半導(dǎo)體無處不在，為從手機(jī)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(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，包括物理集成電路和相關(guān)軟件的設(shè)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(dǎo)體設(shè)計方面發(fā)揮了主導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)的能力，加強(qiáng)國家安全，提供高質(zhì)量的就業(yè)機(jī)會，并為鄰近行業(yè)的原始設(shè)備制造商（OEM）創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。

近年來，美國在與設(shè)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(shè)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?yàn)槠渌貐^(qū)在未來的增長中占據(jù)更大的份額。

如果美國的目標(biāo)是捍衛(wèi)其在設(shè)計方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，并獲得設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)力的相關(guān)下游利益，它將需要應(yīng)對三個挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)1：設(shè)計和研發(fā)投資需求正在上升。隨著芯片變得越來越復(fù)雜，開發(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，美國私營部門在設(shè)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(jìn)的設(shè)計，而美國有落后的風(fēng)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(dǎo)體特定設(shè)計和研發(fā)領(lǐng)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(shè)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(jìn)的設(shè)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(shè)計提供公平的競爭環(huán)境。

挑戰(zhàn)2：設(shè)計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)計工程師今天在美國，但是美國半導(dǎo)體設(shè)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(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(jìn)入設(shè)計領(lǐng)域，并鼓勵有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計師不要離開該領(lǐng)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(shè)計，來提高其勞動力的生產(chǎn)力。

挑戰(zhàn)3：開放進(jìn)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(dǎo)體公司進(jìn)入全球市場，含蓄地使研發(fā)再投資面臨風(fēng)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(lǐng)導(dǎo)地位，美國需要進(jìn)行互補(bǔ)的公共部門投資，以應(yīng)對上述關(guān)鍵挑戰(zhàn)，以加強(qiáng)國內(nèi)半導(dǎo)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(shè)計和研發(fā)的每一筆公共美元都會導(dǎo)致私營部門對設(shè)計和研發(fā)的額外投資，最終產(chǎn)生18-24美元的設(shè)計相關(guān)銷售額。

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

01

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

半導(dǎo)體對現(xiàn)代世界的運(yùn)行至關(guān)重要，推動經(jīng)濟(jì)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(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)計它們，本報告的重點(diǎn)是半導(dǎo)體的設(shè)計。

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

我們估計了人才短缺對美國設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)地位的影響，以及如果美國選擇維持半導(dǎo)體設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)地位，它可能追求的潛在政策可能的好處和回報。

設(shè)計是半導(dǎo)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(shè)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(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)計出來。就像在家庭設(shè)計中進(jìn)行權(quán)衡是必要的一樣，例如，在開放和隱私之間，芯片設(shè)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?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)計獨(dú)戶住宅的專業(yè)知識不能使建筑師有資格設(shè)計摩天大樓一樣，在不同應(yīng)用下，設(shè)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(shè)計可能是一項巨大的任務(wù)，需要大型團(tuán)隊，有時包括數(shù)百名高技能的設(shè)計工程師，每個人都有不同的專業(yè)，在設(shè)計完成并準(zhǔn)備生產(chǎn)之前進(jìn)行多年的合作。從歷史上看，美國在半導(dǎo)體設(shè)計方面一直領(lǐng)先于世界。

精心設(shè)計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)可以探測危險。半導(dǎo)體設(shè)計幫助使從農(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(jì)領(lǐng)域。

當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)計得到改進(jìn)時，所有使用半導(dǎo)體的應(yīng)用也會受益。相反，當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)計停滯時，所有相關(guān)的應(yīng)用也會受到影響。此外，設(shè)計創(chuàng)新是未來半導(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(shè)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(shè)計是區(qū)分一種半導(dǎo)體的關(guān)鍵活動，并指導(dǎo)原始硅晶圓如何成為最先進(jìn)的芯片，因此，設(shè)計需要大量的研發(fā)投資也就不足為奇了。事實(shí)上，設(shè)計的研發(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)計是復(fù)雜的，包括多種不同類型的公司和活動

