ความยืดหยุ่นของห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์สหรัฐอเมริกา

ในเดือนกุมภาพันธ์ 2021 ประธานาธิบดีไบเดนได้ลงนามในคำสั่งผู้บริหาร (EO) 14017 เรื่อง “America’s Supply Chains” โดยกำหนดให้หน่วยงานบริหารระดับสูง 7 แห่งประเมินความยืดหยุ่นและความมั่นคงของห่วงโซ่อุปทานที่มีความสำคัญของชาติ ส่งผลให้กระทรวงพลังงานสหรัฐ (DOE) โดยใช้ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ ดำเนินการประเมินห่วงโซ่อุปทานที่ครอบคลุมฐานอุตสาหกรรมภาคพลังงาน โดยให้ความสำคัญกับเทคโนโลยีที่จำเป็นต่อการลดการปล่อยคาร์บอนของสหรัฐฯ ภายในปี 2050

เนื้อหานี้เป็นบทสรุปของ Deep Dive Report เกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐฯ ซึ่งเป็น 1 ใน 11 ภาคส่วนที่ได้รับการประเมินและเผยแพร่โดย DOE ในเดือนกุมภาพันธ์ 2022

บทนำ

เพื่อรับมือกับวิกฤตสภาพภูมิอากาศและหลีกเลี่ยงผลกระทบที่ร้ายแรงที่สุดจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ สหรัฐฯ มุ่งมั่นที่จะลดมลพิษก๊าซเรือนกระจกรวมทั้งประเทศลง 50-52% ภายในปี 2030 สร้างภาคพลังงานที่ปราศจากคาร์บอนภายในปี 2035 และบรรลุเป้าหมายการปล่อยสุทธิเป็นศูนย์ทั่วทั้งประเทศอย่างช้าที่สุดไม่เกินปี 2050 

ฐานอุตสาหกรรมภาคพลังงานของสหรัฐฯ จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนอย่างสิ้นเชิงเพื่อให้บรรลุเป้าหมายการลดคาร์บอนภายในปี 2050 โดยการเติบโต ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน และความมั่นคงของห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์เป็นองค์ประกอบสำคัญของการเปลี่ยนแปลงนี้ 

เซมิคอนดักเตอร์เป็นเทคโนโลยีแกนหลักของภาคพลังงาน เนื่องจากมีความจำเป็นต่อการทำงานของรถยนต์ไฟฟ้าแทบทุกคัน สถานีชาร์จไฟ กังหันลม ตลอดจนโครงข่ายไฟฟ้าทั้งหมดซึ่งเป็นสิ่งสำคัญในการลดการปล่อยคาร์บอน  

เซมิคอนดักเตอร์ยังมีความสำคัญต่อเศรษฐกิจสหรัฐฯ โดยมีมูลค่ากว่า 246.4 พันล้านเหรียญสหรัฐต่อผลิตภัณฑ์มวลรวมในประเทศ (GDP) ในปี 2020 โดยมีมูลค่าการส่งออก 49 พันล้านเหรียญสหรัฐ เป็นสินค้าส่งออกใหญ่อันดับ 4 ของสหรัฐฯ ในปี 2020 รองจากอากาศยาน น้ำมันกลั่น และน้ำมันดิบ 

รายงานฉบับนี้ให้ความสำคัญทั้งเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมและเซมิคอนดักเตอร์แบบ wide bandgap (WBG) สำหรับอิเล็กทรอนิกส์กำลัง (PE) เนื่องจากทั้งสองเป็นหัวใจสำคัญในการบรรลุเป้าหมายการปลดปล่อยคาร์บอนสุทธิเป็นศูนย์ 

เทคโนโลยี 

สำหรับรายงานฉบับนี้ “เซมิคอนดักเตอร์” จะเน้นเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในแอปพลิเคชันที่มีความสำคัญในการลดคาร์บอนของภาคพลังงาน ยกเว้นเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ในโฟโตโวลตาอิก

ประกอบด้วยตัวอย่างดังนี้:

• เซมิคอนดักเตอร์ WBG (เช่น SiC และ gallium nitride (GaN)) ที่ใช้ควบคุม แปลง และปรับคุณภาพการไหลของพลังงานในรถยนต์ไฟฟ้า (EVs) เทคโนโลยีอุตสาหกรรมไฟฟ้า (เช่น ปั๊มความร้อนอุตสาหกรรม) และแอปพลิเคชันพลังงานหมุนเวียนอื่น เช่น เครื่องกำเนิดพลังงานลมและแสงอาทิตย์
• เซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิม (เช่น ชนิดซิลิคอน) ที่ใช้ควบคุมการไหลของข้อมูลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและในแอปพลิเคชันพลังงานหมุนเวียน รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้า ระบบเซนเซอร์ไร้สายแบบบูรณาการสำหรับการผลิตที่ประหยัดพลังงาน การยกระดับประสิทธิภาพพลังงานในอาคาร และเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียนอื่น ๆ

