SIA重磅報告：美國半導體如何應對中國的追趕？|半導體行業觀察

來源：本文內容由公眾號半導體行業觀察（ID：icbank）翻譯自「semiconductors」，謝謝。

編者按：近年來，在面對中國半導體崛起這件事上，美國反應似乎過於激烈。無論是政府還是組織，也好像對中國正在做的事憂心忡忡。雖然中國一再解析，但似乎這並沒有能得到美國人的認同。近日，美國SIA出了一份報告，闡述了他們面對中國等國家窮追猛趕之下，如何保持保持他們領導地位的深度報告，半導體行業觀察特此翻譯，與讀者共享。因翻譯匆忙，可能也有不少錯誤，望諒解並不吝賜教，謝謝。

半導體是幾乎所有現代技術的基礎。他們推動我們的生活和經往濟越來越好的方向發展，並正在驅動塑造我們未來的技術冉冉升起。 他們存在於我們周圍的方方面面，但大多是看不見的。它們嵌入我們所依賴的，用於通信，運輸，醫療保健，商業，國家安全和無數其他應用的數字商品中。

半導體是由美國人發明的，美國也仍然領先於世界先進半導體的研究，設計和製造。數據顯示，在 2018年全球4690美元的半導體營收中，美國半導體公司貢獻了其中的一般。

過去幾十年裡，半導體技術的進步已經通過“摩爾定律”來衡量：那就是硅片面積上的晶體管數量大約每18到24個月翻一番。自這個觀點在1968年提出以來，半導體行業就一直以這個節奏快速創新，推動了一項項技術的發展，並通過大幅提高計算能力、降低成本來實現了科技革命。

該行業對摩爾定律的遵循達到了難以想象的水平，並在這個過程中把材料科學、光子學，工程學和設計推向極限。今天的半導體芯片每平方釐米集成的晶體管數目達到數十億個，電路也是以納米級來測量。領先半導體芯片包含的晶體管比人類頭髮細10,000倍。由於半導體技術的巨大進步，消費者能以更低的價格從更多創新產品中獲益。這種快速的創新步伐促進了美國的經濟，創造了美國的就業機會，並改善了我們的生活方式。但如果我們要在未來五十年了保持創新步伐，並在全球的科技競爭中取得領先，那就必須要領導全球的半導體創新。

美國保持半導體產業創新和領導力面臨的挑戰

由於雄心勃勃的海外競爭對手從政府獲得了大量的資金支持，這讓美國在保持了幾十年的半導體創新遭受嚴峻的威脅。這些先進半導體技術正在衝破物理障礙、超越大量資金的限制。

雖然美國在全球半導體市場擁有近一半的市場份額，但某些海外政府正試圖通過政府對企業、製造和科學研究的鉅額投資來取代美國的領導地位。例如，中國政府已經宣佈，在未來十年將投資超過1000億美元，趕上美國在半導體、人工智能和量子計算方面的水平。雖然中國可能無法實現其所有目標，但考慮到其巨大的投資規模，我們不應該忽視中國的這個做法。

這些挑戰會使美國在半導體設計、研究和製造以及在全球競爭中的領導地位受到威脅，因為正是這些技術決定我們的未來。根據大家的觀點，半導體領域內關鍵的“必贏”技術包括人工智能、自動駕駛汽車和其他自動系統、量子計算分析海量數據、增強數字加密，以及能夠無縫連接人的先進無線網絡。這些技術將會以前所未有的速度推動如個性化醫療保健，機器人技術和智能產品等方面的創新，並帶來巨大的經濟增長。

影響未來科技的半導體技術

未來的經濟將以使用傳感器手機數據、網絡存儲和運輸數據、先進計算機和系統分析和使用數據為特徵，而半導體則是這些功能的核心，所以我們必須進一步發展半導體技術，以滿足未來技術的需求。以下幾項則是倍受關注的半導體技術：

一、人工智能

人工智能指的是模仿人類學習和決策的技術。人工智能在改變經濟方面有巨大潛力，他們也是自動駕駛汽車、機器學習、無數“智能”設備和應用程序的關鍵。

專家估計，到2030年，人工智能給全球的經濟帶來13萬億美元的增長，如果沒有半導體工藝技術和芯片設計的進步，人工智能就不可能可以這麼快實現了從未來主義的猜測到現實的實現。的確，半導體在典型AI處理流的三個方面都顯得至關重要：

