淺談半導體設計領導地位的挑戰(zhàn)

半導體無處不在，為從手機到火星漫游者的好奇號和毅力等技術(shù)提供動力，而且具有重要的經(jīng)濟意義。2021年，全球半導體銷售總額為5560億美元。半導體設計，包括物理集成電路和相關(guān)軟件的設計，約占所有行業(yè)研發(fā)投資和增值總額的一半。

美國公司在半導體設計方面發(fā)揮了主導作用，因此，美國受益于創(chuàng)新的良性循環(huán)，提高其塑造技術(shù)標準的能力，加強國家安全，提供高質(zhì)量的就業(yè)機會，并為鄰近行業(yè)的原始設備制造商（OEM）創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。

近年來，美國在與設計相關(guān)的收入中所占的份額已經(jīng)開始出現(xiàn)下降的跡象，從2015年的50%以上下降到2020年的46%。其他地區(qū)，尤其是韓國和中國，看到看到設計能力的增長。我們的分析顯示，按照目前的發(fā)展軌跡（也就是說，如果規(guī)劃者不采取行動），美國的增長份額可能會下降到36%，因為其他地區(qū)在未來的增長中占據(jù)更大的份額。

如果美國的目標是捍衛(wèi)其在設計方面的領導地位，并獲得設計領導力的相關(guān)下游利益，它將需要應對三個挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：設計和研發(fā)投資需求正在上升。隨著芯片變得越來越復雜，開發(fā)成本不斷上升，特別是在前沿制造節(jié)點上制造的芯片。如今，美國私營部門在設計研發(fā)方面的投資比其他任何地區(qū)的私營部門都要多，但世界各國政府提供了重要的激勵措施來吸引先進的設計，而美國有落后的風險。此外，美國公眾對研發(fā)的相對支持水平也落后于其他地區(qū)。在美國，由公共投資資助的半導體特定設計和研發(fā)領域的總體份額為13%，而在中國大陸、中國臺灣、歐洲、日本、和韓國。使美國在設計和研發(fā)方面的公共投資與國際同行保持一致，例如，包括對先進的設計和研發(fā)的稅收抵免，將有助于確保美國相對于其他地區(qū)的設計提供公平的競爭環(huán)境。

挑戰(zhàn)2：設計人才的供給正在減少。雖然世界上大多數(shù)的半導體設計工程師今天在美國，但是美國半導體設計行業(yè)面臨技術(shù)工人的短缺，有望看到到2030年這種短缺增加到23000名。鑒于趨勢的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）畢業(yè)生和數(shù)量經(jīng)驗豐富的工程師離開這個行業(yè)。

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(jīng)驗的設計師不要離開該領域或這個國家。此外，私營部門必須繼續(xù)通過開發(fā)和部署新的工具，并優(yōu)先考慮最高的價值，增加研發(fā)和設計，來提高其勞動力的生產(chǎn)力。

挑戰(zhàn)3：開放進入全球市場是在壓力之下。銷售是研發(fā)投資的最終資金來源，但關(guān)稅、出口限制和其他因素威脅著美國半導體公司進入全球市場，含蓄地使研發(fā)再投資面臨風險。世俗趨勢可能會逆轉(zhuǎn)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(mào)易中顯著獲益，而從激增的限制中損失最大。

未來10年，美國私營部門可能投資4000億至5000億美元，包括研發(fā)和勞動力發(fā)展。但為了在未來10年保持領導地位，美國需要進行互補的公共部門投資，以應對上述關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以加強國內(nèi)半導體行業(yè)和整個國家。

此外，公共部門投資所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(fā)的每一筆公共美元都會導致私營部門對設計和研發(fā)的額外投資，最終產(chǎn)生18-24美元的設計相關(guān)銷售額。

因此，在設計和研發(fā)方面的公共投資大約到2030年，預計將達到200億至300億美元（包括150億至200億美元的設計稅收優(yōu)惠）將在十年內(nèi)產(chǎn)生約4500億美元的增量設計相關(guān)銷售，同時還支持培訓和就業(yè)約23000個設計工作和130000個工作，鞏固美國在半導體設計的領導地位。

01

半導體設計領導地位的挑戰(zhàn)日益嚴峻

半導體對現(xiàn)代世界的運行至關(guān)重要，推動經(jīng)濟競爭力、國家安全和技術(shù)從對自動駕駛汽車的現(xiàn)代防御能力。半導體行業(yè)具有很高的戰(zhàn)略重要性，而半導體制造正日益成為各主要經(jīng)濟體產(chǎn)業(yè)政策的焦點。在半導體或芯片制造之前，必須設計它們，本報告的重點是半導體的設計。

