了12个百分点和3个百分点。与此同时,美国公司在美国本土市场也面临着越来越激烈的竞争。欧洲和日本领先的半导体公司通常通过大型收购来加强投资以扩大其产品组合和业务。

南韩

韩国份额的增长部分反映了对存储器产品的需求激增,来自该国的两家公司(三星和SK海力士)是全球领导者。三星还在显示驱动器,图像传感器和集成移动处理器等广泛的其他半导体产品方面进行强力推广。这些业务既为三星不断扩大的消费电子产品和网络设备的硬件产品组合提供供货,同时又是其他设备的商户供应商制造商。三星为韩国的增长做出了贡献。在2019年3月,总统文在寅指示政府采取措施,提高该国在存储器市场之外的全球半导体行业的竞争力。

中国

中国则自2000年代初期以来,在半导体设计领域一直取得稳步进展。但回到当时,中国在这个领域几乎没任何影响力。几十年来,发展国家半导体产业和减轻对外国供应商的依赖一直是中国的政策重点。根据中国半导体工业协会(CSIA)的数据,在过去五年中,在中国运营的半导体公司的报告总收入每年以超过20%的速度增长。除了外国半导体公司在中国的活动,据估计,2018年中国公司在全球半导体销售和半导体制造领域仅占3%到4%的整体份额,其中,中国在无晶圆厂设计方面的进步最为显著:首先,中国Fabless在过去几年里净增,CSIA的报告显示,该国目前有1,600多家本地公司,在全球市场中所占份额总计为13%,而在2010年,这个数字为为5%。

在需求方面,尽管行业报道和媒体经常使用各种较高的数字来指代中国市场的规模,但我们认为,由中国原始设备制造商(OEM)生产的设备中所包含的半导体组件的价值是最好的。这是衡量中国半导体真正需求份额的方法。按照这一指标,中国目前占全球半导体需求的23%。这意味着,美国半导体公司仅占中国终端设备制造商总需求的14%(如图六)。

中国政府之前还制定了一个称为“中国制造2025”的计划并设定了一个宏伟的目标——实现半导体自的给自足。其目标是到2025年使国内供应商满足该国70%的半导体需求。虽然中国现在并没有太多谈这个,但他们正在利用各种政策手段,包括组建由国家支持的投资基金,为本土的半导体开发和制造提供资本。迄今为止,中央和地方政府已对该计划承诺了约1200亿美元的规划。此外,中国还积极寻求海外人才和并购机会。

尽管中国离实现自给自足的目标还很遥远,但它似乎在半导体设计的几个关键领域取得了重大进展:

•华为的全资半导体子公司海思(HiSilicon)成立于2004年,其设计的芯片可为公司的大多数智能手机和越来越多的5G基站提供动力。海思半导体(HiSilicon)在2018年2月推出了其首款5G芯片组Balong 5G01,它声称这是全球首款符合5G标准的商用芯片组。在2019年10月,华为宣布已开始生产不含美国组件的5G基站。

•自2018年中以来,至少有九家中国大型消费电子公司紧随华为的脚步,宣布了内部开发芯片计划,以为其数据中心,智能手机或IoT设备赋能。

•几家中国公司正在生产基于替代架构的服务器,这是该国开发替代本地数据中心生态系统的努力的一部分。

•成立于2013年的中国公司比特大陆已成为全球设计的先驱,该公司提供适用于加密货币和区块链应用的高级定制芯片。

•在人工智能方面,包括百度,阿里巴巴和腾讯等多家大型中国新兴设计公司,企业硬件供应商和具有深厚软件专业知识的互联网巨头正在投资开发自己的具有硬件和软件集成的高级ASIC芯片。

•在存储方面,成立于2016年的清华紫光集团子公司长江存储旨在凭借自己的专有架构在新兴的3D NAND闪存领域取得突破。

•在制造方面,中国计划在未来五年内将其装机容量翻一番,届时他们将占全球新增产能的25%以上。再加上目前在组装和测试服务领域的强势地位,制造业产能的大规模扩张可能会使中国大陆在2023年之前成为全球最大的半导体输出地区。预计中国公司将约占这一新增国内产能的60%,其余的差能由外国公司在中国建造。因此,预计中国公司在半导体制造(包括代工厂和IDM)中的全球份额将从2018年的3%增加到2023年的7%。