1）通過智能手機，汽車和多種“物聯網”設備的數據生成或數據源；

2）使用圖形處理器，微處理器或其他高性能處理器去做AI /深度學習訓練；

3）實際使用中的AI推理，；

二、量子計算

量字計算有望增加計算機的運算能力。據統計，一部量子計算機的計算速度比傳統計算快一億倍，在和超級計算機相比，也有好幾卡倍的差距。能實現這個速度，勢必會影響這個產業和經濟。量子信息科學的發展與半導體工業探索超越摩爾定律的性能限制類似。學術和政府研究人員通過與半導體行業串聯或合作，在量子計算方面取得了進展。但我們應該知道，量子計算需要複雜的製造能力，專業的材料，和先進的技術。 量子硬件研究人員認為，先進的量子計算可以幫助研究人員去回答AI和機器學習廣泛應用的領域內問題。

三、先進無線網絡

因為低延遲和較之現在網絡的100倍速率提升，先進的無線網絡將為物聯網、無人駕駛汽車和機器人等下一代數字技術提供支柱

正式在先進的網絡速度和全新架構的要求下，底層半導體硬件解決方案的全部潛力尚未被察覺但實現了。但那些能夠獲得足夠的半導體技術去支持5G或更高版本的先進網絡實現的國家將會獲得巨大收益。

但領先的先進無線網絡需要國家在政策方面對半導體行業進行支持，建立工程和技術人才，以及支持私人和公共研發。 NSF支持無線基礎研究數據和先進的無線網絡。它還資助測試平臺和研究平臺使用一系列研究基礎設施，通過在高級無線研究平臺在美國大學開設課程對先進的無線網絡系統進行原型設計。

三個措施去確保美國在半導體技術的領先

維持和加強美國半導體領導地位的戰略包括三項總體政策舉措：

1、投資那些能推動美國半導體創新的研究；

2、吸引和培養技術熟練的勞動力，確保美國在半導體的研究，設計和製造以及未來的開發和實施技術上面的領先；

3、確保進入全球市場並保護知識產權，這樣的話美國半導體產業可以就在未來進行競爭，創新和發展；

通過實施這些政策，國會和政府將採取這些政策去保護美國半導體技術領先地位並取得在未來技術的勝利。實施這些也政策將也會幫助美國維持其領導力和保證經濟增長，還能保護國土安全。

投資半導體研究

為了在推動未來經濟增長的關鍵技術上取得突破，並在面對全球競爭時保持美國的領導地位，美國需要在半導體研究方面進行雄心勃勃的投資。不幸的是，多年來，聯邦政府在研究方面的投資一直在下降或持平。相比之下，主要競爭對手正在大幅增加他們的研究支出，包括對半導體研究的定向投資。如果投資不足的情況持續下去，美國就有可能失去其創新優勢和技術領先地位。

美國半導體行業已經在自己的研發上投入巨資，以保持競爭力和技術領先地位。美國半導體行業近五分之一的收入用於研發，2017年約達360億美元，是20年前的三倍。這是所有行業中所佔比例最高的，而且絕大部分的研究都是在美國進行的。該行業的投資主要集中在應用研究和產品開發上，不是長期的基礎技術突破所需要的基礎研究。為了補充私營部門的這一承諾，美國需要增加對大學、國家實驗室和其他實體的聯邦投資，以保持我們在這一關鍵行業的領導地位。

摩爾定律數十年來的成功得益於對材料和化學科學、計算機科學和應用數學、電氣工程和製造技術的研究投資。持續的半導體創新需要新材料、設計和架構方面的研究，通過整體政府方法和公私夥伴關係來應用學術界、工業界和政府研究中心的最佳研究成果。

美國半導體行業每年約五分之一的收入用於研發，2017年約360億美元。這是所有行業中研發投資率最高的行業之一。

減少聯邦政府對研究的支持——這對美國的領導地位是一個風險

聯邦科學事業是美國社會的一顆明珠，它產生了無數的創新，為美國的經濟實力和國家安全做出了貢獻。不幸的是，與我們的全球競爭對手相比，聯邦政府在研究方面的投資一直在下降。