我們首先列出什么是半導體設計以及為什么它很重要，并討論美國在這一領域的歷史以及設計領導所帶來的好處。盡管美國具有很高的價值，但在設計方面的領導地位并非不可避免的。如今，美國在保持其市場領導者地位方面面臨三個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：與半導體設計相關(guān)的難度和研發(fā)強度不斷增加；國內(nèi)人才短缺；以及對全球市場準入的威脅，使在設計上的持續(xù)再投資。

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的領導地位，它可能追求的潛在政策可能的好處和回報。

設計是半導體價值鏈的重要組成部分

在建造房屋時，建筑師和建筑工程師共同努力設計住宅的高層布局，例如，一個殖民地或后現(xiàn)代的住宅。這些專業(yè)人員決定在哪里放置房間和窗戶，以創(chuàng)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的權(quán)衡，例如，在生活空間和存儲空間之間，并列出詳細的框架、管道、電氣和其他使住宅宜居的考慮因素。所有這些準備工作都必須在實際施工開始之前進行。

同樣，在半導體制造之前，它們必須被設計出來。就像在家庭設計中進行權(quán)衡是必要的一樣，例如，在開放和隱私之間，芯片設計需要在性能和功率效率、一般指令的處理和高度專業(yè)化的指令的處理、數(shù)字數(shù)據(jù)的輸入和真實模擬數(shù)據(jù)的輸入之間進行權(quán)衡。

正如設計獨戶住宅的專業(yè)知識不能使建筑師有資格設計摩天大樓一樣，在不同應用下，設計芯片所需的技能在許多情況下是不可替代的。此外，芯片設計可能是一項巨大的任務，需要大型團隊，有時包括數(shù)百名高技能的設計工程師，每個人都有不同的專業(yè)，在設計完成并準備生產(chǎn)之前進行多年的合作。從歷史上看，美國在半導體設計方面一直領先于世界。

精心設計的芯片使汽車能夠安全運行，先進的醫(yī)療設備保存或挽救生命，軍事雷達系統(tǒng)可以探測危險。半導體設計幫助使從農(nóng)業(yè)到制造業(yè)的幾乎所有經(jīng)濟部門都更加高效和高效。半導體設計也在人工智能（AI）等新創(chuàng)新中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這些創(chuàng)新正在改變整個技術(shù)和經(jīng)濟領域。

當半導體設計得到改進時，所有使用半導體的應用也會受益。相反，當半導體設計停滯時，所有相關(guān)的應用也會受到影響。此外，設計創(chuàng)新是未來半導體改進的基礎。隨著物理擴展困難的不斷增加，與設計相關(guān)的創(chuàng)新，如新的架構(gòu)和異構(gòu)集成，將變得越來越重要。異構(gòu)集成將提高性能，允許設計師選擇每個芯片的不同元素的最佳制造技術(shù)和交付水平的整體性能，以前是不可能的。

設計是區(qū)分一種半導體的關(guān)鍵活動，并指導原始硅晶圓如何成為最先進的芯片，因此，設計需要大量的研發(fā)投資也就不足為奇了。事實上，設計的研發(fā)強度約為20%，EDA和核心IP的研發(fā)強度大于30%，而晶圓制造和設備生產(chǎn)的研發(fā)強度約為10%。?

設計是復雜的，包括多種不同類型的公司和活動

半導體設計包括兩類活動：硬件設計和軟件開發(fā)工作。硬件設計是一個多步驟的過程，包括產(chǎn)品的定義和規(guī)范、系統(tǒng)設計、集成電路設計和硅后驗證。軟件開發(fā)需要創(chuàng)建固件，一種較低級級別的軟件，它可以繞過（例如）終端設備的操作系統(tǒng)，比如筆記本電腦，直接向芯片提供指令。隨著設計變得越來越復雜，它將成為一個越來越迭代的過程，特別是對于主要參與者來說，并行發(fā)生，以便更早地解決問題，優(yōu)化整體系統(tǒng)級性能，并減少上市時間。

硬件設計人員在設計過程中同時使用了新的技術(shù)和已建立的技術(shù)。在推動創(chuàng)新時，設計師會生成新的、專門的設計，使特定的應用程序能夠利用設計和相關(guān)技術(shù)方面的最新進展。設計人員通常會使用現(xiàn)有的、可重用的建筑構(gòu)建塊（核心IP）來簡化和加速整體設計的創(chuàng)建。在所有情況下，設計師使用高度先進的EDA軟件來自動化設計過程，并確保芯片設計可以在不同的和通常是專有的制造過程上制造。由于單個芯片可以容納數(shù)十億個晶體管，最先進的EDA工具對于設計現(xiàn)代半導體是不可或缺的。

許多類型的公司從事半導體設計，但它們主要可分為四類：

無晶圓廠的公司。這些公司負責大約一半的設計相關(guān)增值，專注于芯片設計。他們與第三方商業(yè)制造廠合作，制造他們的芯片。

集成設備制造商（IDM）。負責大約一半的與設計相關(guān)的增值，負責設計和制造芯片。在IDM中，設計和制造團隊共同努力，將新的芯片推向市場，通常是在內(nèi)部制造設施。

