2021년 마이크로칩 부족의 의미
과거 3차, 4차 기술경제 혁명에서 철강과 석유의 역할을 오늘날 5차 기술경제 혁명에서는 반도체 칩이 차지하고 있다. 그러나 코로나 팬데믹과 함께 시작된 반도체 부족 사태는 현 기술경제 혁명에 심각한 문제를 던지고 있다. 반도체 부족 사태의 단기적 의미는 무엇이고, 기업과 정부는 중기적으로 이 문제에 대해 어떻게 대응할 것인가? 반도체 산업은 장기적으로 어디로 향하고 있을까?
2021년 시점에서 볼 때, 글로벌 반도체 공급망의 근본적 취약성은 이미 분명해 보인다. 반도체 산업은 진입 장벽이 말할 수조차 없이 높고, 기술 경쟁이 치열하고, 리드 타임이 길고, 힘의 균형이 일부 거대 기업들에게 압도적으로 쏠려 있다.
그럼에도 오늘날 반도체는 자동차, 개인용 전자제품, 가전제품 등 거의 모든 핵심 제품들에게 있어 없어서는 안 되는 위치를 차지하고 있다. 세계 경제가 코로나19 팬데믹으로부터 빠져나와 회복에 돌입하면서 반도체 부족 사태는, 이 제품이 한시도 부족해서는 안 되는 산업군의 고객들에게 큰 고통을 안기고 있다. 일례로, 자동차 제조사는 2021년 반도체 공급 제한으로 610억 달러의 매출 손실을 기록할 것 같다.
반도체 부족 문제는 ‘단기적인 병목 현상을 완화하는 데 도움이 될 뿐만 아니라 장기적으로 공급 중단을 피하기 위해 반도체 공급망의 안정성을 보호하는’ 정책을 개발하는 데 정부가 개입하는 수준까지 확대되었다.
반도체 부족은 단기적으로는 다양한 산업에 역풍을 불러일으킨다. 하지만 그러한 와중에도 이 산업의 장기적 추세를 놓치지 않는 것이 중요하다. 여러 가지 면에서 반도체는 3차, 4차 기술경제 혁명에서 철강과 석유가 핵심 역할을 수행한 것처럼 현재의 5차 기술경제 혁명에서 유사한 역할을 차지하고 있기 때문이다. 포괄적인 핵심 산업과 제품들이 반도체에 의존하여 혁신적인 새로운 기능을 구현하고 비용을 절감시킬 수 있기 때문이다. 이 부문에서 우리는 근본적인 부족 사유와 안전한 반도체 공급망을 보장하는 데 있어 중요한 지정학적, 기술적 의미에 초점을 맞춰야 할 것이다.
지정학적 관점에서 볼 때 미국은 칩 설계 분야의 글로벌 리더이며 2019년 미국 기업이 전 세계 반도체 매출의 47%를 차지한다는 사실을 기억하는 것이 중요하다.
이러한 경쟁 우위를 유지할 수 있는 이유는 명확하다. 우선 미국은 해외에서 유능한 엔지니어를 유치하는 고유의 능력을 보유하고 있다. 또 미국은 반도체 산업 매출의 16.4%를 연구개발에 투자하여 이 부문에 있어 세계를 선도하고 있다.
그러나 오늘날 퀄컴(Qualcomm), 엔비디아(Nvidia)와 같은 팹리스 회사는 칩 설계 및 판매에만 관여한다. 이들은 칩의 실제 생산을 다른 회사에 아웃소싱하는데, 이로 인해 대부분의 첨단 칩 디자인은 미국에서 비롯되지만 제조 분야의 가장 큰 부분은 동아시아, 특히 대만과 한국에서 발생한다.
반도체 팹들이 외부 충격에 대응하여 생산량을 조절하는 것은 수월한 일이 아니다. 증가하는 수요를 충족시키기 위해 새로운 팹을 구축하는 데는 막대한 자본과 리드 타임이 필요하기 때문에, 이는 단기적 공급 중단에 대한 실현 가능한 솔루션이 아니다. 팹을 구축하고 이를 최대 생산량으로 구축하는 데 제조 칩 유형에 따라 17억 달러에서 54억 달러의 비용이 들고, 시간도 24개월에서 42개월이 소요될 수 있다. 더군다나 이러한 비용은 현재 더 증가하고 있는데, 반도체가 계속해서 소형화되고 복잡한 형태로 진화하고 있기 때문이다. 게다가, 팹은 주문에 리드 타임이 필요하고 한 순간에 쉽게 최대 생산량을 구축할 수가 없다.
