浅谈半导体设计领导地位的挑战

半导体无处不在，为从手机到火星漫游者的好奇号和毅力等技术提供动力，而且具有重要的经济意义。2021年，全球半导体销售总额为5560亿美元。半导体设计，包括物理集成电路和相关软件的设计，约占所有行业研发投资和增值总额的一半。

美国公司在半导体设计方面发挥了主导作用，因此，美国受益于创新的良性循环，提高其塑造技术标准的能力，加强国家安全，提供高质量的就业机会，并为邻近行业的原始设备制造商（OEM）创造竞争优势。

近年来，美国在与设计相关的收入中所占的份额已经开始出现下降的迹象，从2015年的50%以上下降到2020年的46%。其他地区，尤其是韩国和中国，看到看到设计能力的增长。我们的分析显示，按照目前的发展轨迹（也就是说，如果规划者不采取行动），美国的增长份额可能会下降到36%，因为其他地区在未来的增长中占据更大的份额。

如果美国的目标是捍卫其在设计方面的领导地位，并获得设计领导力的相关下游利益，它将需要应对三个挑战。

挑战1：设计和研发投资需求正在上升。随着芯片变得越来越复杂，开发成本不断上升，特别是在前沿制造节点上制造的芯片。如今，美国私营部门在设计研发方面的投资比其他任何地区的私营部门都要多，但世界各国政府提供了重要的激励措施来吸引先进的设计，而美国有落后的风险。此外，美国公众对研发的相对支持水平也落后于其他地区。在美国，由公共投资资助的半导体特定设计和研发领域的总体份额为13%，而在中国大陆、中国台湾、欧洲、日本、和韩国。使美国在设计和研发方面的公共投资与国际同行保持一致，例如，包括对先进的设计和研发的税收抵免，将有助于确保美国相对于其他地区的设计提供公平的竞争环境。

挑战2：设计人才的供给正在减少。虽然世界上大多数的半导体设计工程师今天在美国，但是美国半导体设计行业面临技术工人的短缺，有望看到到2030年这种短缺增加到23000名。鉴于趋势的科学、技术、工程和数学（STEM）毕业生和数量经验丰富的工程师离开这个行业。

公共和私营部门必须共同努力，鼓励更多的美国工人进入设计领域，并鼓励有经验的设计师不要离开该领域或这个国家。此外，私营部门必须继续通过开发和部署新的工具，并优先考虑最高的价值，增加研发和设计，来提高其劳动力的生产力。

挑战3：开放进入全球市场是在压力之下。销售是研发投资的最终资金来源，但关税、出口限制和其他因素威胁着美国半导体公司进入全球市场，含蓄地使研发再投资面临风险。世俗趋势可能会逆转全球化的某些因素，但确保市场尽可能保持开放将使美国受益。美国从自由贸易中显著获益，而从激增的限制中损失最大。

未来10年，美国私营部门可能投资4000亿至5000亿美元，包括研发和劳动力发展。但为了在未来10年保持领导地位，美国需要进行互补的公共部门投资，以应对上述关键挑战，以加强国内半导体行业和整个国家。

此外，公共部门投资所提供的杠杆作用将是巨大的。我们的分析表明，投资于设计和研发的每一笔公共美元都会导致私营部门对设计和研发的额外投资，最终产生18-24美元的设计相关销售额。

因此，在设计和研发方面的公共投资大约到2030年，预计将达到200亿至300亿美元（包括150亿至200亿美元的设计税收优惠）将在十年内产生约4500亿美元的增量设计相关销售，同时还支持培训和就业约23000个设计工作和130000个工作，巩固美国在半导体设计的领导地位。

01

半导体设计领导地位的挑战日益严峻

半导体对现代世界的运行至关重要，推动经济竞争力、国家安全和技术从对自动驾驶汽车的现代防御能力。半导体行业具有很高的战略重要性，而半导体制造正日益成为各主要经济体产业政策的焦点。在半导体或芯片制造之前，必须设计它们，本报告的重点是半导体的设计。

