汽车芯片短缺将永远持续下去

来源:芯世相发布时间:2022-05-06933浏览

作者：汤之上隆编译：小芯
4月30日，进入GW（黄金周）后的第二天，日本经济新闻发表文章称，由于半导体长期短缺，丰田和大发将不仅在黄金周期间和黄金周之后暂停汽车的生产。

文章称，丰田将从 4 月 30 日至 5 月 8 日期间关闭在日本的全部 14 家工厂。其中，爱知县丰田市高冈工厂将部分生产线停产至5月9日，丰田汽车车身位于爱知县刈谷市的富士松工厂将停产至5月16日。
除了此前宣布延长停产的滋贺第二工厂外，大发还将增加原定于4月30日至5月8日的大分第一工厂和总公司工厂的一部分，延长停产时间天数。此外，京都工厂定于5月18日至19日停产。
《日经新闻》4月30日版块头新闻旁边写着：“从汽车制造商的角度看，半导体2024年前还远远不足”的报道。在这篇文章中，英特尔 CEO Pat Gelsinger 在 4 月 28 日的财务业绩发布会上表示，“由于产能和生产设备的限制，半导体短缺至少会持续到 2024 年。”
这样的半导体短缺还会持续多久？
我开始认为，正如英特尔首席执行官所说，“至少到 2024 年”，半导体短缺不会消失，而且半导体短缺将长期持续下去。
在这篇文章中，我想讨论一下基本原理。如果先取得结论，我们推测，由于以下原因，未来传统模拟和功率半导体很可能长期短缺：

随着汽车和电动汽车的自动化程度越来越高，所需的半导体数量将急剧增加。
大多数半导体是传统的模拟和功率半导体。
这些传统模拟和功率半导体是由8英寸的工厂生产的。
由于难以确保 8 英寸制造设备，因此难以增加新的 8 英寸半导体工厂。

简而言之，自动驾驶汽车当然需要尖端的半导体来运行先进的人工智能（AI），但需要大量的传统模拟和功率半导体成为汽车生产的致命弱点，解决这个问题并不容易。汽车产业虽然迎来了百年不遇的CASE（Connected, Autonomous/Automated, Shared, Electric）大变革期，但同时也是一个饱受半导体短缺之苦的时代。
作者简介：

汤之上隆，微细加工研究所所长。1961年出生于日本静冈县，毕业于京都大学研究生院（原子核工学专业）后进入日立制作所工作。之后的16年间，在中央研究所、半导体事业部、尔必达存储器（借调）、半导体尖端技术公司（借调）从事半导体微细加工技术开发。2000年被京都大学授予工学博士学位。现为微加工研究所所长，从事半导体、电器产业相关企业的顾问及新闻工作者工作。著有《日本半导体战败》（光文社）、《电机半导体大崩溃的教训》（日本文艺社）、《日本型产品的失败零战半导体电视》（文春新书）。

以下为编译全文：

《丰田大发停产背后，全球车企饱受煎熬的时代》

由于疫情蔓延和半导体短缺

汽车生产低迷

由于 2020 年全球新冠疫情感染蔓延，汽车生产低迷（图 1）。全球生产的汽车数量，在新冠疫情之前的 2019 年为 9218 万辆，2020 年减少了 1456 万辆至 7762 万辆，而 2021 年似乎减少了 120 万辆至 7642 万辆。

图1 汽车生产下降（2016-2021），来源：作者根据汽车行业门户网站 MARK LINS数据制作

2020 年汽车产量的减少受到新冠疫情导致需求锐减。然而，2021年汽车生产低迷主要是由于半导体短缺。事实上，到了2021年，半导体紧缺导致无法造车，以汽车为核心产业的日本、美国、德国各国政府纷纷通过中国台湾政府向台积电提出增产车载半导体的要求。

当时紧缺的半导体是28nm逻辑半导体和MCU（Micro Controller Units，俗称“微控制器”）。这些28nm车载半导体缺货的原因在笔者专栏《车载半导体为何缺货？台湾台积电的关键》（2021年3月2日）有详细说明。以下简要说明一下。

