美國萬字報告：芯片設計很重要！

近日，SIA發布了一個和BCG合作的報告，強調了芯片設計的重要性，并建議美國補貼以保證他們在這個領域的領先。以下為文章全文。

半導體無處不在，它們為從手機到好奇號和毅力號火星探測器等范圍廣泛的產品提供動力，其對經濟也很重要。2021年，全球半導體銷售額總計5560億美元。其中半導體設計——包括設計物理集成電路和相關軟件——占據了大約一半的行業研發投資和增值。

美國公司在半導體設計方面發揮了主導作用，美國因此受益于創新的良性循環，增強了其制定技術標準的能力，加強了國家安全，提供了高質量的就業機會，并為原創創造了競爭優勢相鄰行業的設備制造商 (OEM)。（參見圖表 1。）

然而，近年來，美國在設計相關收入中所占份額開始出現下降跡象，從 2015 年的 50% 以上下降到 2020 年的 46%。其他地區，尤其是韓國和中國，在當地出現了增長他們的設計能力。我們的分析表明，在當前軌跡（即，如果規劃者不采取任何行動），隨著其他地區在未來增長中占據更大份額，到本十年末美國的份額可能會降至 36%。

如果美國旨在捍衛其在設計領域的領導地位并獲得設計領導地位相關的下游利益，它需要解決三個挑戰。

挑戰一：設計研發投入需求上升。

隨著芯片變得越來越復雜，開發成本也在上升，尤其是在前沿制造節點上制造的芯片。今天，美國私營部門在設計研發方面的投資比任何其他地區的私營部門都多，但世界各國政府提供了重要的激勵措施來吸引先進設計，而美國面臨落后的風向。此外，美國對研發的公共支持相對水平落后于其他地區。在美國，由公共投資資助的半導體特定設計和研發的總份額為 13%，而中國大陸、歐洲、中國臺灣、日本和韓國的平均比例為 30%。如果在設計和研發方面與國際同行保持一致——包括對在美國進行的先進設計和研發的稅收抵免等直接激勵措施——將有助于確保美國的設計相對于其他國家的公平競爭。

挑戰二：設計人才供給減少。

盡管當今世界上大多數半導體設計工程師都在美國，但美國半導體設計行業面臨著技術工人短缺的問題，并且鑒于科學技術人員數量的趨勢，到 2030 年這種短缺有望增加到 23,000 名設計師、技術、工程和數學 (STEM) 畢業生以及離開該行業的經驗豐富的工程師人數。公共和私營部門必須共同努力，鼓勵更多的美國工人進入設計領域，并鼓勵有經驗的設計師不要離開這個領域或國家。此外，私營部門必須繼續通過開發和部署新工具并優先考慮附加值最高的研發和設計來提高其勞動力的生產力。

挑戰三：全球市場的開放準入面臨壓力。

銷售是研發投資的最終資金來源，但關稅、出口限制和其他因素威脅著美國半導體企業進入全球市場，隱含地使研發再投資面臨風險。長期趨勢可能會逆轉全球化的某些因素，但確保市場盡可能保持開放將使美國受益，美國從自由貿易中獲益匪淺，而限制擴散的損失最大。

未來十年，美國私營部門可能會投資 4000 億至 5000 億美元用于與設計相關的活動，包括研發和勞動力發展。但為了在未來十年保持領先地位，美國需要補充公共部門投資，以應對上述主要挑戰，以整體加強國內半導體行業。

此外，公共部門投資提供的杠桿作用將是巨大的。我們的分析表明，投資于設計和研發的每一美元公共資金都會吸引私營部門對設計和研發的額外投資，最終產生 18 至 24 美元的設計相關銷售額。

因此，到 2030 年，對設計和研發的公共投資約為 200 億至 300 億美元（包括 150 億至 200 億美元的設計稅收優惠），這將在十年內產生約 4500 億美元的設計相關銷售額增量，同時支持約 23,000 個設計工作和 130,000 個間接和衍生工作的培訓和就業，并鞏固美國在半導體設計領域的領導地位。

圖1：半導體設計的市場領導地位帶來多重優勢

半導體設計領導者面臨日益嚴峻的挑戰

半導體對于推動經濟競爭力、國家安全以及從現代防御能力到自動駕駛汽車等技術的現代世界的運轉至關重要。半導體產業具有很高的戰略意義，半導體制造越來越成為主要經濟體產業政策的重點。然而，在制造半導體或芯片之前，必須對其進行設計，本報告重點介紹半導體設計。

我們首先闡述什么是半導體設計及其重要性，然后討論美國在該領域的歷史以及設計領導地位帶來的好處。盡管其價值很高，但在設計方面的領先地位并非不可避免，如今美國要保持其市場領先地位面臨三大挑戰：與半導體設計相關的難度和研發強度不斷增加；國內人才短缺；以及對全球市場準入的威脅，這使得對設計的持續再投資成為可能。我們估計了人才短缺對美國設計領導地位的影響，以及如果美國選擇維持半導體設計領導地位，可能采取的潛在政策可能帶來的好處和回報。

一、設計是半導體價值鏈的關鍵部分

在建造房屋時，建筑師和建筑工程師共同設計高層次布局。這些專業人士決定我在哪里放置房間和窗戶，以創造一個滿足客戶需求的空間。建筑師和建筑工程師必須考慮一系列權衡——例如，居住空間和存儲空間之間的權衡——并詳細設計框架、管道、電氣和其他使住宅宜居的考慮因素。所有這些準備工作必須在實際施工開始之前完成。