半導(dǎo)體設(shè)計包括兩類活動：硬件設(shè)計和軟件開發(fā)工作。硬件設(shè)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(shè)計、集成電路設(shè)計和硅后驗(yàn)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(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)計變得越來越復(fù)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(shè)計人員在設(shè)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(shè)計師會生成新的、專門的設(shè)計，使特定的應(yīng)用程序能夠利用設(shè)計和相關(guān)技術(shù)方面的最新進(jìn)展。設(shè)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(shè)計的創(chuàng)建。在所有情況下，設(shè)計師使用高度先進(jìn)的EDA軟件來自動化設(shè)計過程，并確保芯片設(shè)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(jìn)的EDA工具對于設(shè)計現(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，但它們主要可分為四類：

無晶圓廠的公司。這些公司負(fù)責(zé)大約一半的設(shè)計相關(guān)增值，專注于芯片設(shè)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(shè)備制造商（IDM）。負(fù)責(zé)大約一半的與設(shè)計相關(guān)的增值，負(fù)責(zé)設(shè)計和制造芯片。在IDM中，設(shè)計和制造團(tuán)隊共同努力，將新的芯片推向市場，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)開始設(shè)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(shè)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(wù)。OEM在芯片設(shè)計領(lǐng)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(shè)計公司和制造廠之間值得信賴的中介機(jī)構(gòu)，提供設(shè)計工具、參考流和一些服務(wù)。美國在EDA工具方面的領(lǐng)先地位為美國半導(dǎo)體設(shè)計帶來了顯著的好處，因?yàn)檠芯咳藛T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(shè)計概念的實(shí)驗(yàn)。第三方IP提供商設(shè)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(shè)計服務(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，在開發(fā)和優(yōu)化新設(shè)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(shè)計服務(wù)團(tuán)隊密切合作，以確保其設(shè)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?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)計和制造。為了抵消制造設(shè)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(shè)計專長的公司能夠在不運(yùn)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(wù)的一小部分。IDM通常更喜歡擁有他們制造的設(shè)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(jī)會與中國臺灣政府和飛利浦的合作伙伴關(guān)系半導(dǎo)體推出中國臺灣半導(dǎo)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(shè)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(diǎn)。TSMC是受益中國臺灣政府對半導(dǎo)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(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，但純制造廠的出現(xiàn)降低了設(shè)計公司的進(jìn)入門檻，并徹底改變了整個行業(yè)，導(dǎo)致了無晶圓廠半導(dǎo)體設(shè)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(shè)計方面的創(chuàng)新上，并與專門的制造制造廠合作。

由于半導(dǎo)體設(shè)計技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)者必須利用對設(shè)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(shè)計。隨著系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，設(shè)計者利用諸如設(shè)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(shí)踐，以確保在一個領(lǐng)域的改進(jìn)不會給整體系統(tǒng)級性能造成問題?！白笠啤痹O(shè)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(shè)計。通過利用基于人工智能的工具，設(shè)計人員可以更快、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化較少重要的設(shè)計任務(wù)，使工程師能夠?qū)Ｗ⒂诟呒壍娜蝿?wù)和決策。

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

?安全設(shè)計。對半導(dǎo)體設(shè)計安全性的進(jìn)一步審查促使設(shè)計師更加重視安全的硬件模塊，并開發(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的公司的設(shè)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(shè)計方面的領(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，其中總部位于美國的公司創(chuàng)造了37%的設(shè)計相關(guān)收入。只有在記憶中，韓國公司占所有設(shè)計相關(guān)收入的59%，而美國并沒有處于市場領(lǐng)先地位。

在半導(dǎo)體設(shè)計領(lǐng)域的市場領(lǐng)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(shè)計方面的領(lǐng)導(dǎo)力支持著一個創(chuàng)新的良性循環(huán)。例如，設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)能力使美國的公司能夠吸引和培訓(xùn)有才華的外國出生的勞動力。這些勞動力的貢獻(xiàn)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(kuò)張和未來的創(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)計是第一個開發(fā)產(chǎn)品需要標(biāo)準(zhǔn)（如Wi-Fi、藍(lán)牙和5g無線），這使他們能夠發(fā)揮主導(dǎo)作用在達(dá)成共識的標(biāo)準(zhǔn)和快速發(fā)展專業(yè)知識優(yōu)化設(shè)計一組給定的標(biāo)準(zhǔn)。擁有許多領(lǐng)先設(shè)計公司的地區(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優(yōu)勢。