为什么28nm半导体短缺？

从 2020 年 4 月到 2020 年 6 月，由于新冠疫情的蔓延，对汽车的需求急剧下降。汽车制造商根据丰田汽车的经营方式“Just In Time”来采购零部件，因此，例如丰田取消了其主要分包商电装的车载半导体订单，于是电装取消了瑞萨等车载半导体的订单，接着瑞萨取消了向台积电委托生产的28nm以后的订货。

由于新冠疫情下居家的特殊需求，台积电游戏机用、家电产品用等28nm半导体生产委托蜂拥而至，车载半导体取消后的空白产线瞬间被这些半导体填满。

之后，随着 2020 年秋季汽车需求回升，丰田汽车→电装→瑞萨计划再次向台积电订购28nm的半导体，但由于台积电产线被其他半导体所占据，因此没有生产车载半导体的余地。虽然2020年秋冬的库存量超标，但是到了2021年，库存已经见底了，再加上28nm半导体紧缺，汽车无法被制造。

独特的 28nm 半导体

2021年上半年，全球出现28nm半导体短缺。其原因在笔者专栏《为什么对台积电熊本工厂的建设感到高兴是一个大错误》（2021 年 12 月 7 日）中进行了详细解释。简单地说，28nm 逻辑半导体具有以下三个特性（图 2）：
(1) 28nm 是最后一代平面晶体管 (FinFET 从 16 / 14nm 到 3D)(2) 不使用自对准双图案 (SADP) (将从 FinFET 使用 SADP)(3) 瑞萨垂直集成型 (集成设备制造商IDM)，例如，从这一代开始将生产外包给 FinFET

图2 半导体技术节点和晶体管结构（很多电子器件的半导体都集中在28nm）

来源：以Joanne Chiao（TrendFore），《Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022》的发表为基础编写

总之，台积电等代工厂生产的28nm半导体具有良好的性价比，所以包括汽车在内的很多电子设备都使用了这种半导体。受日本政府邀请，将于2024年开始运营的台积电熊本工厂也将主要生产这种28nm半导体。
不过，得益于台积电、联电、中芯国际等代工厂的努力，28nm半导体的短缺在2021年上半年基本消除。

半导体紧缺形势变化

图3 是 2022 年 2 月 28 日半导体行业协会 (SIA) 网络研讨会上 VLSI Research (Tech Insights) 的 Andrea Lati 在“半导体市场概览”中展示的幻灯片之一。

图 3 Foundry 的紧张得到解决，IDM 紧张，模拟和电源紧张资料来源：Andrea Lati，VLSI Research (Tech Insights)，“Semiconductor Market Overview”，SIA Webiner，2022 年 2 月 28 日
根据图 3，Foundry 的“短缺”或“紧缺”是到 2021 年第二季度为止，之后是“平衡”、“饱和”、“剩余”。换言之，可以说台积电等代工厂的吃紧从2021年第三季度开始就消失了。
不过，瑞萨等IDM的“紧缺”从2020年第二季度一直持续到2022年2月18日。而且，与 IDM 一样，从 2020 年第二季度到 2022 年 2 月 18 日，瑞萨和其他公司（可能）在内部生产而不外包给台积电的传统模拟和功率半导体是“紧张的”。于是，车载半导体“Auto”在2020年第四季度变得“紧俏”，2021年后几乎变成“短缺”。
根据图3可知，从2021年第一季度开始，车载半导体就出现了短缺，而2021年上半年，台积电等代工厂生产的28nm出现了短缺，但在到 2021 年下半年，短缺将消失，取而代之的是瑞萨等 IDM 生产的传统模拟和功率半导体的短缺。

汽车所需的半导体

图 4 显示了世界半导体贸易统计 (WSTS) 公布的汽车中使用的半导体类型和运输价值。

图4 汽车用半导体（2019-2021），来源：作者根据WSTS数据制作

根据 WSTS，汽车中使用的半导体至少有 15 种。其中，模拟半导体尤为突出，2019年和2020年还不到150亿美元，2021年却飙升至240亿美元左右（另外，根据WSTS的定义，在这些模拟半导体中，功率半导体也包括在内）。这种现象也表明模拟半导体（包括电源）短缺。

