成熟制程芯片缺货大盘点
来源:IC咖啡发布时间:2021-08-02
询问 AI目前的芯片短缺危机预计将在未来一段时间持续下去，越来越多的在成熟工艺节点生产的关键设备受的影响更大。
7月22日，知名半导体技术研究机构semiengineering撰文分析了成熟工艺节点的芯片缺货状况。文章指出，之前成熟节点生产的芯片通常受到的关注较少，但它们几乎可以广泛应用于每一个电子设备，包括家电、汽车、电脑、显示器、工业设备、智能手机和电视。这些芯片很多都是市场的抢手货，不同芯片的类型、规格和供应商，也出现不同程度的供应紧张，交货时间长的现象。
此外，一些需要先进工艺的芯片如存储器和处理器也出现了缺货现象，这些芯片往往更能引发外界注意，但成熟节点的芯片也很重要。目前供应紧张的成熟节点的半导体器件包括CMOS图像传感器、显示驱动IC、闪存控制器、微控制器（MCU）、MOSFET和电源管理IC（PMIC）等等。
前沿工艺芯片的短缺已经影响到一些公司和他们的出货能力，比如汽车芯片、PC和智能手机的出货，而且这种情况近期内不会很快得到改善。
Gartner的分析师Samuel Wang说：“总的来说，我们认为芯片短缺至少会持续到明年年中。”去年疫情爆发初期，芯片的需求骤降，2020年中期，市场出现反弹。在家工作的场景推动了对电脑和电视的需求，这造成了对芯片需求的激增，出现了尖端工艺芯片的短缺现象。这种势头随后延续到2021年上半年，汽车行业出现了严重的芯片短缺，这种情况已经蔓延到智能手机和其他产品。芯片短缺还有其他原因，在高端寻求层次上，该行业正处于繁荣周期中，没有足够的芯片制造能力来满足市场需求。
先进前沿节点芯片往往基于12英寸晶圆，如16纳米、14纳米到5纳米的各种先进工艺。此外，12英寸晶圆也涵盖了65纳米到28纳米的成熟节点，8英寸晶圆则可以涵盖350纳米到90纳米的工艺。近年来，全球8英寸晶圆厂的产能一直很紧张，12英寸的产能也是如此。分析师说，事实上，中国台湾地区代工厂的产能订单已经预定到了2022年年中。联电业务管理副总裁Walter Ng说：“我们在许多应用和所有节点上都看到了前所未有的需求。随着供货周期继续延长，我们相信这将可能成为新的常态。”
为了满足需求，芯片制造商正在建设新的8英寸和12英寸晶圆厂。但是建造工厂需要时间和资金，这意味着芯片短缺问题不会在一夜之间消失。在此之前，一些芯片类型的短缺将继续存在，包括图像传感器、MCU和PMIC。
多年来，该行业经历了各种繁荣周期，繁荣周期内，需求大于供应，反之则供应大于需求。
TEL总裁兼首席执行官Toshiki Kawai在最近的一次演讲中说：“在5G移动和数据中心投资的推动下，逻辑/晶圆厂的投资强劲，内存的投资也在加速。由于5G移动、PC和数据中心的需求增加，供应紧张，企业对DRAM对的稳定投资仍会继续。”
根据Semico Research的数据，总的来说，半导体市场在2021年预计将增长17%，2020年则是6.6%。在这个周期中，芯片需求超过了供应，这影响了许多产品的生产和发货。Semico公司总裁Jim Feldhan说：“供应短缺期内的经典经济模式就是价格上升，同时单位销售量下降。但是市场需求正在趋缓，至少对一些终端用户产品来说是这样。大部分个人电脑的升级周期已经结束，短缺将在2021年下半年的大部分时间里得到缓解。但我们看了一些情况，芯片短缺现象会延长到2022年。预计物联网、5G及其在智能城市的新应用将继续增长，而且对云计算应用的依赖性会越来越强。”
每个应用场景所涉及的相关芯片都有不同的生态链，Feldhan说：“先进技术和成熟的半导体产品正经历着不同的供应情况，智能手机的先进处理器产能紧张，这在某种程度上是正常的，因为利用最新一代工艺技术（5纳米）的手机已经推出。个人电脑和平板电脑的计算处理器正经历着恢复到更多的历史需求水平，因为家庭教育需求的升级已经可以得到满足。”