•中国在国家量子计算实验室上花费了4亿美元,并且近年来申请的量子专利几乎是美国的两倍。

•鉴于这些事态发展,分析人士预计,到2025年,中国将用本地设计的半导体来满足其国内25%至40%的需求,这是目前水平的两倍以上,但仍低于其自身70%的目标。

为什么美中摩擦威胁美国在半导体领域的领先地位

中美之间的贸易摩擦给美国半导体产业带来了一系列新的严峻挑战。迄今为止,中国已将半导体从其对美国产品征收的关税提高中排除在外,以报复自2018年初以来对一系列中国进口商品征收更高的美国关税。与此同时,半导体处于其他有争议问题的中心,例如美国政府对华为和其他中国实体施加的对美国技术的访问限制,他们认为这与美国的国家安全或外交政策利益背道而驰。

美国和中国在2020年1月签署的“第一阶段”协议中包含与半导体行业相关的多个领域的规定,例如知识产权保护和技术转让要求。但是,它没有解决其他复杂问题,例如国家对国内半导体公司的支持。与某些美国国家安全问题相关的,对某些中国实体使用美国技术的限制仍然存在。

双边冲突的持续进行可能会损害美国半导体公司在中国开展业务的能力,使其与中国和其他地区的竞争对手处于平等地位。这可能会对美国半导体产业从中国设备制造商那里获得的大约490亿美元的收入(占总收入的22%)构成直接风险。风险收入的规模威胁着美国行业维持其创新和全球领导力良性循环所需要的规模。

鉴于当前的不确定性水平,我们评估了两种可能的情况:

状况一:现状永存。在这种情况下,中国将不再对美国半导体征收任何关税,但在可预见的将来,华为和美国商务部实体名单中包括的其他几家中国公司在美国获得美国开发技术的广泛限制仍将继续。不在实体名单上的中国公司将被允许从美国供应商那里采购半导体,但由于军事应用而已经受到出口管制的特定组件除外。

状况二:逐步升级以使美国和中国的技术产业脱钩。在这种情况下,将有效禁止美国半导体公司向所有中国客户出售产品,而不仅限于目前的实体名单上的客户。该禁令将涵盖所有出售给中国设备制造商或在中国组装产的非中国制造商的半导体组件。该禁令还将适用于半导体价值链中使用的其他技术和产品,例如设计工具和制造设备,而美国公司在这些技术和产品方面处于全球领先地位。

状况一的影响:现状的永存

我们预计维持现状的四个主要直接影响是:

•跨国技术公司可能会将其部分供应链从中国转移到其他国家,以便它们可以继续为美国市场提供服务,而无需受到关税和其他对从中国出口的产品的潜在限制。

•出于对美国限制会损害其功能和质量的担忧,中国境外的消费者和企业将不愿购买中国的技术产品。结果,中国科技公司在美国以及其他发达市场中的市场份额将受到侵蚀;相反,随着买家因关税,监管措施,消费者信心或价格上涨而避开美国产品,美国科技公司将在中国失去市场份额。只是来自国内品牌的海外竞争压力增加。在美国于2019年5月对华为施加限制之后,这种模式的最初迹象已经以西欧,加拿大和中国等市场中智能手机品牌之间不断发展的份额形式体现出来。

•实体列表中的中国公司将用来自中国,欧洲和亚洲其他供应商的组件替换基于美国技术的组件。

•未列入实体名单的中国设备制造商将积极扩大半导体供应商的种类,以减少他们对美国技术的接触,因为他们预计美国限制可能会升级。这将包括加快内部的努力,中国一些主要的智能手机,消费电子产品和互联网公司已经在进行内部努力,以设计自己的芯片。