原始設備制造商（OEM）。汽車制造商等OEM也在半導體設計中發(fā)揮著作用。他們使用半導體作為其他產(chǎn)品的輸入物。一些原始制造商已經(jīng)開始設計自己的芯片，主要是為自己的產(chǎn)品。例如，云計算提供商可以設計具有特定特性的定制芯片，能夠很好地執(zhí)行特定的任務。OEM在芯片設計領域越來越多，并越來越多地參與無晶圓廠公司和IDM滿足其需求的產(chǎn)品和人才市場。

EDA/IP提供商。EDA公司是設計公司和制造廠之間值得信賴的中介機構(gòu)，提供設計工具、參考流和一些服務。美國在EDA工具方面的領先地位為美國半導體設計帶來了顯著的好處，因為研究人員可以更多地獲得自動化工具，支持這些工具背后的工程師，并支持使用新的設計概念的實驗。第三方IP提供商設計并許可IP構(gòu)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，它們可以是第三方提供商或制造商的內(nèi)部團隊，在開發(fā)和優(yōu)化新設計方面發(fā)揮著有價值的功能。特別是，無晶圓廠的公司經(jīng)常與一個給定的制造廠的設計服務團隊密切合作，以確保其設計與制造廠的制造過程的兼容性。密切的合作是至關(guān)重要的，因為擴大新工藝涉及到建模和達到目標制造產(chǎn)量的內(nèi)在不確定性。

02

聚焦Fabless-Foundry生態(tài)系統(tǒng)

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）完成了所有的半導體設計和制造。為了抵消制造設備所需的高額資本支出，IDM開始為較小的公司提供未使用的生產(chǎn)能力，以使他們的晶圓廠忙碌起來。

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(chǎn)芯片，但它仍然是IDM業(yè)務的一小部分。IDM通常更喜歡擁有他們制造的設計，他們發(fā)現(xiàn)很難平衡內(nèi)部和外部客戶的需求。

1987年，莫里斯·張博士發(fā)現(xiàn)了一個機會與中國臺灣政府和飛利浦的合作伙伴關(guān)系半導體推出中國臺灣半導體制造公司（TSMC），世界上第一個"純"的制造廠。臺積電向客戶保證，作為一個專門的代工廠，它不會在設計上與他們競爭。

TSMC采用了一種低成本的定價策略，它依賴于大量生產(chǎn)來盈利。盡管它犧牲了早期利潤，但該公司在制造的市場份額迅速增長，使其能夠收回巨額資本支出，并投資于下一代技術(shù)節(jié)點。TSMC是受益中國臺灣政府對半導體行業(yè)廣泛支持的公司之一，通過研發(fā)援助、勞動力培訓、建立高科技企業(yè)園區(qū)等。

雖然IDM模式和制造模式都有其優(yōu)勢，但純制造廠的出現(xiàn)降低了設計公司的進入門檻，并徹底改變了整個行業(yè)，導致了無晶圓廠半導體設計公司的出現(xiàn)。沒有制造方面的巨額資本支出，無晶圓廠的公司可以將他們的專業(yè)知識和資源集中在設計方面的創(chuàng)新上，并與專門的制造制造廠合作。

由于半導體設計技術(shù)的不斷發(fā)展，設計領導者必須利用對設計創(chuàng)新至關(guān)重要的新技術(shù)和未來的技術(shù)，包括：

?硬件和軟件合作設計。隨著系統(tǒng)變得更加復雜，設計者利用諸如設計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（DTCO）和系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）等實踐，以確保在一個領域的改進不會給整體系統(tǒng)級性能造成問題?！白笠啤痹O計原則允許利用虛擬原型和數(shù)字雙胞胎來并行軟件和硬件開發(fā)。

?基于人工智能的設計。通過利用基于人工智能的工具，設計人員可以更快、更有效地滿足能力、性能和區(qū)域目標。強化學習和其他人工智能算法可以自動化較少重要的設計任務，使工程師能夠?qū)Ｗ⒂诟呒壍娜蝿蘸蜎Q策。

?2.5D/3D設計、芯片組態(tài)和異構(gòu)集成。隨著新工藝技術(shù)采用的減慢，設計工程師已經(jīng)轉(zhuǎn)向新的設計、集成和封裝技術(shù)，這有助于提高性能，降低成本和功耗。異構(gòu)集成允許增加使用高度專業(yè)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進一步審查促使設計師更加重視安全的硬件模塊，并開發(fā)增強的工具、方法和加密。在硬件層面在半導體中設計安全，確保系統(tǒng)按預期運行，防止故障，并增強網(wǎng)絡安全。

