[原创] SIA重磅报告：美国半导体如何应对中国的追赶？

来源：本文内容由公众号半导体行业观察（ID：icbank）翻译自「semiconductors」，谢谢。

半导体是几乎所有现代技术的基础。他们推动我们的生活和经往济越来越好的方向发展，并正在驱动塑造我们未来的技术冉冉升起。 他们存在于我们周围的方方面面，但大多是看不见的。它们嵌入我们所依赖的，用于通信，运输，医疗保健，商业，国家安全和无数其他应用的数字商品中。

半导体是由美国人发明的，美国也仍然领先于世界先进半导体的研究，设计和制造。数据显示，在 2018年全球4690美元的半导体营收中，美国半导体公司贡献了其中的一般。

过去几十年里，半导体技术的进步已经通过“摩尔定律”来衡量：那就是硅片面积上的晶体管数量大约每18到24个月翻一番。自这个观点在1968年提出以来，半导体行业就一直以这个节奏快速创新，推动了一项项技术的发展，并通过大幅提高计算能力、降低成本来实现了科技革命。

该行业对摩尔定律的遵循达到了难以想象的水平，并在这个过程中把材料科学、光子学，工程学和设计推向极限。今天的半导体芯片每平方厘米集成的晶体管数目达到数十亿个，电路也是以纳米级来测量。领先半导体芯片包含的晶体管比人类头发细10,000倍。由于半导体技术的巨大进步，消费者能以更低的价格从更多创新产品中获益。这种快速的创新步伐促进了美国的经济，创造了美国的就业机会，并改善了我们的生活方式。 但如果我们要在未来五十年了保持创新步伐，并在全球的科技竞争中取得领先，那就必须要领导全球的半导体创新。

由于雄心勃勃的海外竞争对手从政府获得了大量的资金支持，这让美国在保持了几十年的半导体创新遭受严峻的威胁。这些先进半导体技术正在冲破物理障碍、超越大量资金的限制。

虽然美国在全球半导体市场拥有近一半的市场份额，但某些海外政府正试图通过政府对企业、制造和科学研究的巨额投资来取代美国的领导地位。例如，中国政府已经宣布，在未来十年将投资超过1000亿美元，赶上美国在半导体、人工智能和量子计算方面的水平。虽然中国可能无法实现其所有目标，但考虑到其巨大的投资规模，我们不应该忽视中国的这个做法。

这些挑战会使美国在半导体设计、研究和制造以及在全球竞争中的领导地位受到威胁，因为正是这些技术决定我们的未来。根据大家的观点，半导体领域内关键的“必赢”技术包括人工智能、自动驾驶汽车和其他自动系统、量子计算分析海量数据、增强数字加密，以及能够无缝连接人的先进无线网络。这些技术将会以前所未有的速度推动如个性化医疗保健，机器人技术和智能产品等方面的创新，并带来巨大的经济增长。

未来的经济将以使用传感器手机数据、网络存储和运输数据、先进计算机和系统分析和使用数据为特征，而半导体则是这些功能的核心，所以我们必须进一步发展半导体技术，以满足未来技术的需求。以下几项则是倍受关注的半导体技术：

一、人工智能

人工智能指的是模仿人类学习和决策的技术。人工智能在改变经济方面有巨大潜力，他们也是自动驾驶汽车、机器学习、无数“智能”设备和应用程序的关键。

专家估计，到2030年，人工智能给全球的经济带来13万亿美元的增长，如果没有半导体工艺技术和芯片设计的进步，人工智能就不可能可以这么快实现了从未来主义的猜测到现实的实现。的确，半导体在典型AI处理流的三个方面都显得至关重要：