我们首先列出什么是半导体设计以及为什么它很重要，并讨论美国在这一领域的历史以及设计领导所带来的好处。尽管美国具有很高的价值，但在设计方面的领导地位并非不可避免的。如今，美国在保持其市场领导者地位方面面临三个关键挑战：与半导体设计相关的难度和研发强度不断增加；国内人才短缺；以及对全球市场准入的威胁，使在设计上的持续再投资。

我们估计了人才短缺对美国设计领导地位的影响，以及如果美国选择维持半导体设计的领导地位，它可能追求的潜在政策可能的好处和回报。

设计是半导体价值链的重要组成部分

在建造房屋时，建筑师和建筑工程师共同努力设计住宅的高层布局，例如，一个殖民地或后现代的住宅。这些专业人员决定在哪里放置房间和窗户，以创造一个满足客户需求的空间。建筑师和建筑工程师必须考虑一系列的权衡，例如，在生活空间和存储空间之间，并列出详细的框架、管道、电气和其他使住宅宜居的考虑因素。所有这些准备工作都必须在实际施工开始之前进行。

同样，在半导体制造之前，它们必须被设计出来。就像在家庭设计中进行权衡是必要的一样，例如，在开放和隐私之间，芯片设计需要在性能和功率效率、一般指令的处理和高度专业化的指令的处理、数字数据的输入和真实模拟数据的输入之间进行权衡。

正如设计独户住宅的专业知识不能使建筑师有资格设计摩天大楼一样，在不同应用下，设计芯片所需的技能在许多情况下是不可替代的。此外，芯片设计可能是一项巨大的任务，需要大型团队，有时包括数百名高技能的设计工程师，每个人都有不同的专业，在设计完成并准备生产之前进行多年的合作。从历史上看，美国在半导体设计方面一直领先于世界。

精心设计的芯片使汽车能够安全运行，先进的医疗设备保存或挽救生命，军事雷达系统可以探测危险。半导体设计帮助使从农业到制造业的几乎所有经济部门都更加高效和高效。半导体设计也在人工智能（AI）等新创新中发挥了关键作用，这些创新正在改变整个技术和经济领域。

当半导体设计得到改进时，所有使用半导体的应用也会受益。相反，当半导体设计停滞时，所有相关的应用也会受到影响。此外，设计创新是未来半导体改进的基础。随着物理扩展困难的不断增加，与设计相关的创新，如新的架构和异构集成，将变得越来越重要。异构集成将提高性能，允许设计师选择每个芯片的不同元素的最佳制造技术和交付水平的整体性能，以前是不可能的。

设计是区分一种半导体的关键活动，并指导原始硅晶圆如何成为最先进的芯片，因此，设计需要大量的研发投资也就不足为奇了。事实上，设计的研发强度约为20%，EDA和核心IP的研发强度大于30%，而晶圆制造和设备生产的研发强度约为10%。 

设计是复杂的，包括多种不同类型的公司和活动

半导体设计包括两类活动：硬件设计和软件开发工作。硬件设计是一个多步骤的过程，包括产品的定义和规范、系统设计、集成电路设计和硅后验证。软件开发需要创建固件，一种较低级级别的软件，它可以绕过（例如）终端设备的操作系统，比如笔记本电脑，直接向芯片提供指令。随着设计变得越来越复杂，它将成为一个越来越迭代的过程，特别是对于主要参与者来说，并行发生，以便更早地解决问题，优化整体系统级性能，并减少上市时间。

硬件设计人员在设计过程中同时使用了新的技术和已建立的技术。在推动创新时，设计师会生成新的、专门的设计，使特定的应用程序能够利用设计和相关技术方面的最新进展。设计人员通常会使用现有的、可重用的建筑构建块（核心IP）来简化和加速整体设计的创建。在所有情况下，设计师使用高度先进的EDA软件来自动化设计过程，并确保芯片设计可以在不同的和通常是专有的制造过程上制造。由于单个芯片可以容纳数十亿个晶体管，最先进的EDA工具对于设计现代半导体是不可或缺的。