ปัจจัยสำคัญที่ทำให้เกิดความแตกต่างของการใช้งานคือช่วงการทำงานของเซมิคอนดักเตอร์ ทั้งสองชนิดมีประสิทธิภาพในช่วง 600 ถึง 900 V แต่ SiC สามารถทำงานได้ที่แรงดันสูงกว่านี้มาก โดยปัจจุบันการใช้งานของ GaN และ SiC มีการทับซ้อนกันในภาคอุตสาหกรรมรถยนต์ไฟฟ้า 

การทำแผนที่ห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์

ตลาดและห่วงโซ่อุปทานสำหรับเซมิคอนดักเตอร์เป็นระดับโลกและมีความซับซ้อนอย่างยิ่ง การออกแบบ การผลิต และการบรรจุภัณฑ์ของผลิตภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ใช้เวลาถึง 100 วัน รวมการขนส่ง 12 วัน และมักข้ามพรมแดนระหว่างประเทศถึง 70 ครั้ง

ห่วงโซ่อุปทานส่วนใหญ่สามารถระบุได้เป็น 5 กลุ่มหลัก ได้แก่ วัตถุดิบ วัสดุผ่านกระบวนการ ชิ้นส่วนย่อย ผลิตภัณฑ์ และการรีไซเคิล/นำกลับมาใช้เมื่อสิ้นสุดวงจรชีวิต (EOL) อย่างไรก็ตาม ความซับซ้อนของเซมิคอนดักเตอร์ทำให้ต้องมีส่วนเพิ่มเติมในห่วงโซ่อุปทาน ได้แก่ การออกแบบ อุปกรณ์การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ (SME) และการประกอบ-ทดสอบ-บรรจุภัณฑ์ (ATP) รวมถึงบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง และการวิจัยและพัฒนา (R&D) ตามที่แสดงในรูปที่ 9 

ช่องโหว่หลักของห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์สหรัฐฯ 

• ความพยายามในการลดคาร์บอนจะเพิ่มความต้องการพลังงานหมุนเวียนและโครงสร้างพื้นฐานที่เกี่ยวข้อง รวมถึงห่วงโซ่อุปทานเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมและ WBG อิเล็กทรอนิกส์กำลัง ขีดความสามารถการผลิตในประเทศและการเข้าถึงวัตถุดิบที่ขาดแคลนอยู่แล้วจะทวีความรุนแรงมากขึ้น การผลิตซิลิคอนทั่วโลกที่คาดการณ์ไว้นั้นตามไม่ทันการเติบโตนี้ และอาจส่งผลให้ห่วงโซ่อุปทานอื่น ๆ ต้องตึงตัวด้วย ภาค EV มีแนวโน้มได้รับผลกระทบอย่างยิ่งจากการใช้เซมิคอนดักเตอร์ที่เพิ่มขึ้นทั้งในตัวรถและโครงสร้างพื้นฐานสถานีชาร์จที่จำเป็น 

• การใช้พลังงานทั่วโลกของผลิตภัณฑ์ที่มีเซมิคอนดักเตอร์เป็นส่วนประกอบเพิ่มขึ้นเท่าตัวทุก 3 ปีนับตั้งแต่ปี 2010 โดยการเติบโตแบบก้าวกระโดดนี้จะเพิ่มความรวดเร็วยิ่งขึ้นจากการเปลี่ยนผ่านสู่ระบบไฟฟ้าที่มากขึ้นและแอปพลิเคชันคอมพิวเตอร์ที่ใช้พลังงานสูงที่เพิ่มขึ้นอย่างก้าวกระโดด

• การนำเซมิคอนดักเตอร์ไปใช้ในทุกภาคส่วน โดยเฉพาะภาคพลังงานอย่างมหาศาล ทำให้สมรรถนะและประสิทธิภาพของเซมิคอนดักเตอร์ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพของเทคโนโลยีในภาคส่วนนั้น ๆ 
• อัลกอริทึมปัญญาประดิษฐ์ (AI) มีสมรรถนะเพิ่มขึ้นเท่าตัวทุกสองเดือน และการใช้พลังงานของเซมิคอนดักเตอร์เพื่อขุด Bitcoin เพียงอย่างเดียวก็ใช้ไฟฟ้ามากกว่าบางประเทศในยุโรป โดยใช้เวลาเพิ่มเท่าตัวเพียง 1 ปี 