截至2021年，半導體行業(yè)46%的收入可歸因于總部位于美國的公司的設計活動，幾乎是其他任何個別地區(qū)的2.5倍。美國市場在設計方面的領先地位在邏輯上最為顯著，在該領域產(chǎn)生了64%的設計相關(guān)收入，但它也擴展到離散、模擬和其他（DAO）設備的設計，其中總部位于美國的公司創(chuàng)造了37%的設計相關(guān)收入。只有在記憶中，韓國公司占所有設計相關(guān)收入的59%，而美國并沒有處于市場領先地位。

在半導體設計領域的市場領先地位具有多種優(yōu)勢，包括：

?一個創(chuàng)新的良性循環(huán)。在設計方面的領導力支持著一個創(chuàng)新的良性循環(huán)。例如，設計領導能力使美國的公司能夠吸引和培訓有才華的外國出生的勞動力。這些勞動力的貢獻和創(chuàng)新產(chǎn)生了利潤，公司可以再投資于研發(fā)，以推動勞動力的持續(xù)擴張和未來的創(chuàng)新。

?提高了塑造標準的能力。在任何技術(shù)領域中，標準都支持互操作性，并使公司能夠更容易地跨供應鏈進行協(xié)作。通常，公司在設計是第一個開發(fā)產(chǎn)品需要標準（如Wi-Fi、藍牙和5g無線），這使他們能夠發(fā)揮主導作用在達成共識的標準和快速發(fā)展專業(yè)知識優(yōu)化設計一組給定的標準。擁有許多領先設計公司的地區(qū)將在設置和利用技術(shù)標準的好處方面處于相對優(yōu)勢。

?更強大的安全。設計領導能力在兩個維度上提供了國家安全的優(yōu)勢。首先，有設計領導地位的地區(qū)有更先進的機會半導體芯片，可以給防御和武器系統(tǒng)更大的功效。其次，具有設計領導地位的區(qū)域可能會降低惡意篡改和供應鏈攔截的風險，例如，通過保護關(guān)鍵的設計信息和實現(xiàn)設計IP的可追溯性和控制。

?擴大了高質(zhì)量的就業(yè)機會。設計領導直接通過高工資支持高質(zhì)量的就業(yè)，間接支持高就業(yè)倍數(shù)。例如，在2020年，從事半導體設計工作的美國工人的平均年收入約為17萬美元，而美國的中位數(shù)約為5.6萬美元。

在鄰近工業(yè)的OEM的優(yōu)勢。技術(shù)重工業(yè)的原始設備制造商在他們設計的系統(tǒng)中廣泛依賴于半導體。由于在共享的地理和文化背景下進行協(xié)作通常更容易，OEM可以通過直接與市場領先的芯片設計師合作，并采用共同設計和系統(tǒng)級優(yōu)化等實踐來創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。

03

受益于芯片設計領導能力的OEM

在半導體設計方面的創(chuàng)新領導地位可以在多個行業(yè)中產(chǎn)生創(chuàng)新，從而支持更廣泛的經(jīng)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(chuàng)造和共同優(yōu)化芯片，以更有效地處理來自汽車上傳感器的數(shù)據(jù)。定制設計的芯片還可以包括關(guān)鍵的安全特性，如冗余電源系統(tǒng)，以確保芯片在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)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，芯片設計師可以優(yōu)化他們的設計，以滿足最新智能手機不斷發(fā)展的系統(tǒng)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、圖像處理和功率效率。通過在系統(tǒng)級別上嚴格控制設計權(quán)衡，設計師可以創(chuàng)建具有更多創(chuàng)新特性和優(yōu)越的整體性能的硬件和軟件系統(tǒng)。

云計算。設計師創(chuàng)建定制芯片以滿足特定的云計算需求，從高質(zhì)量的視頻流到COVID-19的高效基因組分析。這種芯片可以幫助數(shù)據(jù)中心優(yōu)化性能和降低功耗。這些好處在2020年就很明顯了，當時快速云計算幫助研究人員和科學家快速對COVID-19變異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(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，芯片設計師與網(wǎng)絡運營商合作，為網(wǎng)絡運營商的手機基站和設備制造商的收發(fā)器設計定制芯片。通過協(xié)同解決這些問題，移動網(wǎng)絡運營商可以更有效地優(yōu)化通信系統(tǒng)，更可靠地實現(xiàn)5G。

醫(yī)療器械。植入式心臟起搏器和神經(jīng)刺激器等醫(yī)療設備可以成為救命稻草。通過設計定制芯片，醫(yī)療設備制造商可以確保設備必須在具有挑戰(zhàn)性的物理環(huán)境下工作，例如，在人體內(nèi)部，能夠以超低的功耗、異常高的可靠性和最大的診斷用途運行。