许多类型的公司从事半导体设计，但它们主要可分为四类：

无晶圆厂的公司。这些公司负责大约一半的设计相关增值，专注于芯片设计。他们与第三方商业制造厂合作，制造他们的芯片。

集成设备制造商（IDM）。负责大约一半的与设计相关的增值，负责设计和制造芯片。在IDM中，设计和制造团队共同努力，将新的芯片推向市场，通常是在内部制造设施。

原始设备制造商（OEM）。汽车制造商等OEM也在半导体设计中发挥着作用。他们使用半导体作为其他产品的输入物。一些原始制造商已经开始设计自己的芯片，主要是为自己的产品。例如，云计算提供商可以设计具有特定特性的定制芯片，能够很好地执行特定的任务。OEM在芯片设计领域越来越多，并越来越多地参与无晶圆厂公司和IDM满足其需求的产品和人才市场。

EDA/IP提供商。EDA公司是设计公司和制造厂之间值得信赖的中介机构，提供设计工具、参考流和一些服务。美国在EDA工具方面的领先地位为美国半导体设计带来了显著的好处，因为研究人员可以更多地获得自动化工具，支持这些工具背后的工程师，并支持使用新的设计概念的实验。第三方IP提供商设计并许可IP构建块（处理器、库、存储器、接口、传感器和安全性）。

除了这些参与者之外，设计服务公司，它们可以是第三方提供商或制造商的内部团队，在开发和优化新设计方面发挥着有价值的功能。特别是，无晶圆厂的公司经常与一个给定的制造厂的设计服务团队密切合作，以确保其设计与制造厂的制造过程的兼容性。密切的合作是至关重要的，因为扩大新工艺涉及到建模和达到目标制造产量的内在不确定性。

02

聚焦Fabless-Foundry生态系统

在20世纪80年代中期，大型和垂直集成的IDM（集成设备制造商）完成了所有的半导体设计和制造。为了抵消制造设备所需的高额资本支出，IDM开始为较小的公司提供未使用的生产能力，以使他们的晶圆厂忙碌起来。

虽然这使得一些具有设计专长的公司能够在不运营自己的晶圆厂的情况下生产芯片，但它仍然是IDM业务的一小部分。IDM通常更喜欢拥有他们制造的设计，他们发现很难平衡内部和外部客户的需求。

1987年，莫里斯·张博士发现了一个机会与中国台湾政府和飞利浦的合作伙伴关系半导体推出中国台湾半导体制造公司（TSMC），世界上第一个"纯"的制造厂。台积电向客户保证，作为一个专门的代工厂，它不会在设计上与他们竞争。

TSMC采用了一种低成本的定价策略，它依赖于大量生产来盈利。尽管它牺牲了早期利润，但该公司在制造的市场份额迅速增长，使其能够收回巨额资本支出，并投资于下一代技术节点。TSMC是受益中国台湾政府对半导体行业广泛支持的公司之一，通过研发援助、劳动力培训、建立高科技企业园区等。

虽然IDM模式和制造模式都有其优势，但纯制造厂的出现降低了设计公司的进入门槛，并彻底改变了整个行业，导致了无晶圆厂半导体设计公司的出现。没有制造方面的巨额资本支出，无晶圆厂的公司可以将他们的专业知识和资源集中在设计方面的创新上，并与专门的制造制造厂合作。

由于半导体设计技术的不断发展，设计领导者必须利用对设计创新至关重要的新技术和未来的技术，包括：

•硬件和软件合作设计。随着系统变得更加复杂，设计者利用诸如设计技术协同优化（DTCO）和系统技术协同优化（STCO）等实践，以确保在一个领域的改进不会给整体系统级性能造成问题。“左移”设计原则允许利用虚拟原型和数字双胞胎来并行软件和硬件开发。

•基于人工智能的设计。通过利用基于人工智能的工具，设计人员可以更快、更有效地满足能力、性能和区域目标。强化学习和其他人工智能算法可以自动化较少重要的设计任务，使工程师能够专注于更高级的任务和决策。

•2.5D/3D设计、芯片组态和异构集成。随着新工艺技术采用的减慢，设计工程师已经转向新的设计、集成和封装技术，这有助于提高性能，降低成本和功耗。异构集成允许增加使用高度专业化的设计，以进一步提高性能。

•安全设计。对半导体设计安全性的进一步审查促使设计师更加重视安全的硬件模块，并开发增强的工具、方法和加密。在硬件层面在半导体中设计安全，确保系统按预期运行，防止故障，并增强网络安全。

