淺談半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位的挑戰(zhàn)

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

美國(guó)公司在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了主導(dǎo)作用，因此，美國(guó)受益于創(chuàng)新的良性循環(huán)，提高其塑造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的能力，加強(qiáng)國(guó)家安全，提供高質(zhì)量的就業(yè)機(jī)會(huì)，并為鄰近行業(yè)的原始設(shè)備制造商（OEM）創(chuàng)造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

近年來(lái)，美國(guó)在與設(shè)計(jì)相關(guān)的收入中所占的份額已經(jīng)開(kāi)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(guó)和中國(guó)，看到看到設(shè)計(jì)能力的增長(zhǎng)。我們的分析顯示，按照目前的發(fā)展軌跡（也就是說(shuō)，如果規(guī)劃者不采取行動(dòng)），美國(guó)的增長(zhǎng)份額可能會(huì)下降到36%，因?yàn)槠渌貐^(qū)在未來(lái)的增長(zhǎng)中占據(jù)更大的份額。

如果美國(guó)的目標(biāo)是捍衛(wèi)其在設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，并獲得設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)力的相關(guān)下游利益，它將需要應(yīng)對(duì)三個(gè)挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：設(shè)計(jì)和研發(fā)投資需求正在上升。隨著芯片變得越來(lái)越復(fù)雜，開(kāi)發(fā)成本不斷上升，特別是在前沿制造節(jié)點(diǎn)上制造的芯片。如今，美國(guó)私營(yíng)部門在設(shè)計(jì)研發(fā)方面的投資比其他任何地區(qū)的私營(yíng)部門都要多，但世界各國(guó)政府提供了重要的激勵(lì)措施來(lái)吸引先進(jìn)的設(shè)計(jì)，而美國(guó)有落后的風(fēng)險(xiǎn)。此外，美國(guó)公眾對(duì)研發(fā)的相對(duì)支持水平也落后于其他地區(qū)。在美國(guó)，由公共投資資助的半導(dǎo)體特定設(shè)計(jì)和研發(fā)領(lǐng)域的總體份額為13%，而在中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣、歐洲、日本、和韓國(guó)。使美國(guó)在設(shè)計(jì)和研發(fā)方面的公共投資與國(guó)際同行保持一致，例如，包括對(duì)先進(jìn)的設(shè)計(jì)和研發(fā)的稅收抵免，將有助于確保美國(guó)相對(duì)于其他地區(qū)的設(shè)計(jì)提供公平的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

挑戰(zhàn)2：設(shè)計(jì)人才的供給正在減少。雖然世界上大多數(shù)的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工程師今天在美國(guó)，但是美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(shì)的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）畢業(yè)生和數(shù)量經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師離開(kāi)這個(gè)行業(yè)。

公共和私營(yíng)部門必須共同努力，鼓勵(lì)更多的美國(guó)工人進(jìn)入設(shè)計(jì)領(lǐng)域，并鼓勵(lì)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師不要離開(kāi)該領(lǐng)域或這個(gè)國(guó)家。此外，私營(yíng)部門必須繼續(xù)通過(guò)開(kāi)發(fā)和部署新的工具，并優(yōu)先考慮最高的價(jià)值，增加研發(fā)和設(shè)計(jì)，來(lái)提高其勞動(dòng)力的生產(chǎn)力。

挑戰(zhàn)3：開(kāi)放進(jìn)入全球市場(chǎng)是在壓力之下。銷售是研發(fā)投資的最終資金來(lái)源，但關(guān)稅、出口限制和其他因素威脅著美國(guó)半導(dǎo)體公司進(jìn)入全球市場(chǎng)，含蓄地使研發(fā)再投資面臨風(fēng)險(xiǎn)。世俗趨勢(shì)可能會(huì)逆轉(zhuǎn)全球化的某些因素，但確保市場(chǎng)盡可能保持開(kāi)放將使美國(guó)受益。美國(guó)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(lái)10年，美國(guó)私營(yíng)部門可能投資4000億至5000億美元，包括研發(fā)和勞動(dòng)力發(fā)展。但為了在未來(lái)10年保持領(lǐng)導(dǎo)地位，美國(guó)需要進(jìn)行互補(bǔ)的公共部門投資，以應(yīng)對(duì)上述關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以加強(qiáng)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)和整個(gè)國(guó)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(shè)計(jì)和研發(fā)的每一筆公共美元都會(huì)導(dǎo)致私營(yíng)部門對(duì)設(shè)計(jì)和研發(fā)的額外投資，最終產(chǎn)生18-24美元的設(shè)計(jì)相關(guān)銷售額。

因此，在設(shè)計(jì)和研發(fā)方面的公共投資大約到2030年，預(yù)計(jì)將達(dá)到200億至300億美元（包括150億至200億美元的設(shè)計(jì)稅收優(yōu)惠）將在十年內(nèi)產(chǎn)生約4500億美元的增量設(shè)計(jì)相關(guān)銷售，同時(shí)還支持培訓(xùn)和就業(yè)約23000個(gè)設(shè)計(jì)工作和130000個(gè)工作，鞏固美國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)地位。

01

半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻

半導(dǎo)體對(duì)現(xiàn)代世界的運(yùn)行至關(guān)重要，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力、國(guó)家安全和技術(shù)從對(duì)自動(dòng)駕駛汽車的現(xiàn)代防御能力。半導(dǎo)體行業(yè)具有很高的戰(zhàn)略重要性，而半導(dǎo)體制造正日益成為各主要經(jīng)濟(jì)體產(chǎn)業(yè)政策的焦點(diǎn)。在半導(dǎo)體或芯片制造之前，必須設(shè)計(jì)它們，本報(bào)告的重點(diǎn)是半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)。