同樣，在制造半導體之前，必須對其進行設計。正如家庭設計中需要權衡——例如，在開放性和隱私性之間——芯片設計需要在性能和能效、通用指令的處理和高度專業化指令的處理以及數字數據輸入等理想目標之間進行權衡和真實世界模擬數據的輸入。

正如設計獨戶住宅的專業知識并不能讓建筑師具備設計摩天大樓的資格一樣，為不同應用設計芯片所需的技能在許多情況下也是不可替代的。（參見附錄中的“關鍵半導體設計技術”。）此外，芯片設計可能是一項艱巨的任務，需要大型團隊——有時包括數百名高技能設計工程師，每個人都有不同的專長——在設計之前通力協作多年完成并準備生產。從歷史上看，美國在半導體設計方面一直處于世界領先地位。（參見圖表 2。）

精心設計的芯片使汽車能夠安全運行，先進的醫療設備能夠保護或挽救生命，軍用雷達系統能夠檢測危險。半導體設計幫助幾乎所有經濟部門，從農業到制造業，都變得更加有效和高效。半導體設計在人工智能 (AI) 等新創新中也發揮著關鍵作用，這些創新正在改變整個技術和經濟領域。

當半導體設計得到改進時，所有使用半導體的應用程序也會受益。相反，當半導體設計停滯不前時，所有相關應用也會受到影響。此外，設計創新是未來半導體改進的基礎。隨著物理擴展難度不斷增加，與設計相關的創新（例如新架構和異構集成）將變得越來越重要。異構集成將允許設計人員為每個芯片的不同元素選擇最佳制造技術（例如，碳化硅上的電源管理、28 納米上的模擬功能以及前沿節點尺寸上的高性能邏輯），從而提高性能，提供以前不可能達到的整體性能水平。

設計是區分一種半導體和指導原始硅晶圓如何成為最先進芯片的關鍵活動，因此設計需要大量研發投資也就不足為奇了。（見附錄“半導體價值鏈總結”。）事實上，設計的研發強度約為20%，EDA和核心IP的研發強度大于30%，而晶圓的研發強度約為10%制造和設備生產。

圖2：美國是半導體設計領域的長期領導者

二、設計很復雜，包括多種不同類型的公司和活動

半導體設計涉及兩種類型的活動：硬件設計和軟件開發工作。硬件設計是一個多步驟過程，包括產品定義和規范、系統設計、集成電路設計和硅后驗證。（參見圖表 3。）軟件開發需要創建固件——一種繞過（例如）終端設備操作系統的低級軟件，如筆記本電腦，直接向芯片提供指令。隨著設計變得越來越復雜，它變成了一個越來越迭代的過程——尤其是對于領先的參與者——這個過程是并行發生的，以便更早地發現問題，優化整體系統級性能，并縮短上市時間。

硬件設計人員在設計過程中使用新的和已建立的技術。在推動創新時，設計人員會生成新的專業設計，使特定應用能夠利用設計和相關技術的最新進展。設計人員通常會使用現有的、可重復使用的架構構建塊（核心 IP）來簡化和加速總體設計的創建。在所有情況下，設計人員都使用高度先進的 EDA 軟件來實現設計過程的自動化，并確保芯片設計可以在不同的且通常是專有的制造過程中制造。由于單個芯片可以容納數十億個晶體管，因此最先進的 EDA 工具對于設計現代半導體是不可或缺的。（見“類型的附錄中的半導體設計活動”。）

從事半導體設計的公司種類繁多，但主要分為四類：

• 無晶圓廠公司（Fabless）。這些公司專注于芯片設計，約占設計相關附加值的一半。他們與第三方商業代工廠合作制造（即晶圓代工廠）他們的芯片。
• 集成設備制造商(IDM)。IDM 負責設計和制造芯片，約占設計相關附加值的一半。在 IDM 中，設計和制造團隊共同努力將新芯片推向市場，通常是在內部制造設施中進行。
• 原始設備制造商(OEM)。汽車制造商等原始設備制造商也在半導體設計中發揮作用。他們使用半導體作為其他產品的輸入。一些OEM廠商已經開始設計自己的芯片，主要是針對自己的產品。例如，云計算供應商可以設計具有特定功能的定制芯片，可以很好地執行特定任務。OEM 越來越多地參與芯片設計，并越來越多地參與無晶圓廠公司和 IDM 滿足其需求的相同產品和人才市場。
• EDA/IP 供應商。EDA 公司是設計公司和代工廠之間值得信賴的中介，提供設計工具、參考流程和一些服務。美國在 EDA 工具方面的領先地位為美國的半導體設計帶來了巨大的好處，因為研究人員可以更多地使用自動化工具，工程師可以使用這些工具并支持使用新設計概念進行實驗。第三方 IP 提供商設計和許可 IP 構建塊（處理器、庫、存儲器、接口、傳感器和安全性）。

除了這些參與者之外，設計服務公司（可以是第三方供應商或制造商的內部團隊）在開發和優化新設計方面發揮著重要作用。特別是，無晶圓廠公司經常與特定晶圓廠的設計服務團隊密切合作，以確保其設計與晶圓廠的制造工藝兼容。（請參閱邊欄“聚焦無晶圓廠代工生態系統”。）密切合作至關重要，因為擴大新工藝涉及建模和達到目標制造產量的固有不確定性。

圖3：半導體硬件設計過程包括四個主要階段

三、聚焦 Fabless-Foundry 生態系統

在 20 世紀 80 年代中期，大型和垂直集成的 IDM（集成設備制造商）進行了所有的半導體設計和制造。為了抵消制造設備所需的高資本支出，IDM 開始向較小的公司提供未使用的制造能力，以保持其晶圓廠的繁忙。雖然這使得一些具有設計專長的公司能夠在不運營自己的晶圓廠的情況下生產芯片，但它仍然是 IDM 業務的一小部分。IDM 通常更愿意擁有他們制造的設計，他們發現很難平衡內部和外部客戶的需求。

