原文：Semiconductor Design and Manufacturing: Achieving Leading-edge Capabilities随着芯片尺寸越来越小，竞争越来越激烈，半导体公司需要新的策略，考虑从工厂规模到供应链的所有问题。
科技界的无名英雄
半导体是科技界的无名英雄，在幕后为从玩具和智能手机到汽车和控温器的一切提供支撑。近年来，它们实现了突破性的技术，包括人工智能和机器学习，改变了我们的生活和工作方式。将数字革命提升到新的水平将需要更先进的芯片，其具有更强的计算能力和内存容量。
随着 COVID-19 危机扰乱了供应链和地缘政治局势紧张，半导体公司对实现前沿技术的端对端设计和制造能力更加感兴趣。许多政府也对此感兴趣，并试图支持他们当地的半导体市场。但是，新的工厂和广泛的研发项目--对于大规模制造的领先技术来说是必不可少的--需要数十亿美元的投资。在这些方面的失误、不严格的成本控制，或为达到预期需求，都会严重降低甚至消除公司的投资回报。领先的芯片设计和制造需要在研发、供应链、人才和知识产权（IP）保护方面具有强大的能力，以及驾驭政府政策的能力。尽管半导体公司可能在上述某些方面表现出色，但很少有公司拥有全面的顶级能力。鉴于建设工厂基础设施和提高劳动力技能所需的时间延长，半导体公司需要一个实现卓越设计和制造的长期战略--考虑建设问题、设备成本和增强内部能力。这里有一个前进的路线图。半导体设计和制造
复杂性更高，成本更高
在过去十年中，对前沿技术领导力的需求已经从一个明确的目标到半导体公司的绝对需要。根据摩尔定律，在此期间，芯片上的结构数量大约每两年增加一倍，尽管，最近，这一步伐已经放缓。虽然复杂性增加了，但芯片上的结构尺寸却缩小了。只有少数公司有能力设计和制造节点尺寸为14纳米及以下的最先进的芯片，因为设计、研发、规模化和其他活动需要技术和大量投资。同时，对这些芯片的需求正在飙升。在一些主要细分市场，包括人工智能和机器学习，14纳米以下的芯片至关重要，因为它们结合了强大的性能和较低的功耗（见下栏 " 精密芯片的主要市场"）。精密芯片的主要市场
芯片中最小的结构，其尺寸为5纳米和3纳米，在特定的细分市场和应用领域中具有重要的优势，包括数据中心、5G智能手机、边缘计算和机器学习。这些细分市场的半导体客户将为先进芯片支付溢价，因为他们需要强大的性能和低功率的组合来赢得市场青睐。由此带来的销售增长将超过对先进芯片成本的补偿。
在其他细分市场，大多数公司没有动力转向更小的结构，因为这种转变需要对其设计和生产过程进行重大改变。更重要的是，他们的客户往往有比低功率要求更重要的优先事项。例如，一家主要开发安全且关键的汽车应用的公司将关心具有卓越的可靠性而不是最高性能的芯片。半导体行业稳定的技术改进创造了一个赢家通吃的状态，使得领先的能力在几个细分市场中至关重要。如果一家公司的产品或服务比竞争对手的产品或服务略胜一筹，它通常会占据行业收入的很大一部分，甚至是绝大部分。这种现象在整个价值链上都很明显，从设备生产到芯片制造。想挑战赢家的公司可能会发现很难追赶，因为领先公司在技术发展方面往往领先几年。
当我们研究了254家半导体公司在2015年到2019年中产生的利润时，赢家通吃的文化影响变得很明显（见案例1）。我们的分析涵盖了所有类型的行业参与者，从设备和材料供应商到那些为不同终端市场制造专门芯片的公司。我们发现，许多公司在经济利润方面出现了强劲的增长，因为它们从金融危机2008中恢复过来，尽管他们的利润率与过去的水平相似。
案例1：半导体行业是 "赢家通吃"的表现出色的企业有限