我們首先列出什么是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)以及為什么它很重要，并討論美國(guó)在這一領(lǐng)域的歷史以及設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)所帶來(lái)的好處。盡管美國(guó)具有很高的價(jià)值，但在設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位并非不可避免的。如今，美國(guó)在保持其市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者地位方面面臨三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)相關(guān)的難度和研發(fā)強(qiáng)度不斷增加；國(guó)內(nèi)人才短缺；以及對(duì)全球市場(chǎng)準(zhǔn)入的威脅，使在設(shè)計(jì)上的持續(xù)再投資。

我們估計(jì)了人才短缺對(duì)美國(guó)設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位的影響，以及如果美國(guó)選擇維持半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)地位，它可能追求的潛在政策可能的好處和回報(bào)。

設(shè)計(jì)是半導(dǎo)體價(jià)值鏈的重要組成部分

在建造房屋時(shí)，建筑師和建筑工程師共同努力設(shè)計(jì)住宅的高層布局，例如，一個(gè)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(gè)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(chǔ)空間之間，并列出詳細(xì)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(zhǔn)備工作都必須在實(shí)際施工開(kāi)始之前進(jìn)行。

同樣，在半導(dǎo)體制造之前，它們必須被設(shè)計(jì)出來(lái)。就像在家庭設(shè)計(jì)中進(jìn)行權(quán)衡是必要的一樣，例如，在開(kāi)放和隱私之間，芯片設(shè)計(jì)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?jǐn)?shù)據(jù)的輸入和真實(shí)模擬數(shù)據(jù)的輸入之間進(jìn)行權(quán)衡。

正如設(shè)計(jì)獨(dú)戶住宅的專業(yè)知識(shí)不能使建筑師有資格設(shè)計(jì)摩天大樓一樣，在不同應(yīng)用下，設(shè)計(jì)芯片所需的技能在許多情況下是不可替代的。此外，芯片設(shè)計(jì)可能是一項(xiàng)巨大的任務(wù)，需要大型團(tuán)隊(duì)，有時(shí)包括數(shù)百名高技能的設(shè)計(jì)工程師，每個(gè)人都有不同的專業(yè)，在設(shè)計(jì)完成并準(zhǔn)備生產(chǎn)之前進(jìn)行多年的合作。從歷史上看，美國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面一直領(lǐng)先于世界。

精心設(shè)計(jì)的芯片使汽車能夠安全運(yùn)行，先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備保存或挽救生命，軍事雷達(dá)系統(tǒng)可以探測(cè)危險(xiǎn)。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)幫助使從農(nóng)業(yè)到制造業(yè)的幾乎所有經(jīng)濟(jì)部門都更加高效和高效。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(gè)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域。

當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)得到改進(jìn)時(shí)，所有使用半導(dǎo)體的應(yīng)用也會(huì)受益。相反，當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)停滯時(shí)，所有相關(guān)的應(yīng)用也會(huì)受到影響。此外，設(shè)計(jì)創(chuàng)新是未來(lái)半導(dǎo)體改進(jìn)的基礎(chǔ)。隨著物理擴(kuò)展困難的不斷增加，與設(shè)計(jì)相關(guān)的創(chuàng)新，如新的架構(gòu)和異構(gòu)集成，將變得越來(lái)越重要。異構(gòu)集成將提高性能，允許設(shè)計(jì)師選擇每個(gè)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(shè)計(jì)是區(qū)分一種半導(dǎo)體的關(guān)鍵活動(dòng)，并指導(dǎo)原始硅晶圓如何成為最先進(jìn)的芯片，因此，設(shè)計(jì)需要大量的研發(fā)投資也就不足為奇了。事實(shí)上，設(shè)計(jì)的研發(fā)強(qiáng)度約為20%，EDA和核心IP的研發(fā)強(qiáng)度大于30%，而晶圓制造和設(shè)備生產(chǎn)的研發(fā)強(qiáng)度約為10%。?

設(shè)計(jì)是復(fù)雜的，包括多種不同類型的公司和活動(dòng)

半導(dǎo)體設(shè)計(jì)包括兩類活動(dòng)：硬件設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)工作。硬件設(shè)計(jì)是一個(gè)多步驟的過(guò)程，包括產(chǎn)品的定義和規(guī)范、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)和硅后驗(yàn)證。軟件開(kāi)發(fā)需要?jiǎng)?chuàng)建固件，一種較低級(jí)級(jí)別的軟件，它可以繞過(guò)（例如）終端設(shè)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(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜，它將成為一個(gè)越來(lái)越迭代的過(guò)程，特別是對(duì)于主要參與者來(lái)說(shuō)，并行發(fā)生，以便更早地解決問(wèn)題，優(yōu)化整體系統(tǒng)級(jí)性能，并減少上市時(shí)間。

硬件設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中同時(shí)使用了新的技術(shù)和已建立的技術(shù)。在推動(dòng)創(chuàng)新時(shí)，設(shè)計(jì)師會(huì)生成新的、專門的設(shè)計(jì)，使特定的應(yīng)用程序能夠利用設(shè)計(jì)和相關(guān)技術(shù)方面的最新進(jìn)展。設(shè)計(jì)人員通常會(huì)使用現(xiàn)有的、可重用的建筑構(gòu)建塊（核心IP）來(lái)簡(jiǎn)化和加速整體設(shè)計(jì)的創(chuàng)建。在所有情況下，設(shè)計(jì)師使用高度先進(jìn)的EDA軟件來(lái)自動(dòng)化設(shè)計(jì)過(guò)程，并確保芯片設(shè)計(jì)可以在不同的和通常是專有的制造過(guò)程上制造。由于單個(gè)芯片可以容納數(shù)十億個(gè)晶體管，最先進(jìn)的EDA工具對(duì)于設(shè)計(jì)現(xiàn)代半導(dǎo)體是不可或缺的。

