美国半导体行业协会2021年上半年回顾报告

2021的状态美国半导体行业 2|半导体行业协会 介绍半导体是现代技术的奇迹，也是现代生活的基础。半导体在四分之一大小的硅片上装有多达数百亿个晶体管，支持从汽车到咖啡机的一切，更不用说新的、可能改变游戏规则的应用，如人工智能、量子计算、先进的无线网络等。在过去的一年里，由于世界仍然受到 COVID-19 大流行的困扰，支持半导体的技术使我们能够远程工作、学习、治疗疾病，在线订购商品并保持联系。随着世界大部分地区关闭，半导体使全球经济、医疗保健和社会的齿轮继续运转。而且，至关重要的是，半导体帮助医生和科学家开发了治疗方法和疫苗，开始让世界再次健康。例如，如果没有为世界上最先进的超级计算机提供动力的半导体，从历史上看，COVID-19疫苗的快速开发是不可能的。虽然半导体行业在2021年取得了巨大成功，但也面临着重大挑战。其中最主要的是全球半导体普遍短缺。疫情应对期间对半导体需求的意外增长，加上汽车等其他产品的芯片需求大幅波动，引发了全球供需失衡的涟漪。半导体行业一直在努力增加产量以满足高需求，出货量更多到 2021 年中期，半导体的月度产量将比以往任何时候都高，但大多数行业分析师预计，短缺将持续到 2022 年。短缺提高了人们对美国半导体供应链重要性的认识。尽管全球芯片供应链的地理专业化使行业实现了巨大的增长和创新，但近年来供应链中的漏洞已经出现。为例如，在2019年，世界上最先进的逻辑半导体（<10纳米）100%是在海外生产的。美国政府已经注意到需要通过对美国芯片生产和创新的大力投资来加强美国的半导体供应链。2021年6月，美国参议院通过美国创新与竞争法案（USICA），广泛的竞争力立法，包括520亿美元，以支持国内芯片制造，研究和设计。这半导体行业敦促美国众议院效仿，将立法提交总统办公桌签署成为法律。2021 年，半导体帮助稳定了一个因 COVID-19 而摇摆不定的世界，该行业的未来从未如此光明。随着半导体创新和全球芯片需求继续不可分割地增长，政府和行业必须共同努力，以保持美国在这一基础、不可或缺的技术方面的领导地位。2021年美国半导体行业的状态|3 芯片战斗COVID-19半导体作为电子设备的“大脑”，对应对疫情和全球经济复苏至关重要。它们为各种基本产品、救生设备和关键基础设施提供显示、无线连接、处理、存储、电源管理和其他基本功能。这包括医疗保健和医疗设备、电信、能源、金融、运输、农业、制造业、航空航天和国防。半导体还支撑着使远程工作和学校成为可能的 IT 系统，并提供对各个领域的基本服务的访问，包括医学、金融、教育、政府、食品分发等。在这场全球大流行中，富含半导体的设备在为经济和公共卫生领域的众多问题开发解决方案方面变得越来越普遍。半导体驱动性能的能力这些关键领域与“摩尔定律”有关，即半导体芯片的能力大约每两年翻一番，而价格会下降。今天，最先进的微处理器包含近400亿个晶体管。事实证明，半导体在大流行期间支持世界方面有多种方式至关重要：1医疗设备公共检测和跟踪加速疫苗开发4虚拟的东西远程医疗和弱势群体4|半导体行业协会235 医疗设备半导体是当今医院和医生办公室中使用的许多医疗设备不可或缺的组成部分，包括许多对治疗COVID-19患者至关重要的设备。任何可以插入电源插座或带有电池的医疗设备都依赖于半导体来操作。半导体提供操作控制、数据处理和存储、输入和输出管理、传感、无线连接和电源管理等功能。通过启用以前由非半导体器件，半导体往往在降低成本的同时提高了性能。事实证明，这对于应对COVID-19和改善总体卫生保健至关重要。医疗设备中的半导体有助于抗击COVID-19的两个具体例子如下：便携式超声设备在医院环境中，COVID-19的第一线检测是识别病毒的可识别症状，例如肺部病变。快速识别与该病毒相关的严重急性肺炎的这种特征使医生能够治疗患者无需等待病毒感染测试。这种快速反应可以通过手持式超声设备和温度筛查来实现。这些便携式超声设备已经从使用压电晶体过渡到半导体，大大降低了成本，提高了性能。