1987 年，張忠謀博士察覺到機遇，并與臺灣政府和飛利浦半導體公司合作，成立了臺積電 (TSMC)，這是世界上第一家“純晶圓代工廠”（專門從事制造，不從事在產品設計中）。臺積電向其客戶保證，作為一家專業的代工廠，它不會在設計上與他們競爭。

臺積電采用低成本定價策略，依靠大批量生產盈利。雖然犧牲了早期的利潤，但該公司的制造市場份額迅速增長，使其能夠收回大量資本支出并投資于下一代技術節點。臺積電是受益于臺灣政府通過研發援助、勞動力培訓、建立高科技企業園區等方式對半導體行業提供廣泛支持的公司之一。

盡管 IDM 模式和晶圓代工模式各有優勢，但純晶圓代工的出現降低了設計公司的進入門檻，徹底改變了行業，導致了無晶圓廠半導體設計公司的出現。沒有制造的大量資本支出，無晶圓廠公司可以將他們的專業知識和資源集中在設計創新上，并與專門的代工廠合作進行制造。

由于半導體設計技術不斷發展，設計領導者必須利用對設計創新至關重要的新技術和未來技術，包括：

• 硬件和軟件協同設計。隨著系統變得越來越復雜，設計人員利用設計技術協同優化 (DTCO：design technology co-optimization) 和系統技術協同優化 (STCO：system technology co-optimization) 等實踐來確保某一領域的改進不會對整體系統級性能造成問題。“Shift-left”設計原則允許通過利用虛擬原型設計和數字孿生進行并行軟件和硬件開發。
• 基于人工智能的設計。通過利用基于 AI 的工具，設計人員可以更快、更有效地實現功率、性能和面積目標。強化學習和其他 AI 算法可以自動執行不太重要的設計任務，讓工程師可以專注于更高級的任務和決策。
• 2.5D/3D 設計、Chiplet和異構集成。隨著新工藝技術的采用速度放緩，設計工程師一直在轉向新的設計、集成和封裝技術，以幫助提高性能并降低成本和功耗。異構集成允許更多地使用高度專業化的設計以進一步提高性能。
• 安全設計。對半導體設計安全性的審查越來越嚴格，促使設計人員更加重視安全硬件模塊，并開發增強的工具、方法和加密。在硬件級別為半導體設計安全性可確保系統按預期運行、防止故障并增強網絡安全性。

迄今為止，美國已享受到領先世界半導體設計的好處。

截至 2021 年，46% 的半導體行業收入來自總部位于美國的公司的設計活動，幾乎是任何其他單個地區的 2.5 倍。美國在設計領域的市場領導地位在邏輯領域最為明顯，占該領域設計相關收入的 64%，但它也擴展到離散、模擬和其他 (DAO) 設備的設計，總部位于美國的公司在這些領域產生37% 的設計相關收入。只有在內存方面，韓國公司創造了所有設計相關收入的 59%，美國沒有市場領先地位，如圖表 2 所詳述。

半導體設計的市場領導地位具有多種優勢，包括：

• 創新的良性循環。設計的領導力支持創新的良性循環。例如，設計領導力使美國的公司能夠吸引和培訓外國出生的人才。這支勞動力的貢獻和創新產生了利潤，公司可以將這些利潤再投資于研發，以推動勞動力的持續擴張和未來的創新。
• 制定標準的能力更強。在任何技術領域，標準都支持互操作性，并使公司能夠更輕松地跨供應鏈進行協作。通常，設計領先的公司最先開發出需要標準的產品（例如 Wi-Fi、藍牙和 5G 無線），這使得他們發揮主導作用，就制定的標準達成共識，并迅速發展一套給定標準的優化設計專業知識。擁有眾多領先設計公司的地區將在制定和利用技術標準方面處于相對優勢。
• 更強的安全性。設計領導力在兩個方面提供國家安全優勢。首先，具有設計領先地位的地區可以使用更先進的系統，提高效率。其次，具有設計領先地位的地區可能面臨較低的惡意篡改和供應鏈攔截風險——例如，通過保護關鍵設計信息并實現設計 IP 的可追溯性和控制。
• 擴大高質量就業。設計領導力通過高工資直接支持高質量就業，并通過高就業倍數間接支持高質量就業。例如，2020 年，從事半導體設計的美國工人的平均年收入約為 170,000 美元，而美國的平均年收入約為 56,000美元。
• 相鄰行業原始設備制造商的優勢。技術重工業中的原始設備制造商在他們設計的系統中廣泛依賴半導體。由于在共享的地理和文化背景下進行協作通常更容易，因此 OEM 可以通過與市場領先的芯片設計師直接合作并采用協同設計和系統級優化等實踐來創造競爭優勢。

四、芯片設計領先地位給OEM帶來的好處

半導體設計的創新領導力在多個行業產生創新，從而支持更廣泛的經濟增長和市場領導地位。

自動駕駛汽車。半導體設計師和汽車制造商可以創建和共同優化芯片，以更高效地處理來自汽車傳感器的數據。定制設計的芯片還可以包括關鍵的安全功能，例如冗余電源系統，以確保芯片在最具挑戰性的環境中安全可靠地運行。

智能手機。通過與 OEM 設備工程師密切合作，芯片設計人員可以優化他們的設計以滿足最新智能手機不斷變化的系統需求。例如，定制設計的芯片可以提高設備上的人工智能性能、圖像處理和能效。通過嚴格控制系統級的設計權衡，設計人員可以創建具有更多創新功能和卓越整體性能的硬件和軟件系統。

