[Introducción] En febrero de 2021, el presidente de Citigroup, Joe Biden, firmó la Orden Ejecutiva No. 14017, que exige que su gobierno lleve a cabo una revisión integral de las cadenas de suministro en cuatro campos principales, incluidos semiconductores, baterías de nueva energía, minerales de tierras raras y suministros médicos, para identificar riesgos, abordar vulnerabilidades y desarrollar estrategias para mejorar la resiliencia de la cadena de suministro. Cuando el comandante firmó la orden, citó el proverbio "Por falta de clavos, se tira el zapato. Por falta de herraduras, se pierde el caballo", y así sucesivamente, hasta que cayó el reino. El problema más pequeño en la cadena de suministro puede afectar la seguridad, los empleos, las familias y las comunidades estadounidenses. Para llevar a cabo esta revisión integral, la administración Biden creó un grupo de trabajo interno que abarca más de una docena de departamentos y agencias federales. Los funcionarios de la administración han consultado con sindicatos, empresas, instituciones académicas, el Congreso y aliados y socios de Estados Unidos para identificar vulnerabilidades y desarrollar soluciones.

El informe de evaluación de revisión de Citi State deberá presentarse en junio de 2021.

1. Acerca de los semiconductores

Los semiconductores son la base material de los circuitos integrados que son esenciales para la vida diaria moderna. Los semiconductores son una parte integral de la vida diaria de los consumidores modernos y se encuentran en artículos domésticos como interruptores de luz, abridores de puertas de garaje y refrigeradores, así como en teléfonos móviles, computadoras y automóviles. Se encuentra en productos más complejos. La gente moderna lo usa todos los días (digamos cada hora, cada minuto, cada segundo). Los circuitos integrados basados ​​en semiconductores son el "ADN" de una variedad de tecnologías que han cambiado fundamentalmente todas las áreas socioeconómicas, desde la agricultura, el transporte, la atención médica, las telecomunicaciones e Internet. La industria de los semiconductores es un importante motor de crecimiento económico y creación de empleo en Citi. Casi todos los productos tecnológicos son inseparables de los semiconductores; Por supuesto, los sistemas militares más avanzados también son inseparables del soporte de los semiconductores.

El informe estima que la industria estadounidense de semiconductores tendrá unas ventas anuales de 208 millones de dólares en 2020, lo que representa casi la mitad del mercado mundial. A pesar de la pandemia mundial de COVID-19, las ventas mundiales de productos semiconductores aumentaron un 6.5% en 2020. Según estimaciones de la SIA, el mercado mundial de semiconductores alcanzará unas ventas anuales de 726 millones de dólares en 2027, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 4.7%. Los semiconductores son una de las principales exportaciones de Estados Unidos, con ventas de exportación de 47 mil millones de dólares en 2020, ocupando el cuarto lugar detrás de los aviones, el petróleo refinado y el petróleo crudo.

Aunque la industria estadounidense de semiconductores representa casi la mitad de los ingresos mundiales por productos semiconductores, el informe de evaluación cree que la capacidad de fabricación de semiconductores estadounidense como porcentaje de la producción mundial ha caído del 37% hace 20 años a alrededor del 12% en la actualidad. Las empresas estadounidenses, incluidas las principales empresas de semiconductores sin fábrica, dependen en gran medida de países extranjeros, especialmente en Asia, lo que crea riesgos en la cadena de suministro.

El informe de investigación examina la cadena de suministro de semiconductores a través de cinco partes fundamentales relacionadas: (1) diseño; (2) fabricación; (3) montaje, prueba y embalaje; (4) materiales; y (5) equipo de producción.

2. Conclusiones básicas:

diseño:

El ecosistema de diseño de semiconductores de Estados Unidos es sólido y líder a nivel mundial, pero las empresas estadounidenses dependen en gran medida de las ventas a China para sostener el crecimiento de las ganancias y la inversión nacional (nota: nacional) en investigación y desarrollo (I+D). Además, las empresas de diseño estadounidenses dependen principalmente de propiedad intelectual (PI), mano de obra y recursos de fabricación limitados para realizar negocios. Estos recursos son fundamentales para llevar los productos al mercado.

fabricar:

Estados Unidos carece de suficiente capacidad de fabricación de semiconductores. Estados Unidos depende principalmente de Taiwán para proporcionar chips lógicos en nodos de proceso avanzados, y depende de Taiwán, Corea del Sur y China continental para satisfacer la demanda de chips de nodos de proceso maduros.