半导体公司的平均年利润，12015-19，10亿美元资料来源：约
380家公司的总样本（有
2015-19年的
254个公司数据）
在控制成本的同时
建立领先工厂的策略
为了提高风险的清晰度和潜在回报，我们创建了一个简化模型，以预测半导体公司何时能从一个新的工厂看到利润。该模型并不提供精确的成本预测，而是旨在提供一些一般性的估计。
关于获得投资回报的时间表。该模型重点关注以下因素：--资本支出（capex）：根据折旧时间的调整，资本成本和其他因素--同比增长的收入：基于工厂生产的产品的平均销售价格，--运营支出：包括公用设施、劳动力和材料，因为这将影响公司多快能付清其初始资本支出--获得的政府支持的数额--决定公司何时实现盈利的最关键因素之一在最好的情况下，并在高利用率的加持下，我们的模型显示，即使在几乎没有政府支持的情况下（案例4），半导体公司可望五年内从他们的新产品中看到现金的正向流入。然而，如果工厂的利用率低于产能，这个时间表可能会大大增加。在极端情况下，如果利用率下降到满负荷生产的55到65%以下，并保持在这一水平上，公司可能会处于危险境地。即使在最好的情况下，如果半导体公司获得高额的政府补贴，当以55%的产能运营时，也需要近十年的时间才能看到投资回报。由于事关重大，半导体公司在开始建造工厂之前，必须彻底调查产品需求，包括可能的长期转变。如果他们决定继续进行，他们也应该尝试通过两种策略来降低每片晶圆的成本：工厂的规模化和产业集群化。如上所述，他们还应该考虑任何政府补贴的影响，因为这可能会大大缩短到盈亏平衡点的时间线，使投资更具有吸引力。案例4：低于产能的工厂需要更长的时间来达到盈亏平衡点
基于生产5纳米产品的先进工厂模型的分析
今天，半导体制造商通常会建立具有超多生产线的大型工厂。仅在几年前，每周2w个晶圆的产能是个大问题。现在，领先的工厂常规规模的产能达到1w个晶圆/每周。
除了增加产量，大型工厂还具有许多其他优势。在建造阶段，它们的每平方米成本较低。一个工厂的外壳占总投资的比例相对较小；真正的成本是新工厂的超净间技术和制造设备。在建设阶段之后，大规模运营可以减少管理费用， 提高劳动生产率，降低每片晶圆的成本（见案例5）。例如，公司将能够集中一些生产功能，如工业工程，以及一些支持功能，如人力资源和会计。经营两个较小的晶圆厂的公司将在每个工厂有重复的功能和更高的成本。劳动生产率也会提高，因为直接制造人员，如维修和工程团队的成员， 将减少停工时间。如果一个区域或生产线速度慢，他们的服务很可能会被其他地方需要。规模化带来的较低的管理费用，加上较大的产出所带来更大的利润，将增加半导体公司的利润。规模化也将帮助半导体公司提高整体设备效率（OEE）--生产制造的时间。需求高峰和下降将趋于平缓，因为一个工厂将为多个客户提供服务，而高产能工具的利用率将提高。更重要的是，半导体公司将能够改变推出更多产品，并为捆绑订单或需要大量产品的客户提供大量折扣。如果公司不能扩大现有场地或不想建造大型设施，他们可以在一个区域内设立多个晶圆厂以获得规模效益。他们将仍然能够集中许多功能，并根据需求在不同的设施以及生产线之间转移员工。规模化可以帮助半导体企业实现流程标准化，减少与时区或语言差异有关的问题。大型工厂或工厂集团在与当地供应商谈判时也会有更大的影响力，因为他们的采购量会更大。从知识的角度来看，扩大规模将帮助公司确定和分享从大量的生产经验中总结最佳方法。如果一家公司的产品或服务甚至比竞争对手的产品或服务稍好一些，它通常会占据行业收入的很大一部分。在建设工厂时，位置是最重要的考虑因素之一。