1）通过智能手机，汽车和多种“物联网”设备的数据生成或数据源；

2）使用图形处理器，微处理器或其他高性能处理器去做AI /深度学习训练；

3）实际使用中的AI推理，；

二、量子计算

量字计算有望增加计算机的运算能力。据统计，一部量子计算机的计算速度比传统计算快一亿倍，在和超级计算机相比，也有好几卡倍的差距。能实现这个速度，势必会影响这个产业和经济。量子信息科学的发展与半导体工业探索超越摩尔定律的性能限制类似。学术和政府研究人员通过与半导体行业串联或合作，在量子计算方面取得了进展。但我们应该知道，量子计算需要复杂的制造能力，专业的材料，和先进的技术。 量子硬件研究人员认为，先进的量子计算可以帮助研究人员去回答AI和机器学习广泛应用的领域内问题。

三、先进无线网络

因为低延迟和较之现在网络的100倍速率提升，先进的无线网络将为物联网、无人驾驶汽车和机器人等下一代数字技术提供支柱

正式在先进的网络速度和全新架构的要求下，底层半导体硬件解决方案的全部潜力尚未被察觉但实现了。但那些能够获得足够的半导体技术去支持5G或更高版本的先进网络实现的国家将会获得巨大收益。

但领先的先进无线网络需要国家在政策方面对半导体行业进行支持，建立工程和技术人才，以及支持私人和公共研发。 NSF支持无线基础研究数据和先进的无线网络。它还资助测试平台和研究平台使用一系列研究基础设施，通过在高级无线研究平台在美国大学开设课程对先进的无线网络系统进行原型设计。

维持和加强美国半导体领导地位的战略包括三项总体政策举措：

1、投资那些能推动美国半导体创新的研究；

2、吸引和培养技术熟练的劳动力，确保美国在半导体的研究，设计和制造以及未来的开发和实施技术上面的领先；

3、确保进入全球市场并保护知识产权，这样的话美国半导体产业可以就在未来进行竞争，创新和发展；

通过实施这些政策，国会和政府将采取这些政策去保护美国半导体技术领先地位并取得在未来技术的胜利。实施这些也政策将也会帮助美国维持其领导力和保证经济增长，还能保护国土安全。

为了在推动未来经济增长的关键技术上取得突破，并在面对全球竞争时保持美国的领导地位，美国需要在半导体研究方面进行雄心勃勃的投资。不幸的是，多年来，联邦政府在研究方面的投资一直在下降或持平。相比之下，主要竞争对手正在大幅增加他们的研究支出，包括对半导体研究的定向投资。如果投资不足的情况持续下去，美国就有可能失去其创新优势和技术领先地位。

美国半导体行业已经在自己的研发上投入巨资，以保持竞争力和技术领先地位。美国半导体行业近五分之一的收入用于研发，2017年约达360亿美元，是20年前的三倍。这是所有行业中所占比例最高的，而且绝大部分的研究都是在美国进行的。该行业的投资主要集中在应用研究和产品开发上，不是长期的基础技术突破所需要的基础研究。为了补充私营部门的这一承诺，美国需要增加对大学、国家实验室和其他实体的联邦投资，以保持我们在这一关键行业的领导地位。

摩尔定律数十年来的成功得益于对材料和化学科学、计算机科学和应用数学、电气工程和制造技术的研究投资。持续的半导体创新需要新材料、设计和架构方面的研究，通过整体政府方法和公私伙伴关系来应用学术界、工业界和政府研究中心的最佳研究成果。

美国半导体行业每年约五分之一的收入用于研发，2017年约360亿美元。这是所有行业中研发投资率最高的行业之一。

联邦科学事业是美国社会的一颗明珠，它产生了无数的创新，为美国的经济实力和国家安全做出了贡献。不幸的是，与我们的全球竞争对手相比，联邦政府在研究方面的投资一直在下降。

研究政策建议

我们敦促国会和政府：

• 将美国联邦科学机构在半导体研究方面的投资增加三倍，从每年约15亿美元增加到50亿美元，用于推进新材料，设计和架构，从而以指数方式提高芯片性能。联邦政府目前在专门针对半导体行业的研究项目上投资大约15亿美元。这些项目资助纳米电子、安全、能源效率和其他重要领域的关键研究。为了应对当前的技术挑战并跟上全球竞争的步伐，这些半导体研究项目的资金在未来5年内应该增加三倍。