팬데믹 이전에도 리드 타임은 이미 충분히 길었다. 하지만 지난 해의 혼란으로 인해 리드 타임이 더 연장되었다. 2021년 1월과 4월 사이에 리드 타임이 평균 75% 증가했으며 일부 고객은 최대 52주가 증가한 것으로 나타났다. 자사 제품에 반도체를 필요로 하는 기업들은 수중에 반도체가 너무 많거나 너무 적은 것을 피하기 위해 주문과 적절한 생산량의 균형을 맞춰야 한다.
그러나 불행하게도 지정학적 갈등의 폭풍우, 융통성 없는 공급망, 높은 진입 장벽, 소수 일부 기업에 대한 권력 집중, 100년에 한 번 발생하는 팬데믹의 충격으로 공급측에 로그잼이 발생했다. 이는 현재 경제의 여러 측면에 지대한 영향을 미치고 있다.
사실 팬데믹 이전부터 지정학적 긴장은 이미 지속적인 반도체 부족 사태의 발판을 마련하고 있었다. 미중 무역 분쟁으로 화웨이와 중흥통신 ZTE와 같은 주요 중국 기술 기업에 대한 제재가 가해졌고, 미국은 미국 기술로 만든 칩을 이들이 구매하는 것을 차단했다. 이러한 제재에 대응하여 2019년에 화웨이와 하이크비전(Hikvision)과 같은 중국 기술 기업들은 반도체 비축을 위해 분주하게 움직였다.
그리고 팬데믹이 불거지자, 전 세계의 공장들이 셧다운을 할 수밖에 없었고, 이러한 셧다운에도 불구하고 반도체 회사들은 약간의 여유를 누릴 수 있었다. 예를 들어 우한의 봉쇄가 최고조에 달했을 때 YTMC와 XMC는 계속 가동을 유지했다. 그러나 수요의 비정상적 변화에 직면하여 반도체 회사들은 생산을 충분히 빠르게 조정할 수는 없었다.
설상가상으로 자연 재해와 사고로 인해 반도체 부족 상황은 더 악화되었다. 2월 전례 없는 폭설로 텍사스 전역에 정전이 발생하여 삼성, 인피니언, NXP 반도체가 소유한 팹의 생산이 완전히 중단되었다. 3월에는 일본 이바라키현 르네사스 공장에서 화재가 발생해 한 달 가까이 반도체 생산이 중단됐다. 대만에서 발생한 지속적인 가뭄은 TSMC가 운영하는 주요 팹 운영에 영향을 미치고 있다.
수요 측면에서 보면 코로나19의 불확실성은 기업과 소비자 모두를 당황하게 만들었다. 전례 없는 봉쇄와 여행 제한이 시행되면서 다양한 제품에 대한 수요가 어떤 영향을 받을지 명확하지 않았고, 재고 비축을 선호하지 않는 자동차 제조사들은 자동차 수요 감소를 예상하고 그에 따라 계획을 조정했다. 한편, 사람들이 집에 갇혀 있기 때문에 가전제품에 대한 수요는 회복력을 유지했다. 따라서 자동차 제조사들은 칩 주문을 줄인 반면 소비자 전자 제품 회사는 계속하여 칩을 주문했다.
그러나 2020년 9월, 자동차 판매가 전염병 이전 수준에 가깝게 증가했고 자동차 제조사들은 생산을 늘려야 했다. 자동차 제조사들이 반도체 주문을 위해 다시 줄을 섰을 때, 칩 제조사들은 이미 다른 회사들로부터 상당한 주문을 받고 있었다. 문제는 오늘날의 자동차 기능에 반도체는 필수적이기 때문에 반도체 부족은 생산에 직접적인 위협이 된다는 데 있다. 실제로 자동차 한 대에는 각각 수백 개의 반도체가 사용된다. 자동차가 점점 더 발전함에 따라 그 수요는 더욱 증가하고 있다. 반도체 부족 사태의 결과, 자동차 가격의 반도체 비중은 2010년 27%에서 2020년 40%로 증가했고, 전기 자동차와 자율주행차의 증가로 그 비중은 더욱 증가할 것으로 예상된다.
반도체 부족 사태의 문제는, 주요 경제국들이 조치를 취하고 업계의 현 운영 방식을 재평가해야 할 필요성을 느끼는 지점에까지 이르렀다.