只要有可能，半导体企业应尽量将新的设施放在产业集群中--即在一个相对较小的区域内，汇集几个半导体公司或相关企业。这些产业集群创造了一个鼓励合作的环境，并促进公司之间的协同作用，甚至是传统的竞争对手。与独立运营的单个公司相比，集群化可以实现更高的业绩水平和更大的国际知名度。在几个半导体公司或相关企业已经建立的地方，产业集群会发展起来。这些地方例如，在美国，硅谷，凤凰城, 纽约州北部, 和奥斯汀有芯片制造和设备的集群。其他集群包括在中国、德国、日本、新加坡，韩国和中国台湾。产业集群通常由一个或多个世界级的制造商和附近的研究机构领导--这种组合吸引了中小型企业，并最终创造了一个行业生态系统来支持研究和制造。位于产业集群中的半导体公司也将有机会获得更大的人才库，因为潜在的拥有合适技能的员工会被吸引到该地区，当地的学术机构可能与当地的公司有联系，促进学生的招聘。如果公司从附近的供应商那里获得部件或其他投入，供应链中断的风险也会降低。产业集群可以帮助参与者降低成本，因为它们创造了分享公用设施和物流成本的可能。例如，几个公司可能会使用相同的仓库或将他们的交货合并为一次运输。如果半导体公司需要帮助，附近的供应商也可能有所帮助，例如供应商的制造技术员的迅速帮助。当地方政府看到产业集群的发展和对区域经济的重要性，他们可能更有可能补贴工厂的建设，投资于先进研发，或提供税收优惠以降低运营成本。首先，这种支持可能会激励半导体领导者成为产业集群的一部分。为成功的半导体设计
和制造创造一个环境
除了一个坚实的战略来扩大工厂规模和集群外，半导体公司必须制定长期措施来改善他们的研究、供应链和人才机制。同时，他们必须学会如何驾驭不断变化的政府政策并确保知识产权保护。半导体公司明白，他们的成功取决于其研发项目的实力，特别是在缩小芯片尺寸的同时提高芯片性能的能力。但是，来自 COVID-19 危机的全球经济的不确定性可能会严重打击行业收入，减少可用于创新的内部资金。鉴于许多领先的半导体技术创新的开发时间很长，外部投资者也可能会撤退。以极紫外光刻技术为例，该技术大约在1995年获得了第一笔研究资金。25年后的今天，它终于被部署到了生产中。半导体研究也有很高的风险因素，因为公司经常研究未经证实的技术和工艺。例如，半导体公司可能会将其业务扩展到量子计算，但很难预测对这种技术的需求何时会加速（见下栏 "量子计算和半导体行业"）。一些高科技头部企业认为量子通信是下一个伟大的技术进步，业内人士正在密切关注这一领域的发展。少数人甚至质疑这种新技术是否会最终取代今天的计算机的所有功能。但基于量子计算的现状，我们认为至少在短期和中期内它将补充目前的计算机，而不是取代它们。例如，量子计算可以被纳入设备或应用中，以减少加密和特定数据处理任务的处理时间。对于其他功能，传统计算机仍将是默认选项，因为量子计算机无法提供额外的好处。随着公司继续投资于量子通信，这项技术最终会在多种功能的处理能力和速度上产生改进。同时，量子计算的成本可能会降低。如果半导体公司密切关注这一领域的发展，并准备等待投资回报，他们最终会发现很多获取价值的机会。在这种背景下，政府支持的研究项目也很重要，甚至成为成功的必要条件。公司可能不得不加紧努力以确保公共资金，并在选择工厂地点时考虑到这一点。正如前面所讨论的，属于某个行业或公司集群的公司可能更容易获得公共资金。因为它们对当地经济的重要性。公司还可以通过密切跟踪学术界和初创公司的研究活动，包括有关使用新材料和技术的出版物来获得研发优势。这种警惕性将有助于确保半导体公司不会忽视潜在的市场动向。