截至2021年，半导体行业46%的收入可归因于总部位于美国的公司的设计活动，几乎是其他任何个别地区的2.5倍。美国市场在设计方面的领先地位在逻辑上最为显著，在该领域产生了64%的设计相关收入，但它也扩展到离散、模拟和其他（DAO）设备的设计，其中总部位于美国的公司创造了37%的设计相关收入。只有在记忆中，韩国公司占所有设计相关收入的59%，而美国并没有处于市场领先地位。

在半导体设计领域的市场领先地位具有多种优势，包括：

•一个创新的良性循环。在设计方面的领导力支持着一个创新的良性循环。例如，设计领导能力使美国的公司能够吸引和培训有才华的外国出生的劳动力。这些劳动力的贡献和创新产生了利润，公司可以再投资于研发，以推动劳动力的持续扩张和未来的创新。

•提高了塑造标准的能力。在任何技术领域中，标准都支持互操作性，并使公司能够更容易地跨供应链进行协作。通常，公司在设计是第一个开发产品需要标准（如Wi-Fi、蓝牙和5g无线），这使他们能够发挥主导作用在达成共识的标准和快速发展专业知识优化设计一组给定的标准。拥有许多领先设计公司的地区将在设置和利用技术标准的好处方面处于相对优势。

•更强大的安全。设计领导能力在两个维度上提供了国家安全的优势。首先，有设计领导地位的地区有更先进的机会半导体芯片，可以给防御和武器系统更大的功效。其次，具有设计领导地位的区域可能会降低恶意篡改和供应链拦截的风险，例如，通过保护关键的设计信息和实现设计IP的可追溯性和控制。

•扩大了高质量的就业机会。设计领导直接通过高工资支持高质量的就业，间接支持高就业倍数。例如，在2020年，从事半导体设计工作的美国工人的平均年收入约为17万美元，而美国的中位数约为5.6万美元。

在邻近工业的OEM的优势。技术重工业的原始设备制造商在他们设计的系统中广泛依赖于半导体。由于在共享的地理和文化背景下进行协作通常更容易，OEM可以通过直接与市场领先的芯片设计师合作，并采用共同设计和系统级优化等实践来创造竞争优势。

03

受益于芯片设计领导能力的OEM

在半导体设计方面的创新领导地位可以在多个行业中产生创新，从而支持更广泛的经济增长和市场领导地位。

自动驾驶汽车。半导体设计师和汽车制造商可以创造和共同优化芯片，以更有效地处理来自汽车上传感器的数据。定制设计的芯片还可以包括关键的安全特性，如冗余电源系统，以确保芯片在最具挑战性的环境中安全可靠地运行。

智能手机。通过与OEM设备工程师密切合作，芯片设计师可以优化他们的设计，以满足最新智能手机不断发展的系统需求。例如，定制设计的芯片可以提高设备上的人工智能性能、图像处理和功率效率。通过在系统级别上严格控制设计权衡，设计师可以创建具有更多创新特性和优越的整体性能的硬件和软件系统。

云计算。设计师创建定制芯片以满足特定的云计算需求，从高质量的视频流到COVID-19的高效基因组分析。这种芯片可以帮助数据中心优化性能和降低功耗。这些好处在2020年就很明显了，当时快速云计算帮助研究人员和科学家快速对COVID-19变异体的基因组进行测序。

5g通信。芯片设计师与其他通信公司合作，以优化系统性能。例如，芯片设计师与网络运营商合作，为网络运营商的手机基站和设备制造商的收发器设计定制芯片。通过协同解决这些问题，移动网络运营商可以更有效地优化通信系统，更可靠地实现5G。

医疗器械。植入式心脏起搏器和神经刺激器等医疗设备可以成为救命稻草。通过设计定制芯片，医疗设备制造商可以确保设备必须在具有挑战性的物理环境下工作，例如，在人体内部，能够以超低的功耗、异常高的可靠性和最大的诊断用途运行。