미국의 경우 바이든 대통령은 공급망에 대한 100일 간의 검토를 요구하는 행정 명령에 서명했고, 백악관에서 반도체 정상회담을 개최했으며, 반도체 R&D에 500억 달러를 배정하는 이른바 ‘미국을 위한 칩’ 법안을 추진했다. 그리고 반도체 개발 및 공급망에 대해 일본과 협력하기로 합의했다. 대만 제조업체들에게 칩의 대체 생산에 협력할 것을 요청했고, 대표단을 파견하여 일본에 팹을 건설하기 위해 TSMC와 협상을 진행했으며, 화재로 피해를 본 일본 르네사스를 지원하도록 장비 제조업체를 권장하기도 했다.
한편 한국은 자동차 칩 조달 사업자를 한국 내 2주간 자가격리 대상에서 제외했고, 칩 공급망의 주요 관계자들에게 사전 예방 접종을 실시했다. 자동차 및 반도체 업계 기업들과 연석회의를 주관했고, 보다 안정적인 칩 공급을 위한 협상을 위해 정부 관리를 대만에 파견하기도 했다.
결론은 무엇인가? 경제 성장을 이끄는 가장 중요한 모든 파괴적 기술은 더 우수하고 저렴하고 더 빠른 반도체에 의존하고 있다는 점이다. 전기 및 자율 주행 자동차, 인공 지능, 산업용 로봇, 사물인터넷 장비 등 거의 모든 파괴적인 그리고 미래의 경제를 책임지는 기술은 어떤 방식으로든 반도체를 필요로 한다.
따라서 반도체 산업의 단기적인 문제에도 불구하고 장기적 추세는 적어도 향후 10년 동안 반도체 수요를 구조적으로 증가시킬 것이라는 점이다. 반도체가 필요한 산업과 기업들은 더 적절하고 안정적인 공급을 보장받기 위해 할 수 있는 모든 조치를 다 할 것이다.
이러한 추세를 고려하여 우리는 향후 다음과 같은 예측을 내려 본다.
첫째, 향후 10년 동안 각 국가들은 미래의 혼란을 방지하기 위해 가능한 반도체 공급망을 리쇼어링하려 시도할 것이다.
2021년 조사에서 반도체 기업들의 53%가 가장 큰 산업적 문제로 ‘영토주의’를 꼽았다. 그러나 반도체 산업의 리쇼어링은 어려운 일이며, 이를 위한 모든 노력이 성공하는 것은 아니다. 반도체 산업에서는 지난 30년 동안 그 지리적 중심이 극적으로 이동했다. 일본은 1990년 집적회로 매출의 49%를 차지하면서 한때 지배적 위치에 있었다. 그러나 2017년에 그 수치가 7%로 줄어들었고 대부분은 빠르게 성장하는 일본의 이웃 국가로 넘어갔다. 2020년 일본 관계자들은 TSMC에 일본에 제조 시설을 건설하도록 초청했고, 결국 TSMC는 2021년에 일본 자회사를 위해 90억 달러를 투자하기로 결정했다. 그러나 일본 정부가 향후 리쇼어링을 어떤 형태와 방법으로 추진할 것인지는 확실하지 않다.
둘째, 중국은 팹 및 설계 역량을 구축하기 위해 노력하겠지만 첨단 기술이 중요한 이 반도체 산업에서 계속 뒤처질 가능성이 크다.
중국의 정책 입안자들은 10년 동안 반도체 산업을 활성화하기 위해 노력해 왔다. 2015년에는 2025년까지 반도체 자급률 70%를 달성하겠다는 목표를 제시했다. 중국은 그 목표를 달성하기에는 아직까지 갈 길이 멀다. 어쨌든 화웨이와 SMIC 같은 중국 기업에 대한 미국의 제재와 압력은 중국의 정책 입안자들로 하여금 이러한 노력을 더 강화하도록 자극했다. 2021년 3월 발표된 14차 ‘5개년 계획’은 기술 혁신을 강조하고 있으며, 중국 정부가 과학 연구 프로그램으로 지원하는 기술 목록에는 3세대 반도체도 포함되어 있다.
셋째, 미국은 제조 부문에서 점유율을 확보하더라도 여전히 칩 설계의 선두 주자일 것이다.
올해 백악관은 반도체 제조 기업, 반도체 부족 사태로 영향을 받는 기업들을 대상으로 특별 CEO 서밋을 개최했다. 참가자들은 미국에서 반도체 제조를 활성화하는 것의 중요성을 강조했다. 인텔은 이미 아리조나 주에 새로운 칩 공장에 건설하는 데 200억 달러, 뉴멕시코 주의 기존 공장을 업그레이드하는 데 35억 달러를 투자하기로 결정했다.
