随着需求继续超过供应，半导体公司可以采取不同的途径来抓住新的机会。
仅从数字来看，现在似乎是半导体公司发展的理想时机。随着芯片需求的飙升，2020 年的年收入增长了9%，2021年增长了23%，远高于2019年报告的 5%。甚至在疫情之前，资本市场就已经在奖励该行业飙升的盈利能力，半导体公司的年均收入增长从 2015 年底到 2019 年底，股东总回报 (TSR) 占 25%。去年，随着远程工作成为常态，消费者和企业增加了技术购买，帮助加速了数字革命，股东们看到了更高的回报，平均每年50%。
然而，当今的半导体公司正面临着诸多挑战。即使工厂满负荷运转，他们也无法满足需求，导致产品交付周期为六个月或更长时间。持续的半导体短缺现在经常成为头条新闻，尤其是当它迫使汽车原始设备制造商推迟汽车生产时。更重要的是，半导体公司正在努力应对设计复杂性增加、人才短缺以及与流行病相关的问题，这些问题正在破坏连接不同市场参与者的复杂全球供应链。这种短缺现在令人担忧，以至于促使更多大型科技公司和主要汽车原始设备制造商将芯片设计转移到内部——这一趋势可能对市场产生重大影响。
在其他行业，制造商通常通过增加产能来应对短缺。但是，半导体的晶圆厂建设和产能提升极其昂贵且耗时，通常需要一年的时间进行大规模扩张，或者需要三年以上的时间才能建造新设施，这使得快速增加半导体产能让你更变得困难。虽然增加产能有时可能会有所帮助，但它不会立即产生效果，并且通常需要多年的大量投资才能出现额外的收入（如果有的话）。
为了帮助半导体公司制定全面的成功计划，我们量化了产能扩张的好处，以确定何时可以进行建设。我们还确定了可以帮助半导体公司提高生产力和收入的其他策略，例如增加对前沿芯片的关注，追求超越节点规模的创新，进行大胆的长期投资，发展更大的弹性，改善人才管道，并在半导体生态系统内开展合作。
了解半导体行业
尽管有关半导体短缺的头条新闻经常笼统地讨论这种情况，但该行业包括许多不同的领域：存储器、逻辑、模拟、分立、光学元件和传感器。个别半导体公司及其制造基地倾向于专注于特定领域。相比之下，他们的最终客户通常需要来自所有半导体领域的产品，因此依赖多个供应商。即使所有其他组件都可用，缺少单个专用芯片也会导致最终产品的制造停止。
当考虑到所有的生产阶段时，整个过程从材料采购延伸到后端制造(图1)。(有些人可能会选择狭隘的观点，价值链从设计阶段开始。)对于每个产品部门，大多数公司专门从事三个或更少的步骤，并可能将一些活动外包给合作伙伴，如印制电路板组装。在后端制造之后，半导体成为电子产品价值链的一部分。
图1：半导体价值链从材料采购延伸到后端制造。
在过去的20年里，该行业在许多价值链环节中变得越来越整合，并且在每个领域都出现了一些冠军（图2）。因此，专业知识通常集中在某些市场（例如，美国拥有最多的无晶圆厂参与者，即仅芯片设计和设备制造）。没有一个本地市场具备端到端半导体设计和制造所需的全部能力，专业知识的集中在价值链上形成了一个相互依赖的网络（图3）。
图2
专业知识的集中带来了一些优势，因为它通常允许公司共享资源，例如电源，即使它们是竞争对手，这有助于降低成本。拥有合适技能的员工也可能会被专业集群所吸引，从而形成强大的人才库。但相互依存关系也意味着本地冲击可能会产生全球影响，例如 2011 年泰国的洪水导致该国多个内存后端工厂停止生产，并将内存芯片的价格推高 30%。
图3：没有一个本地市场或公司具有端-端半导体设计和制造所需的所有能力。
半导体短缺背后的因素
在疫情之前，半导体工厂已经接近满负荷运转，因为它们试图避免投资超出满足客户需求所需的新资本设备。不确定的贸易动态也促使一些参与者增加其半导体库存水平以确保供应。这场流行病刺激了人们购买计算机和其他远程工作设备，然后将需求推向了更高的高度。