云計算。設計人員創建定制芯片以滿足特定的云計算需求，從高質量視頻流到高效的 COVID-19 基因組分析。此類芯片可幫助數據中心優化性能并降低功耗。這些好處在 2020 年很明顯，當時快速的云計算幫助研究人員和科學家快速對 COVID-19 變體的基因組進行測序。

5G 通信。芯片設計師與其他通信公司合作以優化系統性能。例如，芯片設計師與網絡運營商合作，為網絡運營商的基站和設備制造商的收發器設計定制芯片。通過同時解決這些問題，移動網絡運營商可以更有效地優化通信系統并更可靠地實施 5G。

醫療設備。植入式起搏器和神經刺激器等醫療設備可以成為救生員。通過設計定制芯片，醫療設備制造商可以確保必須在具有挑戰性的物理環境（例如人體內部）中運行的設備能夠以超低功耗、極高的可靠性和最大的診斷實用性運行。

國家安全。導彈系統、飛機、無人機和雷達系統都依賴于半導體。芯片設計領先地位使美國國防工業能夠增強現有的和創新新的和卓越的防御系統，這對加強國家安全至關重要。

無法保證設計領導地位

設計領導力在過去已經轉移，并且可能會再次轉移。事實上，自1990 年以來，從公司收入推斷的設計領導力在每十年都發生了顯著變化。（參見圖表 4。）

如今在設計領域處于領先地位的美國半導體公司并沒有坐以待斃。到 2021 年，他們在與設計相關的研發方面估計投入了 400 億美元。然而，鑒于競爭加劇，美國的增長速度比其他地區慢，并有可能失去市場份額。美國的整體市場份額（以整體芯片銷售收入衡量）已經穩步下降，從 2000 年的約 50% 下降到 2020 年的 46%，預計到 2030 年將進一步下跌到 36%。

為了解 2030 年市場份額的可能前景，我們按地理區域對設計工程師的流動進行了建模，假設收入和市場份額由研發投資驅動，而研發投資由設計工程師的可用性驅動。我們發現，美國設計勞動力的增長速度可能略高于每年不到 1% 的替代率。相比之下，中國大陸的設計人員以每年 6% 的速度增長，工程師的相對生產率每年提高 6%。歐洲、日本、韓國和臺灣的設計工程勞動力預計將以每年 1% 至 3% 的速度增長。總體而言，預計中國大陸半導體行業的快速增長可能導致市場份額增加 14 個百分點，而美國市場份額可能下降 10 個百分點。

造成美國整體市場份額預計下降的關鍵因素是海外增長更快，這得益于更有利的投資政策和勞動力增長。這種趨勢可能會限制總部位于美國的公司進行再投資的相對能力，從而增加領導地位轉移到其他地區的可能性。

一、美國半導體行業面臨的三大挑戰

如果美國半導體行業想要捍衛其在設計領域的領先地位，就需要解決三個挑戰：

挑戰1：設計和研發投資需求不斷上升。

每一代半導體都需要更多的設計和研發投資，包括新的 EDA 工具、IP 和工藝設計套件，以及半導體設計。一些地區為這些努力提供了比美國更多的公眾支持，使美國的芯片設計公司處于不利地位，并導致美國市場領導地位受到侵蝕。

圖4 ：設計公司的領導地位是不穩定的，每十年都有新的半導體行業領導者出現

挑戰2：設計人才供給減少。

半導體設計需要具有專門知識的工人。美國芯片設計公司與半導體行業內外的其他科技公司爭奪它們美國，以及其他地區的芯片設計公司也渴望他們最有才華的國民回歸。

挑戰3：全球市場的開放準入受到限制壓力。

半導體在全球的自由流動市場受到關稅等因素的壓力和出口限制的影響，準備威脅到美國公司實現規模和利潤所需的能力，以資助對成本越來越高的下一代設計和研發的投資。

幾十年來，全球半導體設計行業已經實現了重要的創新。無論美國是否采取行動保持總部位于美國的公司的市場領導地位，半導體設計的進步都將繼續。

解決這些挑戰將增加未來半導體設計創新由總部位于美國的公司領導的可能性。在下文中，我們將詳細說明這三點：

挑戰一：設計研發投資需求上升

從 2006 年到 2020 年，在最新制造節點上設計新芯片的成本增加了 18 倍以上。（參見圖表 6。）這種增加對新芯片設計產生了拖累效應，為新進入者創造了機會和現有的非領先企業追趕并擴大其市場份額。

美國私營部門的回應是不斷擴大其在設計和研發方面的投資，但相應的美國公共部門在基礎研究和直接稅收激勵方面的支持落后于其他地區。

基礎研究經費

多年來，美國政府對高風險基礎研究的資助對于深刻影響日常生活的進步（例如，抗生素、互聯網和衛星通信）至關重要。政府通常會資助距離太遠、太不確定或太難的研究，以至于單個公司無法將其轉化為競爭優勢。

盡管近幾十年來私營企業大幅增加了研發資金，但美國的公共資金占 GDP 的比例一直保持在 0.03%，盡管其他地區已經擴大了公共投資。

圖5：自2000年以來，美國公司的市場份額一直在下降，預計到2030年將下降到36%

圖6：每個新技術節點的設計成本都在上升

美國、中國大陸、中國臺灣、韓國和歐盟最近都宣布了資助擴大本土半導體能力的計劃——其中一部分計劃支持設計能力。（參見圖表 7。）

這些計劃包括支持傳統基礎研究（例如大學內的競爭前研究）和商業發展（例如對半導體公司的股權投資）。在這兩個領域的投資加強了對設計領導力至關重要的人才和創新渠道。

然而，盡管投資有所增加，但公共投資（包括直接公共研發資金、稅收優惠和其他近期舉措）在美國半導體特定設計和研發資金中的總份額為 13%。相比之下，歐洲、日本、中國大陸、韓國和臺灣的公共投資資助的半導體專用設計和研發份額為 30%。（參見圖表 8。）