利用成熟技术的芯片也在蓬勃发展。Bruker公司副总裁兼半导体业务部总经理Paul Ryan说：“我们在射频领域看到了很多机会，特别是在5G的推广上，许多代工厂的主力是40纳米及以上的产品，需求正在爆发。”
汽车芯片绝大多数都是基于成熟节点。Feldhan说：“随着PC需求的增加，2020年汽车销售量下降，但许多汽车芯片是为特定的应用而设计和使用的。”
Feldhan认为，2021年初汽车业务出现反弹，但汽车制造商未能采购到足够的芯片来满足需求。Feldhan说：“汽车制造商试图恢复他们的订单，但现在他们处于制造序列的后面。工厂产能已经被分配来满足笔记本、台式机、平板电脑和服务器的销售增长。这与去年下半年新的智能手机的正常推出发生了冲突。异常的天气和运输问题也加剧了短缺危机。”总而言之，成熟节点芯片的几个细分市场都有短缺问题。因此，IC供应商需要更多的制造能力。
但拥有晶圆厂的半导体供应商以及代工厂都面临着产能不足的问题。KLA的副总裁兼总经理Wilbert Odisho说：“我们看到成熟节点的12英寸设备的利用率达到了历史新高。中国大陆、北美、欧洲和日本的设备制造商目前正在特别积极地增加产能，8英寸设备的利用率也处于非常高的水平，不少新的8英寸晶圆厂也扩产能的计划。”
8英寸的产能尤其紧张。在某些情况下，代工厂正在将一些芯片产品从8英寸工厂迁移到12英寸毫米工厂。Lam Research公司战略营销总经理David Haynes说：“许多情况下，将专业技术生产转移到12英寸毫米还有一些重大障碍，首先，将设备生产从折旧的8英寸晶圆厂迁移到12英寸晶圆厂的经济性可能是个问题。其次，更大的障碍可能是需要被重新认证。在许多情况下，晶圆厂的一个小部件是专门用于汽车应用的，对其作可重新鉴定有可能非常耗时和昂贵。但这使得这些8英寸晶圆厂需要持续改进，以提高现有设施的产能。”
所有这些都给代工厂商带来了挑战。联电的Ng说：“每个代工厂都有自己的标准来应对当前的短缺，由于市场需求远远超过我们的能力，这迫使我们按客户和特定的重点终端应用来确定我们的供应能力的优先次序。我们的决定，以及我们做出决定所依据的标准，将对我们在未来几年的表现至关重要。”
据SEMI称，为了满足需求，全球约有19座新的大批量晶圆厂已经开始建设，或将在今年年底前开始建设，另有10座晶圆厂计划在2022年建成。
但许多工厂设备类型也供不应求，特别是8英寸设备。KLA的Odisho说：“我们已经看到我们的客户重新部署了以前放弃使用的成熟系统，KLA将8英寸的能力嵌入到较新的一代系统中，使设备制造商能够部署最新的特性和能力，满足他们的工艺控制需求。”
同时，成熟节点的几种类型的芯片产品都很抢手，面临着短缺，包括微控制器。微控制器被用于众多系统中，如家电、汽车、通信设备和工业产品。英飞凌、恩智浦和瑞萨等公司都是微控制器的提供商。一些公司拥有自己的工厂，也有一部分选择外包给代工厂。
MCU可以在同一芯片上集成了几个部件，如CPU和存储器。MCU有4位、8位、16位和32位配置。例如32位的MCU一般用于汽车，而4位的产品则多用于家电。
MCU也有不同的工艺节点，如28纳米、40纳米、65纳米、90纳米和180纳米。
市场对MCU的需求相当强劲，联电业务发展副总裁Walter Ng表示：“MCU目前是市场上的一个热门应用，从成熟的8英寸技术节点到主流的12英寸技术的需求都很旺盛，MCU是推动主流40纳米及以下技术增长的关键应用之一。”