对于汽车OEM和其他公司来说，一种反应是偏离他们典型的“及时”订购。相反，他们已经开始订购比需要更多的芯片，这样他们就可以建立库存并拥有手头的储备。然而，在短期内，这一举措放大了供需之间的差距。从长远来看，一些公司可能会考虑要求签订具有约束力的“接受或支付”合同，在合同中他们可以接受一定数量的筹码，或者如果他们拒绝接受则支付费用。这种安排有助于公司更准确地将芯片需求与制造能力保持一致。
客户还可以考虑与半导体公司共同投资旨在提高晶圆厂产能的项目。此类项目可以让半导体公司减少前期投资，缓解潜在的资本支出限制。但鉴于晶圆厂建设和产能提升的时间很长，共同投资不会立即改善半导体短缺问题。
实现并保持在半导体行业的领先地位
尽管目前存在不确定性，但随着越来越多的产品和服务越来越数字化，半导体行业有望实现额外增长。半导体行业当前企业价值的一半以上基于盈利增长预期，这反映在当前估值中：假设最近的利润率轨迹，投资者预计长期每年增长7%至8%。
但是哪些策略可以帮助该行业实现这些目标呢？虽然答案可能会因公司的优势和劣势而有所不同，但所有半导体公司都可以通过在六个关键领域重新思考他们的方法而受益：技术领先、长期研发、弹性、人才、生态系统能力和更大的能力。当然，这里的最后一个领域不会带来立竿见影的好处，但它可能是长期战略的重要组成部分。我们已经量化了与不同规模的晶圆厂相关的成本，以帮助半导体公司确定产能扩张是否适合他们。
根据最近对集成设备制造商 (IDM) 和Fabless厂商的分析，我们认为所有半导体公司都有可能实现强劲增长，无论规模大小（图4）。尽管最大的公司产生了最大的经济利润，但也有一些小型的、具有高营业利润率的利基公司。
图4：各种规模的半导体公司都有很高的营业利润率。
技术领先
在所有产品领域，半导体公司都在努力创新，因为更快、更强大的芯片和先进设备有助于在所有价值链领域产生更大的销售额。拥有最独特技术和产品的公司很可能成为全球冠军。在跨行业分析中，半导体行业的研发支出仅次于制药和生物技术,按销售额的百分比计算（图表5）。当我们检查行业冠军时，我们发现他们通常通过将以下策略纳入其研发计划而取得成功。
图5：半导体行业的平均研发支出非常高。
专注于尖端芯片和制造它们所需的机器。对于半导体制造商而言，传统上创建更小的节点尺寸是成功的途径。几十年来，随着半导体公司不断缩小技术节点的尺寸，芯片上的晶体管数量每两年翻一番,这是摩尔定律预测的速度。然而，近年来，由于技术挑战随着行业接近单个芯片上可包含的晶体管数量的物理极限而增加，因此翻倍的速度有所放缓。尽管如此，半导体公司仍将尝试推动该技术，因为到 2025 年，对具有最小节点（7 纳米 (nm) 及以下）的芯片的平均需求增长将比供应增长高 4 个百分点。
节点大小的重要性因设备类别而异，某些类别对前沿芯片的需求将比其他类别增长得多得多。由于客户期望在计算密集型应用中获得高性能，因此在最小可用技术节点上设计芯片的半导体公司可能在这些领域具有明显优势。在其他细分市场，较大的节点通常是合适的，因为客户对当前的芯片性能或要求特定的功能，如快速切换，并认为移动到较小的节点大小没有什么优势。
设备制造商可以通过创造实现领先创新所需的设备来获得增长。此外，他们可以创建包含先进技术的设备，以优化过程控制以及产量监控和提高。
对特定成熟节点（40 至 65 nm）的需求也高于平均水平，因为它们用于汽车和其他关键产品。然而，从历史上看，它们的利润率往往较低，因此有时难以支持扩大成熟节点容量的商业案例。如果新建晶圆厂，高昂的前期成本将意味着公司最初从这些晶圆厂获得的利润将低于现有资产折旧晶圆厂的利润。为了确保长期稳定的回报，玩家可以努力从客户那里得到坚定的承诺，以保证新晶圆厂一旦上线就具有高利用率。