现在，由于半导体的使用，医院可以获得更实惠和更有效的技术来评估患者的内伤。通风呼吸机用于通过辅助呼吸来治疗严重肺损伤患者，并由半导体芯片控制。呼吸机系统使用半导体传感器和处理器来监控重要信号;确定每次呼吸的氧气速率、体积和量;并根据患者的需要准确调节氧气水平。这些信号由机器的半导体处理器读取和解释，这些处理器控制电机的速度，转化为机械化呼吸以支持患者。2021年美国半导体行业的状态|5芯片战斗COVID-191 芯片战斗COVID-19公共检测和跟踪准确及时的COVID-19检测是评估风险和确定公众治疗需求的重要组成部分，而半导体医疗设备有助于推进检测工作。体温筛查在许多工作场所和公共设施中变得司空见惯，希望加速疫苗开发大流行迅速产生了研究人员可以用来开发 COVID-19 疫苗的数据，但这些数据的庞大数量使科学家难以找到他们需要的具体数据。幸运的是，尖端的半导体技术正在简化当今开发人员的研究过程。例如，一家美国半导体公司的工程师开发了一个名为Deep Search的平台，该平台使用自然语言处理来标记研究论文，以便搜索引擎更准确地发现。这些技术帮助科学家更快地开发疫苗，以对抗COVID-19等疾病。虚拟的东西半导体支撑着在传统办公室和学校环境之外维护同事和同学之间通信网络所必需的IT基础设施。可以远程开展业务的公司迅速做出反应通过将资源转移到数字通信来应对大流行，这种趋势可能会持续下去。随着顶级提供商的网络使用率增长 30% 到 50%，支持芯片的通信基础设施为企业和学校提供了一条生命线，让他们在整个大流行期间继续进行远程工作和学校。向大量人员重新开放他们的空间。这是使用启用了热像仪或非接触式前额红外测温仪完成的通过传感器和模拟芯片等半导体将温度等现实世界现象转换为数字读数。除了个别技术人员的工作外，合作研究组织还通过利用规模经济最大限度地提高了疫苗开发能力。COVID-19 高性能计算 （HPC） 联盟是一个合作网络，旨在加入包括工业、学术界、联邦机构和国际政府机构在内的团体的计算能力和数据收集。在大流行初期，部署了支持半导体的人工智能技术，以帮助大学、公司和诊所将建模和运行不同潜在治疗所需的时间从几周缩短到几分钟。这大大节省了在湿实验室中开发假设解决方案所需的时间和资源。交付和运输服务严重依赖快速通信能力。一些例子是大型卡车司机车队，他们轮班工作，需要车队经理的协调支持。在大流行期间，商店物品、杂货和餐厅食品的取货和送货选项都很受欢迎，因为手机应用程序使交易变得简单和安全。杂货配送公司利用无处不在的智能手机为了连接购物者和客户，这些支持半导体的服务在应用程序下载量和订单数量方面大幅增加。6|半导体行业协会234 芯片战斗COVID-19主要消费领域芯片销量同比增长快速增长60%50%40%30%20%10%0%-10%2020年1月2月3月4月五月小君7月8月9月10月11月12月2021年1月2月3月4月五月小君5远程医疗和弱势群体安全重新开放经济部门的一个关键方面是保护老年人、糖尿病患者和听力障碍者等弱势群体。管理与这些人群的接触是第一步，但实时监测系统使医生能够在内部访问有关患者日常状态的信息。和远程。半导体在这方面发挥了重要作用。在 COVID-19 危机期间，远程医疗保健或远程医疗一直是必要且非常有益的，半导体对 IT 基础设施和可穿戴医疗至关重要患者监测技术。这项技术对老年人口和有潜在健康状况的患者特别有帮助。糖尿病患者感染冠状病毒的风险也更高。这种风险可以通过利用先进的传感器（如连续血糖监测（CGM）和可穿戴胰岛素泵）的富含半导体的新技术来减轻。CGM的工作原理是在您的皮肤上放置一个传感器，该传感器将信息传输到设备，该设备会在您的血糖波动很大时提醒您。同样，胰岛素泵管理您的葡萄糖根据您的编程时间表释放小剂量的胰岛素。对于糖尿病患者COVID-19患者，获得此类技术有助于预防危及生命的并发症。半导体还以鲜为人知的方式改善了对服务不足和弱势群体的 COVID-19 护理。