然而，MCU供应商无法跟上需求。Semico的Feldhan说：“MCU的短缺仍在继续，对MCU的需求在2020年下半年开始增加。从那时起，MCU的平均销售价格（ASP）每个季度都在增加。我们预计2021年第二季度出货量将下降1%，而平均销售价格预计将增加近5%。32位MCU的供应似乎确实最紧张，其平均售价在去年增长了20%以上。”
Feldhan说：“即使是比较老旧的4位MCU也有需求。4位MCU的单位销售量已大幅增加。虽然4位MCU只占总出货量的不到1%，但在2021年的前五个月，4位MCU的销售量与2020年相比增加了400%以上。”
一些MCU供应商正在采取常规措施来满足需求。Microchip公司就推出了一个优先供应计划（PSP）。它将在客户下单后6个月开始为其提供优先供应，以换取至少12个月的不可取消（ non-cancellable orders）订单。
Microchip总裁兼首席执行官Ganesh Moorthy在最近的电话会议上说：“这给我们打下了坚实的基础，使我们能够审慎地获取受限的原材料，投资扩大工厂产能，并雇用员工来支持我们的工厂升级。”
显示器驱动IC（DDIC）和电源管理IC（PMIC）的供应也很紧张。DDIC用于为平板显示器供电，而PMIC则用于管理系统的电源。
联电的Ng说：“PMIC和DDIC的需求量很大，DDIC和PMIC的生产涵盖了从150纳米到22纳米/28纳米节点的成熟技术。”
PMIC几乎用于每一个系统，是控制电力流动和方向的芯片。Dialog、Maxim、Qualcomm、Samsung、STMicroelectronics和TI都是PMIC的主流供应商。一些供应商在他们自己的工厂制造PMIC，而其他供应商则使用代工厂。
PMIC是基于BCD（双极-CMOS-DMOS）工艺。意法半导体开发出一种技术，将三种不同的工艺技术结合到一个芯片上。双极性用于模拟功能，CMOS用于数字，DMOS用于电源和高压元件。在智能手机中，PMIC非常关键，处理大部分的电源要求和其他功能。
对于可穿戴设备、可听设备和其他紧凑型消费类终端设备，设计者希望开发体积更小，电池寿命更高，还能保证散热和控制噪音的控制模块。
然而，PMIC也供不应求，这影响了部分产品的出货量。PMIC被广泛用于PC、服务器和其他产品中。KeyBanc的分析师John Vinh说：“在供应紧张的情况下，PC、服务器和显卡的需求仍然较为稳健，虽然PC笔记本的需求仍然比较平衡，但由于与DDIC和PMIC有关的组件严重短缺，第2季度的情况可能会低于先前的预期。”
因此，根据Semico的数据，2021年第一季度PMIC的单位销售量下降了0.7%，而价格上升了2.8%。
DDIC也供不应求，阻碍了特定显示器的出货量。汽车、工业设备、个人电脑、智能手机、电视和其他产品都采用平板显示器。大多数电视屏幕是基于液晶显示器（LCD），电视机使用其他显示类型，如OLED。
联电业务管理副总裁Walter Ng说：“智能手机显示屏是基于LCD和OLED的。许多汽车采用简单的LCD，而其他车辆则利用更复杂的显示器。汽车显示屏的扩展以及汽车设计中电气化和先进计算机架构的兴起，正在推动显示驱动IC和显示技术的提升，3D传感和更广泛的MCU应用也需要得到进一步提高，以改善ADAS性能。”
平板显示器往往由大型工厂制造的。来自中国大陆、韩国和中国台湾地区的供应商在显示器制造领域占主导地位。
疫情爆发之前，平板显示器市场相当黯淡的，供应过剩、价格下跌和亏损是市场的共同主题。到2020年中期，显示器市场出现反弹，显示器中使用的关键芯片出现短缺，包括DDIC、定时控制器（TCON）以及触摸和显示驱动集成（TDDI）芯片。
TCONs用于控制显示器中的显示驱动IC。TTDIs在同一芯片上结合了触摸控制IC和显示驱动IC。供应显示芯片，这个领域的供应商主要是Focaltech、Himax、Ilitech、Magnachip、Novatek、Raydium和Synaptics 。2021年到目前为止，显示器的需求仍然强劲，而显示芯片的短缺问题仍然存在。