通过“超越摩尔”实现差异化。除了缩小结构尺寸外，一些半导体公司还在追求“超越摩尔”的创新，以使其产品与众不同。例如，一些人正在开发基于硅以外的材料的半导体。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等化合物半导体材料特别适合需要高功率和高频率的应用，因为它们限制了能量损失并允许创建更小的外形尺寸。
对提高可持续性和电气化的推动正在推动 SiC 和 GaN 功率器件的采用，预计这两个类别的复合年增长率 (CAGR) 将远远超过整个功率半导体市场预测的5%的增长率（图表6）。在基本情况下，SiC 器件的年市场增长率预计为 23%，GaN 功率器件的年增长率为 40%。
图6：半导体行业专家们预计，氮化镓和碳化硅功率器件的增长率都将很高。
设备制造商可以通过推出专门用于处理 SiC或GaN的设备来促进创新并抓住新机遇。鉴于对这些机器的需求将低于对主流尖端设备的需求，制造商应仔细审查开发这些最初利基产品的商业案例。代工厂可以为更广泛的Fabless厂商提供基于 SiC 和 GaN 的创新。
对创新功能的关注在物联网等高增长领域可能特别有价值，因为它有助于将产品与竞争对手区分开来（例如，通过优化多个射频应用所需的快速切换）。一些 IDM和代工厂已经在成熟节点上开发此类产品。
半导体元件的先进封装。这些技术在操作过程中提供了更好的热管理，使公司能够将半导体组件更紧密地放置在一起。这些芯片具有更多的连接点，可提供更高的数据传输率和更好的性能。此外，先进封装允许半导体公司将成熟和领先的芯片组合在一个集成系统中，用于需要这两种类型的应用，从而降低成本。这种称为异构集成的趋势使公司能够组合多个较小的芯片，而不是制造一个大芯片。较大的芯片通常具有较低的良率，下降通常会随着芯片尺寸的增加而缩小，因此异构集成可能会带来巨大的成本优势。
2020 年，先进封装市场价值 200 亿美元，预计到 2026 年这一数字将上升到 450 亿美元，占封装收入的 50% 左右。尽管领先的 IDM 和代工厂正在推动封装创新，但先进技术也为整个价值链中的其他参与者创造了机会，因为它们促进了对新材料和新设备的需求。
专门的应用程序。专用集成芯片 (ASIC) 将定义明确的算法和功能集成到其芯片设计中，并针对特定目的进行定制，例如用于人工智能和云计算。该细分市场最近显着增长，可能为其他参与者提供良好的机会。想要专注于开发专用半导体的小公司仍然会发现他们的产品需求量很大，即使他们的客户群相对较小。
ASIC 的客户群包括许多不同的公司，例如汽车OEM和超大规模制造商，他们的需求会有所不同。一些客户可能决定在内部设计自己的ASIC，以改进定制、区分他们的产品并缩短交货时间。然后，他们将直接与代工厂合作以满足他们的制造需求。其他参与者，通常是较小的参与者，更愿意让 ASIC 合作伙伴负责从设计到最终产品所需的所有步骤，因为这需要许多专业能力。
大胆的长期研发投资
半导体行业的研发周期可能很长，有时会超过十年，而且公司通常不会立即看到回报。从历史上看，一些政府为此类工作提供了资金，因为大多数上市公司并不总是对此类长期投资有兴趣。
尽管许多投资者可能对长期提供资金持怀疑态度，但半导体公司已经证明，大胆的长期投资最终可以带来可观的回报。例如，ASML花了17年时间和大约 70 亿美元开发其EUV光刻技术，包括批量生产该技术的能力。漫长的研发时间是值得的，因为该工具现在是 ASML 的主要收入来源。同样，Arm 花了六年时间开发 64 位计算处理器，该处理器现在是公司收入的重要来源。