研究政策建議

我們敦促國會和政府：

• 將美國聯邦科學機構在半導體研究方面的投資增加三倍，從每年約15億美元增加到50億美元，用於推進新材料，設計和架構，從而以指數方式提高芯片性能。聯邦政府目前在專門針對半導體行業的研究項目上投資大約15億美元。這些項目資助納米電子、安全、能源效率和其他重要領域的關鍵研究。為了應對當前的技術挑戰並跟上全球競爭的步伐，這些半導體研究項目的資金在未來5年內應該增加三倍。

• 將美國在材料科學、計算機科學、工程和應用數學等半導體相關領域的研究投資增加一倍，以推動半導體技術的跨越式創新，推動人工智能、量子計算和先進無線網絡等未來關鍵技術的發展。半導體技術的進步還得益於美國科學企業在更廣泛的科學研究領域開展的項目。材料科學、計算機科學、工程學、應用數學、光子學和化學等領域的研究項目對半導體技術的未來創新至關重要。今後5年，這些項目的資金應增加一倍。

然而，如果不加強與工業界的接觸，單靠增加研究經費是無法應付這些挑戰的。聯邦政府發揮著重要的召集作用，必須推動公私研究夥伴關係，不僅要增加一般科學研究知識基礎，而且要將這些知識與現實世界的應用聯繫起來。這樣做是必要的，以確保科學突破造福社會，並保持美國在半導體技術方面的領先地位。半導體技術對國家安全和產業競爭力至關重要。

研究——發展人才通道

除了為技術創新提供基礎，研究投資還支持為下一代半導體創新者提供人才的通道。鑑於發展一支高技能、高知識的勞動力隊伍對半導體技術的持續發展至關重要，研究資助是促進美國創新人才的一個重要組成部分。

吸引和發展熟練的勞動力隊伍

為了保持全球半導體行業的領先地位，並確保美國在開發和實施未來技術的全球競賽中獲勝，美國需要一支高技能的勞動力隊伍。

想要在半導體研究、設計和製造領域處於領先地位，需要從世界各地聘請最優秀、最聰明的科學家和工程師。在全球人才的競爭中，美國的教育體系未能培養出足夠數量的美國工人和學生，他們具備必要的STEM（科學、技術、工程、數學）專業知識，以滿足半導體行業和其他技術領域的需求。因此，讓海外頂尖人才填補美國的空缺對美國半導體行業至關重要。每一個留在美國並在美國工作的受過高等教育的移民都為美國創造了近3個額外的就業機會。許多美國最具創新性的公司（包括幾家美國領先的半導體公司）都是由移民創辦和領導的。

在大多數教育基準方面，美國也落後於其全球競爭對手。中國正在培養更多STEM領域的學士。在研究生階段，在材料科學、物理化學、電子工程和半導體工業的其他重要領域，美國高校相關領域的大部分學生來自外國。美國國家科學基金會指出，在美國高等院校的電子工程和計算機科學研究生項目中，大約80%的學生來自外國，這一比例正在迅速上升。

美國需要一個全面的長期計劃來吸引年輕的學生——尤其是女性和少數族裔學生——學習科學和工程，並讓他們在實驗室、先進製造業和學徒崗位上工作。

半導體行業在美國直接僱用了近25萬名工人，並在美國增加了100多萬個工作崗位，在19個州擁有主要的製造業務。

美國的人才挑戰

國際學生在美國大學理工科研究生中所佔的比例越來越大，幾乎是美國學生的四倍。

勞動力政策建議

我們敦促國會和政府：

• 改革高技能移民制度，取消對綠卡的適得其反的限制，使美國高校合格的STEM畢業生和世界各地的STEM畢業生能夠工作、創新，併為美國在半導體行業的領導地位做出貢獻，推動我們的經濟發展。STEM領域的外籍人士，特別是那些擁有高等學位的人，應該自動有資格在美國工作，併為我們的經濟做出貢獻。

• 將美國對STEM教育的投資增加50%，並實施一項全國性的STEM教育計劃，到2029年將美國STEM畢業生的人數增加一倍。政策制定者應支持學徒制和培訓計劃，並與工業界和學術界合作制定課程，以滿足對半導體工業未來至關重要的日益增長的技術的需求，如人工智能、量子計算和先進的無線網絡。