許多類型的公司從事半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，但它們主要可分為四類：

無(wú)晶圓廠的公司。這些公司負(fù)責(zé)大約一半的設(shè)計(jì)相關(guān)增值，專注于芯片設(shè)計(jì)。他們與第三方商業(yè)制造廠合作，制造他們的芯片。

集成設(shè)備制造商（IDM）。負(fù)責(zé)大約一半的與設(shè)計(jì)相關(guān)的增值，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造芯片。在IDM中，設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)共同努力，將新的芯片推向市場(chǎng)，通常是在內(nèi)部制造設(shè)施。

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

EDA/IP提供商。EDA公司是設(shè)計(jì)公司和制造廠之間值得信賴的中介機(jī)構(gòu)，提供設(shè)計(jì)工具、參考流和一些服務(wù)。美國(guó)在EDA工具方面的領(lǐng)先地位為美國(guó)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)帶來(lái)了顯著的好處，因?yàn)檠芯咳藛T可以更多地獲得自動(dòng)化工具，支持這些工具背后的工程師，并支持使用新的設(shè)計(jì)概念的實(shí)驗(yàn)。第三方IP提供商設(shè)計(jì)并許可IP構(gòu)建塊（處理器、庫(kù)、存儲(chǔ)器、接口、傳感器和安全性）。

除了這些參與者之外，設(shè)計(jì)服務(wù)公司，它們可以是第三方提供商或制造商的內(nèi)部團(tuán)隊(duì)，在開(kāi)發(fā)和優(yōu)化新設(shè)計(jì)方面發(fā)揮著有價(jià)值的功能。特別是，無(wú)晶圓廠的公司經(jīng)常與一個(gè)給定的制造廠的設(shè)計(jì)服務(wù)團(tuán)隊(duì)密切合作，以確保其設(shè)計(jì)與制造廠的制造過(guò)程的兼容性。密切的合作是至關(guān)重要的，因?yàn)閿U(kuò)大新工藝涉及到建模和達(dá)到目標(biāo)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(jì)80年代中期，大型和垂直集成的IDM（集成設(shè)備制造商）完成了所有的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和制造。為了抵消制造設(shè)備所需的高額資本支出，IDM開(kāi)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(lái)。

雖然這使得一些具有設(shè)計(jì)專長(zhǎng)的公司能夠在不運(yùn)營(yíng)自己的晶圓廠的情況下生產(chǎn)芯片，但它仍然是IDM業(yè)務(wù)的一小部分。IDM通常更喜歡擁有他們制造的設(shè)計(jì)，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(gè)機(jī)會(huì)與中國(guó)臺(tái)灣政府和飛利浦的合作伙伴關(guān)系半導(dǎo)體推出中國(guó)臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司（TSMC），世界上第一個(gè)"純"的制造廠。臺(tái)積電向客戶保證，作為一個(gè)專門的代工廠，它不會(huì)在設(shè)計(jì)上與他們競(jìng)爭(zhēng)。

TSMC采用了一種低成本的定價(jià)策略，它依賴于大量生產(chǎn)來(lái)盈利。盡管它犧牲了早期利潤(rùn)，但該公司在制造的市場(chǎng)份額迅速增長(zhǎng)，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(diǎn)。TSMC是受益中國(guó)臺(tái)灣政府對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)廣泛支持的公司之一，通過(guò)研發(fā)援助、勞動(dòng)力培訓(xùn)、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(shì)，但純制造廠的出現(xiàn)降低了設(shè)計(jì)公司的進(jìn)入門檻，并徹底改變了整個(gè)行業(yè)，導(dǎo)致了無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司的出現(xiàn)。沒(méi)有制造方面的巨額資本支出，無(wú)晶圓廠的公司可以將他們的專業(yè)知識(shí)和資源集中在設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新上，并與專門的制造制造廠合作。

由于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)者必須利用對(duì)設(shè)計(jì)創(chuàng)新至關(guān)重要的新技術(shù)和未來(lái)的技術(shù)，包括：

?硬件和軟件合作設(shè)計(jì)。隨著系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)者利用諸如設(shè)計(jì)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(shí)踐，以確保在一個(gè)領(lǐng)域的改進(jìn)不會(huì)給整體系統(tǒng)級(jí)性能造成問(wèn)題?！白笠啤痹O(shè)計(jì)原則允許利用虛擬原型和數(shù)字雙胞胎來(lái)并行軟件和硬件開(kāi)發(fā)。

?基于人工智能的設(shè)計(jì)。通過(guò)利用基于人工智能的工具，設(shè)計(jì)人員可以更快、更有效地滿足能力、性能和區(qū)域目標(biāo)。強(qiáng)化學(xué)習(xí)和其他人工智能算法可以自動(dòng)化較少重要的設(shè)計(jì)任務(wù)，使工程師能夠?qū)Ｗ⒂诟呒?jí)的任務(wù)和決策。

?2.5D/3D設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)工程師已經(jīng)轉(zhuǎn)向新的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)，以進(jìn)一步提高性能。

?安全設(shè)計(jì)。對(duì)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)安全性的進(jìn)一步審查促使設(shè)計(jì)師更加重視安全的硬件模塊，并開(kāi)發(fā)增強(qiáng)的工具、方法和加密。在硬件層面在半導(dǎo)體中設(shè)計(jì)安全，確保系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行，防止故障，并增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全。

截至2021年，半導(dǎo)體行業(yè)46%的收入可歸因于總部位于美國(guó)的公司的設(shè)計(jì)活動(dòng)，幾乎是其他任何個(gè)別地區(qū)的2.5倍。美國(guó)市場(chǎng)在設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)先地位在邏輯上最為顯著，在該領(lǐng)域產(chǎn)生了64%的設(shè)計(jì)相關(guān)收入，但它也擴(kuò)展到離散、模擬和其他（DAO）設(shè)備的設(shè)計(jì)，其中總部位于美國(guó)的公司創(chuàng)造了37%的設(shè)計(jì)相關(guān)收入。只有在記憶中，韓國(guó)公司占所有設(shè)計(jì)相關(guān)收入的59%，而美國(guó)并沒(méi)有處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。