上述的前两个影响对美国半导体产业的影响将很小。将部分技术供应链转移到其他国家,以绕过美国对从中国进口的限制,不会触发半导体供应商的变化。关于消费者和企业购买决策的变化,尽管我们的市场模型预测了特定地区智能手机,PC和服务器中领先品牌的个别市场份额将发生重大变化,但所有类别的净汇总效应(net aggregated effect)对于中国设备制造商来说是一个小利好,因为他们将用中国国内市场的收益来弥补海外市场的份额损失。这将增加中国设备对半导体的需求量、半导体制造商只牺牲了其他地区约1%的利润,这最终将导致美国半导体公司的收入出现温和下降。

上面列出的最后两个影响导致中国客户放弃美国组件,这将对美国半导体公司产生重大负面影响。首先,必然会将华为和目前在实体名单上的其他中国公司购买的所有美国半导体转移给非美国供应商。我们估计,没有直接替代供应商的美国半导体仅占实体名单上公司总半导体需求的10-15%,这意味着这些公司将能够迅速找到几乎所有组件的替代品。例如,在2019年9月发布的Mate 30旗舰智能手机,华为替换了其美国公司约15%的半导体元器件,其替代品是公司内部开发或从其他地区的供应商那里获取的。

对于不在实体名单上的中国公司,替换美国供应商的工作强度可能会有所不同,具体取决于美国进一步限制的风险以及特定组件的可行替代供应商的可用性。我们预计,只有在中国公司看到明显,低风险的机会来多元化其供应商基础时,美国供应商才会全部或部分被替代。我们估计,中国客户目前已经建立了替代性的非美国供应商,无论是国内还是其他地区的供应商,这些供应商在2018年约占其半导体需求的73%(见图7)。

具体来说,我们的模型包括以下假设:

•如果存在一个或多个公认的这些美国半导体产品的非美国替代供应商,且全球市场份额在10%或以上,美国供应商被替代率将为50%至100%。

•如果不存在成熟的非美国供应商,但如果这些相当小的替代供应商的总份额为10%或以上,则美国供应商的替代率将为30%至40%。

•如果美国半导体供应商在某特定产品上的全球市场份额超过90%,则不会发生替代,这表明尚无明确的替代方案。即使在这些适度的假设下,我们的逐项分析也表明,由于对当前实体名单和主动供应商的公司的出口限制共同导致美国公司在中国的现有业务损失可能超过50%。总体而言,我们估计当前状况的持续下去将导致美国半导体行业的全球市场份额减少8个百分点。这将导致全球收入下降16%,相当于2018年的360亿美元。(参见图8)。在智能手机,个人计算机和消费电子产品等产品周期中,大部分影响可能会在两到三年内感受到。

美国的损失将是中国和全球竞争对手的收益。我们预计,中国供应商将获得美国产业所放弃收入的大约一半,从而使中国能够将其全球市场份额提高到7%左右,并将半导体设计的自给自足性从14%提高到25%。这个百分比仍远低于《中国制造2025》计划所设定的70%的目标,但与分析家根据中国半导体产业的最新发展预测的范围的下限相符。美国半导体公司损失的另一半收入将流向欧洲或亚洲的替代供应商。重要的是要注意,这种从美国到非美国供应商的收入转移不会使中国更加自给自足。因此,这部分对美国公司的负面影响将与“中国制造2025”计划的预期效果完全分开,并进一步增加。

除了状况1对收入的影响外,我们估计半导体研发支出将每年减少50亿美元至100亿美元,资本支出每年减少80亿美元。这将导致美国失去40,000多个工作岗位,其中15,000个工作岗位将流向半导体行业。如果它们要保持与现在相同的R&D与收入的比率,以保持其营业利润率不变,那么其收入的损失将迫使美国公司将其每年的R&D投资减少50亿美元,即13%。但是,鉴于预估美国行业总收入可能因其对中国业务的负面影响而停滞或下降,因此美国半导体公司可能不得不将研发支出削25%,也就是100亿美元,以实现股东总回报等于该行业估计的资本成本。这将有效地扭转美国半导体产业创新良性循环的方向:降低研发投入将降低美国公司保持其在技术和产品方面领先于全球竞争对手的能力,从而进一步削弱美国在中国以外市场的份额。