国家安全导弹系统、飞机、无人机和雷达系统都依赖于半导体。芯片设计的领导地位使美国国防工业能够加强现有的和创新的新的和优越的防御系统，这对加强国家安全至关重要。

无法保证在设计上的领导能力

设计方面的领导层在过去已经发生了变化，而且可能会再次发生转变。事实上，自1990年以来，从公司收入推断，设计领导地位每十年都会发生显著变化。

美国半导体公司如今是设计领域的领导者，但它们并没有停滞不前。他们已经投资了一个可以估计的数字。

2021年，为设计相关研发投入400亿美元。鉴于竞争强度的加剧，美国的增长速度将比其他地区更慢，并有可能放弃市场份额。美国的整体市场份额（以整体芯片销售收入衡量）一直在稳步下降，从2000年的约50%下降到2020年的46%到2030年达到36%。

为了了解2030年市场份额的可能前景，我们按地理区域模拟了设计工程师的流动，假设收入和市场份额是由研发投资驱动的，而研发投资是由设计工程师的可用性驱动的。我们发现，美国设计人员的年增长率可能仅略高于不到1%的替代率。相比之下，中国大陆的设计人员以每年6%的速度增长，工程师的相对生产力以每年6%的速度提高。欧洲、日本、韩国和中国台湾的设计工程劳动力预计将以每年1%-3%的速度增长。总体而言，预测中国大陆半导体行业的快速增长可能导致市场份额增长14个百分点，而美国的市场份额可能下降10个百分点。

导致美国整体市场份额预期下降的关键因素是投资政策和更有利的海外增长和劳动力增长。这一趋势可能会限制总部位于美国的公司进行再投资的相对能力，从而增加领导层转向其他地区的可能性。

04

美国半导体行业面临的三个关键挑战

如果美国半导体行业的目标是捍卫其在设计方面的领导地位，那么就需要解决三个挑战：

挑战1：设计和研发投资需求正在上升。每一代半导体都需要在设计和研发方面进行更多的投资，包括新的EDA工具、IP、工艺设计套件，以及半导体设计。有几个地区为这些努力提供了比美国更多的公众支持美国的芯片设计公司处于不利地位，并导致了美国市场领导地位的下降。 

挑战2：设计人才的供给正在减少。半导体设计需要具有专业知识的高技能工人。美国芯片设计公司与美国半导体行业内外的其他科技公司，以及其他地区渴望赢回他们最有才华的国民的芯片设计公司展开竞争。

挑战3：开放进入全球市场正面临压力。半导体在全球市场的自由流动正受到关税和出口限制等因素的压力，威胁到美国公司实现规模和利润的能力，为下一代设计和研发投资所需的资金。

几十年来，全球半导体设计行业一直在进行重要的创新。无论美国是否采取行动来保持总部设在美国的公司的市场领导地位，半导体设计方面的进步都将继续下去。

为了解决这些挑战，我们将在本报告的未来三个部分中详细介绍，这将增加未来半导体设计创新由总部设在美国的公司领导的可能性。

05

挑战1：设计和研发投资需求正在上升

从2006年到2020年，在最新的制造节点上设计一个新芯片的成本增加了18倍以上。这一增长对新芯片设计造成了阻力，为新进入者和现有的非领先参与者创造了追赶和扩大市场份额的机会。

作为回应，美国私营部门不断扩大其在设计和研发方面的投资，但相应的美国公共部门的支持在基础研究和直接税收优惠方面落后于其他地区。

基础研究经费

多年来，美国政府对高风险基础研究的资助对深刻影响日常生活（例如抗生素、互联网和卫星通信）的进展至关重要。政府通常会资助那些太遥远、太不确定、或使某一家公司难以转化为竞争优势的研究。近几十年来，尽管私营企业大幅增加了研发资金，但美国的公共资金仍维持在GDP的0.03%，尽管其他地区也扩大了公共投资。

美国、中国大陆、中国台湾、韩国和欧盟最近都宣布了为国内半导体能力的扩张提供资金的计划，这些计划中的一部分支持设计能力。该计划包括对传统基础研究（如大学内的竞争前研究）和商业发展（如对半导体公司的股权投资）的支持。在这两个领域的投资加强了人才和创新的管道，这对设计领域的领导力至关重要。