在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)先地位具有多種優(yōu)勢(shì)，包括：

?一個(gè)創(chuàng)新的良性循環(huán)。在設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)力支持著一個(gè)創(chuàng)新的良性循環(huán)。例如，設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)能力使美國(guó)的公司能夠吸引和培訓(xùn)有才華的外國(guó)出生的勞動(dòng)力。這些勞動(dòng)力的貢獻(xiàn)和創(chuàng)新產(chǎn)生了利潤(rùn)，公司可以再投資于研發(fā)，以推動(dòng)勞動(dòng)力的持續(xù)擴(kuò)張和未來(lái)的創(chuàng)新。

?提高了塑造標(biāo)準(zhǔn)的能力。在任何技術(shù)領(lǐng)域中，標(biāo)準(zhǔn)都支持互操作性，并使公司能夠更容易地跨供應(yīng)鏈進(jìn)行協(xié)作。通常，公司在設(shè)計(jì)是第一個(gè)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品需要標(biāo)準(zhǔn)（如Wi-Fi、藍(lán)牙和5g無(wú)線），這使他們能夠發(fā)揮主導(dǎo)作用在達(dá)成共識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)和快速發(fā)展專業(yè)知識(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)一組給定的標(biāo)準(zhǔn)。擁有許多領(lǐng)先設(shè)計(jì)公司的地區(qū)將在設(shè)置和利用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的好處方面處于相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

?更強(qiáng)大的安全。設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)能力在兩個(gè)維度上提供了國(guó)家安全的優(yōu)勢(shì)。首先，有設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位的地區(qū)有更先進(jìn)的機(jī)會(huì)半導(dǎo)體芯片，可以給防御和武器系統(tǒng)更大的功效。其次，具有設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位的區(qū)域可能會(huì)降低惡意篡改和供應(yīng)鏈攔截的風(fēng)險(xiǎn)，例如，通過(guò)保護(hù)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)信息和實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)IP的可追溯性和控制。

?擴(kuò)大了高質(zhì)量的就業(yè)機(jī)會(huì)。設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)直接通過(guò)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(dǎo)體設(shè)計(jì)工作的美國(guó)工人的平均年收入約為17萬(wàn)美元，而美國(guó)的中位數(shù)約為5.6萬(wàn)美元。

在鄰近工業(yè)的OEM的優(yōu)勢(shì)。技術(shù)重工業(yè)的原始設(shè)備制造商在他們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中廣泛依賴于半導(dǎo)體。由于在共享的地理和文化背景下進(jìn)行協(xié)作通常更容易，OEM可以通過(guò)直接與市場(chǎng)領(lǐng)先的芯片設(shè)計(jì)師合作，并采用共同設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化等實(shí)踐來(lái)創(chuàng)造競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

03

受益于芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)能力的OEM

在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)地位可以在多個(gè)行業(yè)中產(chǎn)生創(chuàng)新，從而支持更廣泛的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位。

自動(dòng)駕駛汽車。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(lái)自汽車上傳感器的數(shù)據(jù)。定制設(shè)計(jì)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(yùn)行。

智能手機(jī)。通過(guò)與OEM設(shè)備工程師密切合作，芯片設(shè)計(jì)師可以優(yōu)化他們的設(shè)計(jì)，以滿足最新智能手機(jī)不斷發(fā)展的系統(tǒng)需求。例如，定制設(shè)計(jì)的芯片可以提高設(shè)備上的人工智能性能、圖像處理和功率效率。通過(guò)在系統(tǒng)級(jí)別上嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)權(quán)衡，設(shè)計(jì)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(jì)算。設(shè)計(jì)師創(chuàng)建定制芯片以滿足特定的云計(jì)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(dāng)時(shí)快速云計(jì)算幫助研究人員和科學(xué)家快速對(duì)COVID-19變異體的基因組進(jìn)行測(cè)序。

5g通信。芯片設(shè)計(jì)師與其他通信公司合作，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。例如，芯片設(shè)計(jì)師與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商合作，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的手機(jī)基站和設(shè)備制造商的收發(fā)器設(shè)計(jì)定制芯片。通過(guò)協(xié)同解決這些問(wèn)題，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商可以更有效地優(yōu)化通信系統(tǒng)，更可靠地實(shí)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(shè)備可以成為救命稻草。通過(guò)設(shè)計(jì)定制芯片，醫(yī)療設(shè)備制造商可以確保設(shè)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(yùn)行。

國(guó)家安全導(dǎo)彈系統(tǒng)、飛機(jī)、無(wú)人機(jī)和雷達(dá)系統(tǒng)都依賴于半導(dǎo)體。芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)地位使美國(guó)國(guó)防工業(yè)能夠加強(qiáng)現(xiàn)有的和創(chuàng)新的新的和優(yōu)越的防御系統(tǒng)，這對(duì)加強(qiáng)國(guó)家安全至關(guān)重要。

無(wú)法保證在設(shè)計(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)能力

設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)層在過(guò)去已經(jīng)發(fā)生了變化，而且可能會(huì)再次發(fā)生轉(zhuǎn)變。事實(shí)上，自1990年以來(lái)，從公司收入推斷，設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)地位每十年都會(huì)發(fā)生顯著變化。

美國(guó)半導(dǎo)體公司如今是設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，但它們并沒(méi)有停滯不前。他們已經(jīng)投資了一個(gè)可以估計(jì)的數(shù)字。

2021年，為設(shè)計(jì)相關(guān)研發(fā)投入400億美元。鑒于競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的加劇，美國(guó)的增長(zhǎng)速度將比其他地區(qū)更慢，并有可能放棄市場(chǎng)份額。美國(guó)的整體市場(chǎng)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(dá)到36%。

