汽车行业能否跨越半导体“傻瓜的围墙”？

来源:芯世相发布时间:2022-11-041055浏览

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汤之上隆：汽车行业能否跨越半导体“傻瓜的围墙”？作者：汤之上隆编译：小芯作者简介：汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长，曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作，2000年获得京都大学工学博士学位，之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作，曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业：日本制造业的败北》等著作。以下为编译全文：《汽车行业能否跨越半导体的傻瓜围墙》

什么是“傻瓜的围墙”

日本作家养老孟司的畅销作《傻瓜的围墙》中有这样一句话：“我自动屏蔽自己不想知道的事情，这里存在一堵墙，而且，这是一堵“傻瓜的围墙”。
我认为，半导体领域也存在这种墙，并且数不胜数。曾经是半导体技术人员的我，现在作为半导体产业的顾问，以一种对半导体通识的口吻来写专栏，实际上，在自己的专业领域外，还有很多壁垒。而且，由于半导体行业非常复杂，我甚至认为没有一个人能够真正理解这个行业。
半导体行业如此复杂，到处都是壁垒。从外行的视角来看，一定很难理解吧。因此，傻瓜的围墙存在也是不得已的。
正因如此，汽车与半导体之间矗立着巨大的壁垒。但是，被称为新四化的汽车正迎来百年一遇的变革。在产业链上，无法跨越半导体壁垒的汽车制造商会被淘汰。
在本文中，首先论述半导体业界中存在着怎样的“傻瓜的围墙”。接下来，由于半导体行业内到处都有壁垒，所以行业内外之间存在着巨大的差异。然后进一步说明汽车与半导体之间的壁垒。在此基础上，车企要想在新四化时代生存下去，就必须克服这道障碍。

半导体的傻瓜围墙

半导体是经过设计、前道晶圆制造、后道封测这3个过程生产出来的。我是从事前道晶圆制造的精密加工技术出身，所以在设计和后道封测间，总觉得有巨大的障碍。

图1 半导体产业各部分之间的壁垒
例如，在2022年6月召开的VLSI研讨会上，设计、电路、系统等“Circuit”话题和设备、工艺等的“Technology”话题同时进行。
今年VLSI上，Circuit部分有116项，Technology有82项，合计198项发表。我主要通过点播收看Technology部分的演讲，而Circuit部分几乎没听。
对于前道工程出身的我来说，听关于制造内容相关的更加熟悉点（虽然是英语，仍有很多地方听不明白），而关于设计方面的内容就像听天书。实际上，在设计领域有独特的专业术语，而当在普通演讲中使用简写或缩略语来表达时，真的不知道在说什么。这里便存在一堵巨大的墙。
后道工序也是如此。图2是显示半导体封装技术发展的PPT，从迭代路径来看，到处都是缩略语，如DIP、SOJ、QFJ、SOP......后道工程的专家们，应该是下意识地使用了这些略语吧。因此，在能够理解这些略语的前提下，制作这些PPT并进行演讲。

图2 半导体封装技术的发展
但是，前道工序出身的我对这些略语一无所知，所以它出现的那一刻起便一头雾水。也就是说，这里存在着巨大的“傻瓜的围墙”。
而且，从设计者的角度看，前道和后道工序间也有一道墙，后道工序人员也在想，设计和前道之间是不是也有一道墙呢？

前道工程中的“傻瓜围墙”

我是前道晶圆制造出身，所以对这个领域更加了解。但是，光在晶圆制造上也存在着墙（图3）。

图3 前道工程的主要要素及壁垒
在前道工序中，晶圆表面形成薄膜，通过光线将电路图案印刷到晶圆上，除去多余氧化膜，最后呈现电路图的过程要进行30-50次以上，在晶圆上同时形成约1000个芯片。此外，还有离子注入、热处理、化学机械研磨等技术，整个工程数达500-1000道以上。
我在半导体行业工作的约16年的时间中，从事的是刻蚀技术，准确地说是使用等离子体的干法刻蚀技术。在这个领域，我在2000年获得了工学博士，所以自以为很清楚。
然而，尽管光刻和刻蚀被称为“精密加工”，两者之间却存在巨大的壁垒。除此之外，在成膜、清洗、检查等之间也存在着壁垒。以下将对光刻和干法刻蚀的壁垒进行说明。

光刻和干法刻蚀之间的傻瓜围墙

首先，在半导体工厂的无尘室内，只有光刻工艺由特殊的隔板隔开。该区域充满了黄光，被称为 "黄光区"，以防止光敏电阻被改变。仅仅这一点就使光刻区看起来无法进入（事实上，我从未真正进入过黄光区，或者说我从未被允许进入）。
而将光刻胶暴露在光线下的曝光系统是非常昂贵和复杂的。目前，最先进的EUV曝光系统每套成本高达180亿日元。考虑到发射一枚火箭的成本是100亿日元，这设备贵得离谱。
一部分参与开发这种复杂而昂贵的曝光系统的光刻工程师认为，干法刻蚀并不是他们所关心的问题。例如，他们会说："如果我们不通过光刻技术形成抗蚀剂图案，则干法刻蚀等后续工序将无法完成"，或者 "一旦通过光刻技术形成图案，晶体管就会自动制成"。
对于沉浸在这种思维中的光刻工程师（也许还有一些不是）来说，存在着一堵傻瓜围墙。同时，反对这种高压光刻技术，拒绝理解光刻技术的干法刻蚀技术者也有傻瓜围墙。
光刻和干法刻蚀被称为“微细加工”的两个轮子，这两者原本应该相互合作，但却出现了对立的情况（或者说，光刻工程师看不起干法刻蚀工程师）。也可以说，两者之间有一堵傻瓜围墙。
这已经是距今20多年前的事了，但我们今天有时仍会听到半导体工厂里有同样的傻瓜围墙。看来，傻瓜围墙不会轻易消失。