尽管增加了这些投资，美国半导体特定设计和研发资金的总体份额，包括直接公共研发资金、税收激励和其他最近的举措，是13%。相比之下，欧洲、日本、中国大陆、韩国和中国台湾等由公共投资资助的半导体特定设计和研发的份额为30%。

税收优惠

研发税收激励私营公司增加研发支出。美国在联邦、州和地方项目中提供了平均9.5%的累计研发税奖励，这低于一组比较区域的中位数。

在美国，这些政府激励措施通常适用于所有行业，但其他地区已经采用了专门针对半导体行业的激励措施，包括设计激励措施：

韩国最近建立了一个“核心战略技术”轨道，允许半导体研发享受高达50%的税收减免。

中国大陆主要设计公司在第一年盈利后五年免征企业所得税，之后降低10%的税率。

作为其设计相关激励计划的一部分，印度政府计划通过提供高达50%的合格研发支出的激励措施，来扩大对国内半导体设计的支持。

由于人们执行大多数设计活动，所以将这些活动移动到国界比移动实体制造设施更容易。通过设计激励，为与设计相关的研发提供更直接的支持，美国可以鼓励美国和非美国公司在美国境内扩大或建立设计中心，从而帮助遏制其设计份额的损失。

06

挑战2：设计人才的供应正在减少

2021年，总部位于美国的公司雇佣了全球约18.7万名半导体设计工程师中的约9.4万名。其中，约60%实际分布在美国，约40%实际分布在国外。

尽管总部设在美国的公司无疑将继续利用全球人才库，但大多数公司在设计创新方面的核心联系都存在于国内网站。因此，为了保持设计方面的领导地位，总部设在美国的公司必须增加他们在美国的员工队伍。

为了更好地理解这些动态，我们从自下而上的角度看待设计劳动力，考虑到劳动力当前的规模、所需的不同技能、当前全球人才的分布、大学流入和资金外流（以退休、行业变化和外国出生的人才离开美国的形式）。

我们的分析发现，平均而言，从2021年到2030年，美国大学每年将培训和毕业近15.6万名学生获得本科或研究生学位，这些领域原则上可以转化为半导体设计领域的职业，例如，电子工程（EE）或计算机科学（CS）学位。在这个数字中，每年约有2%将进入设计工作部门，平均每年约有3300名新员工。在很大程度上抵消这一招聘的是每年通过退休（60%）、移民（23%）和职业转变（17%）的行业人员流失，约占设计人员的4%。

世界上近三分之一的半导体设计工程师都在美国 

因此，美国的设计人员的每年净增长率将不到1%，我们估计到2030年，美国的设计人员将增长到约6.6万名工程师。随着半导体市场的增长，维持目前美国46%的美国市场份额将需要约8.9万名工程师的国内设计劳动力。大约23000名工程师（占所需劳动力的25%）将包括约90%的学士或硕士级工程师和约10%的博士级工程师。

这种人才差距可以通过提高生产力来填补，但从更大的角度来看，避免人才的严重短缺需要越来越多的科学、技术、工程和数学（STEM）毕业生流入半导体设计，并增加现有人才的保留，包括女性和代表不足的少数族裔。

STEM毕业生

在历史上，美国的学院和大学都提供了世界上最好的STEM课程。美国拥有大约一半的世界顶级大学的EE和CS课程，这两个学科与半导体设计最相关。通过这样的项目，美国在半导体公民和外国公民的教育和培训方面发挥了重要作用。

如今，美国攻读学位的学生将研究重点放在STEM相关领域，而中国大陆为40%，印度为32%，韩国为30%，西欧为23%。此外，美国大学在这些领域的招生在很大程度上依赖于外国人，他们占美国EE和CS项目所有学生的28%，占EE和CS研究生项目所有学生的65%。

其他地区正在扩大对STEM教育的投资，这进一步扩大了参与差距，如以下例子所示：

2008年，韩国建立了迈斯特学校，这是一所专注于半导体行业的新型职业高中，课程要根据当地半导体行业的需求量身定制，还有工业实习

纳入学生计划，以及包括行业专家在内的教员。

2017年，中国大陆将STEM加入了其小学课程。次年，政府启动了《中国STEM教育2029年创新行动计划》，以增加学生获得STEM教育的机会。此外，教育部还在19所大学设立了IC博士项目。