為了了解2030年市場(chǎng)份額的可能前景，我們按地理區(qū)域模擬了設(shè)計(jì)工程師的流動(dòng)，假設(shè)收入和市場(chǎng)份額是由研發(fā)投資驅(qū)動(dòng)的，而研發(fā)投資是由設(shè)計(jì)工程師的可用性驅(qū)動(dòng)的。我們發(fā)現(xiàn)，美國(guó)設(shè)計(jì)人員的年增長(zhǎng)率可能僅略高于不到1%的替代率。相比之下，中國(guó)大陸的設(shè)計(jì)人員以每年6%的速度增長(zhǎng)，工程師的相對(duì)生產(chǎn)力以每年6%的速度提高。歐洲、日本、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣的設(shè)計(jì)工程勞動(dòng)力預(yù)計(jì)將以每年1%-3%的速度增長(zhǎng)?？傮w而言，預(yù)測(cè)中國(guó)大陸半導(dǎo)體行業(yè)的快速增長(zhǎng)可能導(dǎo)致市場(chǎng)份額增長(zhǎng)14個(gè)百分點(diǎn)，而美國(guó)的市場(chǎng)份額可能下降10個(gè)百分點(diǎn)。

導(dǎo)致美國(guó)整體市場(chǎng)份額預(yù)期下降的關(guān)鍵因素是投資政策和更有利的海外增長(zhǎng)和勞動(dòng)力增長(zhǎng)。這一趨勢(shì)可能會(huì)限制總部位于美國(guó)的公司進(jìn)行再投資的相對(duì)能力，從而增加領(lǐng)導(dǎo)層轉(zhuǎn)向其他地區(qū)的可能性。

04

美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)面臨的三個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)

如果美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的目標(biāo)是捍衛(wèi)其在設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，那么就需要解決三個(gè)挑戰(zhàn)：

挑戰(zhàn)1：設(shè)計(jì)和研發(fā)投資需求正在上升。每一代半導(dǎo)體都需要在設(shè)計(jì)和研發(fā)方面進(jìn)行更多的投資，包括新的EDA工具、IP、工藝設(shè)計(jì)套件，以及半導(dǎo)體設(shè)計(jì)。有幾個(gè)地區(qū)為這些努力提供了比美國(guó)更多的公眾支持美國(guó)的芯片設(shè)計(jì)公司處于不利地位，并導(dǎo)致了美國(guó)市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位的下降。?

挑戰(zhàn)2：設(shè)計(jì)人才的供給正在減少。半導(dǎo)體設(shè)計(jì)需要具有專業(yè)知識(shí)的高技能工人。美國(guó)芯片設(shè)計(jì)公司與美國(guó)半導(dǎo)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(guó)民的芯片設(shè)計(jì)公司展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)。

挑戰(zhàn)3：開(kāi)放進(jìn)入全球市場(chǎng)正面臨壓力。半導(dǎo)體在全球市場(chǎng)的自由流動(dòng)正受到關(guān)稅和出口限制等因素的壓力，威脅到美國(guó)公司實(shí)現(xiàn)規(guī)模和利潤(rùn)的能力，為下一代設(shè)計(jì)和研發(fā)投資所需的資金。

幾十年來(lái)，全球半導(dǎo)體設(shè)計(jì)行業(yè)一直在進(jìn)行重要的創(chuàng)新。無(wú)論美國(guó)是否采取行動(dòng)來(lái)保持總部設(shè)在美國(guó)的公司的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面的進(jìn)步都將繼續(xù)下去。

為了解決這些挑戰(zhàn)，我們將在本報(bào)告的未來(lái)三個(gè)部分中詳細(xì)介紹，這將增加未來(lái)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)創(chuàng)新由總部設(shè)在美國(guó)的公司領(lǐng)導(dǎo)的可能性。

05

挑戰(zhàn)1：設(shè)計(jì)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(diǎn)上設(shè)計(jì)一個(gè)新芯片的成本增加了18倍以上。這一增長(zhǎng)對(duì)新芯片設(shè)計(jì)造成了阻力，為新進(jìn)入者和現(xiàn)有的非領(lǐng)先參與者創(chuàng)造了追趕和擴(kuò)大市場(chǎng)份額的機(jī)會(huì)。

作為回應(yīng)，美國(guó)私營(yíng)部門不斷擴(kuò)大其在設(shè)計(jì)和研發(fā)方面的投資，但相應(yīng)的美國(guó)公共部門的支持在基礎(chǔ)研究和直接稅收優(yōu)惠方面落后于其他地區(qū)。

基礎(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)

多年來(lái)，美國(guó)政府對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)基礎(chǔ)研究的資助對(duì)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(jìn)展至關(guān)重要。政府通常會(huì)資助那些太遙遠(yuǎn)、太不確定、或使某一家公司難以轉(zhuǎn)化為競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的研究。近幾十年來(lái)，盡管私營(yíng)企業(yè)大幅增加了研發(fā)資金，但美國(guó)的公共資金仍維持在GDP的0.03%，盡管其他地區(qū)也擴(kuò)大了公共投資。

美國(guó)、中國(guó)大陸、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)和歐盟最近都宣布了為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體能力的擴(kuò)張?zhí)峁┵Y金的計(jì)劃，這些計(jì)劃中的一部分支持設(shè)計(jì)能力。該計(jì)劃包括對(duì)傳統(tǒng)基礎(chǔ)研究（如大學(xué)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)前研究）和商業(yè)發(fā)展（如對(duì)半導(dǎo)體公司的股權(quán)投資）的支持。在這兩個(gè)領(lǐng)域的投資加強(qiáng)了人才和創(chuàng)新的管道，這對(duì)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)力至關(guān)重要。