那么，为什么汽车（包括电力）的模拟半导体市场在 2021 年迅速扩张？如图 1 所示，生产的汽车数量正在下降。然而，模拟半导体市场有一个快速的扩张。

可以推断，其原因在于传统燃油车向电动汽车和汽车自动驾驶的转变已经开始迅速蔓延。

根据毕马威的发表资料《In-Vehicle Semiconductors: A New Era of ICE》（2020 年 4 月 23 日），安装在一辆汽车上的半导体对于一辆内燃机汽车来说还不到 500 美元。另一方面，EV汽车则达到两倍多，大约1000美元。至于自动驾驶，4级或5级的全自动驾驶将配备3000美元的半导体，是0级（手动驾驶）的8到10倍。

电动汽车需要大量的功率半导体，此外，自动驾驶汽车需要大量的模拟半导体来处理来自各种传感器的模拟信息。换言之，从 2020 年到 2021 年，尽管生产的汽车数量有所减少，但安装在汽车上的模拟半导体（包括电源）的快速扩张是由于 EV 和自动驾驶的快速扩张。

未来，电动汽车和自动驾驶将越来越流行，这意味着汽车对模拟半导体（包括电源）的需求将继续增长。

然而，在某些情况下，模拟和功率半导体的供应无法大幅扩大。

大多数模拟和功率半导体

都在 8 英寸工厂生产

图 5 显示了全球 12 英寸晶圆按技术节点划分的半导体产能（10,000 片/月）。100nm以上的遗留产能大部分是8英寸的半导体工厂。另一方面，90nm之后的产能都是12英寸的半导体厂。

图5 12英寸转换技术/节点产能（万片/月）

来源：作者根据环球网股份有限公司《世界半导体工厂年鉴》和SEMI Wafer World Forecast数据制作

因此，在 100 nm 附近，存在 8 英寸和 12 英寸之间的边界。原因是在2000年左右，当半导体的微型化达到130nm或以后时，硅片的直径从8英寸增加到12英寸。之后，随着微型化的推进，12英寸的制造设备也随着精细化的发展而进步。

因此，8英寸的精细度保持在100nm左右，但在12英寸上，台积电从2020年开始批量生产尖端5nm半导体。

而现在，许多缺乏半导体的传统模拟和功率半导体都是在 8 英寸半导体工厂生产的。

然而，目前很难提高这种传统模拟和功率半导体的生产能力，主要有两个原因。

为何不能增加传统半导体产能？

一是荷兰ASML、美国Applied Materials、美国Lam Research、日本Tokyo Electron等主要制造设备制造商都不愿意生产8英寸的制造设备。这些制造设备制造商坚持“买12英寸的设备，而不是8英寸的设备”。
因此，在制造设备市场上，8英寸的设备极为稀缺，二手设备一上市就迅速以高价销售。因此，很难以传统模拟和功率半导体需求巨大为由，来新建8英寸半导体工厂。
虽然因为买不到8英寸的设备而无法建立8英寸的工厂，但我们可以在12英寸的半导体工厂来制造它们。
但这并不是一件容易的事情。12英寸的制造设备正在向最尖端微细化迈进。例如，在台积电用于5nm生产的设备中，即使试图处理100nm或更大 (例如，100至500nm）的图案，也可能无法加工。
粗糙图案的加工需要合适的工艺和设备，并且最先进的工艺和设备无法对其进行加工。也就是说，即使要在12英寸的工厂生产至今为止在8英寸工厂生产的传统模拟和功率半导体，也不是不可能，但这相当困难。

车载半导体的短缺

将永远持续下去

在汽车行业，未来自动驾驶和电动汽车将继续发展。因此，汽车对模拟和功率半导体的需求将稳步增长。然而，目前很难快速扩大 8 英寸工厂生产的传统模拟和功率半导体的产能。

理由是由于8英寸设备难以获得，无法新建和增建8英寸工厂，而在12英寸工厂生产8英寸传统模拟和功率半导体也相当困难。

在这种情况下，只要汽车行业进入百年一遇的大变革时期，自动驾驶和电动汽车继续发展，车载半导体的短缺就会持续。可以说，汽车制造商的艰难时期已经到来。

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