其他大量投资于长期研发项目的公司可以帮助促进技术飞跃，通常远远超过节点的缩小，这有助于改善社会。例如，为量子计算创建专用芯片可以改善药物开发、可持续发展计划和其他跨行业的举措。在大多数情况下，半导体公司都专注于在他们已经很强大的领域增加投资，而不是扩展到新的领域以进一步扩大他们的技术优势。
在动荡的世界中增强弹性
与其他企业一样，半导体公司和其他行业利益相关者仍在尝试制定新战略，以应对 COVID-19 危机带来的巨大破坏，包括供应链问题和需求变化。有一点很清楚：疫情之后的世界可能会更加动荡，这将需要企业更大的韧性。
在当地供需严重不匹配的市场中，半导体公司可以考虑为最急需的节点提供更多产能，以提供一些短期缓解。例如，欧洲终端客户主要需要节点大于 28 纳米的半导体用于汽车和工业应用，而美国客户对节点小于 7 纳米的半导体的需求要高得多。最好调整额外产能以满足此类需求。除了帮助当地市场外，这些举措还将提高供应链的弹性并减少市场间的依赖性。
半导体公司还可以通过提高敏捷性和响应能力来帮助缩短交货时间，例如扩大供应商基础、加强定价策略、改善对客户的芯片分配、与行业组织合作探索芯片短缺的解决方案以及邀请客户共同投资在定制芯片的开发中。
当前的经济形势要求提高灵活性。虽然现在对半导体的需求强劲，但主要市场的低迷，可能需要新的战略来最小化资本支出和最大化收入。例如，半导体公司可能会考虑修改其首付政策并预先向客户收取专用产能，或者他们可能会要求客户提前 18 个月以上提供具有约束力的需求预测。
强大的人才输入
随着半导体对产品差异化变得越来越重要，一些电子公司、汽车OEM和超大规模制造商正在内部转移芯片设计，以增加定制化并消除瓶颈。这些举措使得本已稀缺的半导体人才的竞争比以往更加激烈。同时，随着半导体功能的扩展，芯片设计也变得越来越复杂，需要更多的劳动力。5nm 节点的劳动力增加尤其高，这是最难设计且需要最多劳动天数的节点（图表 7）。
图7：随着半导体节点尺寸的减小，对成本和劳动力的要求增加。
随着竞争的加剧，半导体公司将加大招聘人才的力度，包括具有工艺技术和运营管理专业知识的员工。但首先，他们必须解决形象问题。在最近的一项员工调查中，半导体行业在工作场所吸引力的多个维度上排名低于科技和汽车行业，包括工作与生活的平衡、职业机会以及多样性和包容性（图表 8）。公司可能希望审查自己的运营，以确保它们在这些领域具有竞争力。
图8：在工作场所吸引力方面，半导体公司的排名低于其他行业。
随着半导体公司加大招聘力度，他们可能需要建立自己的品牌。通常，与终端产品相比，半导体产品受到的关注较少，未来的员工可能对该行业内许多强大的创新公司知之甚少。公司可能还需要审查薪酬以及学习和发展机会，以确保它们与其他行业的企业相提并论。
劳动力短缺的一种可能解决方案可能涉及与学术机构建立合作伙伴关系，特别是在人才供应非常短缺的市场。如果半导体公司考虑支持学习计划，并可能为所提供的课程提供指导，那么毕业生更有可能具备在该行业工作所需的技能。
改善半导体生态系统内的协作
芯片设计的复杂性增加，加上价值链的转变和人才竞争的加剧，增加了半导体行业生态系统建设的重要性。与客户的合作伙伴关系已经变得越来越普遍。例如，许多希望提高设计能力的汽车原始设备制造商现在正在与半导体公司合作，特别是在开发特定应用的解决方案方面，例如用于自动驾驶汽车的解决方案。
在另一种类型的合作中，公司可以创建生态系统，其中一个参与者开发许多客户可以利用的知识产权 (IP) 块。例如，Arm 已经为其他人可能许可的处理器开发了一种架构。这一策略降低了所有相关人员的成本。一些公司还与学术机构建立了强大的知识产权合作伙伴关系。