盡管增加了這些投資，美國(guó)半導(dǎo)體特定設(shè)計(jì)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(lì)和其他最近的舉措，是13%。相比之下，歐洲、日本、中國(guó)大陸、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等由公共投資資助的半導(dǎo)體特定設(shè)計(jì)和研發(fā)的份額為30%。

稅收優(yōu)惠

研發(fā)稅收激勵(lì)私營(yíng)公司增加研發(fā)支出。美國(guó)在聯(lián)邦、州和地方項(xiàng)目中提供了平均9.5%的累計(jì)研發(fā)稅獎(jiǎng)勵(lì)，這低于一組比較區(qū)域的中位數(shù)。

在美國(guó)，這些政府激勵(lì)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(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的激勵(lì)措施，包括設(shè)計(jì)激勵(lì)措施：

韓國(guó)最近建立了一個(gè)“核心戰(zhàn)略技術(shù)”軌道，允許半導(dǎo)體研發(fā)享受高達(dá)50%的稅收減免。

中國(guó)大陸主要設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)相關(guān)激勵(lì)計(jì)劃的一部分，印度政府計(jì)劃通過(guò)提供高達(dá)50%的合格研發(fā)支出的激勵(lì)措施，來(lái)擴(kuò)大對(duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的支持。

由于人們執(zhí)行大多數(shù)設(shè)計(jì)活動(dòng)，所以將這些活動(dòng)移動(dòng)到國(guó)界比移動(dòng)實(shí)體制造設(shè)施更容易。通過(guò)設(shè)計(jì)激勵(lì)，為與設(shè)計(jì)相關(guān)的研發(fā)提供更直接的支持，美國(guó)可以鼓勵(lì)美國(guó)和非美國(guó)公司在美國(guó)境內(nèi)擴(kuò)大或建立設(shè)計(jì)中心，從而幫助遏制其設(shè)計(jì)份額的損失。

?

06

挑戰(zhàn)2：設(shè)計(jì)人才的供應(yīng)正在減少

2021年，總部位于美國(guó)的公司雇傭了全球約18.7萬(wàn)名半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工程師中的約9.4萬(wàn)名。其中，約60%實(shí)際分布在美國(guó)，約40%實(shí)際分布在國(guó)外。

盡管總部設(shè)在美國(guó)的公司無(wú)疑將繼續(xù)利用全球人才庫(kù)，但大多數(shù)公司在設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面的核心聯(lián)系都存在于國(guó)內(nèi)網(wǎng)站。因此，為了保持設(shè)計(jì)方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，總部設(shè)在美國(guó)的公司必須增加他們?cè)诿绹?guó)的員工隊(duì)伍。

為了更好地理解這些動(dòng)態(tài)，我們從自下而上的角度看待設(shè)計(jì)勞動(dòng)力，考慮到勞動(dòng)力當(dāng)前的規(guī)模、所需的不同技能、當(dāng)前全球人才的分布、大學(xué)流入和資金外流（以退休、行業(yè)變化和外國(guó)出生的人才離開(kāi)美國(guó)的形式）。

我們的分析發(fā)現(xiàn)，平均而言，從2021年到2030年，美國(guó)大學(xué)每年將培訓(xùn)和畢業(yè)近15.6萬(wàn)名學(xué)生獲得本科或研究生學(xué)位，這些領(lǐng)域原則上可以轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)域的職業(yè)，例如，電子工程（EE）或計(jì)算機(jī)科學(xué)（CS）學(xué)位。在這個(gè)數(shù)字中，每年約有2%將進(jìn)入設(shè)計(jì)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(guò)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(shè)計(jì)人員的4%。

世界上近三分之一的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工程師都在美國(guó)?

因此，美國(guó)的設(shè)計(jì)人員的每年凈增長(zhǎng)率將不到1%，我們估計(jì)到2030年，美國(guó)的設(shè)計(jì)人員將增長(zhǎng)到約6.6萬(wàn)名工程師。隨著半導(dǎo)體市場(chǎng)的增長(zhǎng)，維持目前美國(guó)46%的美國(guó)市場(chǎng)份額將需要約8.9萬(wàn)名工程師的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)勞動(dòng)力。大約23000名工程師（占所需勞動(dòng)力的25%）將包括約90%的學(xué)士或碩士級(jí)工程師和約10%的博士級(jí)工程師。

這種人才差距可以通過(guò)提高生產(chǎn)力來(lái)填補(bǔ)，但從更大的角度來(lái)看，避免人才的嚴(yán)重短缺需要越來(lái)越多的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）畢業(yè)生流入半導(dǎo)體設(shè)計(jì)，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(guó)的學(xué)院和大學(xué)都提供了世界上最好的STEM課程。美國(guó)擁有大約一半的世界頂級(jí)大學(xué)的EE和CS課程，這兩個(gè)學(xué)科與半導(dǎo)體設(shè)計(jì)最相關(guān)。通過(guò)這樣的項(xiàng)目，美國(guó)在半導(dǎo)體公民和外國(guó)公民的教育和培訓(xùn)方面發(fā)揮了重要作用。

如今，美國(guó)攻讀學(xué)位的學(xué)生將研究重點(diǎn)放在STEM相關(guān)領(lǐng)域，而中國(guó)大陸為40%，印度為32%，韓國(guó)為30%，西歐為23%。此外，美國(guó)大學(xué)在這些領(lǐng)域的招生在很大程度上依賴于外國(guó)人，他們占美國(guó)EE和CS項(xiàng)目所有學(xué)生的28%，占EE和CS研究生項(xiàng)目所有學(xué)生的65%。

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

2008年，韓國(guó)建立了邁斯特學(xué)校，這是一所專注于半導(dǎo)體行業(yè)的新型職業(yè)高中，課程要根據(jù)當(dāng)?shù)匕雽?dǎo)體行業(yè)的需求量身定制，還有工業(yè)實(shí)習(xí)