2019年，中国台湾教育部宣布了一项增加对其K-8和9-12学校的STEM教育经费的计划。

日本已经制定了一个法律要求，即政府每五年更新一次其STEM教育计划，以支持科学、技术和创新。

虽然对教育政策选择的全面评估超出了本报告的范围，但我们注意到有两个潜在的高级别行动方针。首先，美国可以努力增加在相关STEM领域学习的学生数量，包括EE和CS。其次，美国可以努力增加选择从事半导体设计职业的EE和CS毕业生的数量。

增加学生的数量参与EE和CS研究，美国可以在扩大一般兴趣和改善访问，例如，通过资助额外的K-12 STEM教育，促进更强的包容女性和少数民族，提供额外的资助大学奖学金EE和CS，或提供贷款宽恕的学生追求职业生涯在半导体设计。

为了增加继续从事设计职业的EE和CS学生的数量，政策制定者可以增加对国内研发的税收优惠，从而有效地创造就业信贷；提供与设计相关的研究奖学金，类似于现有的国防科学与工程研究生（NDESG）和国家科学基金会（NSF）奖学金，资助博士研究；或为进入设计工作队伍的学生提供有针对性的贷款减免。美国还可以采取措施，确保世界上最优秀、最聪明的学生，包括那些在美国大学接受培训的其他地区的学生，能够轻易地做到一点.

进入美国的设计人员队伍。地区层面的移民配额积压了大量高技能工人，他们想在美国工作，但无法做到。

这些项目的费用各不相同。假设MS/BS的每个学生平均负债25,000美元项目总费用为200,000美元，填补人才缺口至少需要10亿美元到2030年的直接供资，金额相当于约1.2%的NSF资金，如果财政年度的资金水平是维持到2030年。如果美国政府要提供资金，协调大学和雇主将是必不可少的。例如，机构需要在程序扩展时保持质量，以及雇主须积极参与学生的教育和培训。综合来看，这些这些努力将提高妇女地位和吸引力设计相关的职业。

经验丰富的工程师

每年，大约2%的设计工程师退出美国设计工作队伍。其中大约40%的人离开美国去其他行业寻找机会，60%的人离开美国以外从事工作，包括设计工作。私营部门必须承担主要责任，以留住那些每年离开设计团队但仍留在美国的工程师。

与此同时，公共部门有一个巨大而低成本的机会，通过鼓励来自美国以外的半导体设计工程人才流来支持设计劳动力，例如，通过增加或取消对高技能工人永久移民资格的区域配额。留住离开美国的工人可能会使设计劳动力的基本增长率大约增加一倍，并为缩小国内人才差距做出实质性的贡献。

07

挑战3：开放进入全球市场正面临压力

长期以来，美国的设计公司一直受益于开放进入全球市场。这种访问使设计公司能够与其他地区的专业合作伙伴合作，并为终端客户设计更好的半导体。全球市场，结合知识产权保护，也提供了一个庞大的客户基础，美国设计公司可以利用它来获得规模和产生利润，然后再投资于设计和研发。简而言之，开放进入全球市场和合作伙伴是创新良性循环的一个重要组成部分。

随着地缘政治紧张局势的加剧，自由贸易和开放贸易都面临着关税、出口控制和工业政策方面的挑战。正如我们在2020年所指出的，“对……的广泛的单边限制……获得美国技术将显著加深和加速美国公司的[设计]份额侵蚀”，从而破坏研发的再投资。贸易限制对美国和全球的半导体行业产生了深刻的负面影响，损害了所有参与者。

例如，今天美国的出口限制鼓励了中国寻找半导体设计的替代来源。中国的原始设备制造商占全球半导体需求的27%（仅次于美国的34%），是最重要的非美国半导体市场。作为美国出口限制的直接结果，非美国原始设备制造商正越来越多地转向本地设计的半导体。