状况二的影响:技术解耦

中美贸易紧张局势的升级导致全面的美国技术出口禁令将导致两国技术产业脱钩。这将使美国半导体公司无法进入庞大的中国市场,并迫使中国设备制造商寻找替代供应来源。为响应美国的限制,我们假设中国还将禁止其国内市场使用美国的软件和设备,例如智能手机,PC和数据中心设备。这将加快该国的外国技术替代计划,该计划原定于2020年在各州机构和公共机构中启动。中国设备制造商的破坏程度会因半导体组件而异,根据供应情况的不同,会有三个不同的回应,如图表7所示:

•已经有中国知名供应商的半导体组件。中国电子设备制造商将把采购转移到既有的国内供应商。此处假设这些供应商即使不能从美国供应商处获得的行业领先的设计工具,还能保持其竞争力。这也将取决于他们扩展和升级中国日益增长的国内制造能力或保持准入的能力,或者与亚洲主要的制造合作伙伴携手的能力。无论如何,我们的分析表明,在我们的半导体市场分类法中,32个产品类别中仅一个类别满足该标准,并且该产品仅占中国半导体需求的5%。对于代表中国需求23%的其他十种产品,新兴的国内供应商存在,并可能会随着时间的推移而扩大规模。

• 已有成熟中国供应商的半导体元件。中国电子设备制造商将把采购业务转向国内老牌供应商。这意味着即使没有业界领先的设计工具,替代供应商也能保持竞争力,而目前这些设计工具只能从美国的供应商那里获得。这也取决于他们是否有能力扩大和提升中国日益增长的国内代工能力,或者保持与亚洲主要代工伙伴的联系。无论如何,我们的分析表明,在我们的半导体市场分类中,32个产品类别中只有一个符合这一标准——它仅占中国半导体需求的5%。对于占中国需求23%的其他10种产品,规模虽小但新兴的国内供应商可能会随着时间的推移而扩大规模。

• 唯一的非美国供应商是外国的半导体元件。短期内,中国设备制造商将把采购转向亚洲或欧洲其他地区的现有供应商。假设这些海外供应商继续不受限制地使用美国开发的设计工具和制造设备,与中国客户做生意不受限制。从中期到长期,中国可能会寻求完全或部分地用国内供应商取代第三国供应商,以实现其半导体自给自足的既定目标。总体而言,12个半导体产品类别(占中国需求的45%)属于这一类。

没有现有非美国半导体供应商的半导体元件。中国必须加速其本土替代品的开发,其中许多都需要架构上的改变。总而言之,占中国需求27%的9个半导体产品类别符合这一描述。在某些情况下,中国消费者可以用其它芯片替代美国最先进的处理器。例如,中国公司可以设计自己的专用集成电路,来代替美国的CPU、GPU和FPGA。事实上,一些领先的中国公司已经在人工智能领域这样做了。另一种选择是开发基于不受美国出口管制的架构的处理器,例如RISC-V开源架构。这种高度复杂的半导体产品需要先进的设计工具,而目前只有美国的供应商可以提供这些工具,因此中国必须自行开发一套设计工具,或者从第三方国家寻找能够设计这些关键替代元件的新供应商。

在技术脱钩的情况下,中国的半导体供应链看起来将大不相同。(参见图9。)如果中国能够保持与亚洲和欧洲半导体供应商和代工厂的联系,并继续使用美国供应商提供的设计工具和制造设备,预计中国设备制造商的中断将在中长期内受到一定程度的限制。除了近期转向需要迅速提高产能以应对需求激增的新供应商所带来的动荡之外,中国面临的主要挑战还将是,为计算密集型应用开发可行的替代高性能处理器,与亚洲或欧洲其他地区的新供应商密切合作,这些供应商可能会使用美国供应商的先进设计工具。中国已经在此方面取得了进步,已经使用非美国的体系结构构建了神威超级计算机处理器。欧洲的欧洲处理器计划和富士通的K和Post-K超级计算机计划表明,欧洲和亚洲国家自己正在积极努力摆脱美国CPU供应商和体系结构。

