一万亿美元投资，正在涌入半导体产业

半导体芯片是众多技术的基础，随着各国政府竞相争夺技术领先地位、供应链韧性和国家安全，半导体制造已成为一个战略竞争激烈的行业。预计到2030年，芯片领域的投资额将达到约1万亿美元。半导体在被称为“晶圆厂”的高度专业化工厂中生产，在开始产生收入之前，数十亿美元的资金就已经投入其中。虽然设备和材料占晶圆厂成本的大部分，但不同地区的成本差异相对较小。真正的成本差距在于劳动生产率、建设成本、能源成本，以及项目从规划到晶圆厂建设、从钢结构建设到大规模生产的转化速度。这意味着，能否将资本与高效的劳动力和快速的执行力相结合，将决定下一代芯片制造的价值所在。

这份投资案例是麦肯锡全球研究院报告《催化竞争力：投资发生在哪里以及为什么》的十个基础案例之一。该报告探讨了类似项目的基本经济差异如何影响全球不同地区的投资决策，以及这些决策对未来全球竞争力和增长的影响。

一万亿美元的额外投资正涌入世界上最复杂的制造系统之一。预计到 2030 年，全球半导体产业的年收入将超过 1.6 万亿美元，预计计划投资额约为 1 万亿美元。行业需求主要受人工智能数据中心蓬勃发展以及计算、无线、工业和汽车应用领域持续增长的推动。

半导体晶圆厂通常根据图案的分辨率进行专业化生产，例如，在硅晶圆上压印的工艺节点和密度范围。这些图案以纳米为单位，即十亿分之一米。半导体的复杂性在不断发展。智能手机或用于训练人工智能模型的所谓尖端半导体，其制造节点尺寸极小，仅为2纳米甚至更小。这些芯片极其复杂，目前全球只有三家公司生产。而节点尺寸在22纳米到65纳米之间的先进半导体，则是许多电子、汽车和工业应用领域的主力军，预计在中期内仍将占据相当大的产能份额。这些芯片技术要求较低，技术更加成熟，并拥有更丰富的全球设备、工艺技术和运营经验支持，因此有更多制造商在生产此类芯片。最后，成熟的半导体采用90纳米及以上的制程节点，用于计算密度要求不高、成本较低的简单功能，例如控制家用电器和工业设备中电机驱动器的基础芯片。它们通常在较老的晶圆厂生产。

现代领先的半导体晶圆厂通过数百道严格控制的工序生产300毫米晶圆——薄薄的圆形硅片。这些晶圆要经过反复的光刻、薄膜沉积、离子注入、加热、蚀刻（去除材料）、清洗以及化学和机械抛光等工序，最终形成平整的表面。晶圆制造完成后，还要进行测试、切割成单个芯片、封装和质量检验，然后才能发货给电子产品制造商。这些最后工序，即后端工序，通常由专门的组装和测试公司完成，这些公司被称为外包半导体组装和测试公司（OSAT）。

尽管政策推动产能更接近需求，但芯片生产仍然集中在亚洲。逻辑芯片的产能主要集中在亚洲。这一点在尖端芯片领域尤为明显，台积电和三星是仅有的两家能够大规模生产此类芯片的代工厂。在先进制程节点方面，中国台湾和韩国是亚洲的主要生产商，而中国大陆已积累了相当可观的产能，并且正在快速扩张。然而，成熟制程节点的产能增长最快的是中国大陆，目前其产能已超过中国台湾和韩国生产此类大制程逻辑芯片的现有产能。日本和新加坡也拥有相当可观的先进制程和成熟制程节点产能。

美国和欧洲的情况则有所不同。虽然它们拥有重要的研发能力和相当可观的产能，但它们在尖端芯片方面严重依赖进口，并且仍然大量进口先进节点逻辑芯片。

在各大经济体中，政策目标各有侧重。中国的产业政策旨在通过提高先进成熟工艺节点的国内产量，尤其是面向国内市场的产量，来提升自主生产能力。而美国和欧洲则更注重降低进口依赖、增强供应链韧性，并支持现有产业和技术重点领域的关键产能。在2020年至2023年期间遭受芯片短缺困扰的汽车和工业领域，芯片制造厂的地理位置优势尤为重要。尽管存在这些差异，但一个共同的政策模式很明确：各国政府正在将资金支持与立法和其他措施相结合，以加强当地的晶圆厂生态系统。

中国台湾作为先进半导体的主要生产地，在成本比较中占据主导地位。我们的基本案例是一家年产能为40万片晶圆的28纳米逻辑芯片晶圆厂。之所以选择中国台湾作为基本案例的所在地，是因为它是迄今为止全球领先的先进半导体生产地。我们以中国大陆、美国和德国（欧洲芯片产能最大的半导体制造中心）规模相近、采用相同技术的工厂为基准进行对比。