國家安全導彈系統(tǒng)、飛機、無人機和雷達系統(tǒng)都依賴于半導體。芯片設計的領導地位使美國國防工業(yè)能夠加強現(xiàn)有的和創(chuàng)新的新的和優(yōu)越的防御系統(tǒng)，這對加強國家安全至關(guān)重要。

無法保證在設計上的領導能力

設計方面的領導層在過去已經(jīng)發(fā)生了變化，而且可能會再次發(fā)生轉(zhuǎn)變。事實上，自1990年以來，從公司收入推斷，設計領導地位每十年都會發(fā)生顯著變化。

美國半導體公司如今是設計領域的領導者，但它們并沒有停滯不前。他們已經(jīng)投資了一個可以估計的數(shù)字。

2021年，為設計相關(guān)研發(fā)投入400億美元。鑒于競爭強度的加劇，美國的增長速度將比其他地區(qū)更慢，并有可能放棄市場份額。美國的整體市場份額（以整體芯片銷售收入衡量）一直在穩(wěn)步下降，從2000年的約50%下降到2020年的46%到2030年達到36%。

為了了解2030年市場份額的可能前景，我們按地理區(qū)域模擬了設計工程師的流動，假設收入和市場份額是由研發(fā)投資驅(qū)動的，而研發(fā)投資是由設計工程師的可用性驅(qū)動的。我們發(fā)現(xiàn)，美國設計人員的年增長率可能僅略高于不到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(chǎn)力以每年6%的速度提高。歐洲、日本、韓國和中國臺灣的設計工程勞動力預計將以每年1%-3%的速度增長?？傮w而言，預測中國大陸半導體行業(yè)的快速增長可能導致市場份額增長14個百分點，而美國的市場份額可能下降10個百分點。

導致美國整體市場份額預期下降的關(guān)鍵因素是投資政策和更有利的海外增長和勞動力增長。這一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，從而增加領導層轉(zhuǎn)向其他地區(qū)的可能性。

04

美國半導體行業(yè)面臨的三個關(guān)鍵挑戰(zhàn)

如果美國半導體行業(yè)的目標是捍衛(wèi)其在設計方面的領導地位，那么就需要解決三個挑戰(zhàn)：

挑戰(zhàn)1：設計和研發(fā)投資需求正在上升。每一代半導體都需要在設計和研發(fā)方面進行更多的投資，包括新的EDA工具、IP、工藝設計套件，以及半導體設計。有幾個地區(qū)為這些努力提供了比美國更多的公眾支持美國的芯片設計公司處于不利地位，并導致了美國市場領導地位的下降。?

挑戰(zhàn)2：設計人才的供給正在減少。半導體設計需要具有專業(yè)知識的高技能工人。美國芯片設計公司與美國半導體行業(yè)內(nèi)外的其他科技公司，以及其他地區(qū)渴望贏回他們最有才華的國民的芯片設計公司展開競爭。

挑戰(zhàn)3：開放進入全球市場正面臨壓力。半導體在全球市場的自由流動正受到關(guān)稅和出口限制等因素的壓力，威脅到美國公司實現(xiàn)規(guī)模和利潤的能力，為下一代設計和研發(fā)投資所需的資金。

幾十年來，全球半導體設計行業(yè)一直在進行重要的創(chuàng)新。無論美國是否采取行動來保持總部設在美國的公司的市場領導地位，半導體設計方面的進步都將繼續(xù)下去。

為了解決這些挑戰(zhàn)，我們將在本報告的未來三個部分中詳細介紹，這將增加未來半導體設計創(chuàng)新由總部設在美國的公司領導的可能性。

05

挑戰(zhàn)1：設計和研發(fā)投資需求正在上升

從2006年到2020年，在最新的制造節(jié)點上設計一個新芯片的成本增加了18倍以上。這一增長對新芯片設計造成了阻力，為新進入者和現(xiàn)有的非領先參與者創(chuàng)造了追趕和擴大市場份額的機會。

作為回應，美國私營部門不斷擴大其在設計和研發(fā)方面的投資，但相應的美國公共部門的支持在基礎研究和直接稅收優(yōu)惠方面落后于其他地區(qū)。

基礎研究經(jīng)費

多年來，美國政府對高風險基礎研究的資助對深刻影響日常生活（例如抗生素、互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星通信）的進展至關(guān)重要。政府通常會資助那些太遙遠、太不確定、或使某一家公司難以轉(zhuǎn)化為競爭優(yōu)勢的研究。近幾十年來，盡管私營企業(yè)大幅增加了研發(fā)資金，但美國的公共資金仍維持在GDP的0.03%，盡管其他地區(qū)也擴大了公共投資。

美國、中國大陸、中國臺灣、韓國和歐盟最近都宣布了為國內(nèi)半導體能力的擴張?zhí)峁┵Y金的計劃，這些計劃中的一部分支持設計能力。該計劃包括對傳統(tǒng)基礎研究（如大學內(nèi)的競爭前研究）和商業(yè)發(fā)展（如對半導體公司的股權(quán)投資）的支持。在這兩個領域的投資加強了人才和創(chuàng)新的管道，這對設計領域的領導力至關(guān)重要。