?更強(qiáng)大的安全。設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)能力在兩個維度上提供了國家安全的優(yōu)勢。首先，有設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)地位的地區(qū)有更先進(jìn)的機(jī)會半導(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)計領(lǐng)導(dǎo)地位的區(qū)域可能會降低惡意篡改和供應(yīng)鏈攔截的風(fēng)險，例如，通過保護(hù)關(guān)鍵的設(shè)計信息和實(shí)現(xiàn)設(shè)計IP的可追溯性和控制。

?擴(kuò)大了高質(zhì)量的就業(yè)機(jī)會。設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)體設(shè)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(shè)備制造商在他們設(shè)計的系統(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可以通過直接與市場領(lǐng)先的芯片設(shè)計師合作，并采用共同設(shè)計和系統(tǒng)級優(yōu)化等實(shí)踐來創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。

03

受益于芯片設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)能力的OEM

在半導(dǎo)體設(shè)計方面的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)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(jì)增長和市場領(lǐng)導(dǎo)地位。

自動駕駛汽車。半導(dǎo)體設(shè)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(shè)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(yùn)行。

智能手機(jī)。通過與OEM設(shè)備工程師密切合作，芯片設(shè)計師可以優(yōu)化他們的設(shè)計，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。通過在系統(tǒng)級別上嚴(yán)格控制設(shè)計權(quán)衡，設(shè)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(shè)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(dāng)時快速云計算幫助研究人員和科學(xué)家快速對COVID-19變異體的基因組進(jìn)行測序。

5g通信。芯片設(shè)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(shè)計師與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商合作，為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的手機(jī)基站和設(shè)備制造商的收發(fā)器設(shè)計定制芯片。通過協(xié)同解決這些問題，移動網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以更有效地優(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。通過設(shè)計定制芯片，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。

國家安全導(dǎo)彈系統(tǒng)、飛機(jī)、無人機(jī)和雷達(dá)系統(tǒng)都依賴于半導(dǎo)體。芯片設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)地位使美國國防工業(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)，這對加強(qiáng)國家安全至關(guān)重要。

無法保證在設(shè)計上的領(lǐng)導(dǎo)能力

設(shè)計方面的領(lǐng)導(dǎo)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(shí)上，自1990年以來，從公司收入推斷，設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)地位每十年都會發(fā)生顯著變化。

美國半導(dǎo)體公司如今是設(shè)計領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)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(shè)計相關(guān)研發(fā)投入400億美元。鑒于競爭強(qiáng)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(dá)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(shè)計工程師的流動，假設(shè)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(shè)計工程師的可用性驅(qū)動的。我們發(fā)現(xiàn)，美國設(shè)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(shè)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(shè)計工程勞動力預(yù)計將以每年1%-3%的速度增長?？傮w而言，預(yù)測中國大陸半導(dǎo)體行業(yè)的快速增長可能導(dǎo)致市場份額增長14個百分點(diǎn)，而美國的市場份額可能下降10個百分點(diǎn)。

導(dǎo)致美國整體市場份額預(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(jìn)行再投資的相對能力，從而增加領(lǐng)導(dǎo)層轉(zhuǎn)向其他地區(qū)的可能性。

04

美國半導(dǎo)體行業(yè)面臨的三個關(guān)鍵挑戰(zhàn)

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

挑戰(zhàn)1：設(shè)計和研發(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)計套件，以及半導(dǎo)體設(shè)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(shè)計公司處于不利地位，并導(dǎo)致了美國市場領(lǐng)導(dǎo)地位的下降。?