確保進入全球市場，保護知識產權

自由和公平地進入全球市場對該行業的成功至關重要。半導體是美國第四大出口產品，在過去20年中對美國的貿易平衡做出了積極的貢獻。美國半導體公司80%以上的收入來自海外銷售。全球銷售收入支撐著美國125萬個半導體支撐的就業崗位，並對維持競爭力所必需的高水平研發提供支持。此外，大部分研發是在美國進行的。半導體行業依賴於複雜的全球供應鏈，包括原材料、設備、研發、技術、人才、測試和分銷。因此，繼續進入全球市場和供應鏈對美國繼續保持行業領先地位至關重要。

半導體價值鏈的所有階段——研究、設計、製造、裝配和封裝——都發生在全球一體化的網絡中。美國半導體行業利用這一全球網絡來保持其競爭力，這是該行業成功的一個關鍵方面。

如今，全球半導體生態系統正受到政府政策的威脅，這些政策尋求實現供應鏈本地化，並打造國家支持的國家冠軍企業，以便在海外展開競爭。這些政策採用了大規模的國家補貼、自上而下的方法、中央計劃的產業政策，以及其他非市場措施，包括強制技術轉讓和知識產權盜竊。它們還可能擾亂市場，損害創新。儘管中國今天脫穎而出，但人們擔心這種“供應鏈本地化”的趨勢將蔓延到其他國家。只有促進進入全球市場和確保公平競爭，才能維持美國在半導體工業中的全球領導地位。此外，維護這一全球價值鏈符合所有國家的利益。美國政府應該與志同道合的國家合作，促進有效的貿易政策，以維持我們行業的這一關鍵方面。

開放市場和公平貿易需要強有力的知識產權保護和執法。知識產權是半導體產業的命脈，加強知識產權保護對半導體產業的全球競爭力至關重要。該行業在研發方面的高水平投資產生了寶貴的知識產權（專利、商業祕密、源代碼等），保護該知識產權對該行業在世界上的競爭地位至關重要。

自由開放市場的重要性

海外市場佔美國半導體公司銷售額的80%以上

SOURCE: World Semiconductor Trade Statistics and SIA

全球半導體價值鏈

貿易政策建議

我們敦促國會和政府：

• 批准和更新自由貿易協定，包括美國—墨西哥—加拿大協定(United States-Mexico-Canada Agreement)，從而消除市場壁壘、保護知識產權和促進公平競爭。美國決策者應擴大進入全球市場的渠道，通過批准新的和更新現有的自由貿易協定，打擊歧視性和扭曲市場的政策。現代美國貿易協定應該：

• 加強保障措施，加大懲罰力度，保護商業祕密和其他形式的知識產權。

• 通過消除貿易技術壁壘，確保最具創新性和最有效的加密產品進入全球市場。

• 確保國有或補貼企業根據市場因素公平透明地進行競爭，取消非法或導致不利影響的政府補貼。

• 取消對半導體產品、應用和電子傳輸的關稅。

• 防止強制本地化數字基礎設施和本地內容要求。

• 禁止強制技術轉讓。

• 簡化並協調海關和貿易程序。

具體而言，我們敦促批准“美國—墨西哥—加拿大協定”，該協定包括許多新的和更高標準的貿易規則，會加強數字經濟和全球半導體供應鏈。

• 增加用於執法和情報機構的資源，以防止和起訴半導體知識產權盜竊，包括盜用商業機密。強有力的知識產權保護對於保持創新激勵機制至關重要。

半導體是美國僅次於飛機、成品油和原油的第四大出口產品。

結論

半導體是塑造我們國家經濟，創造就業機會，技術領導和國家安全的關鍵技術。 為了保持美國在半導體技術領域的全球領先地位，聯邦政府必須制定政策，投資於我們的創新基礎、人才和全球競爭能力。

過去，當美國在半導體技術領域的領導地位面臨挑戰時，它是通過合作和協作才崛起的。在20世紀80年代，政府和業界合作成立了SEMATECH公司，這是一個有遠見的合作項目，旨在保持美國半導體行業的領先地位。人們普遍認為，通過戰略研究投資和建設半導體勞動力隊伍，SEMATECH推動了那個時代的技術創新。全球市場和供應鏈的開放進一步推動了這一努力，導致了我們今天所擁有的無與倫比的增長和創新。

美國現在面臨著對其行業領導地位的類似挑戰，政府、學術界和產業界必須再次攜手克服這一挑戰。我們今天面臨的障礙與過去不同，因此此時需要戰略思考和新的解決方案，以實現我們繼續保持美國半導體行業領先地位的共同目標。