汽車芯片短缺將永遠(yuǎn)持續(xù)下去

作者：湯之上隆  編譯：小芯

4月30日，進(jìn)入GW（黃金周）后的第二天，日本經(jīng)濟(jì)新聞發(fā)表文章稱，由于半導(dǎo)體長(zhǎng)期短缺，豐田和大發(fā)將不僅在黃金周期間和黃金周之后暫停汽車的生產(chǎn)。

文章稱，豐田將從 4 月 30 日至 5 月 8 日期間關(guān)閉在日本的全部 14 家工廠。其中，愛知縣豐田市高岡工廠將部分生產(chǎn)線停產(chǎn)至5月9日，豐田汽車車身位于愛知縣刈谷市的富士松工廠將停產(chǎn)至5月16日。

除了此前宣布延長(zhǎng)停產(chǎn)的滋賀第二工廠外，大發(fā)還將增加原定于4月30日至5月8日的大分第一工廠和總公司工廠的一部分，延長(zhǎng)停產(chǎn)時(shí)間天數(shù)。此外，京都工廠定于5月18日至19日停產(chǎn)。

《日經(jīng)新聞》4月30日版塊頭新聞旁邊寫著：“從汽車制造商的角度看，半導(dǎo)體2024年前還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足”的報(bào)道。在這篇文章中，英特爾 CEO Pat Gelsinger 在 4 月 28 日的財(cái)務(wù)業(yè)績(jī)發(fā)布會(huì)上表示，“由于產(chǎn)能和生產(chǎn)設(shè)備的限制，半導(dǎo)體短缺至少會(huì)持續(xù)到 2024 年。”

這樣的半導(dǎo)體短缺還會(huì)持續(xù)多久？

我開始認(rèn)為，正如英特爾首席執(zhí)行官所說，“至少到 2024 年”，半導(dǎo)體短缺不會(huì)消失，而且半導(dǎo)體短缺將長(zhǎng)期持續(xù)下去。

在這篇文章中，我想討論一下基本原理。如果先取得結(jié)論，我們推測(cè)，由于以下原因，未來傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體很可能長(zhǎng)期短缺：

隨著汽車和電動(dòng)汽車的自動(dòng)化程度越來越高，所需的半導(dǎo)體數(shù)量將急劇增加。

大多數(shù)半導(dǎo)體是傳統(tǒng)的模擬和功率半導(dǎo)體。

這些傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體是由8英寸的工廠生產(chǎn)的。

由于難以確保 8 英寸制造設(shè)備，因此難以增加新的 8 英寸半導(dǎo)體工廠。

簡(jiǎn)而言之，自動(dòng)駕駛汽車當(dāng)然需要尖端的半導(dǎo)體來運(yùn)行先進(jìn)的人工智能（AI），但需要大量的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體成為汽車生產(chǎn)的致命弱點(diǎn)，解決這個(gè)問題并不容易。汽車產(chǎn)業(yè)雖然迎來了百年不遇的CASE（Connected, Autonomous/Automated, Shared, Electric）大變革期，但同時(shí)也是一個(gè)飽受半導(dǎo)體短缺之苦的時(shí)代。

以下為編譯全文：《豐田大發(fā)停產(chǎn)背后，全球車企飽受煎熬的時(shí)代》

01 、由于疫情蔓延和半導(dǎo)體短缺，汽車生產(chǎn)低迷

由于 2020 年全球新冠疫情感染蔓延，汽車生產(chǎn)低迷（圖 1）。全球生產(chǎn)的汽車數(shù)量，在新冠疫情之前的 2019 年為 9218 萬輛，2020 年減少了 1456 萬輛至 7762 萬輛，而 2021 年似乎減少了 120 萬輛至 7642 萬輛。

圖1 汽車生產(chǎn)下降（2016-2021），來源：作者根據(jù)汽車行業(yè)門戶網(wǎng)站  MARK LINS數(shù)據(jù)制作

2020 年汽車產(chǎn)量的減少受到新冠疫情導(dǎo)致需求銳減。然而，2021年汽車生產(chǎn)低迷主要是由于半導(dǎo)體短缺。事實(shí)上，到了2021年，半導(dǎo)體緊缺導(dǎo)致無法造車，以汽車為核心產(chǎn)業(yè)的日本、美國(guó)、德國(guó)各國(guó)政府紛紛通過中國(guó)臺(tái)灣政府向臺(tái)積電提出增產(chǎn)車載半導(dǎo)體的要求。