随着这种转移,至少在短期内不那么先进的替代组件的转变,中国的PC,服务器和其他ICT基础设施设备在国际市场上可能不再具有竞争力。由于无法获得美国软件,内容和应用程序的影响,中国的智能手机和其他消费电子产品也可能失去市场份额,尤其是在高收入经济体中。反过来,这可能导致中国设备制造商海外收入减少。另一方面,即使缺乏最先进技术的产品,中国的供应商也可能会扩大其在中国国内市场的份额,因为与之竞争的美国产品将被禁止。实际上,我们估计,通过扩大在国内市场的份额,中国设备制造商将能够弥补海外收入损失的75%。

然而,技术脱钩将对中国产生主要影响,可能是在长达数年的过渡期内,中国向基于替代处理器架构的国内IT生态系统过渡期间的经济整体生产率。即使这样的替代处理器可以与美国公认的设计相媲美,中国仍需要为消费者和企业应用创建和扩展全新的硬件和软件堆栈。中国公司需要花费大量的时间和金钱,才能将所有系统和业务流程迁移到新的IT基础架构上,并赶上用户功能和成本,从而获得全球大多数企业和消费者当前使用的基于美国技术的产品。

“脱钩”对美国半导体企业的直接影响,将是失去所有来自中国科技客户的营收,以及来自其他国家客户的营收,这些客户最终也将与美国脱钩。总体而言,如果考虑直接和间接影响,美国半导体收入将下降37%,相当于2018年的830亿美元。(见图10。)其中约四分之三的影响将是中国客户因美国技术出口禁令而被迫取代美国半导体的直接后果。因此,它几乎会在美国限制措施生效后立即受到冲击。

如此巨大的收入损失将会引发美国公司研发投资的大幅削减——如果他们保持当前的研发力度,至少会削减30%,约合120亿美元的投入。如果美国半导体公司的目标是获得与该行业资本成本估计相等的股东总回报(尽管收入大幅缩水),那么研发支出的削减幅度可能必须达到60%。除了研发支出削减,资本支出还将减少130亿美元,导致美国损失12.4万个就业岗位,其中3.7万个在半导体行业。

随着时间的流逝,美国半导体公司可能会失去其技术和产品相对于全球竞争对手的优势,从而不可避免地导致市场份额进一步下降。我们估计,从中长期来看,美国半导体公司的全球份额将从48%下降至约30%。美国也将失去其在该行业的长期全球领导地位。

哪些竞争对手能从美国半导体公司放弃的中国客户那里获得收入,将取决于中国开发替代国内供应商的能力。这种能力因产品和时间的不同而不同。

考虑到中国半导体行业的发展现状,短期内大部分收入将流向第三国。中国的半导体公司将积极发展,以满足国内40%的需求——几乎是目前自给自足水平的3倍,并且达到分析师对2025年的预测上限。此外,我们的模型显示,由于韩国在内存、显示器、图像处理和移动处理器等关键产品方面的强大能力,以及它扩大生产能力的能力,韩国可能会取代美国,成为全球半导体行业的领导者。

从中期到长期来看,在第二种情景下,中国可能会成功地发展出一个有竞争力的国内半导体设计行业,能够满足大部分国内需求。然而,这需要时间,也需要持续的高水平投资。尽管中国在太阳能电池板、液晶显示器和智能手机等科技产品上仅用了5到7年的时间就迎头赶上,但它是在获得外国技术和零部件的情况下做到这一点的。就半导体而言,技术壁垒要高得多。举例来说,韩国和台湾大约需要15至20年的时间,才能分别成为内存和晶圆制造的全球领导者。

此外,正如我们先前所指出的,半导体的技术复杂性是如此之高,以至于没有一个国家有一个完全自主的生产过程,并在整个价值链上完全自给自足。中国可能仍需要依赖外国设计公司来制造高度复杂的芯片,这些芯片需要美国供应商提供的先进设计工具,同时还需要亚洲其它地区的芯片代工厂来制造一些本土设计的芯片,尤其是那些需要先进制造节点的芯片。