納入學(xué)生計(jì)劃，以及包括行業(yè)專家在內(nèi)的教員。

2017年，中國(guó)大陸將STEM加入了其小學(xué)課程。次年，政府啟動(dòng)了《中國(guó)STEM教育2029年創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，以增加學(xué)生獲得STEM教育的機(jī)會(huì)。此外，教育部還在19所大學(xué)設(shè)立了IC博士項(xiàng)目。

2019年，中國(guó)臺(tái)灣教育部宣布了一項(xiàng)增加對(duì)其K-8和9-12學(xué)校的STEM教育經(jīng)費(fèi)的計(jì)劃。

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

雖然對(duì)教育政策選擇的全面評(píng)估超出了本報(bào)告的范圍，但我們注意到有兩個(gè)潛在的高級(jí)別行動(dòng)方針。首先，美國(guó)可以努力增加在相關(guān)STEM領(lǐng)域?qū)W習(xí)的學(xué)生數(shù)量，包括EE和CS。其次，美國(guó)可以努力增加選擇從事半導(dǎo)體設(shè)計(jì)職業(yè)的EE和CS畢業(yè)生的數(shù)量。

增加學(xué)生的數(shù)量參與EE和CS研究，美國(guó)可以在擴(kuò)大一般興趣和改善訪問(wèn)，例如，通過(guò)資助額外的K-12 STEM教育，促進(jìn)更強(qiáng)的包容女性和少數(shù)民族，提供額外的資助大學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金EE和CS，或提供貸款寬恕的學(xué)生追求職業(yè)生涯在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)。

為了增加繼續(xù)從事設(shè)計(jì)職業(yè)的EE和CS學(xué)生的數(shù)量，政策制定者可以增加對(duì)國(guó)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(shè)計(jì)相關(guān)的研究獎(jiǎng)學(xué)金，類似于現(xiàn)有的國(guó)防科學(xué)與工程研究生（NDESG）和國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）獎(jiǎng)學(xué)金，資助博士研究；或?yàn)檫M(jìn)入設(shè)計(jì)工作隊(duì)伍的學(xué)生提供有針對(duì)性的貸款減免。美國(guó)還可以采取措施，確保世界上最優(yōu)秀、最聰明的學(xué)生，包括那些在美國(guó)大學(xué)接受培訓(xùn)的其他地區(qū)的學(xué)生，能夠輕易地做到一點(diǎn).

進(jìn)入美國(guó)的設(shè)計(jì)人員隊(duì)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(guó)工作，但無(wú)法做到。

這些項(xiàng)目的費(fèi)用各不相同。假設(shè)MS/BS的每個(gè)學(xué)生平均負(fù)債25,000美元項(xiàng)目總費(fèi)用為200,000美元，填補(bǔ)人才缺口至少需要10億美元到2030年的直接供資，金額相當(dāng)于約1.2%的NSF資金，如果財(cái)政年度的資金水平是維持到2030年。如果美國(guó)政府要提供資金，協(xié)調(diào)大學(xué)和雇主將是必不可少的。例如，機(jī)構(gòu)需要在程序擴(kuò)展時(shí)保持質(zhì)量，以及雇主須積極參與學(xué)生的教育和培訓(xùn)。綜合來(lái)看，這些這些努力將提高婦女地位和吸引力設(shè)計(jì)相關(guān)的職業(yè)。

經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師

每年，大約2%的設(shè)計(jì)工程師退出美國(guó)設(shè)計(jì)工作隊(duì)伍。其中大約40%的人離開(kāi)美國(guó)去其他行業(yè)尋找機(jī)會(huì)，60%的人離開(kāi)美國(guó)以外從事工作，包括設(shè)計(jì)工作。私營(yíng)部門必須承擔(dān)主要責(zé)任，以留住那些每年離開(kāi)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)但仍留在美國(guó)的工程師。

與此同時(shí)，公共部門有一個(gè)巨大而低成本的機(jī)會(huì)，通過(guò)鼓勵(lì)來(lái)自美國(guó)以外的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)工程人才流來(lái)支持設(shè)計(jì)勞動(dòng)力，例如，通過(guò)增加或取消對(duì)高技能工人永久移民資格的區(qū)域配額。留住離開(kāi)美國(guó)的工人可能會(huì)使設(shè)計(jì)勞動(dòng)力的基本增長(zhǎng)率大約增加一倍，并為縮小國(guó)內(nèi)人才差距做出實(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

07

挑戰(zhàn)3：開(kāi)放進(jìn)入全球市場(chǎng)正面臨壓力

長(zhǎng)期以來(lái)，美國(guó)的設(shè)計(jì)公司一直受益于開(kāi)放進(jìn)入全球市場(chǎng)。這種訪問(wèn)使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)更好的半導(dǎo)體。全球市場(chǎng)，結(jié)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，也提供了一個(gè)龐大的客戶基礎(chǔ)，美國(guó)設(shè)計(jì)公司可以利用它來(lái)獲得規(guī)模和產(chǎn)生利潤(rùn)，然后再投資于設(shè)計(jì)和研發(fā)。簡(jiǎn)而言之，開(kāi)放進(jìn)入全球市場(chǎng)和合作伙伴是創(chuàng)新良性循環(huán)的一個(gè)重要組成部分。

隨著地緣政治緊張局勢(shì)的加劇，自由貿(mào)易和開(kāi)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?cè)?020年所指出的，“對(duì)……的廣泛的單邊限制……獲得美國(guó)技術(shù)將顯著加深和加速美國(guó)公司的[設(shè)計(jì)]份額侵蝕”，從而破壞研發(fā)的再投資。貿(mào)易限制對(duì)美國(guó)和全球的半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生了深刻的負(fù)面影響，損害了所有參與者。