• ในปี 1995 ความสามารถการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของสหรัฐฯ คิดเป็น 26% ของกำลังการผลิตทั้งโลก ลดเหลือเพียง 10% ภายในปี 2020 (European Semiconductor Industry Association) การพัฒนาเทคโนโลยีเพื่อตอบโจทย์ภาคพลังงานจึงเป็นสิ่งสำคัญ สหรัฐฯ มีศักยภาพโดดเด่นในตลาดอิเล็กทรอนิกส์กำลัง SiC และมีความได้เปรียบในตลาด HV อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้และเทคโนโลยีสนับสนุนอื่น ๆ ยังคงต้องได้รับการพัฒนาเพิ่มเติมเพื่อยกระดับคุณภาพและลดต้นทุน หากไม่มีการลงทุนในปัจจุบัน ความได้เปรียบนี้อาจถูกถ่ายเทไปต่างประเทศได้โดยง่าย 

• การนำอุปกรณ์ใหม่ไปใช้โดยตรงในโรงงานขนาดพันล้านดอลลาร์แทบเป็นไปไม่ได้ เครื่องมือที่ใช้เทคนิคควบคุมระดับละเอียดสูงที่พัฒนาเพื่อผลิตอุปกรณ์ประหยัดพลังงานดังกล่าวสามารถนำไปใช้ผ่านผู้ผลิตเครื่องมือได้แทน

• สหรัฐฯ ต้องยกระดับขีดความสามารถในเทคโนโลยีการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง เทคโนโลยีนี้กำลังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นด้วยเหตุผลด้านสมรรถนะและประสิทธิภาพ และจะเร่งเพิ่มความสำคัญเมื่อการใช้ไฟฟ้าทวีสูงขึ้น บรรจุภัณฑ์ขั้นสูงเป็นสายงานที่เติบโตเร็วและสร้างสรรค์ซึ่งต้องอาศัยศักยภาพในการออกแบบที่สหรัฐฯ มีจุดแข็ง แต่ภาคอุตสาหกรรมจำเป็นต้องสร้างโรงงานผลิตในประเทศ มิฉะนั้นอาจสูญเสียความได้เปรียบในกลุ่มเทคโนโลยีนี้ 

• การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ต้องใช้น้ำจำนวนมากและปล่อยคาร์บอนในปริมาณสูงจากการใช้พลังงานและสารประกอบฟลูออไรด์ ดังนั้นจึงต้องให้ความสำคัญกับผลกระทบสิ่งแวดล้อมที่อาจเกิดขึ้นจากการผลิตที่เพิ่มขึ้น 

• การสร้างห่วงโซ่อุปทานที่ยืดหยุ่นอย่างแท้จริงต้องมีแรงงานที่เข้มแข็งและผ่านการฝึกอบรมอย่างดี ความต้องการนี้ครอบคลุมตั้งแต่สายช่างจนถึงปริญญาขั้นสูง และต้องพึ่งพาทั้งแรงงานสหรัฐฯ และแรงงานต่างชาติ การวางแผนโครงการฝึกอบรม นโยบายการย้ายถิ่น และโครงสร้างพื้นฐานที่เกี่ยวข้องให้สอดประสานกันเพื่อรองรับความต้องการนี้ โดยควบคู่กับมาตรฐานแรงงานที่แข็งแกร่งและค่าตอบแทนที่แข่งขันได้ เป็นสิ่งสำคัญ 

บทสรุป 

สหรัฐฯ ดำรงตำแหน่งผู้นำอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ แต่ตำแหน่งนี้เริ่มอ่อนแอลง โดยเฉพาะเมื่อนับรวมการผลิตและการบรรจุภัณฑ์ขั้นสูงในประเทศ 

แม้เทคโนโลยีที่มีอยู่จะช่วยลดการปล่อยคาร์บอนได้ แต่วัตถุดิบในปัจจุบันมักต้องนำเข้าจากตลาดโลกที่ขาดความโปร่งใสและมีความผันผวนสูง บางแหล่งก็อยู่ในเขตที่มีความละเอียดอ่อนทางภูมิรัฐศาสตร์ 

นอกจากนี้ กระบวนการแปรรูปและการผลิตส่วนประกอบในช่วงกลางของห่วงโซ่อุปทานยังมีการกระจุกตัวอยู่ในต่างประเทศซึ่งมีความสัมพันธ์ทางภูมิรัฐศาสตร์ที่ซับซ้อนกับสหรัฐฯ

หากสหรัฐฯ ต้องการรักษาและขยายบทบาทผู้นำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ จำเป็นต้องตอบสนองต่อการเติบโตของความต้องการสำหรับอิเล็กทรอนิกส์กำลังแบบดั้งเดิมและ wide bandgap ด้วยการเพิ่มขีดความสามารถและการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ทั้งสองประเภท ควบคู่กับการพัฒนาเซมิคอนดักเตอร์รุ่นใหม่ที่มีประสิทธิภาพและลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ สหรัฐฯ ต้องสร้างกำลังแรงงานที่มีทักษะในประเทศสำหรับทั้งเซมิคอนดักเตอร์แบบดั้งเดิมและอิเล็กทรอนิกส์กำลัง WBG