稅收優惠

研發稅收激勵激勵私營部門公司增加研發支出。美國在聯邦、州和地方計劃中提供的平均累計研發稅收激勵為 9.5%，低于一組比較區域的中值。（參見圖表 9。）

在美國，這些政府激勵措施通常適用于所有行業，但其他地區也采用了針對半導體行業的激勵措施，包括設計激勵措施：

• 韓國最近建立了一個“核心戰略技術”軌道，允許對半導體研發給予高達50% 的稅收減免。
• 中國大陸對主要設計公司在第一個盈利年度后免征企業所得稅五年，之后減按10%的稅率征收。
• 作為其設計相關激勵計劃的一部分，印度政府計劃通過提供高達合格研發支出的 50% 的激勵來擴大對國內半導體設計的支持。

由于人們執行大多數設計活動，因此將這些活動跨境轉移比轉移物理制造設施等更容易。通過設計激勵為與設計相關的研發提供更直接的支持，美國可以通過鼓勵美國和非美國公司在美國擴大或建立設計中心來幫助阻止其設計份額的流失。

圖7：幾個國家的政府資助了當地半導體設計能力的擴展

由公共投資資助的半導體特定研發的估計份額(%)(包括最近宣布的計劃的估計)

圖8：由公共投資資助的半導體特定設計和研發份額因地區而異

圖9：不同地區的研發稅收激勵率差別很大

挑戰2:設計人才的供應正在減少

2021年，全球約18.7萬名半導體設計工程師中，總部位于美國的公司雇傭了約9.4萬名。其中，約60%位于美國境內，約40%位于國外。(見表10)

盡管總部位于美國的公司無疑將繼續利用全球人才庫，但大多數公司的設計創新核心聯系都存在于國內網站。因此，為了保持設計的領先地位，總部位于美國的公司必須增加他們在美國的員工數量。

為了更好地理解這些動態，我們對設計勞動力采取了自下而上的觀點，考慮到勞動力的當前規模、所需的不同技能、人才在全球的當前分布、大學的流入和流出(以退休、行業變化和外國出生的人才從美國離開的形式)。

我們的分析發現，從2021年到2030年，美國大學平均每年將培養和畢業近15.6萬名本科或研究生，他們的專業領域原則上可以轉化為半導體設計的職業——例如，電子工程(EE)或計算機科學(CS)。在這一數字中，每年約有2%的人進入設計行業，這相當于平均每年約有3300名新雇員。在很大程度上抵消了這一招聘的將是每年約2650名行業級人員的減員(約占設計勞動力的4%)，通過退休(減員的60%)，移民(23%)和職業變化(17%)。(參見附錄中的“半導體設計勞動力和市場份額模型”)

圖10：全球近三分之一的半導體設計工程師在美國工作2021年全球頂尖公司的半導體設計工程師的位置估計

因此，美國設計勞動力的凈增長將低于每年1%，我們估計，到2030年，美國設計勞動力將增長到約66,000名工程師。然而，隨著半導體市場的增長，要保持目前美國46%的市場份額，將需要大約89000名國內設計工程師。約23,000名工程師(占所需勞動力的25%)的缺口將包括約90%的學士或碩士級別工程師和約10%的博士級別工程師。(見附表11)

一些人才缺口可以通過提高生產力來填補，但從更大的角度來看，避免人才嚴重短缺需要增加科學、技術、工程和數學(STEM)畢業生流入半導體設計領域，并增加現有人才的保留，包括女性和代表性不足的少數族裔。

STEM畢業生

歷史上，美國的學院和大學提供了世界上最好的STEM項目。美國擁有世界上大約一半的電子工程和計算機科學頂尖大學項目，這兩個學科與半導體設計最相關。通過這些項目，美國在半導體設計教育和培訓美國公民和外國公民方面發揮了重要作用。

然而，如今，在美國攻讀學位的學生中，只有19%左右的人專注于stem相關領域的研究，而在中國大陸，這一比例為40%，印度為32%，韓國為30%，西歐為23%。此外，美國大學在這些領域的招生在很大程度上依賴于外國學生，他們占美國電子工程和計算機專業所有學生的28%，占電子工程和計算機研究生課程所有學生的65%。(見表12)

其他地區正在擴大對STEM教育的投資，這加劇了參與方面的差距，如下例子所示:

• 2008年，韓國成立了Meister schools，這是一種專注于半導體行業的新型職業高中，課程根據當地半導體行業需求量身定制，將工業實習納入學生計劃，教員中包括行業專家。
• 2017年，中國大陸將STEM納入小學課程。第二年，政府啟動了《中國STEM教育2029創新行動計劃》，以增加學生接受STEM教育的機會。此外，教育部還在19所大學開設了集成電路博士課程。
• 2019年，臺灣教育部宣布了一項計劃，在K-8和9-12學校增加對STEM教育的資助。
• 日本制定了一項法律要求，要求政府每五年更新一次STEM教育計劃，以支持科學、技術和創新。

盡管對教育政策備選方案的全面評估超出了本報告的范圍，但我們注意到兩種可能的高級別行動方針。首先，美國可以努力增加在相關STEM領域學習的學生數量，包括電子工程和計算機科學。其次，美國可以努力增加選擇從事半導體設計職業的電子工程和計算機專業畢業生的數量。