當(dāng)時(shí)緊缺的半導(dǎo)體是28nm邏輯半導(dǎo)體和MCU（Micro Controller Units，俗稱“微控制器”）。這些28nm車載半導(dǎo)體缺貨的原因在筆者專欄《車載半導(dǎo)體為何缺貨？中國(guó)臺(tái)灣臺(tái)積電的關(guān)鍵》（2021年3月2日）有詳細(xì)說明。以下簡(jiǎn)要說明一下。

02 、為什么28nm半導(dǎo)體短缺？

從 2020 年 4 月到 2020 年 6 月，由于新冠疫情的蔓延，對(duì)汽車的需求急劇下降。汽車制造商根據(jù)豐田汽車的經(jīng)營(yíng)方式“Just In Time”來采購零部件，因此，例如豐田取消了其主要分包商電裝的車載半導(dǎo)體訂單，于是電裝取消了瑞薩等車載半導(dǎo)體的訂單，接著瑞薩取消了向臺(tái)積電委托生產(chǎn)的28nm以后的訂貨。

由于新冠疫情下居家的特殊需求，臺(tái)積電游戲機(jī)用、家電產(chǎn)品用等28nm半導(dǎo)體生產(chǎn)委托蜂擁而至，車載半導(dǎo)體取消后的空白產(chǎn)線瞬間被這些半導(dǎo)體填滿。

之后，隨著 2020 年秋季汽車需求回升，豐田汽車→電裝→瑞薩計(jì)劃再次向臺(tái)積電訂購28nm的半導(dǎo)體，但由于臺(tái)積電產(chǎn)線被其他半導(dǎo)體所占據(jù)，因此沒有生產(chǎn)車載半導(dǎo)體的余地。雖然2020年秋冬的庫存量超標(biāo)，但是到了2021年，庫存已經(jīng)見底了，再加上28nm半導(dǎo)體緊缺，汽車無法被制造。

03 、獨(dú)特的 28nm 半導(dǎo)體

2021年上半年，全球出現(xiàn)28nm半導(dǎo)體短缺。其原因在筆者專欄《為什么對(duì)臺(tái)積電熊本工廠的建設(shè)感到高興是一個(gè)大錯(cuò)誤》（2021 年 12 月 7 日）中進(jìn)行了詳細(xì)解釋。簡(jiǎn)單地說，28nm 邏輯半導(dǎo)體具有以下三個(gè)特性（圖 2）：

(1) 28nm 是最后一代平面晶體管 (FinFET 從 16 / 14nm 到 3D)(2) 不使用自對(duì)準(zhǔn)雙圖案 (SADP) (將從 FinFET 使用 SADP)(3) 瑞薩垂直集成型 (集成設(shè)備制造商IDM)，例如，從這一代開始將生產(chǎn)外包給 FinFET        

圖2 半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)和晶體管結(jié)構(gòu)（很多電子器件的半導(dǎo)體都集中在28nm）

來源：以Joanne Chiao（TrendFore），《Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022》的發(fā)表為基礎(chǔ)編寫

總之，臺(tái)積電等代工廠生產(chǎn)的28nm半導(dǎo)體具有良好的性價(jià)比，所以包括汽車在內(nèi)的很多電子設(shè)備都使用了這種半導(dǎo)體。受日本政府邀請(qǐng)，將于2024年開始運(yùn)營(yíng)的臺(tái)積電熊本工廠也將主要生產(chǎn)這種28nm半導(dǎo)體。

不過，得益于臺(tái)積電、聯(lián)電、中芯國(guó)際等代工廠的努力，28nm半導(dǎo)體的短缺在2021年上半年基本消除。

04 、半導(dǎo)體緊缺形勢(shì)變化

圖3 是 2022 年 2 月 28 日半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) (SIA) 網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)上 VLSI Research (Tech Insights) 的 Andrea Lati 在“半導(dǎo)體市場(chǎng)概覽”中展示的幻燈片之一。

圖 3 Foundry 的緊張得到解決，IDM 緊張，模擬和電源緊張資料來源：Andrea Lati，VLSI Research (Tech Insights)，“Semiconductor Market Overview”，SIA Webiner，2022 年 2 月 28 日

根據(jù)圖 3，F(xiàn)oundry 的“短缺”或“緊缺”是到 2021 年第二季度為止，之后是“平衡”、“飽和”、“剩余”。換言之，可以說臺(tái)積電等代工廠的吃緊從2021年第三季度開始就消失了。