넷째, 향후 10년 동안 EU는 전 세계 반도체 제조에서 차지하는 비중을 높일 것이다.
EU는 유럽의 반도체 제조 산업의 빛바랜 영광을 회복하기 위한 계획을 이미 수립하고 있다. 오늘날의 칩 부족이 공급망을 재구성해야 할 때라는 신호를 유럽에 보낸 것 같다. 이 목표를 달성하기 위해 EU 집행위원회는 2030년까지 EU 칩 생산량을 세계 공급량의 20%까지 늘리는 것을 목표로 하는 계획을 발표했다.
다섯째, 반도체 산업의 리쇼어링(reshoring)은 기업들로 하여금 칩 설계에서 제조까지 수직적 통합을 추진하게 함으로써, 현재의 '팹리스' 모델에 대한 쇠퇴를 가져올 것이다.
인텔이 미국에 새로운 팹을 건설하기로 한 최근 결정은 파운드리 비즈니스 성장에 전념하고 있음을 보여준다. 인텔 CEO 팻 겔싱어(Pat Gelsinger)는 미국 칩 제조의 감소 추세를 역전시킬 때가 되었다고 밝힌 바 있다. 엔비디아와 애플과 같은 주요 기술 기업들이 이를 따르고 수직 통합을 추구하려면 제조 분야에서 삼성과 TSMC의 지배적 위치를 극복하기 위해 많은 자본과 인재를 필요로 할 것이다. 반도체 산업을 재건하려는 모든 노력이 성공하는 것은 아니지만 시도만으로도 팹리스와 세계 시장에 압력을 가하기에는 충분할 것이다.
여섯째, 전 세계 곳곳에서 발생하고 있는 최신 칩에 대한 급증하는 수요를 충족하려면 막대한 자본 지출이 필요할 것이다.
2021년 1분기에 TSMC는 자본 지출을 300억 달러로 늘리기로 결정했다. 이러한 자본 지출의 상당 부분은 산업용 로봇에 필요한 반도체를 생산하는 데 투입될 것으로 예상된다. TSMC와 삼성과 같은 반도체 회사는 이미 최근 수 년 동안 자동화를 확대해오고 있다. 2020년 TSMC는 창고에서 팹으로 웨이퍼를 안전하게 운반하고 수동이었던 중량 처리를 95% 줄일 수 있는 세계 최초의 자동화된 웨이퍼 운송 시스템을 개발했다. 이 자동화 시스템은 최신 공장에서 2020년 1분기에 출시되었으며 TSMC는 2021년 말 이전에 대만의 모든 12인치 기가팹에 이 시스템을 도입할 계획이다. 삼성은 한 번에 12개 작업을 수행하는 자동화를 완성했다.
일곱째, 인공지능, 5G, 자동차 기술, 사물 인터넷의 혁신은 향후 10년 동안 최신 반도체에 대한 수요를 지속적으로 증가시킬 것이다.
인공지능과 기계 학습을 활용하여 대규모 데이터를 분석하고 필요한 자료를 추출하려면, 기본 애플리케이션보다 더 많은 처리 능력을 필요로 한다. 이 처리 능력은 반도체 기술의 발전에 크게 의존하고 있다. 이에 인공지능과 기계학습의 요구 사항에 초점을 맞춘 새로운 반도체가 지난 수년 동안 주목을 받아왔다. 현장 프로그래밍이 가능한 게이트 어레이와 특정 응용 프로그램 집적 회로는 인공지능의 요구 사항에 맞는 두 가지 반도체 사례이다. 그리고 이는 인공지능 칩 시장 규모가 2020년 101억 4000만 달러에서 2027년 832억 5000만 달러로 8배 증가하는 주요 동인이 될 가능성이 높다.
5G로 인해 가능해진 더 빨라진 데이터 속도, 지연 시간 단축 등은 첨단 반도체에 대한 수요를 주도할 것이다. 또한 이와 더불어 동시에 성장하는 사물 인터넷은 반도체에 대한 수요 급증을 주도할 것이다. 단기적으로 반도체 부족 사태는 5G에 역풍을 일으킬 것이지만, 칩 제조사의 대응은 이러한 역풍이 너무 오래 지속되지는 않을 것임을 보여주고 있다. 칩 제조사들은 5G가 1∼2년 이내에 반도체 매출 성장의 중요한 동인이 될 것이고, 1년 이내에 이러한 매출이 실현될 것으로 분석하고 있다.