Embalaje probado y avanzado:

Para el empaquetado y las pruebas de semiconductores de tecnología relativamente baja, Estados Unidos depende en gran medida de recursos extranjeros concentrados en Asia. Además, a medida que los chips se vuelven más complejos, los métodos de empaquetado avanzados representan un área potencial de desarrollo para importantes avances tecnológicos en el futuro. Estados Unidos carece del ecosistema de materiales necesario y no es un lugar rentable para desarrollar una industria de embalaje avanzada y sólida, y una fuerte inversión china podría alterar el mercado.

Material:

La producción de semiconductores requiere cientos de materiales, lo que genera desafíos para la cadena de suministro de fabricación. Muchos gases y productos químicos húmedos utilizados en la fabricación de semiconductores se producen en Estados Unidos, pero los proveedores extranjeros dominan el mercado de obleas de silicio, fotomáscaras y fotoprotectores.

Equipo de fabricación:

Además de las máquinas de litografía, para la mayoría de los equipos de proceso frontales de fabricación de semiconductores, las empresas estadounidenses tienen una gran participación mundial.

Además de Estados Unidos, la producción de equipos de fabricación se concentra en los Países Bajos y Japón. Debido al tamaño limitado de la fabricación de semiconductores en Estados Unidos, el crecimiento de estos fabricantes de equipos depende en gran medida de las ventas fuera de Estados Unidos.

3. Acerca del diseño de circuitos integrados

Históricamente, en la etapa inicial del desarrollo de la industria de semiconductores (chips), el diseño de circuitos integrados no era una industria independiente. El diseño de circuitos integrados lo realizan empresas IDM que controlan todo el proceso productivo. Representantes típicos de este tipo de empresas son Intel y Texas Instruments en Estados Unidos. Hoy en día, el diseño de circuitos integrados lo realizan cada vez más "empresas de diseño sin fábrica" ​​más especializadas que dependen de empresas de fabricación independientes (fundiciones) para completar la fabricación de circuitos integrados. El aumento de las fundiciones y las inversiones relacionadas ha facilitado la entrada a la industria del diseño de circuitos integrados. Esto da como resultado una concentración significativamente menor en la industria del diseño de circuitos integrados que en la fabricación y fabricación de equipos, y hace que la fabricación de circuitos integrados dependa en gran medida de Taiwán.

Aunque las barreras de entrada son bajas, las empresas de diseño sin fábrica deben trabajar en estrecha colaboración con las fundiciones para garantizar que los diseños sean adecuados para el proceso de producción y dependen de proveedores de propiedad intelectual (generalmente otras empresas de semiconductores que desarrollan tecnologías clave), así como de automatización de diseños electrónicos (EDA). soporte empresarial de software. Tanto las etapas ascendentes como las descendentes de la industria del diseño de circuitos integrados están muy concentradas. Importantes proveedores de propiedad intelectual y proveedores de EDA tienen su sede principal en los Estados Unidos, pero la mayoría de sus profesionales se encuentran fuera de los Estados Unidos.

estructura industrial

Debido a los diferentes tipos de productos que fabrican las empresas, la escala, la tecnología y la estructura de las empresas dedicadas al diseño de semiconductores o circuitos integrados son muy diferentes. Este informe divide los semiconductores de circuitos integrados en tres tipos principales: circuitos lógicos o digitales, circuitos de memoria y analógicos. En 2020, los circuitos integrados lógicos o digitales representan alrededor del 42% de la cuota de mercado total; los productos de memoria representan alrededor del 26%; los circuitos integrados analógicos representan alrededor del 14%; otros productos semiconductores son productos de circuitos no integrados, incluidos dispositivos discretos, dispositivos optoelectrónicos y dispositivos sensores.