不過，瑞薩等IDM的“緊缺”從2020年第二季度一直持續(xù)到2022年2月18日。而且，與 IDM 一樣，從 2020 年第二季度到 2022 年 2 月 18 日，瑞薩和其他公司（可能）在內(nèi)部生產(chǎn)而不外包給臺(tái)積電的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體是“緊張的”。

于是，車載半導(dǎo)體“Auto”在2020年第四季度變得“緊俏”，2021年后幾乎變成“短缺”。

根據(jù)圖3可知，從2021年第一季度開始，車載半導(dǎo)體就出現(xiàn)了短缺，而2021年上半年，臺(tái)積電等代工廠生產(chǎn)的28nm出現(xiàn)了短缺，但在到 2021 年下半年，短缺將消失，取而代之的是瑞薩等 IDM 生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體的短缺。

05 、汽車所需的半導(dǎo)體

圖 4 顯示了世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì) (WSTS) 公布的汽車中使用的半導(dǎo)體類型和運(yùn)輸價(jià)值。

圖4 汽車用半導(dǎo)體（2019-2021），來源：作者根據(jù)WSTS數(shù)據(jù)制作

根據(jù) WSTS，汽車中使用的半導(dǎo)體至少有 15 種。其中，模擬半導(dǎo)體尤為突出，2019年和2020年還不到150億美元，2021年卻飆升至240億美元左右（另外，根據(jù)WSTS的定義，在這些模擬半導(dǎo)體中，功率半導(dǎo)體也包括在內(nèi)）。這種現(xiàn)象也表明模擬半導(dǎo)體（包括電源）短缺。

那么，為什么汽車（包括電力）的模擬半導(dǎo)體市場(chǎng)在 2021 年迅速擴(kuò)張？如圖 1 所示，生產(chǎn)的汽車數(shù)量正在下降。然而，模擬半導(dǎo)體市場(chǎng)有一個(gè)快速的擴(kuò)張。

可以推斷，其原因在于傳統(tǒng)燃油車向電動(dòng)汽車和汽車自動(dòng)駕駛的轉(zhuǎn)變已經(jīng)開始迅速蔓延。

根據(jù)畢馬威的發(fā)表資料《In-Vehicle Semiconductors: A New Era of ICE》（2020 年 4 月 23 日），安裝在一輛汽車上的半導(dǎo)體對(duì)于一輛內(nèi)燃機(jī)汽車來說還不到 500 美元。另一方面，EV汽車則達(dá)到兩倍多，大約1000美元。至于自動(dòng)駕駛，4級(jí)或5級(jí)的全自動(dòng)駕駛將配備3000美元的半導(dǎo)體，是0級(jí)（手動(dòng)駕駛）的8到10倍。

電動(dòng)汽車需要大量的功率半導(dǎo)體，此外，自動(dòng)駕駛汽車需要大量的模擬半導(dǎo)體來處理來自各種傳感器的模擬信息。換言之，從 2020 年到 2021 年，盡管生產(chǎn)的汽車數(shù)量有所減少，但安裝在汽車上的模擬半導(dǎo)體（包括電源）的快速擴(kuò)張是由于 EV 和自動(dòng)駕駛的快速擴(kuò)張。

未來，電動(dòng)汽車和自動(dòng)駕駛將越來越流行，這意味著汽車對(duì)模擬半導(dǎo)體（包括電源）的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。

然而，在某些情況下，模擬和功率半導(dǎo)體的供應(yīng)無法大幅擴(kuò)大。

06 、大多數(shù)模擬和功率半導(dǎo)體，都在 8 英寸工廠生產(chǎn)

圖 5 顯示了全球 12 英寸晶圓按技術(shù)節(jié)點(diǎn)劃分的半導(dǎo)體產(chǎn)能（10,000 片/月）。100nm以上的遺留產(chǎn)能大部分是8英寸的半導(dǎo)體工廠。另一方面，90nm之后的產(chǎn)能都是12英寸的半導(dǎo)體廠。

圖5 12英寸轉(zhuǎn)換技術(shù)/節(jié)點(diǎn)產(chǎn)能（萬片/月）

來源：作者根據(jù)環(huán)球網(wǎng)股份有限公司《世界半導(dǎo)體工廠年鑒》和SEMI Wafer World Forecast數(shù)據(jù)制作