挑戰(zhàn)2：設(shè)計人才的供給正在減少。半導(dǎo)體設(shè)計需要具有專業(yè)知識的高技能工人。美國芯片設(shè)計公司與美國半導(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民的芯片設(shè)計公司展開競爭。

挑戰(zhàn)3：開放進(jìn)入全球市場正面臨壓力。半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)規(guī)模和利潤的能力，為下一代設(shè)計和研發(fā)投資所需的資金。

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

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

05

挑戰(zhàn)1：設(shè)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(diǎn)上設(shè)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(shè)計造成了阻力，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)大市場份額的機(jī)會。

作為回應(yīng)，美國私營部門不斷擴(kuò)大其在設(shè)計和研發(fā)方面的投資，但相應(yīng)的美國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，美國政府對高風(fēng)險基礎(chǔ)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(jìn)展至關(guān)重要。政府通常會資助那些太遙遠(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(kuò)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(dǎo)體能力的擴(kuò)張?zhí)峁┵Y金的計劃，這些計劃中的一部分支持設(shè)計能力。該計劃包括對傳統(tǒng)基礎(chǔ)研究（如大學(xué)內(nèi)的競爭前研究）和商業(yè)發(fā)展（如對半導(dǎo)體公司的股權(quán)投資）的支持。在這兩個領(lǐng)域的投資加強(qiáng)了人才和創(chuàng)新的管道，這對設(shè)計領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)力至關(guān)重要。

盡管增加了這些投資，美國半導(dǎo)體特定設(shè)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(dǎo)體特定設(shè)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(dǎo)體行業(yè)的激勵措施，包括設(shè)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(dǎo)體研發(fā)享受高達(dá)50%的稅收減免。

中國大陸主要設(shè)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(shè)計相關(guān)激勵計劃的一部分，印度政府計劃通過提供高達(dá)50%的合格研發(fā)支出的激勵措施，來擴(kuò)大對國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)計的支持。

由于人們執(zhí)行大多數(shù)設(shè)計活動，所以將這些活動移動到國界比移動實(shí)體制造設(shè)施更容易。通過設(shè)計激勵，為與設(shè)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(kuò)大或建立設(shè)計中心，從而幫助遏制其設(shè)計份額的損失。

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06

挑戰(zhàn)2：設(shè)計人才的供應(yīng)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(dǎo)體設(shè)計工程師中的約9.4萬名。其中，約60%實(shí)際分布在美國，約40%實(shí)際分布在國外。

盡管總部設(shè)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(shè)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(shè)計方面的領(lǐng)導(dǎo)地位，總部設(shè)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(shè)計勞動力，考慮到勞動力當(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(xué)每年將培訓(xùn)和畢業(yè)近15.6萬名學(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)計領(lǐng)域的職業(yè)，例如，電子工程（EE）或計算機(jī)科學(xué)（CS）學(xué)位。在這個數(shù)字中，每年約有2%將進(jìn)入設(shè)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(shè)計人員的4%。

世界上近三分之一的半導(dǎo)體設(shè)計工程師都在美國?

因此，美國的設(shè)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(shè)計人員將增長到約6.6萬名工程師。隨著半導(dǎo)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(shè)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(xué)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(bǔ)，但從更大的角度來看，避免人才的嚴(yán)重短缺需要越來越多的科學(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，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(xué)院和大學(xué)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(xué)的EE和CS課程，這兩個學(xué)科與半導(dǎo)體設(shè)計最相關(guān)。通過這樣的項目，美國在半導(dǎo)體公民和外國公民的教育和培訓(xùn)方面發(fā)揮了重要作用。

如今，美國攻讀學(xué)位的學(xué)生將研究重點(diǎn)放在STEM相關(guān)領(lǐng)域，而中國大陸為40%，印度為32%，韓國為30%，西歐為23%。此外，美國大學(xué)在這些領(lǐng)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(xué)生的28%，占EE和CS研究生項目所有學(xué)生的65%。

其他地區(qū)正在擴(kuò)大對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(xué)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(xué)生獲得STEM教育的機(jī)會。此外，教育部還在19所大學(xué)設(shè)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(xué)校的STEM教育經(jīng)費(fèi)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(xué)、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(lǐng)域?qū)W習(xí)的學(xué)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(dǎo)體設(shè)計職業(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，美國可以在擴(kuò)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(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。

為了增加繼續(xù)從事設(shè)計職業(yè)的EE和CS學(xué)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(shè)計相關(guān)的研究獎學(xué)金，類似于現(xiàn)有的國防科學(xué)與工程研究生（NDESG）和國家科學(xué)基金會（NSF）獎學(xué)金，資助博士研究；或?yàn)檫M(jìn)入設(shè)計工作隊伍的學(xué)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(xué)生，包括那些在美國大學(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)入美國的設(shè)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(fèi)用各不相同。假設(shè)MS/BS的每個學(xué)生平均負(fù)債25,000美元項目總費(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(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)。綜合來看，這些這些努力將提高婦女地位和吸引力設(shè)計相關(guān)的職業(yè)。