為了增加參與電子工程和計算機科學研究的學生數量，美國可以致力于拓寬公眾興趣和改善機會——例如，通過資助更多的K-12 STEM教育，促進女性和代表性不足的少數民族的更強包容性，為電子工程和計算機科學的大學獎學金提供額外的資金，或為追求半導體設計職業的學生提供貸款減免。(參見SIA對國家STEM戰略信息請求的回應。)

為了增加工程設計和計算機科學專業的學生繼續從事設計職業的數量，政策制定者可以增加對國內研發的稅收激勵，從而有效地創造就業信貸;提供與現有國防科學與工程研究生(NDESG)和國家科學基金會(NSF)獎學金類似的設計相關研究獎學金，資助博士研究;或者為進入設計行業的學生提供有針對性的貸款減免。美國還可以采取措施，確保世界上最優秀、最聰明的學生——包括在美國大學接受過培訓的其他地區學生——能夠隨時進入美國設計行業。地區層面的移民配額造成了一批高技能工人的積壓，他們想在美國工作，但卻無法做到。

這些項目的成本各不相同。然而，假設每個碩士/理學級學生的平均債務負擔為2.5萬美元，博士級學生的項目總成本為20萬美元，如果2022財年的資金水平一直維持到2030年，那么到2030年，填補人才缺口將需要至少10億美元的直接資金，相當于NSF資金的1.2%。如果美國政府提供資金，大學和雇主的協調行動將至關重要。例如，隨著課程規模的擴大，機構需要保持質量，雇主需要積極參與學生的教育和培訓。總之，這些努力將提高設計相關職業的知名度和吸引力。

經驗豐富的工程師

每年約有2%的設計工程師離開美國的設計隊伍。其中約40%的人出國是為了在其他行業尋找機會，而60%的人出國是為了在美國以外的地方找到工作——包括設計行業。私營部門必須對留住每年離開設計隊伍但留在美國的工程師承擔主要責任。

然而，與此同時，通過鼓勵美國以外的半導體設計工程人才流入——例如，通過增加或取消高技能工人永久移民資格的地區配額——公共部門擁有一個巨大的、低成本的機會來增強設計勞動力隊伍。留住離開美國的員工，可以將設計勞動力的基線增長率提高大約一倍，并對縮小國內人才缺口做出有意義的貢獻。

圖11：到2030年，美國半導體設計行業將面臨23,000名高技能工人的短缺

圖12：美國半導體設計公司嚴重依賴國際學生，其注冊人數正在下降

挑戰3:開放進入全球市場面臨壓力

長期以來，美國設計公司一直受益于開放進入全球市場。(參見限制對華貿易如何終結美國半導體行業的領先地位。)這種接入使設計公司能夠與其他地區的專業合作伙伴合作，為最終客戶設計更好的半導體全球市場，加上知識產權保護，也為美國設計公司提供了龐大的客戶群，他們可以利用這些客戶群擴大規模，產生利潤，然后再投資于設計和研發。簡言之，開放進入全球市場和合作伙伴是創新良性循環的重要組成部分。(見表13)

然而，隨著地緣政治緊張局勢的加劇，自由和開放的貿易受到關稅、出口管制和產業政策等形式的挑戰。正如我們在2020年所指出的，“廣泛的單邊限制……獲取美國技術將顯著加深和加速美國公司(設計)份額的侵蝕”——從而削弱對研發的再投資。貿易限制對美國乃至全球半導體行業產生了深遠的負面影響，損害了所有參與者。

例如，目前美國的出口限制鼓勵中國尋找半導體設計的替代來源。(參見側欄“中國不斷增長的半導體設計生態系統”)中國OEM占全球半導體需求的27%(僅次于美國的34%)，是最重要的非美國半導體市場。(見表14)作為美國出口限制的直接結果，非美國OEM正越來越多地轉向本土設計的半導體。

如果歐盟、印度、日本、韓國、中國大陸和其他地區越來越多地尋求將半導體價值鏈的要素本地化，那么全球大型市場就有可能被規模較小的本地巨頭企業割據，從而損害所有參與者的利益。

圖13：研發是支持美國技術領先地位的創新良性循環的一部分

中國半導體設計生態系統的發展

自2017年以來，中國內地設計行業的增長主要是由中國越來越有競爭力的無晶圓廠設計公司的崛起所推動，目前中國無晶圓廠設計公司占全球無晶圓廠半導體銷售額的16%。從2017年到2020年，中國前25家無晶圓廠企業的營收翻了一番，從122億美元增至244億美元。從2019年到2020年，中國半導體公司的風險投資增長了366%以上，其中約70%的交易流向了設計公司。

至少在一定程度上，這種加速增長是美國限制中國原始設備制造商進入其市場的結果，導致這些原始設備制造商試圖建立有彈性的國內供應鏈——中國政府的產業政策加強了這一努力。政府的激勵措施——包括直接研發投資贈款、增值稅退稅、資本支出支持和免除企業所得稅——鼓勵了中國國內半導體生態系統的發展。

意識到它們的重要性，中國政府和中國工業都在加速投資于國外電子設計自動化(EDA)工具、核心知識產權(IP)和制造業的國內替代品。中國國家集成電路產業投資基金已經向EDA和IP公司投資了1.25億美元。2021年，中國大陸的12家EDA公司融資超過3.1億美元，較2020年同期增長54%。政府支持的基金還向中國內地最大的代工企業中芯國際(Semiconductor Manufacturing International Corporation)投資了逾20億美元。