即使中国不得不进口高性能处理器来替代基于美国技术的CPU,GPU和FPGA,随着时间的流逝,中国的半导体公司也许最终能够满足该国几乎所有其他半导体产品的国内需求。这样做会使中国的自给率达到约85%。在这种情况下,中国半导体行业的全球份额将从3%增长到30%以上,从而取代美国成为全球领导者。

对半导体行业的结构影响

我们的分析表明,中美之间的摩擦将对美国半导体产业产生深远的负面影响。我们的全球市场模型表明,根据情况,美国将失去8至18个百分点的份额。(参见图11)

这种影响要严重得多,并且比中国制造2025计划的预期效果要快得多。分析人士目前预测,包括IDM和无晶圆厂设计公司在内的中国半导体公司收入可能会以每年10%到15%的速度增长,其对国内需求的覆盖率将从2018年的14%提高到25%至40%。到2025年。这种增长将使中国半导体行业的全球市场份额提高4至7个百分点,这与我们对方案1和2的模型中的预测相一致。在没有限制美国技术采购的情况下,根据《中国制造2025》计划更换外国半导体将影响美国和非美国供应商。假设替代程度与当前的市场份额成正比,我们的市场模型预测,仅凭“中国制造2025”效应,美国半导体公司的全球份额将损失仅2至5点。这一市场份额损失比我们评估的两种美中摩擦情况下的市场份额损失低四倍。

有两个主要原因解释了美中摩擦带来的负面影响。首先,如果有国内供应商可用的半导体组件,我们预计中国设备制造商将以替换美国供应商为目标,并在需要时选择保留非美国供应商作为第二供应商。此外,面对美国的出口限制(甚至存在美国可能对我们的方案1中的实体名单以外的公司施加此类限制的风险),中国的设备制造商还将尝试用其他亚洲或欧洲供应商取代美国半导体供应商, 即使这种替代并不能帮助实现“中国制造2025”目标。

除财务影响外,我们的分析还显示出将美国半导体公司拒之于中国市场之外的风险可能会触发该行业的重大结构变化,并对美国经济竞争力和国家安全产生不可逆转的深远影响。如果美国半导体公司的全球份额下滑到大约30%,美国将把其长期的全球半导体领导地位移交给韩国或中国。从根本上说,美国可能有很大程度地不得不依赖外国供应商来满足其自身对半导体的国内需求的风险。预计每年的研发投入将减少30%到60%,美国工业可能不再能够提供满足美国国防和国家安全系统未来需求所必需的技术进步。

美国半导体产业的下行风险可能不会就此止步。一旦美国行业失去全球领导地位(如情况2所述,这种情况很可能发生),则极不可能重新获得它。如果我们的中长期方案2得以实现,并且中国成为全球领导者,那么美国半导体产业将可能面临超出我们预测的18个百分点的额外份额侵蚀。在没有贸易壁垒的情况下,中国竞争对手将不会局限于自己在国内市场上的统治。在其他几个技术领域,中国公司利用其在国内市场中建立的规模优势,以低价抢占了海外市场的市场份额,使行业的利润率降低了50%至90%。(参见图12)

如果这种模式保持下去,中国的半导体公司也有可能成为国际市场上的积极竞争者,进一步抢占全球市场份额。事实上,这正是中国国务院2014年制定的《中国制造2025计划》的目标:最终目标是到2030年,中国成为半导体行业各领域的全球领导者。对中国企业全球市场份额与中国国内市场在其他技术领域所占比重的推断表明,从长期来看,中国半导体行业在全球的份额可能达到35%至55%。随着中国半导体企业加速海外扩张,行业利润率可能会大幅压缩。其结果是,美国半导体公司将无法再维持目前的高研发强度。当前的创新良性循环可能会逆转,变成恶性循环,美国企业陷入竞争力下降、市场份额和利润下降的恶性循环。