主要的半导体厂商也长期以来一直联手开发和调整其技术块，从而减少一个组织创造不适合价值链的技术的机会。同样，行业协会可以在为长期技术路线图提供指导方面发挥重要作用，比利时的 Imec等专门的半导体研究机构可能会召集参与者在竞争前研究期间进行合作。
除了合作伙伴关系之外，随着行业整合，半导体公司可能希望采取程序化并购战略——一种针对特定主题的小型收购的连续方法。如果他们这样做，他们可能会通过专注于收购而受益，这些收购将使他们能够扩展到邻近领域、打开重要市场或增加对未来增长和扩大技术领先地位至关重要的能力。然而，目前目标的稀缺性要求潜在的收购方迅速调查和执行合并。
与其他生态系统成员的合作也可以采取更非正式的形式。如果多家半导体公司同意建立或扩大设计和制造中心，他们可能更容易吸引人才，并可能获得其他好处，例如在 IP 开发方面进行合作的能力。
更大的产能
对于一些半导体公司来说，产能扩张可以带来好处。但鉴于建设和设备所需的巨额资金，公司领导必须在继续推进之前仔细考虑工厂产能。以每 12 英寸掩模层为索引时，运营和建设成本会随着产能的增加而下降。例如，对于每周开工 25万层 (LSPW) 的晶圆厂来说，索引建设和运营成本都在 30 亿美元左右。产能为 40万LSPW 的晶圆厂的指数化建设成本降至 20 亿至 30 亿美元之间，之后将趋于平稳。产能约为57.5万 LSPW 的晶圆厂的运营成本达到稳定水平。
我们的分析表明，产能至少为 60万 LSPW 的晶圆厂成本最高（图表 9）。这相当于每周启动 12,000 到 20,000 个晶圆，具体取决于产品。正在生产的芯片类型将显着影响成本，成本会随着节点尺寸的缩小而呈指数增长。建造一个产能至少为 60万LSPW 的 40 纳米制造厂可能需要大约 50 亿美元，其中约 80% 的投资用于设备支出。但生产最小节点尺寸的前沿晶圆厂可能要花费 100 亿美元或更多。
图9：随着产能增加，晶圆厂的建设和运营成本下降，达到每产能60万LSPW 左右的平稳水平。
半导体公司可能能够通过在已经有类似业务集群的地区建立晶圆厂来获得一些成本优势，因为这可能有助于确保足够的人才供应和资源（例如土地、能源和水）。在另一个节省成本的举措中，玩家可以尝试改进工具连接和升级，以更快地收回投资成本。他们的努力可能涉及与设备制造商建立合作伙伴关系，以应用提高产量的高级分析。例如，通过高级组合学习实现的建模可能会在整个制造周期中取代物理测试的某些元素，从而降低成本和上市时间。再比如，公司可以使用数据从物理计量转向虚拟计量。
在芯片需求超过当地供应的市场中，一些政府官员也在考虑提高当地前端制造能力的策略，特别是因为最近更大的供应链中断和地缘政治问题使贸易变得复杂。在某些情况下，他们可能会补贴晶圆厂建设，研究表明这可以帮助公司更快地收回投资。但许多政府官员可能没有意识到他们在努力赶上领先市场时将面临的所有挑战。
由于半导体价值链如此复杂和专业化，在可预见的未来，该行业可能仍将是一个高度相互依存的全球网络。由于没有一个市场拥有拥有整个端到端价值链所需的所有能力的公司，因此每家公司都应专注于加强其在目前处于领先地位的领域的地位。这一战略将帮助市场在最新的半导体时代保持相关性。
虽然它们可能隐藏在设备中，但半导体现在在每个人的生活中发挥着比以往任何时候都更加重要的作用，从学童到疗养院的病人。当前的半导体短缺凸显了这一事实，并使该行业对运作良好的半导体供应链的依赖非常明显。一些最令人兴奋的趋势，包括与自动驾驶、汽车电气化和人工智能相关的趋势，都依赖于半导体技术的持续创新和稳定的芯片供应。
我们相信，如果利益相关者现在准备好抓住未来的机遇，这些趋势可能会将未来十年变成“黄金半导体十年”。