반도체 부족 사태로 자동차 제조사들은 지금까지 직접적인 영향을 받았고, 2021년 2분기 스마트폰 생산량 또한 5% 감소했다. 실제로 애플과 삼성은 반도체 부족으로 인해 새로운 스마트폰의 출시를 다소 지연시켜야 했다. TV, 비디오 게임 콘솔, 심지어 가전제품과 같은 다른 제품의 제조업체들도 앞으로 일어날 수 있는 위험에 불안을 느끼고 있다.
이러한 모든 현상은 상위부터 하위에 이르기까지 산업 전반에 걸쳐 반도체 부족의 영향이 얼마나 광범위한지를 보여줬고, 반도체가 얼마나 유비쿼터스적인 제품인지를 다시 인식시키는 계기가 되었다.
여덟째, 반도체 부족과 이에 따른 공급망 개편의 진정한 승자는 혁신을 추구하는 기업의 몫이 될 것이다.
무어의 법칙은 여전히 유효하지만, 이를 넘어설 여지도 분명 존재한다. 무어의 법칙 그 이상의 혁신, 즉, 기존 아키텍처보다 더 효율적인 새로운 칩 최적화 방법을 찾는 기업은 반도체 산업의 현상 유지를 파괴할 더 나은 기회를 갖게 될 것이다. 이러한 기회를 잡기 위해 애플은 태블릿과 맥북용 칩의 M1 시스템을 개발했고, 아마존은 서버용 칩을 개발했으며, 구글은 신경망 기계 학습을 위한 텐서 프로세싱 유닛(Tensor Processing Unit)을, 삼성은 인간의 뇌 구조를 모방하는 신경망 칩 개발에 전력을 투구하고 있다.
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References List :
1. Bloomberg. Mar 3, 2021. Sam Kim. Chip Shortage: Taiwan, South Korea’s Manufacturing Lead Worries U.S., China.
2. Semiconductor Industry Association. June 2020. State of the Industry Report 2020.
3. McKinsey Quarterly. Aug 20, 2020. Harald Bauer, Ondrej Burkacky, Peter Kenevan, Stephanie Lingemann, Klaus Pototzky, and Bill Wiseman. Semiconductor design and manufacturing: Achieving leading-edge capabilities.
4. Levadata. April 21, 2021. Ron Giles. How the Semiconductor Shortage Increases Lead Time & Generates Supply Chain Risks.
5. CNBC. Feb 11, 2021. Michael Weyland. How Covid led to $60 billion global chip shortage for automakers.
6. TSMC, Apr 15, 2021. Q1 2021 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd Earnings Call.
7. SEMI. Jun 7, 2016. Paula Doe. 5G Increases Compound Semiconductor Demand.
8. KPMG. Feb 2021. Lincoln Clark. Global Semiconductor Industry Outlook.
9. BBC. Mar 17, 2021. Christina Criddle. Chip shortage: Samsung warns of ‘serious imbalance.
10. Siliconangle.com. April 10, 2021. Dave Vellente. A new era of innovation: Moore’s Law is not dead and AI is ready to explode.
Implications of the 2021 Microchip Shortage
In many ways, semiconductor chips are to the fifth techno-economic revolution what steel and oil were to the third and fourth techno-economic revolutions. For that reason, it’s serious when the pandemic and the MOFAR disrupt that industry. What are the short-term implications? How will business and government respond, medium-term? And where is this industry headed, longer-term? We’ll show you.
From the perspective of 2021, the underlying vulnerabilities of global supply chains are obvious. And there is no better or more far-reaching example of that than the semiconductor industry, where barriers to entry are notoriously high, technological competition is cut-throat, lead times are long, and the balance of power overwhelmingly tilts towards a few gargantuan companies.
Furthermore, other indispensable industries depend on semiconductors for their core products, including automobiles, personal electronics, and home appliances. So, with production backlogs forming as the global economy emerges from the COVID-19 pandemic, customers who depend on an uninterrupted supply of semiconductors are feeling the pain. Auto manufacturers, for example, could experience a $61 billion loss in revenue due to semiconductor supply constraints in 2021.
The problem has escalated to the point where governments are getting involved, not only to help alleviate near-term bottlenecks, but also to develop policies that protect the stability of semiconductor supply chains in an effort to avoid disruptions over the long run.