如果欧盟、印度、日本、韩国、中国大陆和其他地区越来越多地寻求定位半导体价值链的要素，那么庞大的全球市场将面临巨大的风险，从而损害所有参与者的利益。

  08

中国不断发展的半导体设计生态系统

自2017年以来，中国大陆的设计行业的增长主要是由竞争日益激烈的中国无晶圆厂设计公司的崛起推动的，这些公司目前占全球无晶圆厂半导体销售额16%。从2017年到2020年，中国前25家无晶圆厂公司的收入翻了一番，从122亿美元增至244亿美元。从2019年到2020年，中国半导体公司的风险投资增长了366%以上，约70%的交易流流向了设计公司。

至少在某种程度上，这种加速增长是美国努力限制中国原始设备制造商进入其市场的结果，导致这些原始设备制造商试图建立有弹性的国内供应链，中国政府的产业政策加强了这一努力。政府的激励措施，包括直接的研发投资拨款、增值税退税、资本支出支持和免除企业所得税，鼓励了中国国内半导体生态系统的增长。

意识到它们的关键性，中国政府和中国工业都在加快对外国电子设计自动化（EDA）工具、核心知识产权（IP）和手册之外的国内替代品的投资。

中国国家集成电路产业投资基金已向EDA和知识产权公司投资1.25亿美元。2021年，在中国大陆有12家中国EDA公司融资超过3.1亿美元，较2020年增长了54%。国家支持的基金还向中国大陆最大的半导体制造国际有限公司投资了超过20亿美元。

中国企业也在投资于国内的芯片设计弹性。2021年，人工智能芯片（包括GPU和HPC）公司，在过去五年中成立了数十家公司，通过92笔交易，通过多次融资筹集了45亿美元的总融资。此外，中国企业正在采用和推广RISC-V等开源设计技术，以避免依赖于可能受到出口限制的技术。

中国的大型原始设备制造商越来越多地从事芯片设计，以开发美国公司销售的服务器芯片的潜在替代品。例如，阿里巴巴最近宣布开发一款基于先进RISC机器（ARM）的服务器CPU，可以将其部署到其数据中心，从而减少对外国半导体的依赖。

如果美国渴望维持其设计上的领导地位，公共投资和激励将大大推动势头。在过去的三十年里，美国在半导体设计的领导地位对国家的GDP做出了重大贡献（2020年约1200亿美元），创造了高技能工作（2020年约173000），并提供了一系列的其他好处，国内邻近行业更关键的基础设施安全的优势。但美国的设计领导力及其随之而来的好处并非不可避免。

无论美国政府或美国公司做什么，半导体行业都将会增长，半导体设计也将继续在美国和国外进行。

为了保持其在设计上的领导地位，美国必须有足够的私人和公共投资，以及足够多的劳动力，以保持市场份额，从而实现再投资的良性循环。如果没有在这些方面采取行动，从事设计活动的美国公司由于市场份额的侵蚀，在未来10年预计将累计损失4500亿美元的销售额。

作为一个起点，鉴于目前的趋势，私营部门预计将以总投资速度为4000亿美元至在未来的十年里进行5000亿美元的设计研发。补充这一承诺，美国政府需要投资增量200亿到300亿美元的税收优惠和直接资助公共研发（相当于4%到6%的私营部门投资或大约40%到50%的差距当前水平的美国支持和平均支持在其他地区）。一个典型的组合将通过设计税收激励，带来大约三分之二，即150亿到200亿美元的公共投资。

解决新兴的劳动力问题需要在两个方面采取行动：对STEM教育进行投资和增加来自美国以外的人才流动，培训大约23000名设计工程师。虽然不同的政策方法会产生不同的成本，但在本十年末填补这一缺口的累积成本可能只有10亿美元左右。

通过这项投资，总部设在美国的设计公司将创造约4500亿美元的增量销售额，23000个直接工程工作岗位，以及其他领域13万个间接和诱导的工作岗位，它们将巩固美国在半导体设计领域的领导地位。

半导体行业正吸引着政策制定者的强烈兴趣。随着世界各国政府和企业对该领域进行重大投资，半导体设计方面的创新肯定会继续下去。应对本报告中讨论的挑战的公共投资增加了未来设计创新在国内发生的可能性，并有助于保持美国今天享有的设计领导力的好处。

美国在逻辑设计方面处于领先地位，尤其是先进的处理器，但在光电子学和其他传感器方面却落后。

编辑：黄飞