盡管增加了這些投資，美國半導體特定設計和研發(fā)資金的總體份額，包括直接公共研發(fā)資金、稅收激勵和其他最近的舉措，是13%。相比之下，歐洲、日本、中國大陸、韓國和中國臺灣等由公共投資資助的半導體特定設計和研發(fā)的份額為30%。

稅收優(yōu)惠

研發(fā)稅收激勵私營公司增加研發(fā)支出。美國在聯(lián)邦、州和地方項目中提供了平均9.5%的累計研發(fā)稅獎勵，這低于一組比較區(qū)域的中位數(shù)。

在美國，這些政府激勵措施通常適用于所有行業(yè)，但其他地區(qū)已經(jīng)采用了專門針對半導體行業(yè)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(zhàn)略技術(shù)”軌道，允許半導體研發(fā)享受高達50%的稅收減免。

中國大陸主要設計公司在第一年盈利后五年免征企業(yè)所得稅，之后降低10%的稅率。

作為其設計相關(guān)激勵計劃的一部分，印度政府計劃通過提供高達50%的合格研發(fā)支出的激勵措施，來擴大對國內(nèi)半導體設計的支持。

由于人們執(zhí)行大多數(shù)設計活動，所以將這些活動移動到國界比移動實體制造設施更容易。通過設計激勵，為與設計相關(guān)的研發(fā)提供更直接的支持，美國可以鼓勵美國和非美國公司在美國境內(nèi)擴大或建立設計中心，從而幫助遏制其設計份額的損失。

?

06

挑戰(zhàn)2：設計人才的供應正在減少

2021年，總部位于美國的公司雇傭了全球約18.7萬名半導體設計工程師中的約9.4萬名。其中，約60%實際分布在美國，約40%實際分布在國外。

盡管總部設在美國的公司無疑將繼續(xù)利用全球人才庫，但大多數(shù)公司在設計創(chuàng)新方面的核心聯(lián)系都存在于國內(nèi)網(wǎng)站。因此，為了保持設計方面的領導地位，總部設在美國的公司必須增加他們在美國的員工隊伍。

為了更好地理解這些動態(tài)，我們從自下而上的角度看待設計勞動力，考慮到勞動力當前的規(guī)模、所需的不同技能、當前全球人才的分布、大學流入和資金外流（以退休、行業(yè)變化和外國出生的人才離開美國的形式）。

我們的分析發(fā)現(xiàn)，平均而言，從2021年到2030年，美國大學每年將培訓和畢業(yè)近15.6萬名學生獲得本科或研究生學位，這些領域原則上可以轉(zhuǎn)化為半導體設計領域的職業(yè)，例如，電子工程（EE）或計算機科學（CS）學位。在這個數(shù)字中，每年約有2%將進入設計工作部門，平均每年約有3300名新員工。在很大程度上抵消這一招聘的是每年通過退休（60%）、移民（23%）和職業(yè)轉(zhuǎn)變（17%）的行業(yè)人員流失，約占設計人員的4%。

世界上近三分之一的半導體設計工程師都在美國?

因此，美國的設計人員的每年凈增長率將不到1%，我們估計到2030年，美國的設計人員將增長到約6.6萬名工程師。隨著半導體市場的增長，維持目前美國46%的美國市場份額將需要約8.9萬名工程師的國內(nèi)設計勞動力。大約23000名工程師（占所需勞動力的25%）將包括約90%的學士或碩士級工程師和約10%的博士級工程師。

這種人才差距可以通過提高生產(chǎn)力來填補，但從更大的角度來看，避免人才的嚴重短缺需要越來越多的科學、技術(shù)、工程和數(shù)學（STEM）畢業(yè)生流入半導體設計，并增加現(xiàn)有人才的保留，包括女性和代表不足的少數(shù)族裔。

STEM畢業(yè)生

在歷史上，美國的學院和大學都提供了世界上最好的STEM課程。美國擁有大約一半的世界頂級大學的EE和CS課程，這兩個學科與半導體設計最相關(guān)。通過這樣的項目，美國在半導體公民和外國公民的教育和培訓方面發(fā)揮了重要作用。

如今，美國攻讀學位的學生將研究重點放在STEM相關(guān)領域，而中國大陸為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人，他們占美國EE和CS項目所有學生的28%，占EE和CS研究生項目所有學生的65%。

其他地區(qū)正在擴大對STEM教育的投資，這進一步擴大了參與差距，如以下例子所示：

2008年，韓國建立了邁斯特學校，這是一所專注于半導體行業(yè)的新型職業(yè)高中，課程要根據(jù)當?shù)匕雽w行業(yè)的需求量身定制，還有工業(yè)實習