But despite the headwinds for various industries the semiconductor shortage creates in the short-term, it is important not to lose sight of the long-term trends. In many ways, semiconductor chips are to the fifth techno-economic revolution what steel and oil were to the third and fourth techno-economic revolutions. That is, a wide range of critical industries and products depend on semiconductors to enable innovative new features and drive them toward lower costs. In this segment, we focus on the reasons for the underlying shortages and the critical geopolitical and technological implications of ensuring secure semiconductor supply chains.
From a geopolitical standpoint, it’s important to remember that the United States is the global leader in the field of chip design, with American companies accounting for 47% of global semiconductor sales in 2019.
What allows it to maintain this competitive edge? First there is America’s unique ability to attract talented engineers from abroad. Second, America leads the world in R&D spending as a percent of sales in the semiconductor industry, at 16.4%.
However, today’s fabless companies, like Qualcomm and Nvidia, only engage in chip design and sales. They outsource the actual production of chips to other companies. So, while most cutting-edge chip designs come from the United States, the lion’s share of manufacturing takes place in East Asia, particularly Taiwan and South Korea.
Furthermore, as the current shortage has demonstrated, it is difficult for semiconductor fabs to adjust their output in response to external shocks. Building a new fab to meet growing demand is simply not a feasible solution for short-term disruptions because of the immense capital and lead-time required to do so. Building a fab and bringing it up to full capacity can take anywhere from 24 to 42 months at a price tag of anywhere from $1.7 billion to $5.4 billion, depending on the type of chips manufactured. And those costs are only increasing as semiconductors continue to become smaller and more complex. Furthermore, fabs require lead times for orders and cannot easily open capacity at a moment’s notice.
Prior to the pandemic, lead times were already long enough, but the past year of disruption has extended them. Between January and April 2021, lead times reportedly increased an average of 75%, with some customers seeing increases of up to 52 weeks. Businesses which require semiconductors in their products must balance their orders with just the right amount of production to avoid having too many, or too few semiconductors on hand.
Unfortunately, a perfect storm of geopolitical tensions, inflexible supply chains, high barriers to entry, concentrations of power in a select handful of companies, and the once-in-a-century shock of COVID led to a supply-side logjam that is now impacting multiple aspects of the economy.
Before COVID, geopolitical tensions were already setting the stage for the ongoing shortage. The US-China trade war saw sanctions leveled against key Chinese tech firms like Huawei and ZTE, which were cut off from buying chips made with US technology. In response to these sanctions, 2019 saw Chinese tech companies like Huawei and Hikvision scrambling to stockpile chips.
When COVID struck, factories around the world were left with no choice but to shut down because of stay-at-home orders. Despite the lockdowns semiconductor companies were given a little more leeway; for instance, at the height of the lockdown in Wuhan, YTMC and XMC could continue operations. But, faced with unusual changes in demand, semiconductor companies could not adjust their production fast enough.
To make matters worse, a combination of natural disasters and fab incidents exacerbated the shortage. In February, an unprecedented blizzard led to power outages across Texas that brought production at fabs owned by Samsung, Infineon and NXP Semiconductor to a grinding halt. In March, a fire resulted in production stopping for nearly a month at a Renesas factory in Ibaraki Prefecture, Japan. Furthermore, an ongoing drought in Taiwan threatens to impact operations of major fabs run by TSMC.
On the demand side, the uncertainty of COVID caught both companies and consumers off guard. With unprecedented lockdowns and travel restrictions in place, it was not entirely clear how demand for various products would be impacted. Automotive companies, many of which prefer not to stock-pile inventory, anticipated a decline in automobile demand and adjusted their plans accordingly. Meanwhile, with people confined to their homes, demand for household electronics remained resilient. So, while automotive companies cut back on chip orders, consumer electronics companies continued to order chips.
Fast forward to September 2020. At that point, car sales rose close to their pre-pandemic levels, and carmakers needed to ramp up production. When carmakers got back in line for semiconductor orders, chipmakers already had a significant backlog of orders from other companies. The trouble was that semiconductors are necessary for the functioning of modern vehicles and therefore a shortage of them can easily threaten production. In fact, modern vehicles utilize hundreds of semiconductors each a number that is increasing as cars become ever more advanced. As a result of the shortage, semiconductors’ average share of each car’s price increased from 27% in 2010 to 40% in 2020, and a rise in electric and autonomous vehicles is expected to further increase that number.
As of May 2020, the semiconductor shortage has escalated to the point where governments of major economies feel the need to take action and even reassess the current mode of operation in the industry. In the United States, the Biden administration:
- Signed an executive order calling for a 100-day review of supply chains
- Held a semiconductor summit at the White House in April;
- Is pushing so-called “Chips for America” legislation, which earmarks $50 billion for semiconductor R&D; and
- Agreed with Japan to cooperate on semiconductor development and supply chains.