电信网络设备行业的经验说明了这些动态。由于重大的国家安全担忧,该行业目前处于美中摩擦的中心。2000年,三家北美公司(朗讯、北电和摩托罗拉)成为全球领军企业,总收入约为1000亿美元。在互联网泡沫破裂后的科技低迷时期,需求枯竭,网络设备公司的收入大幅下降。到2005年,这三家公司的总收入下降了45%。结果,他们被迫重组业务,削减成本,包括研发。尽管他们保持着与危机前相同的12%的收入投入,他们的年度研发支出总额从120亿美元下降到67亿美元,在短短五年内减少了45%。

电信网络设备行业的经验说明了这些动态。由于重大的国家安全担忧,该行业目前处于美中摩擦的中心。2000年,三家北美公司(朗讯、北电和摩托罗拉)成为全球领军企业,总收入约为1000亿美元。在互联网泡沫破裂后的科技低迷时期,需求枯竭,网络设备公司的收入大幅下降。到2005年,这三家公司的总收入下降了45%。结果,他们被迫重组业务,削减成本,包括研发。尽管他们保持着与危机前相同的12%的收入投入,他们的年度研发支出总额从120亿美元下降到67亿美元,在短短五年内减少了45%。

为半导体行业提供“双赢”的全球准入服务

在过去的30年中,半导体行业一直是技术进步的核心,这些技术进步为美国经济,美国国防能力以及世界各地的消费者和企业带来了巨大的收益。它还为中国创造了好处,中国的技术产业已经能够使用国外的半导体组件来开发竞争日益激烈的电子设备,从而在全球市场中获得份额。

半导体领域的这些进步是创新良性循环的结果,这种良性循环依赖于对知识产权的充分保护、对全球市场(包括核心技术和工具)的自由和公平准入,以及将这些创新带给终端客户的高度专业化的供应链。

最近,美国和中国之间的摩擦,在相互的国家安全担忧的推动下,已经导致了寻求对进入市场、技术和资源设置广泛壁垒的政策。当然,维护国家利益至关重要。如果要避免永久性地损害已使半导体行业取得成功的创新模式,政策机制就需要仔细考虑。

从美国的角度来看,我们的分析表明,对美国半导体企业施加广泛的单边限制,阻止它们为中国客户服务,可能会适得其反,并危及美国长期以来在半导体领域的全球领导地位。最终,这可能导致美国严重依赖外国半导体供应商,以满足美国科技行业的需求。过去30年,美国科技行业一直是生产率提高和经济增长的核心引擎。同样,如果美国半导体行业规模大幅缩小,不再发挥全球领导者的作用,就无法为研发投资提供资金,以满足关键国防和国家安全能力对先进半导体的需求。

保持获得尖端技术的权利也符合中国的利益,特别是在中国寻求加速经济向新增长模式的过渡时,这种增长模式更多地依赖于高附加值的产品和技术驱动的生产率提高。寻找解决美国所表达的一些关切的建设性方法,例如加强知识产权保护和确保外国半导体公司的公平竞争环境,也可能有益于中国自身的技术发展愿望。这些措施可能会进一步鼓励外国对中国的研发活动进行投资,支持中国为提升自身国内产业的能力而需要的专门知识和人才的流入,并最终刺激创新和质量方面的健康竞争。

一个强大的美国半导体行业,充分融入全球技术供应链,对于继续提供先进技术至关重要,这些技术将使数字转型和人工智能的新时代成为可能。与移动革命一样,此类突破的巨大利益将惠及所有国家的消费者和企业,而不仅仅是美国。因此,美中两国亟需找到一种新的平衡,即在保护各自国家安全利益的同时,允许美国半导体企业继续大举投资于研发,并将其前沿产品广泛提供给全球各地的创新设备制造商,无论它们身在何处。

Antonio Varas

Managing Director & Senior Partner

Silicon Valley – Bay Area

安东尼奥·瓦拉斯

常务董事兼高级合伙人

硅谷-湾区

Raj Varadarajan

Managing Director & Senior Partner

Dallas

拉吉·瓦拉达拉然

常务董事兼高级合伙人

达拉斯

中文翻译:波士顿咨询 半导体行业观察 2020年3月11日
英文: https://image-src.bcg.com/Images/2020-03-07-How-Restrictions-to-Trade-with-China-Could-End-US-Semiconductor-Leadership_tcm9-240526.pdf


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