納入學生計劃，以及包括行業(yè)專家在內(nèi)的教員。

2017年，中國大陸將STEM加入了其小學課程。次年，政府啟動了《中國STEM教育2029年創(chuàng)新行動計劃》，以增加學生獲得STEM教育的機會。此外，教育部還在19所大學設立了IC博士項目。

2019年，中國臺灣教育部宣布了一項增加對其K-8和9-12學校的STEM教育經(jīng)費的計劃。

日本已經(jīng)制定了一個法律要求，即政府每五年更新一次其STEM教育計劃，以支持科學、技術(shù)和創(chuàng)新。

雖然對教育政策選擇的全面評估超出了本報告的范圍，但我們注意到有兩個潛在的高級別行動方針。首先，美國可以努力增加在相關(guān)STEM領域?qū)W習的學生數(shù)量，包括EE和CS。其次，美國可以努力增加選擇從事半導體設計職業(yè)的EE和CS畢業(yè)生的數(shù)量。

增加學生的數(shù)量參與EE和CS研究，美國可以在擴大一般興趣和改善訪問，例如，通過資助額外的K-12 STEM教育，促進更強的包容女性和少數(shù)民族，提供額外的資助大學獎學金EE和CS，或提供貸款寬恕的學生追求職業(yè)生涯在半導體設計。

為了增加繼續(xù)從事設計職業(yè)的EE和CS學生的數(shù)量，政策制定者可以增加對國內(nèi)研發(fā)的稅收優(yōu)惠，從而有效地創(chuàng)造就業(yè)信貸；提供與設計相關(guān)的研究獎學金，類似于現(xiàn)有的國防科學與工程研究生（NDESG）和國家科學基金會（NSF）獎學金，資助博士研究；或為進入設計工作隊伍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(yōu)秀、最聰明的學生，包括那些在美國大學接受培訓的其他地區(qū)的學生，能夠輕易地做到一點.

進入美國的設計人員隊伍。地區(qū)層面的移民配額積壓了大量高技能工人，他們想在美國工作，但無法做到。

這些項目的費用各不相同。假設MS/BS的每個學生平均負債25,000美元項目總費用為200,000美元，填補人才缺口至少需要10億美元到2030年的直接供資，金額相當于約1.2%的NSF資金，如果財政年度的資金水平是維持到2030年。如果美國政府要提供資金，協(xié)調(diào)大學和雇主將是必不可少的。例如，機構(gòu)需要在程序擴展時保持質(zhì)量，以及雇主須積極參與學生的教育和培訓。綜合來看，這些這些努力將提高婦女地位和吸引力設計相關(guān)的職業(yè)。

經(jīng)驗豐富的工程師

每年，大約2%的設計工程師退出美國設計工作隊伍。其中大約40%的人離開美國去其他行業(yè)尋找機會，60%的人離開美國以外從事工作，包括設計工作。私營部門必須承擔主要責任，以留住那些每年離開設計團隊但仍留在美國的工程師。

與此同時，公共部門有一個巨大而低成本的機會，通過鼓勵來自美國以外的半導體設計工程人才流來支持設計勞動力，例如，通過增加或取消對高技能工人永久移民資格的區(qū)域配額。留住離開美國的工人可能會使設計勞動力的基本增長率大約增加一倍，并為縮小國內(nèi)人才差距做出實質(zhì)性的貢獻。

07

挑戰(zhàn)3：開放進入全球市場正面臨壓力

長期以來，美國的設計公司一直受益于開放進入全球市場。這種訪問使設計公司能夠與其他地區(qū)的專業(yè)合作伙伴合作，并為終端客戶設計更好的半導體。全球市場，結(jié)合知識產(chǎn)權(quán)保護，也提供了一個龐大的客戶基礎，美國設計公司可以利用它來獲得規(guī)模和產(chǎn)生利潤，然后再投資于設計和研發(fā)。簡而言之，開放進入全球市場和合作伙伴是創(chuàng)新良性循環(huán)的一個重要組成部分。

隨著地緣政治緊張局勢的加劇，自由貿(mào)易和開放貿(mào)易都面臨著關(guān)稅、出口控制和工業(yè)政策方面的挑戰(zhàn)。正如我們在2020年所指出的，“對……的廣泛的單邊限制……獲得美國技術(shù)將顯著加深和加速美國公司的[設計]份額侵蝕”，從而破壞研發(fā)的再投資。貿(mào)易限制對美國和全球的半導體行業(yè)產(chǎn)生了深刻的負面影響，損害了所有參與者。

例如，今天美國的出口限制鼓勵了中國尋找半導體設計的替代來源。中國的原始設備制造商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。作為美國出口限制的直接結(jié)果，非美國原始設備制造商正越來越多地轉(zhuǎn)向本地設計的半導體。