Los circuitos integrados lógicos o digitales son las unidades básicas de las computadoras o componentes informáticos y son la categoría más grande en el mercado de productos semiconductores. Los chips lógicos representan el 42 por ciento de los ingresos de la industria, según la Asociación Mundial de Semiconductores (SIA). En esta categoría de productos semiconductores, la concentración del mercado y el número de empresas de diseño dependen en gran medida del tipo de chip específico. Los mercados de unidades de procesamiento central (CPU) de computadoras personales, unidades de procesamiento de gráficos (GPU) dedicadas y matrices de puertas programables en campo (FPGA) son esencialmente duopolios. Los proveedores de circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC) están muy fragmentados y su competencia es más intensa. Las categorías de productos incluyen procesadores de dispositivos móviles basados ​​en ASIC y ARM. Una CPU es la unidad central de procesamiento de una computadora, una GPU es un procesador utilizado para la renderización de video, un producto FPGA se utiliza para la configuración por parte de un cliente o diseñador después de la fabricación y un ASIC es un chip personalizado diseñado para una aplicación específica.

El informe cree que Estados Unidos es el líder mundial en diseño de circuitos integrados y muchas empresas subcontratan la fabricación o colocan diseñadores fuera de Estados Unidos para reducir los gastos de capital. Básicamente, todas las CPU de computadoras personales del mundo están diseñadas por las empresas estadounidenses Intel y AMD, entre las cuales Intel completa la fabricación de chips internamente, mientras que AMD depende de fundiciones para completar la fabricación de chips. Mientras tanto, Intel y AMD pronto podrían dominar la categoría FPGA, ya que AMD anunció en octubre de 2020 que planeaba adquirir Xilinx, líder del mercado de FPGA, por 35 mil millones de dólares. Si la adquisición obtiene la aprobación regulatoria, AMD-Xilinx e Intel representarían alrededor del 85 por ciento de las ventas globales de FPGA. Otros proveedores estadounidenses, Microchip Technology, Lattice Semiconductor y Achronix Semiconductor, constituyen el resto del mercado de FPGA. La mayor parte de la GPU mundial está en manos de AMD y de la empresa estadounidense líder en el mercado NVIDIA.

La competencia en la base de proveedores de ASIC ha aumentado significativamente y la demanda de procesadores de dispositivos móviles basados ​​en la arquitectura ARM es alta. Los fabricantes de chips como Samsung compiten en los mercados de procesadores móviles y ASIC junto con firmas de diseño sin fábrica como Qualcomm y Broadcom, y docenas de empresas tecnológicas estadounidenses que diseñan sus propios chips, incluidas Apple, Alphabet y Amazon. Con la excepción de Intel y Microchip, la mayoría de los proveedores de CPU, GPU, FPGA y ASIC a nivel mundial y en EE. UU. no tienen fábricas y dependen de la fabricación de fundiciones para diseñar chips.

Según la SIA, los chips de memoria utilizados para almacenar la información necesaria para la informática representan el 26% de los ingresos de la industria. Los chips de memoria son categorías totalmente comercializadas y competitivas, y sus beneficios y progreso tecnológico dependen enteramente del rendimiento y las economías de escala. Los productos de memoria suelen ser proporcionados por empresas de tipo IDM. Samsung de Corea del Sur y SK Hynix de Corea del Sur ocupan la posición de liderazgo en el campo de la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM). La empresa estadounidense Micron tiene alrededor del 23 por ciento. Los líderes de cuota de mercado están desarrollando tecnologías avanzadas de embalaje (es decir, apilado de troqueles) e IP para otros productos líderes. Estas tres empresas representan aproximadamente el 95% del mercado global de 70 millones de dólares en 2020.

La producción de memoria flash (NAND) está menos concentrada: se estima que seis empresas representaron alrededor del 99 % del mercado global de 47 mil millones de dólares en 2020. Samsung de Corea del Sur también es líder del mercado en productos de memoria flash, con poco más de un tercio del mercado mundial de memoria flash (NAND). mercado. A Samsung de Corea del Sur le sigue la japonesa Kioxia (anteriormente Toshiba), que tiene aproximadamente un 20 por ciento de participación. El tercer lugar para los productos de memoria flash lo ocupa Western Digital Corporation de Estados Unidos, con alrededor del 14% de la participación. También en este segmento se encuentran SK Hynix en Corea del Sur (12%), Micron en EE.UU. (11%) e Intel en EE.UU. (9%). Las empresas NAND globales parecen estar preparándose para una mayor consolidación. Intel, cuyos ingresos por productos NAND son similares a los de Micron, anunció en octubre de 2020 que planeaba vender la mayor parte de su negocio de memoria NAND a SK Hynix. La venta impulsará a la empresa combinada al puesto número 2 en participación de mercado NAND. También hay informes de que Western Digital y Micron podrían estar buscando adquirir Kioxia. Además, Yangtze Memory Technologies (YMTC), una empresa china fundada en 2016, se está expandiendo rápidamente y ha recibido alrededor de 24 mil millones de dólares en subsidios. Fuentes del gobierno chino. La empresa podría ser capaz de producir hasta 200,000 obleas por mes para 2022, más del doble de la capacidad NAND actual de Intel y una posible amenaza de bajo costo para las empresas de memorias estadounidenses.