在基准情况下，晶圆和耗材（包括光刻胶、特种气体、靶材和浆料）等材料占平准化成本的25%，平准化成本衡量的是项目生命周期内的平均生产成本。运行生产线所需的设备（例如光刻、沉积、蚀刻、计量和相关工具）约占35%。公用设施和建设成本各占平准化成本的10%至15%，维护和人工成本则构成剩余部分。中国台湾在运营层面也为全球比较奠定了基础。中国台湾的晶圆厂兼具高效的执行力、供应商的便利性和悠久的制造规范，这使得其在“纯运营”层面具有极具竞争力的单位成本。许多领先的晶圆厂总部都设在中国台湾，而外包半导体组装测试（OSAT）和材料供应商的存在也为速度和韧性提供了保障（图表1）。

欧美地区工资上涨和建设速度放缓推高了晶圆厂的成本。劳动力成本是运营层面上最重要的成本差异因素，尤其是在比较亚洲与欧洲和美国时。在基准情景下，劳动力成本占总成本的比例不到10%，但却能解释中国台湾与德国之间超过35%的成本差异，以及中国台湾与美国之间约50%的成本差异。中国台湾与美国劳动力成本差异中，约四分之三是由于美国工资水平较高造成的。其中约20%的差距与中国台湾更高的时薪有关，剩余的5%则与中国台湾员工更长的工作时长有关。比较德国和中国台湾，德国更高的工资水平可以解释60%的成本差异，中国台湾更高的时薪可以解释30%的成本差异，而中国台湾每位员工更长的工作时长可以解释10%的成本差异。尽管中国大陆的工资水平略低，但中国台湾工人的时薪比中国大陆高出约30%，这使得中国台湾的劳动力成本更具竞争力。

晶圆厂的劳动生产率反映了维持稳定、高产能运行所需的劳动强度。这包括生产线所需的操作员数量、各班次生产流程的一致性，以及维护和工程团队确保关键设备可用性的效率。拥有大量经验丰富的操作员、技术人员和设备工程师的地区，能够以较低的劳动强度维持更高的有效利用率，从而降低单位成本。先进的半导体产业集群也受益于晶圆厂、设备供应商和材料供应商之间的人才流动，这有助于传播运营知识和最佳实践。劳动力成本的差异可能也部分解释了不同地区维护成本的差异。

建设成本是造成不同地区平准化成本差异的第二大因素，占亚洲与欧洲和美国之间成本差异的30%至40%。若不计设备成本，在欧洲和美国建造一座年产40万片晶圆的工厂，其建设成本至少是中国台湾的两倍。若不计审批和设计时间，中国大陆和中国台湾的晶圆厂通常在开工建设后12至16个月开始投产，而欧洲和美国的项目通常需要24个月才能投产。亚洲的建筑工人人均生产率更高，这主要是由于亚洲工时更长，而欧洲和美国的监管更为严格，这可能迫使项目采用成本更高、工期更长的设计方案。审批流程会增加几个月的时间，但由于晶圆厂的建设过程高度模块化，审批可以与施工同步进行，因此审批并非主要的成本驱动因素。

能源和公用事业是造成平准化成本差异的第三大因素，尤其对德国的影响更为显著。德国的平均工业能源价格比中国台湾高出30%，而公用事业成本约占两国成本差异的10%。当然，能源价格会因项目而异，某些补贴或价格更优惠的长期购电协议可能会导致项目间成本差异。如果将德国的公用事业价格降至中国台湾的水平，相当于将德国的劳动力成本降低约15%。在不计任何补贴价格协议的情况下，中国大陆和美国的电力价格分别比中国台湾低20%和40%。同样，如果美国不考虑其能源优势，其与中国台湾的平准化成本差距将扩大15%。

设备和原材料虽然占总成本的很大一部分，但各地区价格相近，对半导体生产成本的相对差异影响甚微。光刻、蚀刻、沉积和热处理所需的专用设备，以及特种气体、浆料、光刻胶和晶圆，均由少数几家全球供应商提供。尽管物流和关税会产生影响，但主要生产中心的基准价格和合同结构成本基本相当。

明确的激励措施和税收在全球成本差异中发挥着重要作用，抵消了欧美较高的建设成本。由于这些激励措施因项目而异，因此难以精确量化。即使在同一国家内部，补贴金额也可能相差一个数量级。在欧洲，补贴通常由各国政府以一次性拨款的形式发放，并需经欧盟27国批准；而美国则通过联邦芯片和科学法案拨款、投资税收抵免以及其他税收抵免等多种方式提供补贴。据报道，中国的激励计划旨在促进成熟和先进工艺节点的生产，提供数额可观但并不透明的补贴，包括大额税收返还、低利率、土地使用权补贴，以及为购买中国芯片的客户提供高达50%的电价补贴。