产业集群可以帮助参与者降低成本，因为它们创造了分享公用设施和物流成本的可能。最后，半导体公司应通过对其行动采取全面、跨组合的观点来加强研发工作。他们应该有一个明确的逻辑来确定研发项目的优先次序，并坚持不懈地执行。如果半导体公司持续监测研发支出，重新确定资源投入的优先次序，并确保资金用于未来可能出现高需求的领域，那么他们将实现收益最大化。半导体公司从世界各地的供应商那里获得元件和设备，其中包括少数供应商主导着某些产品和服务的市场。这些动态变化使半导体公司容易受到供应链中断的影响。如果一个关键的供应商不能运送产品或满足交货期限，生产线可能会停滞不前。更广泛的动荡，如应对 COVID19 大流行的全球封锁，影响甚至更大。在供应链风险方面，半导体需求是不稳定的。为了适应意外的供应短缺，公司需要灵活和有弹性的供应链，便于快速调整。从多个供应商那里采购关键部件可能会增加供应链的弹性；如果这不可能，半导体公司可以储存基本的部件和材料，以防止未来的供应中断。虽然这些措施可能会使生产继续进行，但它们也会提高成本。目前，当 COVID-19 危机正在造成大规模动荡时，这种支出可能是合理的。然而，从长远来看，半导体公司必须通过密切监测供应链，确定薄弱环节，并建立解决这些问题的策略。例如，他们可以确定并提高当地供应商的技能，作为关键资源的第二个供应来源。确切的解决方案将因企业而异，因为每个公司有不同的需求和供应商网络。不属于一个产业集群的半导体公司可能会努力招聘员工，因为当地的人才库可能无法提供足够的具有合适专长和专业知识的人才。如果公司不能加入一个产业集群，他们可以招聘更多的外国人才，但必须符合所有的法律和法规。一些政府可能会协助这项工作--例如，通过放宽签证要求来激励当地的半导体市场。另外，公司可以考虑在新的地方建立研发中心，如东欧或印度。尽管一些地区可能缺乏芯片设计的人才，但它们提供了一个丰富的软件开发人员库。随着软件对半导体行业越来越重要，半导体公司可以通过将其现有的芯片设计专长与新的软件能力相结合来获得竞争优势。各国政府通过多方位来支持其当地的半导体企业：制定有利于增长的法规，为产业发展提供财政支持，并创造一个吸引人才的有利环境。理想情况下，政府会持续保持这种支持，但在过去几年里，许多地方的政策频繁变化。其中一些政策对该行业不利，例如，移民法规限制了技术工人的进入。最近，各国政府也表示出更大的兴趣来支持他们当地的半导体产业，有些还提供新的补贴。监测政策变化并迅速调整的半导体公司可以帮助他们的业务保持健康增长并抓住新的机会。半导体公司同样应该监测专利环境以保护其知识产权。对这种保护的需求比以往任何时候都大，因为其他行业的许多新参与者，包括汽车公司、超大规模公司、智能手机公司和初创公司，已经开始开发自己的芯片并申请专利。如果没有一个可靠的知识产权政策，半导体公司可能难以维持创新，因为投资回报期很长。制造先进芯片是一个具有挑战性和成本密集型的过程，需要一个巨大的研发投资和工厂建设方面的开支甚至更大。为了在半导体设计和制造方面达到卓越，同时又能控制成本，公司需要他们必须为研发投资和可能建立的新工厂制定战略计划--也许是他们有史以来拥有的第一个工厂。他们还必须考虑与政府奖励和补贴的相关机会，以及作为半导体集群成员可以获得的有利集群效应。这些行动与供应链、知识产权和其他关键领域的其他改进措施相结合，将有助于半导体公司在竞争日益激烈的情况下实现卓越制造。关注公众号，后台回复：报告，即可免费获取麦肯锡英文原版报告
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