因此，在 100 nm 附近，存在 8 英寸和 12 英寸之間的邊界。原因是在2000年左右，當(dāng)半導(dǎo)體的微型化達(dá)到130nm或以后時(shí)，硅片的直徑從8英寸增加到12英寸。之后，隨著微型化的推進(jìn)，12英寸的制造設(shè)備也隨著精細(xì)化的發(fā)展而進(jìn)步。

因此，8英寸的精細(xì)度保持在100nm左右，但在12英寸上，臺(tái)積電從2020年開始批量生產(chǎn)尖端5nm半導(dǎo)體。

而現(xiàn)在，許多缺乏半導(dǎo)體的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體都是在 8 英寸半導(dǎo)體工廠生產(chǎn)的。

然而，目前很難提高這種傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體的生產(chǎn)能力，主要有兩個(gè)原因。

07 、為何不能增加傳統(tǒng)半導(dǎo)體產(chǎn)能？

一是荷蘭ASML、美國(guó)Applied Materials、美國(guó)Lam Research、日本Tokyo Electron等主要制造設(shè)備制造商都不愿意生產(chǎn)8英寸的制造設(shè)備。這些制造設(shè)備制造商堅(jiān)持“買12英寸的設(shè)備，而不是8英寸的設(shè)備”。

因此，在制造設(shè)備市場(chǎng)上，8英寸的設(shè)備極為稀缺，二手設(shè)備一上市就迅速以高價(jià)銷售。因此，很難以傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體需求巨大為由，來新建8英寸半導(dǎo)體工廠。

雖然因?yàn)橘I不到8英寸的設(shè)備而無法建立8英寸的工廠，但我們可以在12英寸的半導(dǎo)體工廠來制造它們。

但這并不是一件容易的事情。12英寸的制造設(shè)備正在向最尖端微細(xì)化邁進(jìn)。例如，在臺(tái)積電用于5nm生產(chǎn)的設(shè)備中，即使試圖處理100nm或更大 (例如，100至500nm）的圖案，也可能無法加工。

粗糙圖案的加工需要合適的工藝和設(shè)備，并且最先進(jìn)的工藝和設(shè)備無法對(duì)其進(jìn)行加工。也就是說，即使要在12英寸的工廠生產(chǎn)至今為止在8英寸工廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體，也不是不可能，但這相當(dāng)困難。

08 、車載半導(dǎo)體的短缺將永遠(yuǎn)持續(xù)下去

在汽車行業(yè)，未來自動(dòng)駕駛和電動(dòng)汽車將繼續(xù)發(fā)展。因此，汽車對(duì)模擬和功率半導(dǎo)體的需求將穩(wěn)步增長(zhǎng)。然而，目前很難快速擴(kuò)大 8 英寸工廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體的產(chǎn)能。

理由是由于8英寸設(shè)備難以獲得，無法新建和增建8英寸工廠，而在12英寸工廠生產(chǎn)8英寸傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體也相當(dāng)困難。

在這種情況下，只要汽車行業(yè)進(jìn)入百年一遇的大變革時(shí)期，自動(dòng)駕駛和電動(dòng)汽車?yán)^續(xù)發(fā)展，車載半導(dǎo)體的短缺就會(huì)持續(xù)?？梢哉f，汽車制造商的艱難時(shí)期已經(jīng)到來。

來源：內(nèi)容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）編譯自「EE Times Japan」

作者：湯之上隆

作者簡(jiǎn)介：

湯之上隆，微細(xì)加工研究所所長(zhǎng)。1961年出生于日本靜岡縣，畢業(yè)于京都大學(xué)研究生院（原子核工學(xué)專業(yè)）后進(jìn)入日立制作所工作。之后的16年間，在中央研究所、半導(dǎo)體事業(yè)部、爾必達(dá)存儲(chǔ)器（借調(diào)）、半導(dǎo)體尖端技術(shù)公司（借調(diào)）從事半導(dǎo)體微細(xì)加工技術(shù)開發(fā)。2000年被京都大學(xué)授予工學(xué)博士學(xué)位。現(xiàn)為微加工研究所所長(zhǎng)，從事半導(dǎo)體、電器產(chǎn)業(yè)相關(guān)企業(yè)的顧問及新聞工作者工作。著有《日本半導(dǎo)體戰(zhàn)敗》（光文社）、《電機(jī)半導(dǎo)體大崩潰的教訓(xùn)》（日本文藝社）、《日本型產(chǎn)品的失敗零戰(zhàn)半導(dǎo)體電視》（文春新書）。