En comparación con los chips de memoria, la comercialización de productos de circuitos integrados analógicos es menos competitiva. Y, además, los circuitos analógicos generalmente dependen menos del uso de nodos de proceso de fabricación de última generación. El uso final en el sistema de aplicación, el conocimiento y la experiencia en el diseño del chip son factores importantes en el valor de los circuitos integrados analógicos. Por lo tanto, la concentración de mercado de las empresas de productos aquí no es demasiado alta, porque las empresas de circuitos integrados analógicos pueden mantener una ventaja competitiva centrándose en el campo analógico. En 2020, el mayor proveedor mundial de circuitos integrados analógicos representó el 62 % del mercado de 56 mil millones de dólares, del cual solo Texas Instruments representó más del 10 % del mercado. Muchas de las principales empresas de semiconductores analógicos son productores "fab-lite" y fabrican algunos de los chips que diseñan internamente, aunque también subcontratan una gran parte de los chips.

En 2020, las ventas mundiales de dispositivos discretos, dispositivos optoelectrónicos y sensores (semiconductores no integrados) en productos semiconductores ascenderán a aproximadamente 79 mil millones de dólares, lo que representa casi el 18 % del mercado total de semiconductores (en total, aproximadamente 440 mil millones de dólares). La mayoría de los productos semiconductores de esta categoría se encuentran en nodos de proceso maduros donde son baratos y no es raro que un solo producto valga un centavo. El mercado de estos productos está muy fragmentado y cuenta con numerosos fabricantes. Las empresas de semiconductores no IC incluyen ABB Ltd. (Suecia/Suiza), Infineon Technologies (Alemania), STM Microelectronics (Italia/Francia), Toshiba (Japón), así como las empresas estadounidenses Diodes Inc., Vishay Intertechnology, Qorvo, dPix y cree. Las tecnologías impulsoras clave para los productos semiconductores no integrados, especialmente los productos semiconductores de potencia discretos, son las innovaciones en la gestión de energía y la miniaturización. Estos productos utilizan automóviles, especialmente vehículos eléctricos, como terminales de aplicación clave. El nitruro de galio (GaN), el carburo de silicio (SiC) y otros sustratos semiconductores compuestos, dominados por Estados Unidos, son tecnologías clave para una variedad de aplicaciones. Se utilizan ampliamente en gestión y distribución de energía, amplificación de potencia de alta frecuencia, optoelectrónica y seguridad nacional. Los dispositivos semiconductores de pantalla plana también entran en esta categoría.

En el ámbito de la seguridad nacional, la tecnología de semiconductores también debe calificar para su uso en el rango de temperatura militar (rango extendido) y entornos hostiles, incluidas las características técnicas para su uso en entornos de radiación cuando corresponda. Además, se requiere una verificación y validación de componentes más estricta e independiente. Los semiconductores utilizados en aplicaciones automotrices también deben cumplir estrictos requisitos de durabilidad y pruebas para soportar condiciones ambientales adversas (por ejemplo, frío extremo, calor extremo y humedad extrema). Deben resistir vibraciones y golpes durante los 10 a 20 años de vida útil del vehículo y han demostrado tasas de falla mucho más bajas en las pruebas que los semiconductores utilizados en productos de consumo para garantizar que cumplan con los requisitos de seguridad del vehículo. Se espera que estos requisitos aumenten y se vuelvan más estrictos a medida que los vehículos se vuelvan más autónomos y empleen cada vez más detección y alcance de luz (LiDAR), sonar, radar, sistemas de visión y tecnologías de navegación e identificación.

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