經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師

每年，大約2%的設(shè)計工程師退出美國設(shè)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(jī)會，60%的人離開美國以外從事工作，包括設(shè)計工作。私營部門必須承擔(dān)主要責(zé)任，以留住那些每年離開設(shè)計團(tuán)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(jī)會，通過鼓勵來自美國以外的半導(dǎo)體設(shè)計工程人才流來支持設(shè)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(shè)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(shí)質(zhì)性的貢獻(xiàn)。

07

挑戰(zhàn)3：開放進(jìn)入全球市場正面臨壓力

長期以來，美國的設(shè)計公司一直受益于開放進(jìn)入全球市場。這種訪問使設(shè)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(shè)計更好的半導(dǎo)體。全球市場，結(jié)合知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)，也提供了一個龐大的客戶基礎(chǔ)，美國設(shè)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(shè)計和研發(fā)。簡而言之，開放進(jìn)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(shè)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(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，今天美國的出口限制鼓勵了中國尋找半導(dǎo)體設(shè)計的替代來源。中國的原始設(shè)備制造商占全球半導(dǎo)體需求的27%（僅次于美國的34%），是最重要的非美國半導(dǎo)體市場。作為美國出口限制的直接結(jié)果，非美國原始設(shè)備制造商正越來越多地轉(zhuǎn)向本地設(shè)計的半導(dǎo)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(dǎo)體價值鏈的要素，那么龐大的全球市場將面臨巨大的風(fēng)險，從而損害所有參與者的利益。

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中國不斷發(fā)展的半導(dǎo)體設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)

自2017年以來，中國大陸的設(shè)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(shè)計公司的崛起推動的，這些公司目前占全球無晶圓廠半導(dǎo)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(dǎo)體公司的風(fēng)險投資增長了366%以上，約70%的交易流流向了設(shè)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(shè)備制造商進(jìn)入其市場的結(jié)果，導(dǎo)致這些原始設(shè)備制造商試圖建立有彈性的國內(nèi)供應(yīng)鏈，中國政府的產(chǎn)業(yè)政策加強(qiáng)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(dǎo)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(shè)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(shè)備制造商越來越多地從事芯片設(shè)計，以開發(fā)美國公司銷售的服務(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，從而減少對外國半導(dǎo)體的依賴。

如果美國渴望維持其設(shè)計上的領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)體設(shè)計的領(lǐng)導(dǎo)地位對國家的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，國內(nèi)鄰近行業(yè)更關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施安全的優(yōu)勢。但美國的設(shè)計領(lǐng)導(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)都將會增長，半導(dǎo)體設(shè)計也將繼續(xù)在美國和國外進(jìn)行。

為了保持其在設(shè)計上的領(lǐng)導(dǎo)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(shí)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(shè)計活動的美國公司由于市場份額的侵蝕，在未來10年預(yù)計將累計損失4500億美元的銷售額。

作為一個起點(diǎn)，鑒于目前的趨勢，私營部門預(yù)計將以總投資速度為4000億美元至在未來的十年里進(jìn)行5000億美元的設(shè)計研發(fā)。補(bǔ)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(dāng)于4%到6%的私營部門投資或大約40%到50%的差距當(dāng)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(shè)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(jìn)行投資和增加來自美國以外的人才流動，培訓(xùn)大約23000名設(shè)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(bǔ)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(shè)在美國的設(shè)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(lǐng)域13萬個間接和誘導(dǎo)的工作崗位，它們將鞏固美國在半導(dǎo)體設(shè)計領(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。隨著世界各國政府和企業(yè)對該領(lǐng)域進(jìn)行重大投資，半導(dǎo)體設(shè)計方面的創(chuàng)新肯定會繼續(xù)下去。應(yīng)對本報告中討論的挑戰(zhàn)的公共投資增加了未來設(shè)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(shè)計領(lǐng)導(dǎo)力的好處。

美國在邏輯設(shè)計方面處于領(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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