此类激励措施能显著改善国内新增产能的经济效益，超出本文分析范围。例如，德国近期对欧洲半导体制造公司（ESMC）的支持，相当于该项目已公布投资额的一半左右，这笔支持有望显著缩小产能缺口。在我们的模型中，对资本支出和启动成本应用类似的支持，可以将晶圆的平准化成本从大约 4,000 美元降低到 3,000 美元，使其接近中国台湾的基准情况。虽然许多补贴难以确定且针对特定项目，但最有效的措施是按晶圆发放透明补贴，这可以加快收入增长。

市场准入和买家偏好会影响芯片生产的回报。半导体产品易于交易，但售价会因买家偏好和政策管制而有所不同。值得注意的是，据报道，中国大陆先进半导体的价格比中国台湾、欧洲和美国生产的同类芯片价格低25%至30%。这似乎是三重因素共同作用的结果。首先，中国政府的支持和补贴鼓励多家中国企业扩大产能，加剧了国内市场的竞争。这种竞争促使供应商采取激进的价格策略以赢得国内市场份额，从而降低了利润。最后，客户的资质要求、出口管制和地缘政治风险可能会限制部分国际买家的需求，从而加大企业在国内销售芯片的压力。

成本固然重要，但韧性、地理位置和政策在投资中正发挥着越来越重要的作用。将平准化成本与投资预测进行比较表明，成本竞争力在投资决策中起着至关重要的作用。目前，中国大陆、韩国和中国台湾地区在所有制程节点上的产能占全球总产能的60%以上，预计到2029年，这三个地区将吸引全球半导体资本支出的55%以上。

中国台湾和韩国的领先厂商通常会在制程节点仍处于或接近技术前沿时增加产能。这些芯片代表了最先进的技术，并能从追求极致性能的客户那里获得最高价格。随着技术前沿向更小的制程节点转移，这些晶圆厂可以继续生产相同尺寸的芯片，而这些尺寸的芯片已不再被视为前沿技术。通过在芯片处于前沿技术阶段时进入市场，亚洲厂商可以享受早期溢价、多年的良率提升、更高的利用率以及更低的长期折旧，而如今以先进制程节点尺寸进入市场的晶圆厂则无法做到这一点（见图表2）。

因此，目前正在建设先进制程节点产能的地区处于劣势。欧洲或美国新建的28纳米制程工厂，在亚洲领先生产商已经攫取了大部分早期利润，并且运营着更老旧、利用率更高，甚至在某些情况下已经基本折旧的工厂之后，才进入市场。建设速度放缓会加剧这一问题，因为收入的产生会进一步推迟到制程节点成熟阶段之后。

然而，成本竞争力并非决定投资方向的唯一因素。与价格或经济无关的因素也日益影响着晶圆厂的资金流向。汽车和工业客户通常重视本地供应和更短的供应链，这促使他们在欧洲和美国进行投资，即使这些地区的运营成本高于亚洲。对于时效性产品以及复杂供应链中的多源采购策略而言，最短距离也是至关重要的。

预计到2029年，全球投资增长率平均为6%，低于美洲地区预计的12%和中东及非洲地区预计的7%。基于供应链韧性和公共政策等因素（这些因素正日益影响着新产能的建设地点），预计美洲地区将在2029年超越中国，成为半导体资本支出最大的目的地。

总体而言，先进节点芯片的需求不断增长，且生命周期较长，尤其是在那些拥有强大的生态系统、供应商专业化和合格劳动力的地区，这使得先进芯片制造厂的投资前景十分诱人。

支持创新领导力、速度、生态系统和需求的政府和政策行动可以改善投资前景。政策选择将决定晶圆厂规划转化为实际动工的速度。在中国、欧盟27国、日本、韩国和美国，扶持计划将资金补助、税收抵免和劳动力发展相结合。实践中，最有效的方案通常包含三个要素。首先是速度和可预测性，这得益于清晰的监管和审批流程，它们支持快速建设和快速产能提升，从而降低进度风险。其次是生态系统共同投资，强调靠近设备服务、特种气体、化学品、OSAT（外包半导体加工中心）和备件供应商。这可以缩短产能提升时间并减少停机时间。第三是需求可见性。长期客户承诺可以降低市场风险，并改善先进节点项目的商业前景。这种可见性是欧洲一些项目面临的主要障碍。在速度、生态系统深度和需求可见性相匹配的情况下，即使单位成本高于亚洲效率最高的地区，项目也更有可能顺利推进。

这些措施可以改善晶圆厂的经济效益，但不会改变节点生命周期的整体逻辑。在当前技术前沿进行生产的厂商能够获得节点的大部分经济利润，而随着节点的成熟，这些利润会逐渐减少。后来者如果建设先进节点产能，就必须与那些已经获得早期利润、并受益于多年良率提升、更高利用率和更低折旧的现有厂商展开竞争。当韧性、客户距离和战略供应至关重要时，建设先进节点产能仍然具有吸引力。但那些希望在半导体制造领域占据更有利地位的地区，也可以考虑更接近技术前沿，因为那里创造了更多的行业经济利润。