• 将美国在材料科学、计算机科学、工程和应用数学等半导体相关领域的研究投资增加一倍，以推动半导体技术的跨越式创新，推动人工智能、量子计算和先进无线网络等未来关键技术的发展。半导体技术的进步还得益于美国科学企业在更广泛的科学研究领域开展的项目。材料科学、计算机科学、工程学、应用数学、光子学和化学等领域的研究项目对半导体技术的未来创新至关重要。今后5年，这些项目的资金应增加一倍。

然而，如果不加强与工业界的接触，单靠增加研究经费是无法应付这些挑战的。联邦政府发挥着重要的召集作用，必须推动公私研究伙伴关系，不仅要增加一般科学研究知识基础，而且要将这些知识与现实世界的应用联系起来。这样做是必要的，以确保科学突破造福社会，并保持美国在半导体技术方面的领先地位。半导体技术对国家安全和产业竞争力至关重要。

研究——发展人才通道

除了为技术创新提供基础，研究投资还支持为下一代半导体创新者提供人才的通道。鉴于发展一支高技能、高知识的劳动力队伍对半导体技术的持续发展至关重要，研究资助是促进美国创新人才的一个重要组成部分。

为了保持全球半导体行业的领先地位，并确保美国在开发和实施未来技术的全球竞赛中获胜，美国需要一支高技能的劳动力队伍。

想要在半导体研究、设计和制造领域处于领先地位，需要从世界各地聘请最优秀、最聪明的科学家和工程师。在全球人才的竞争中，美国的教育体系未能培养出足够数量的美国工人和学生，他们具备必要的STEM（科学、技术、工程、数学）专业知识，以满足半导体行业和其他技术领域的需求。因此，让海外顶尖人才填补美国的空缺对美国半导体行业至关重要。每一个留在美国并在美国工作的受过高等教育的移民都为美国创造了近3个额外的就业机会。许多美国最具创新性的公司（包括几家美国领先的半导体公司）都是由移民创办和领导的。

在大多数教育基准方面，美国也落后于其全球竞争对手。中国正在培养更多STEM领域的学士。在研究生阶段，在材料科学、物理化学、电子工程和半导体工业的其他重要领域，美国高校相关领域的大部分学生来自外国。美国国家科学基金会指出，在美国高等院校的电子工程和计算机科学研究生项目中，大约80%的学生来自外国，这一比例正在迅速上升。

美国需要一个全面的长期计划来吸引年轻的学生——尤其是女性和少数族裔学生——学习科学和工程，并让他们在实验室、先进制造业和学徒岗位上工作。

半导体行业在美国直接雇用了近25万名工人，并在美国增加了100多万个工作岗位，在19个州拥有主要的制造业务。

国际学生在美国大学理工科研究生中所占的比例越来越大，几乎是美国学生的四倍。

劳动力政策建议

我们敦促国会和政府：

• 改革高技能移民制度，取消对绿卡的适得其反的限制，使美国高校合格的STEM毕业生和世界各地的STEM毕业生能够工作、创新，并为美国在半导体行业的领导地位做出贡献，推动我们的经济发展。STEM领域的外籍人士，特别是那些拥有高等学位的人，应该自动有资格在美国工作，并为我们的经济做出贡献。

• 将美国对STEM教育的投资增加50%，并实施一项全国性的STEM教育计划，到2029年将美国STEM毕业生的人数增加一倍。政策制定者应支持学徒制和培训计划，并与工业界和学术界合作制定课程，以满足对半导体工业未来至关重要的日益增长的技术的需求，如人工智能、量子计算和先进的无线网络。

自由和公平地进入全球市场对该行业的成功至关重要。半导体是美国第四大出口产品，在过去20年中对美国的贸易平衡做出了积极的贡献。美国半导体公司80%以上的收入来自海外销售。全球销售收入支撑着美国125万个半导体支撑的就业岗位，并对维持竞争力所必需的高水平研发提供支持。此外，大部分研发是在美国进行的。半导体行业依赖于复杂的全球供应链，包括原材料、设备、研发、技术、人才、测试和分销。因此，继续进入全球市场和供应链对美国继续保持行业领先地位至关重要。