如果歐盟、印度、日本、韓國、中國大陸和其他地區(qū)越來越多地尋求定位半導體價值鏈的要素，那么龐大的全球市場將面臨巨大的風險，從而損害所有參與者的利益。

? 08

中國不斷發(fā)展的半導體設計生態(tài)系統(tǒng)

自2017年以來，中國大陸的設計行業(yè)的增長主要是由競爭日益激烈的中國無晶圓廠設計公司的崛起推動的，這些公司目前占全球無晶圓廠半導體銷售額16%。從2017年到2020年，中國前25家無晶圓廠公司的收入翻了一番，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，約70%的交易流流向了設計公司。

至少在某種程度上，這種加速增長是美國努力限制中國原始設備制造商進入其市場的結(jié)果，導致這些原始設備制造商試圖建立有彈性的國內(nèi)供應鏈，中國政府的產(chǎn)業(yè)政策加強了這一努力。政府的激勵措施，包括直接的研發(fā)投資撥款、增值稅退稅、資本支出支持和免除企業(yè)所得稅，鼓勵了中國國內(nèi)半導體生態(tài)系統(tǒng)的增長。

意識到它們的關(guān)鍵性，中國政府和中國工業(yè)都在加快對外國電子設計自動化（EDA）工具、核心知識產(chǎn)權(quán)（IP）和手冊之外的國內(nèi)替代品的投資。

中國國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金已向EDA和知識產(chǎn)權(quán)公司投資1.25億美元。2021年，在中國大陸有12家中國EDA公司融資超過3.1億美元，較2020年增長了54%。國家支持的基金還向中國大陸最大的半導體制造國際有限公司投資了超過20億美元。

中國企業(yè)也在投資于國內(nèi)的芯片設計彈性。2021年，人工智能芯片（包括GPU和HPC）公司，在過去五年中成立了數(shù)十家公司，通過92筆交易，通過多次融資籌集了45億美元的總?cè)谫Y。此外，中國企業(yè)正在采用和推廣RISC-V等開源設計技術(shù)，以避免依賴于可能受到出口限制的技術(shù)。

中國的大型原始設備制造商越來越多地從事芯片設計，以開發(fā)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(fā)一款基于先進RISC機器（ARM）的服務器CPU，可以將其部署到其數(shù)據(jù)中心，從而減少對外國半導體的依賴。

如果美國渴望維持其設計上的領導地位，公共投資和激勵將大大推動勢頭。在過去的三十年里，美國在半導體設計的領導地位對國家的GDP做出了重大貢獻（2020年約1200億美元），創(chuàng)造了高技能工作（2020年約173000），并提供了一系列的其他好處，國內(nèi)鄰近行業(yè)更關(guān)鍵的基礎設施安全的優(yōu)勢。但美國的設計領導力及其隨之而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(yè)都將會增長，半導體設計也將繼續(xù)在美國和國外進行。

為了保持其在設計上的領導地位，美國必須有足夠的私人和公共投資，以及足夠多的勞動力，以保持市場份額，從而實現(xiàn)再投資的良性循環(huán)。如果沒有在這些方面采取行動，從事設計活動的美國公司由于市場份額的侵蝕，在未來10年預計將累計損失4500億美元的銷售額。

作為一個起點，鑒于目前的趨勢，私營部門預計將以總投資速度為4000億美元至在未來的十年里進行5000億美元的設計研發(fā)。補充這一承諾，美國政府需要投資增量200億到300億美元的稅收優(yōu)惠和直接資助公共研發(fā)（相當于4%到6%的私營部門投資或大約40%到50%的差距當前水平的美國支持和平均支持在其他地區(qū)）。一個典型的組合將通過設計稅收激勵，帶來大約三分之二，即150億到200億美元的公共投資。

解決新興的勞動力問題需要在兩個方面采取行動：對STEM教育進行投資和增加來自美國以外的人才流動，培訓大約23000名設計工程師。雖然不同的政策方法會產(chǎn)生不同的成本，但在本十年末填補這一缺口的累積成本可能只有10億美元左右。

通過這項投資，總部設在美國的設計公司將創(chuàng)造約4500億美元的增量銷售額，23000個直接工程工作崗位，以及其他領域13萬個間接和誘導的工作崗位，它們將鞏固美國在半導體設計領域的領導地位。

半導體行業(yè)正吸引著政策制定者的強烈興趣。隨著世界各國政府和企業(yè)對該領域進行重大投資，半導體設計方面的創(chuàng)新肯定會繼續(xù)下去。應對本報告中討論的挑戰(zhàn)的公共投資增加了未來設計創(chuàng)新在國內(nèi)發(fā)生的可能性，并有助于保持美國今天享有的設計領導力的好處。

美國在邏輯設計方面處于領先地位，尤其是先進的處理器，但在光電子學和其他傳感器方面卻落后。

編輯：黃飛

?