Feldhan认为：“据传2020年下半年以来显示驱动器就处于短缺状态，显示驱动器ASP（平均售价）增长了21%，而单位发货量只增长了19%，但在2021年第一季度，单位销售量增加了14.5%，而价格下降了10.4%。这种反应通常表明供应商有了一些库存的压力。”
有几家代工厂商生产显示芯片，大尺寸LCD的DDIC是在8英寸晶圆厂使用110纳米到150纳米工艺生产的；而用于小尺寸屏幕的DDIC是在12英寸晶圆厂生产的，采用90纳米到22纳米工艺。
根据TrendForce的数据，大屏幕LCD的DDIC供不应求。这些产品基于8英寸晶圆，而根据该机构公布的数据，8英寸产能本身也处在供不应求的状态。
用于小型和中型显示器的DDIC也很紧张，除了供应短缺，DDIC的供应商还面临其他挑战。在一些应用场景中，TDDIs正在取代DDICs。
同时，用于智能手机显示屏的AMOLED显示芯片也出现了短缺。据TrendForce称，这些代工厂承受着不小的产能压力，这一领域的系列产品主要采用40纳米和28纳米的 medium-voltage工艺技术制造。三星、台积电和联电是这些工艺的主要代工厂。此外，HLMC、Nexchip和中芯国际也在开发这些工艺。
CMOS图像传感器也供不应求。CMOS图像传感器的应用场景也相当广泛，如汽车、工业/医疗系统、安全摄像机和智能手机。一个标配的智能手机集成了两个或多个摄像头，每个摄像头都由一个CMOS图像传感器驱动。
据豪威科技称，平均而言，一部高级智能手机包括1至2个前置摄像头，以及3至4个主摄像头，公司全球销售和营销高级副总裁Michael Wu（吴晓东 ）说：“用户可能会探索新的应用，如同步定位，测绘以及AR/VR。图像传感器的供应商会继续推动技术向前发展，市场正在不断追求在更广泛的终端产品中使用更高分辨率和更高像素的相机模块。”
根据Yole Développement的数据，去年全球图像传感器业务总额达到207亿美元，比2019年增长7.3%。该市场在2021年预计将达到214亿美元，增长3.2%。
Michael Wu说：“对手机端来说，2020年的5G需求是指数级的，4G手机的库存已经很低了，而整体市场趋势仍在向5G发展，在医疗领域，疫情推动了相关市场的繁荣，今年这种增长还会持续，特别是对可重复使用的医疗成像设备的需求。计算机是另一个蓬勃发展增长的市场，今年的趋势是更高的分辨率，更小的尺寸的薄边框笔记本电脑。”
图像传感器是在8英寸和12英寸晶圆厂使用标准CMOS工艺制造的，为了制造一个图像传感器，制造商一般在一个工厂里加工两个不同的晶圆。第一块晶圆由许多模具组成，每个模具由一个像素阵列组成，第二块晶圆由图像信号处理器（ISP）芯片组成。这些晶圆被粘合在一起然后切割，形成图像传感器。
一般来说，顶部的像素阵列芯片是基于成熟节点，ISP的工艺范围是65纳米、40纳米和28纳米工艺。
泛林集团（Lam Research）的Haynes说：“从制造工艺的角度来看，随着像素尺寸缩小到1微米以下，传感器的制造工艺正在从90纳米技术节点转向65纳米和45纳米技术节点进发，与此同时，相关的图像信号处理（ISP）晶圆生产正在转向28纳米及以下。”
豪威科技的Michael Wu说：“CMOS图像传感器的短缺影响了手机市场的出货量，我们看到40纳米和28纳米都有短缺，包括从40纳米向28纳米的技术迁移。”
文章最后还指出，其他芯片类型，如模拟和射频类芯片，以及电容器等无源器件的短缺也是如此。
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