中國企業也在投資于國內芯片設計的彈性。2021年，AI芯片(包括GPU和HPC)公司——過去5年成立的數十家公司——通過92筆交易，通過多個融資輪籌集了45億美元的總資金。此外，中國企業正在采用和推廣RISC-V等開源設計技術，以避免對可能受到出口限制的技術的依賴。

中國的大型整車廠正越來越多地參與芯片設計，以開發美國公司銷售的服務器芯片的潛在替代品。例如，阿里巴巴最近宣布開發一種基于先進的RISC機器(ARM)的服務器CPU，可以部署到其數據中心，減少對外國半導體的依賴。

中國前25家無晶圓廠企業的營收翻了一番，從2017年的120億美元增至2020年的240億美元

圖14：美國和中國的原始設備制造商占全球半導體需求的60%以上2020年按OEM總部地區劃分的全球半導體需求(%)

如果美國渴望保持其在設計領域的領導地位，公共投資和激勵措施將有很長的路要走，以催化上升勢頭

在過去的30年里，美國在半導體設計方面的領先地位為國家的GDP(2020年約為1200億美元)做出了巨大貢獻，創造了高技能工作崗位(2020年約為17.3萬)，并提供了一系列其他好處——從更大的關鍵基礎設施安全到為鄰近行業的國內OEM提供優勢。但美國在設計領域的領導地位及其帶來的好處并非不可避免。

無論美國政府或美國公司做什么，半導體行業都會發展，半導體設計將繼續在美國和國外發生。

要保持在設計領域的領先地位，美國必須擁有足夠的私人和公共投資，以及足夠多的勞動力，以維持市場份額，從而實現再投資的良性循環。如果在這些方面不采取行動，從事設計活動的美國公司將在未來十年因市場份額的侵蝕而累計損失4500億美元的銷售額。

作為起點，考慮到目前的趨勢，預計在未來十年，私營部門在設計研發方面的總投資額將達到4000億至5000億美元。為了補充這一承諾，美國政府將需要增加200億至300億美元的稅收優惠和對公共研發的直接資助(相當于私人部門投資的4%至6%，或美國當前支持水平與其他地區平均支持水平之間差距的40%至50%)。典型的組合方案將通過設計稅收激勵，提供大約三分之二(150億至200億美元)的公共投資。

解決新出現的勞動力問題需要在兩個方面采取行動:對STEM教育進行投資，增加來自美國以外的人才流動，以培訓大約2.3萬名額外的設計工程師。雖然不同的政策辦法將有不同的費用，但到本十年結束填補這一缺口的累計費用可能少至約10億美元。

通過這項投資，總部位于美國的設計公司將產生約4500億美元的增量銷售額，2.3萬個工程領域的直接工作崗位，以及13萬個其他領域的間接和誘導工作崗位，并將鞏固美國在半導體設計領域的領導地位。(見附錄附件15和“半導體研發模式的公共投資回報”)

半導體行業正吸引著政策制定者的濃厚興趣。隨著世界各國政府和企業在半導體領域的大量投資，半導體設計的創新肯定會繼續下去。解決本報告中討論的挑戰的公共投資將增加未來設計創新發生在國內的可能性，并有助于保持美國目前享有的設計領先地位。

圖15：對半導體設計的公共投資可以增加銷售，創造就業機會，并鞏固美國在半導體設計方面的領導地位

附錄

主要的半導體設計技術

半導體主要有三類(參見《在不確定的時代加強全球半導體價值鏈》):

• 邏輯半導體是集成電路，作為計算的基本構建模塊或“大腦”。這類邏輯既包括高級邏輯也包括更成熟的邏輯，它們共同包含微處理器、微控制器和其他允許執行計算操作的技術。
• 內存存儲操作所需的指令、算法和數據，并部署在所有集成電路應用中。由于數據存儲需求隨著物聯網、人工智能和邊緣計算的進步呈指數級增長，內存容量和帶寬正成為關鍵因素，需要不斷創新。
• 分立、模擬和其他(DAO)半導體傳輸、接收和轉換處理非二進制參數的信息，如溫度和電壓。分立產品包括二極管和晶體管，它們被設計來執行單一的電氣功能。模擬產品將聲音等模擬信號轉換為數字信號，并支持多種電源管理功能。這類傳感器還包括光學和非光學傳感器。

在這些類別中，公司通常專門設計特定半導體類型的子集。部分原因是，不同地區控制的收入市場份額因產品細分而異。盡管地區的市場份額集中在先進的處理器，例如，區域市場份額更分散在非光學傳感器。(見圖表。)

半導體應用可能需要來自以上所述的多個大類的芯片。例如，許多手機的DAO內容(對于手機連接、相機功能和功耗管理等功能至關重要)幾乎與邏輯內容(包括隨著每一代新手機提供不斷增強的計算能力的微處理器)和內存(用于在設備上存儲數字內容)一樣多。

半導體價值鏈概述

正如在《在不確定的時代加強全球半導體價值鏈》一文中所討論的那樣，半導體價值鏈是復雜和全球化的。價值鏈中的每一項活動都需要不同水平的研發投資和資金(不包括資金);因此，每個活動負責通過價值鏈產生的整體價值的不同份額。

競爭前研究

競爭前研究是半導體設計和制造的關鍵投入，通常是科學和工程領域的基礎研究，由來自工業界、大學、政府資助的國家實驗室和其他研究機構的科學家組成的全球網絡進行。

競爭前研究經常得到政府和大學的支持，與專利研究和開發相反，它的研究成果經常被發表和廣泛分享。例如，美國國防部在20世紀80年代末的微波和毫米波集成光柵電路(MMIC)項目對新材料(如砷化鎵)進行了研究，以用于軍事系統。今天，多家公司將砷化鎵基半導體用于其他應用，例如使智能手機與手機發射塔建立無線通信連接。