半导体价值链的所有阶段——研究、设计、制造、装配和封装——都发生在全球一体化的网络中。美国半导体行业利用这一全球网络来保持其竞争力，这是该行业成功的一个关键方面。

如今，全球半导体生态系统正受到政府政策的威胁，这些政策寻求实现供应链本地化，并打造国家支持的国家冠军企业，以便在海外展开竞争。这些政策采用了大规模的国家补贴、自上而下的方法、中央计划的产业政策，以及其他非市场措施，包括强制技术转让和知识产权盗窃。它们还可能扰乱市场，损害创新。尽管中国今天脱颖而出，但人们担心这种“供应链本地化”的趋势将蔓延到其他国家。只有促进进入全球市场和确保公平竞争，才能维持美国在半导体工业中的全球领导地位。此外，维护这一全球价值链符合所有国家的利益。美国政府应该与志同道合的国家合作，促进有效的贸易政策，以维持我们行业的这一关键方面。

开放市场和公平贸易需要强有力的知识产权保护和执法。知识产权是半导体产业的命脉，加强知识产权保护对半导体产业的全球竞争力至关重要。该行业在研发方面的高水平投资产生了宝贵的知识产权（专利、商业秘密、源代码等），保护该知识产权对该行业在世界上的竞争地位至关重要。

自由开放市场的重要性

海外市场占美国半导体公司销售额的80%以上

SOURCE: World Semiconductor Trade Statistics and SIA

全球半导体价值链

贸易政策建议

我们敦促国会和政府：

• 批准和更新自由贸易协定，包括美国—墨西哥—加拿大协定(United States-Mexico-Canada Agreement)，从而消除市场壁垒、保护知识产权和促进公平竞争。美国决策者应扩大进入全球市场的渠道，通过批准新的和更新现有的自由贸易协定，打击歧视性和扭曲市场的政策。现代美国贸易协定应该：

• 加强保障措施，加大惩罚力度，保护商业秘密和其他形式的知识产权。

• 通过消除贸易技术壁垒，确保最具创新性和最有效的加密产品进入全球市场。

• 确保国有或补贴企业根据市场因素公平透明地进行竞争，取消非法或导致不利影响的政府补贴。

• 取消对半导体产品、应用和电子传输的关税。

• 防止强制本地化数字基础设施和本地内容要求。

• 禁止强制技术转让。

• 简化并协调海关和贸易程序。

具体而言，我们敦促批准“美国—墨西哥—加拿大协定”，该协定包括许多新的和更高标准的贸易规则，会加强数字经济和全球半导体供应链。

• 增加用于执法和情报机构的资源，以防止和起诉半导体知识产权盗窃，包括盗用商业机密。强有力的知识产权保护对于保持创新激励机制至关重要。

半导体是美国仅次于飞机、成品油和原油的第四大出口产品。

半导体是塑造我们国家经济，创造就业机会，技术领导和国家安全的关键技术。 为了保持美国在半导体技术领域的全球领先地位，联邦政府必须制定政策，投资于我们的创新基础、人才和全球竞争能力。

过去，当美国在半导体技术领域的领导地位面临挑战时，它是通过合作和协作才崛起的。在20世纪80年代，政府和业界合作成立了SEMATECH公司，这是一个有远见的合作项目，旨在保持美国半导体行业的领先地位。人们普遍认为，通过战略研究投资和建设半导体劳动力队伍，SEMATECH推动了那个时代的技术创新。全球市场和供应链的开放进一步推动了这一努力，导致了我们今天所拥有的无与伦比的增长和创新。

美国现在面临着对其行业领导地位的类似挑战，政府、学术界和产业界必须再次携手克服这一挑战。我们今天面临的障碍与过去不同，因此此时需要战略思考和新的解决方案，以实现我们继续保持美国半导体行业领先地位的共同目标。

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