In Japan, the Abe and Suga administrations:
- Dispatched a delegation in June to negotiate with and invite TSMC to build a fab in Japan;
- Asked Taiwanese manufacturers in March to cooperate in alternative production of chips; and
- Encouraged equipment makers to support Renesas in the wake of the Renesas factory fire.
Meanwhile, South Korea responded by:
- Exempting businesspeople procuring auto chips from Korea's 2-week quarantine;
- Offering increased vaccinations for key people in the auto chip supply chain;
- Holding a “Blue House summit” with companies in the automotive and semiconductor industries; and
- Dispatching government officials to Taiwan to negotiate for more secure chip supply.
Where is all of this going?
Generally speaking, all the most important disruptive technologies moving up the adoption S-Curve depend on better, cheaper, and faster semiconductors. Whether it’s electric & autonomous vehicles, artificial intelligence, industrial robots, or IoT devices, almost all disruptive technologies require on semiconductors in one way or another.
The bottom line is that despite short-term problems in the semiconductor industry, long-term trends will structurally increase semiconductor demand over at least the next decade. Meanwhile, customers are going to do everything possible to ensure an adequate and reliable supply.
Given this trend, we offer the following forecasts for your consideration.
First, over the next decade, countries will reshore semiconductor supply chains, where possible, to prevent future disruptions.
In fact, 53% of semiconductor companies in a 2021 survey identified "territorialism" as the biggest industry issue. However, reshoring the semiconductor industry is difficult, and not all efforts to do so will succeed. As a chart in the printable issue shows, the geographical centers of power in the semiconductor industry shifted dramatically over the past 30 years. Japan once dominated as its companies generated 49% of integrated circuit sales in 1990. But by 2017, that number dwindled down to 7%, with most of it going to Japan’s rapidly growing neighbors. In 2020, Japanese officials invited TSMC to build a facility in Japan, which ultimately resulted in TSMC deciding to raise $9bn for a Japanese subsidiary in 2021. However, it is not clear how determined the Japanese government is to pursue reshoring.
Second, China will strive to build fab and design capabilities, but it will continue to lag in an industry where being on the cutting-edge is critical.
Chinese policymakers have been trying to boost the semiconductor industry for a decade now. In 2015, the State Council put forth a goal of 70% self-sufficiency in semiconductors by 2025. Although China is still far off track from meeting any such goal, it has not become complacent. If anything, pressure from U.S. sanctions on companies like Huawei and SMIC has spurred China's policymakers to step up their efforts. It's 14th "five-year plan," released in March 2021, strongly emphasizes technological innovation, and also includes third-generation semiconductors on a list of technologies the government aims to support with scientific research programs.
Third, the United States will continue to be the leader in chip design, even as it gains share in manufacturing.
On April 12th, the White House held a special CEO summit with companies that make semiconductors or are affected by the shortage. Participants emphasized the importance of boosting semiconductor manufacturing in America. Intel has already made the decision to spend $20 billion on new chip plants in Arizona and $3.5 billion to upgrade an existing plant in New Mexico. Other companies could decide to follow suit.
Fourth, over the coming decade, the EU will increase its share of worldwide semiconductor manufacturing.
European Union officials are already formulating plans to restore some of the faded glory of the continent’s semiconductor manufacturing industry. It seems today’s chip shortage is a sign that it is time to restructure supply chains. To achieve that goal, the EU Commission put forth a plan that aims to bring EU chip production up to 20% of world supply by 2030.
Fifth, the reshoring of the semiconductor industry will bring about a decline in the “fabless” model as companies vertically integrate from chip design to manufacturing.
Intel’s recent decision to build new fabs on American soil shows that it is committed to growing its foundry business. Intel’s CEO Pat Gelsinger confirmed this when he stated that it is time to reverse the trend of decline in US chip manufacturing. If other firms like Nvidia or even major tech firms like Apple decide to follow suit and pursue vertical integration, it will take a lot of capital and talent to overcome Samsung and TSMC’s dominant position in manufacturing. Not all efforts to re-shore the semiconductor industry will succeed, but the attempt alone will probably be enough to put pressure on the fabless, global market.
Sixth, regardless of where it occurs, enormous capital expenditures will be required to meet the surging demand for the latest chips.