設計

有關此主題的詳細討論，(參見“設計是半導體價值鏈的關鍵部分”)。

電子設計自動化(EDA)與核心IP

半導體芯片設計和生產依賴于電子設計自動化(EDA)軟件工具和整個微電子供應鏈的流程，從最初的架構研究、實現、驗證到制造、良率學習、封裝和生命周期管理。EDA公司是設計公司和代工廠之間值得信賴的中介。此外，半導體設計者廣泛使用現有的知識產權(IP)構建塊，用于通用組件，如處理器、標準單元、存儲器和特定于過程的模擬混合信號接口塊。EDA工具和IP必須啟用——也就是說，為特定的代工和流程量身定制。半導體設計實現的三個關鍵領域是:

美國在邏輯設計(尤其是高級處理器)方面領先，但在光電子和其他傳感器方面落后

• 設計工具。這些工具是為特定的代工、技術節點和過程設計套件(PDK)啟用的。一個代工廠可能有十幾個或更多的工藝技術或變體。
• 第三方IP構建塊。這些構建塊是為與每個代工的特定PDK以及任何低泄漏、無線電頻率、極端環境等擴展兼容而定制的。因此，它們是設計師實現其設計的關鍵起點。
• 參考平臺。這些系統仔細地結合EDA工具和IP來自動化和優化功率、性能和面積(成本)的設計。

制造業

半導體制造包括兩套流程：前端晶圓制造；后端封裝、組裝和測試。先進的設備和材料支持這兩套工藝。隨著制造工藝的改進，設計師有更大的空間來設計更好的芯片。

前端晶圓制造。高度專業化的半導體制造設施，被稱為“晶圓廠”，將芯片設計應用到硅片上。每個晶圓通常包含多個相同設計的芯片。制造過程是復雜的，需要高度專業化的投入和設備。根據產品類型的不同，整個過程將包括400到1400個步驟，可能需要14到20周才能完成。

設計與前端晶圓制造緊密相連。在設計過程中，最初的工作是在一個電子的、基于軟件的芯片模型上完成的。然后，晶圓廠提供測試硅來驗證電子模型，并為設計的可制造性提供重要的輸入。密切的合作是至關重要的：擴大新工藝涉及建模和達到目標制造產量的不確定性。設計工程師和晶圓制造工程師使用PDKs(本質上是制造過程的文檔)，共同調試設計特征，并驗證制造過程和芯片設計是兼容的。

后端包裝、組裝和測試。半導體組裝公司將硅晶圓轉換成成品芯片，再組裝成電子設備。硅晶圓被切成獨立的芯片，封裝，經過嚴格的測試，然后運往電子設備制造商。

設備和材料

半導體制造使用50多種尖端設備進行前端和后端加工。光刻工具是生產先進芯片的關鍵，是制造企業最大的資本支出之一。半導體制造也使用多達300種特殊材料。

半導體設計活動的類型

半導體設計活動主要有兩種類型:

• 硬件設計。半導體硬件經過多個步驟的設計過程，包括生產定義和規范、系統設計、集成電路設計和后硅驗證。這些步驟在正文的附錄3中進行了說明。
• 軟件開發。軟件開發包括創建固件，這是一種嵌入在硬件上的軟件，可以對操作相機等特定功能提供低級控制。固件可以支持更高級別的軟件，如操作系統，它可以與特定的設備交互和控制，或者如果設備足夠簡單，它可以獨立工作。軟件開發還可能涉及平臺和軟件開發工具包(sdk)的創建，其他公司可以使用這些平臺和軟件開發工具包構建復雜的功能，如人工智能視覺系統。

半導體設計勞動力和市場份額模型

半導體設計勞動力和市場份額模型分析了全球不同地區的半導體設計勞動力：歐洲、印度、日本、中國大陸、韓國、臺灣、美國和世界其他地區。該模型還分析了當前美國半導體設計勞動力，以及未來幾年將影響其規模的趨勢，以預測2030年美國半導體設計勞動力的規模和技能。該模型支持本報告正文附錄5和附錄11中確定的預測。

該模型評估了半導體設計工人的生產力的當前和預測趨勢，考慮了他們的技能、雇主、居住地區和其他因素。該模型還考慮了全球半導體行業的收入增長率，并將這些信息整合到2030年每個地區的收入市場份額中。

對于美國的勞動力，模型考慮的流入趨勢包括半導體相關領域的新畢業生、進入半導體行業的比率和移民。它所考慮的外流趨勢包括退休、退出該行業以及自愿和非自愿移民。該模型還考慮了半導體設計所需的不同技能，包括但不限于教育水平(例如，博士學位持有者與學士學位持有者)和專業知識的子領域(例如，軟軟件專家與硬件專家)。

除了基于現有的現狀軌跡進行預測外，該模型還使用情景來評估2030年美國半導體設計工程師的供求關系中個別變量變化的影響。

半導體研發模式的公共投資回報

半導體研發的公共投資回報模型分析了在不同情景下公共投資對美國經濟的影響。該模型支持了該報告對公共資金投資回報的估計。

該模型基于行業預測和財務數據，分析了到2030年全球和美國半導體行業收入的增長。它考察了美國半導體工業的組成，在美國發生的設計活動的份額，以及在設計和研發方面的預期投資水平，將這些信息與來自學術研究的發現相結合，研究新研發投資對GDP和就業的直接、間接和誘導影響。然后，該模型集成了半導體設計勞動力模型中的分析，以考慮隨著時間的推移，美國設計勞動力的規模和技能的變化，以及勞動力變化對公共投資回報的影響。