例如，今天美國(guó)的出口限制鼓勵(lì)了中國(guó)尋找半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的替代來(lái)源。中國(guó)的原始設(shè)備制造商占全球半導(dǎo)體需求的27%（僅次于美國(guó)的34%），是最重要的非美國(guó)半導(dǎo)體市場(chǎng)。作為美國(guó)出口限制的直接結(jié)果，非美國(guó)原始設(shè)備制造商正越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向本地設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體。

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

? 08

中國(guó)不斷發(fā)展的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)

自2017年以來(lái)，中國(guó)大陸的設(shè)計(jì)行業(yè)的增長(zhǎng)主要是由競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的中國(guó)無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司的崛起推動(dòng)的，這些公司目前占全球無(wú)晶圓廠半導(dǎo)體銷售額16%。從2017年到2020年，中國(guó)前25家無(wú)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(guó)半導(dǎo)體公司的風(fēng)險(xiǎn)投資增長(zhǎng)了366%以上，約70%的交易流流向了設(shè)計(jì)公司。

至少在某種程度上，這種加速增長(zhǎng)是美國(guó)努力限制中國(guó)原始設(shè)備制造商進(jìn)入其市場(chǎng)的結(jié)果，導(dǎo)致這些原始設(shè)備制造商試圖建立有彈性的國(guó)內(nèi)供應(yīng)鏈，中國(guó)政府的產(chǎn)業(yè)政策加強(qiáng)了這一努力。政府的激勵(lì)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(lì)了中國(guó)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生態(tài)系統(tǒng)的增長(zhǎng)。

意識(shí)到它們的關(guān)鍵性，中國(guó)政府和中國(guó)工業(yè)都在加快對(duì)外國(guó)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）工具、核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）和手冊(cè)之外的國(guó)內(nèi)替代品的投資。

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

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

中國(guó)的大型原始設(shè)備制造商越來(lái)越多地從事芯片設(shè)計(jì)，以開(kāi)發(fā)美國(guó)公司銷售的服務(wù)器芯片的潛在替代品。例如，阿里巴巴最近宣布開(kāi)發(fā)一款基于先進(jìn)RISC機(jī)器（ARM）的服務(wù)器CPU，可以將其部署到其數(shù)據(jù)中心，從而減少對(duì)外國(guó)半導(dǎo)體的依賴。

如果美國(guó)渴望維持其設(shè)計(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位，公共投資和激勵(lì)將大大推動(dòng)勢(shì)頭。在過(guò)去的三十年里，美國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)的領(lǐng)導(dǎo)地位對(duì)國(guó)家的GDP做出了重大貢獻(xiàn)（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(guó)內(nèi)鄰近行業(yè)更關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施安全的優(yōu)勢(shì)。但美國(guó)的設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)力及其隨之而來(lái)的好處并非不可避免。

無(wú)論美國(guó)政府或美國(guó)公司做什么，半導(dǎo)體行業(yè)都將會(huì)增長(zhǎng)，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)也將繼續(xù)在美國(guó)和國(guó)外進(jìn)行。

為了保持其在設(shè)計(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位，美國(guó)必須有足夠的私人和公共投資，以及足夠多的勞動(dòng)力，以保持市場(chǎng)份額，從而實(shí)現(xiàn)再投資的良性循環(huán)。如果沒(méi)有在這些方面采取行動(dòng)，從事設(shè)計(jì)活動(dòng)的美國(guó)公司由于市場(chǎng)份額的侵蝕，在未來(lái)10年預(yù)計(jì)將累計(jì)損失4500億美元的銷售額。

作為一個(gè)起點(diǎn)，鑒于目前的趨勢(shì)，私營(yíng)部門預(yù)計(jì)將以總投資速度為4000億美元至在未來(lái)的十年里進(jìn)行5000億美元的設(shè)計(jì)研發(fā)。補(bǔ)充這一承諾，美國(guó)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(dāng)于4%到6%的私營(yíng)部門投資或大約40%到50%的差距當(dāng)前水平的美國(guó)支持和平均支持在其他地區(qū)）。一個(gè)典型的組合將通過(guò)設(shè)計(jì)稅收激勵(lì)，帶來(lái)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(dòng)力問(wèn)題需要在兩個(gè)方面采取行動(dòng)：對(duì)STEM教育進(jìn)行投資和增加來(lái)自美國(guó)以外的人才流動(dòng)，培訓(xùn)大約23000名設(shè)計(jì)工程師。雖然不同的政策方法會(huì)產(chǎn)生不同的成本，但在本十年末填補(bǔ)這一缺口的累積成本可能只有10億美元左右。

通過(guò)這項(xiàng)投資，總部設(shè)在美國(guó)的設(shè)計(jì)公司將創(chuàng)造約4500億美元的增量銷售額，23000個(gè)直接工程工作崗位，以及其他領(lǐng)域13萬(wàn)個(gè)間接和誘導(dǎo)的工作崗位，它們將鞏固美國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位。

半導(dǎo)體行業(yè)正吸引著政策制定者的強(qiáng)烈興趣。隨著世界各國(guó)政府和企業(yè)對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行重大投資，半導(dǎo)體設(shè)計(jì)方面的創(chuàng)新肯定會(huì)繼續(xù)下去。應(yīng)對(duì)本報(bào)告中討論的挑戰(zhàn)的公共投資增加了未來(lái)設(shè)計(jì)創(chuàng)新在國(guó)內(nèi)發(fā)生的可能性，并有助于保持美國(guó)今天享有的設(shè)計(jì)領(lǐng)導(dǎo)力的好處。

美國(guó)在邏輯設(shè)計(jì)方面處于領(lǐng)先地位，尤其是先進(jìn)的處理器，但在光電子學(xué)和其他傳感器方面卻落后。

編輯：黃飛

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