听力障碍患者在COVID-19危机，因为医用口罩会降低语音质量，使听力受损的患者难以理解医疗保健专业人员的建议。《听力评论》上的一项研究得出结论：“许多成为该病毒受害者的人都有听力损失，没有家人陪伴，身体虚弱，患有多种慢性疾病，并且可能没有听力辅助。助听器使用半导体进行过滤、处理和放大声音，全部装在一个小巧的包装中，可单独佩戴或放入耳朵中。为了帮助患者获得助听器，几家听力保健公司推出了允许远程患者护理的平台。其他远程医疗平台在受病毒影响严重的地区，用户增加了700%以上。2021年美国半导体行业的状态|7消费者沟通电脑 8|半导体行业协会全球芯片短缺及行业应对过去一年疫情的一个重要后果是全球芯片短缺，影响了包括汽车市场在内的许多终端市场。大流行是一代人一次的事件，造成了需求大幅且意想不到的波动。短缺在 2020 年出现，主要是由于早在 2020 年春季 COVID-19 大流行导致的需求大幅波动。随着病毒在全球范围内传播，一些客户减少了生产和芯片购买。此外，一些国家和地区在 2020 年初进入封锁状态，这严重中断了半导体供应。与此同时，芯片制造商发现，用于实现远程医疗保健、在家工作和虚拟学习的其他行业对半导体的需求激增，这些在大流行期间是必需的。短缺继续影响一系列下游行业，包括汽车、消费电子产品、家用电器、工业机器人和许多其他关键商品。半导体行业一直在努力提高产量，以满足短缺期间的新需求。首先，半导体行业努力保持全球运营，尤其是在 2020 年春季大流行开始时，许多外国和州政府对企业。半导体行业努力将其业务归类为“必要”，以便他们可以继续运营。在短缺期间的所有季度，该行业的晶圆厂利用率都远高于80%的正常利用率水平。当市场需求高涨时，例如在像现在这样的周期性市场好转中，前端半导体制造设施（fab）的产能利用率通常会超过80%，一些单独的晶圆厂的产能利用率高达90-100%。如下表所示，该行业在过去两年中一直在稳步提高晶圆厂的整体利用率，预计在 2021 年的大部分时间里，利用率将进一步提高以满足需求。更高的晶圆厂利用率将增加芯片产量，并帮助行业满足不断增长的市场需求。简而言之，半导体行业已经尽其所能在短期内满足不断增长的需求，即扩大晶圆厂利用率并以尽可能高的产能运行晶圆厂。8|半导体行业协会 > 80% =长期模型完整的利用半导体公司努力满足市场需求100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%1问题19 2q19 3q19 4q191 q20 2 q20 3 q204 q20 1q212 3 q21e 4 q21e对方篮里全球半导体行业正在相应地进行规划，以满足未来几年的这一预期市场增长，通过创纪录的制造和研发投资水平。例如，全球行业已投资在中长期增加新的晶圆厂产能，以确保继续增加更多的晶圆厂产能，以应对半导体需求的增长。除了增加晶圆厂产能外，该行业正在解决的另一个指标是该行业最近创纪录的资本支出（capex）。预计 2021 年的行业资本支出将在 2021 年达到近 1500 亿美元，到 2022 年将超过 1500 亿美元。在 2021 年之前，该行业从未在年度资本支出上花费超过1150亿美元。芯片的长期需求驱动因素将无法仅通过提高利用率来满足。短缺提醒人们半导体在包括交通在内的许多社会关键领域发挥着重要作用。随着对电子产品和连接性需求的增长，这一趋势只会持续下去。在汽车领域，新车越来越依赖芯片来实现燃油效率、安全性和其他功能。电动汽车的预期增长只会进一步增强这种依赖。在从长远来看，随着芯片在不断扩大的产品阵列中发挥更大的作用，全球对芯片的需求将继续上升。2021年美国半导体行业的状态|9全球芯片短缺及行业应对> 80% =长期模型完整的利用季度工厂利用率,2019 - 2021 10|半导体行业协会37%10%芯片美国法案/晶圆厂美国在全球半导体制造能力中的份额已从1990年的37%下降到今天的12%，这主要是因