On its Q1 2021 earnings conference call, Taiwan Semiconductor Manufacturing Corporation (or TSMC) said its decision to ramp up capital expenditure to $30 billion in FY2021 was because of “multi-year structural megatrends associated with high-powered computing (or HPC) and 5G-related applications.” And, given how automated semiconductor fabs already are, at Trends we expect that much of this capital spending will go into industrial robots. Semiconductor companies like TSMC and Samsung have already increased automation in recent years. In 2020, TSMC developed the world’s first automated wafer transportation system, which can safely carry wafers from warehouse docks to fabs and reduce manual weight handling by 95%. This automated system was rolled out in Q1 2020 at its newest plant, and TSMC plans to roll out the system to all of its 12-inch Gigafabs in Taiwan before the end of 2021. Meanwhile, Samsung has fully automated 12 tasks at one of its newer foundries and it is expected to carry those over to its newest foundry, still under construction.
Seventh, innovations in AI, 5G, vehicle technology, and the Internet of Things will lead to a continuing rise in demand for the latest semiconductors throughout the coming decade.
Extracting insights from massive datasets with AI and machine learning requires more processing power than most traditional applications. This processing power depends heavily on advances in semiconductor technology. Because of this, new semiconductors that specially cater to the needs of AI and machine learning have gained traction over the past few years. Field Programmable Gate Arrays and Application Specific Integrated Circuits are two examples of semiconductors that suit the needs of AI. And these are likely to be major drivers causing the size of the AI chip market to increase eight-fold from an estimated $10.14 billion in 2020 to $83.25 billion by 2027. Similarly, plans to roll out 5G technology are already noticeably impacting demand for semiconductors. The higher data rates and lower latencies made possible by 5G will drive demand for advanced semiconductors, and the concurrent growth of the Internet of Things will reinforce that demand surge. In the short run, the shortage of semiconductors will create headwinds for 5G, but the actions of chipmakers suggest they believe these headwinds will not last for too long, as evidenced by TSMC’s decision to ramp up capital expenditures to $100 billion over the next three years. In that same vein, a 2021 KPMG survey showed that 53% of semiconductor companies believe 5G will become a significant driver of revenue growth within one to two years, and 19% believe it could happen in less than one year. On the downside, chip shortages will slow the growth of some technologies short-term. Automakers have borne the brunt of the shortage thus far, but the shortage may also reduce smartphone production by 5% in Q2 2021. In fact, the shortage contributed to both Apple and Samsung delaying the launch of new phones. Meanwhile, manufacturers of other products like TVs, video game consoles and even appliances are beginning to feel anxious about possible risks. The wide-reaching impact of the shortage across subindustries is a testament to how ubiquitous semiconductors are. And,
Eighth, the real winners from the semiconductor shortage and subsequent supply chain shakeup will be those companies that pursue innovation.
There is plenty of room for new concepts as Moore’s Law continues onward. Companies that reach for “More Than Moore” innovation, namely finding new methods of chip optimization that are more efficient than traditional architecture, will have a better chance at disrupting the status quo of the semiconductor industry. To seize such opportunities Apple has developed the M1 system of chips for tablets and MacBooks, Amazon has developed the Graviton chip for servers, Google has developed the Tensor Processing Unit for neural network machine learning and Alibaba has developed the XuanTie 910 suite of IoT technology.
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References List :
1. Bloomberg. Mar 3, 2021. Sam Kim. Chip Shortage: Taiwan, South Korea’s Manufacturing Lead Worries U.S., China.
2. Semiconductor Industry Association. June 2020. State of the Industry Report 2020.
3. McKinsey Quarterly. Aug 20, 2020. Harald Bauer, Ondrej Burkacky, Peter Kenevan, Stephanie Lingemann, Klaus Pototzky, and Bill Wiseman. Semiconductor design and manufacturing: Achieving leading-edge capabilities.
4. Levadata. April 21, 2021. Ron Giles. How the Semiconductor Shortage Increases Lead Time & Generates Supply Chain Risks.
5. CNBC. Feb 11, 2021. Michael Weyland. How Covid led to $60 billion global chip shortage for automakers.
6. TSMC, Apr 15, 2021. Q1 2021 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co Ltd Earnings Call.
7. SEMI. Jun 7, 2016. Paula Doe. 5G Increases Compound Semiconductor Demand.
8. KPMG. Feb 2021. Lincoln Clark. Global Semiconductor Industry Outlook.
9. BBC. Mar 17, 2021. Christina Criddle. Chip shortage: Samsung warns of ‘serious imbalance.
10. Siliconangle.com. April 10, 2021. Dave Vellente. A new era of innovation: Moore’s Law is not dead and AI is ready to explode.