半导体行业内部和外部之间的傻瓜围墙

正如前文所解释的那样，半导体行业内部存在许多傻瓜围墙。半导体是如此复杂和困难，因此，我认为在半导体行业内部和外部之间有一堵非常厚的围墙（图4）。我来介绍一些这样的插曲。

图4 半导体行业内部和外部的围墙
2021年新年伊始，半导体短缺使汽车无法生产。事实上不仅仅是汽车，半导体的短缺已导致各种产品都无法生产，包括智能手机、个人电脑、各种电器产品和游戏机。最重要的是，半导体的短缺使得半导体生产设备（例如成本为180亿日元的EUV光刻设备）无法生产。更严重的是导致脉搏血氧仪等医疗设备无法再生产。
因此，在2000年后就被日本视为夕阳产业的半导体突然进入人们的视线，突然出现了"半导体是战略物资"、"加强半导体供应链非常重要"、"半导体不是产业的大米，而是产业的心脏和大脑"等说法。
在此背景下，我于2021年6月1日作为半导体专家被众议院邀请，就"回顾、分析、反省日本半导体产业的过去，并在此基础上对未来该怎么办"进行了15分钟的意见陈述。
我对这一突然的要求感到头疼。这是因为我不得不在短短15分钟内向对半导体一无所知的几十名众议院议员作上述发言。我为演讲的内容和PPT的准备工作苦恼了两个星期，也正是在这个时候，我切身感受到了行业内外的巨大围墙。
尽管如此，凭借智慧和聪明才智，还是准备了一个PPT，并做了意见陈述。由于努力工作，这一意见陈述得到了很好的回应。众议院还向公众提供了这一声明的视频，许多看过视频的人都对其表示赞赏。
然而，就在我们以为松了一口气的时候，新的困难开始了。

电视台和半导体之间的傻瓜围墙

上述意见陈述的视频一经流传，我就收到了来自电视和报纸等大众媒体的大量采访请求。几乎所有的电视台都发出了演出邀请，然而，却不得不拒绝其中的大部分。一个典型的案例如下所示。
某家电视台要求我在他们的一个节目中现场直播，并要求我在节目中做如下解释。
“首先，请在1分钟内解释一下什么是半导体；接下来，请在1分钟内解释为什么会出现半导体的短缺；然后，在1分钟内解释一下半导体短缺问题何时能得到解决。”
而且，在说明过程中，被要求完全不能使用前工序、晶体管、处理器等半导体的专业术语。
要满足这一要求是不可能的（即使是众议院的意见陈述也需要20多分钟）。电视台和其他机构之所以要求完成这样一个不可能完成的任务，是因为半导体太复杂和困难，以至于他们放弃自行了解半导体，把一切都扔给了我。
在一次又一次地遇到同样的事情后，我开始相信，在外界（如电视台）和半导体行业之间存在一堵巨大的傻瓜围墙。
2021年4月15日，我在丰田汽车公司总部发表了题为“为什么汽车半导体短缺——原因分析及其对贵公司的建议”的演讲。
我接到丰田汽车的熟人打来的电话，说“28nm的半导体短缺，有麻烦了，原因也不清楚”，决定进行上述主题的演讲。当时，新冠疫情被宣布为紧急状态，演讲厅的听众缩小到10人左右，大多数听众通过电脑远程观看。
我在演讲中提到，“不应将及时生产策略（Just In Time）应用于无法灵活增加或减少产量的半导体”，“瑞萨等汽车半导体制造商将28nm及以后的先进产品外包给台积电，台积电已成为供应瓶颈”（图5）。及时生产策略是丰田汽车的生产模式，它在需要时采购必要的零件。

图5 汽车制造商和半导体制造商之间的障碍
然而，在会场的与会者中，一位前不久担任采购部总经理的高管告诉我：“我们公司没有半导体短缺问题，为什么要关心Tier 1到芯片企业再到台积电的三级外包？”
我问道：“你没遇到麻烦吗？那么，这次讲座是干什么用的？” 并感到愤怒。与此同时，丰田汽车公司（前采购部总经理）认为半导体是被看不起的。简而言之，丰田汽车（前采购总部总经理）和半导体之间有一道愚蠢的墙。
在6天后的4月21日，我在半导体专业网站“EE Times Japan”上发表了一篇文章，题为“半导体短缺是‘just in time’造成的弊端，台积电掌握着自动驾驶汽车的关键”。
在2021年5月，丰田汽车在财务业绩发布会上提到，由于半导体短缺，汽车将减产，我在《日经新闻》上读到，汽车半导体的采购必须考虑年度计划（而不是及时生产）。

为什么汽车半导体短缺没有解决？

然而，即使到了2022年5月，在我演讲过后一年多，汽车半导体短缺问题仍未解决，汽车无法制造。 5个月后，到2022年10月底，尽管许多半导体供应过剩，价格暴跌，半导体陷入衰退，但汽车半导体短缺问题尚未解决。

原因有很多，但首先我认为汽车制造商的态度有问题。
接下来引用2022年8月18日商业杂志的拙稿，题为“汽车半导体短缺无法解决的原因是汽车制造商的态度问题”，以及2022年8月3日路透社报道《角度：半导体不足，与汽车企业间的力量关系发生地壳变动》有一段令人担忧的记载：

世界最大半导体代工企业台湾积体电路制造（TSMC）首席执行官（CEO）魏哲家在最近的活动中表示，在汽车半导体严重短缺之前从未接到过汽车行业高管的电话，但过去两年，他们给他打电话，表现得像他最好的朋友一样，引来听众的笑声。魏哲家透露，这些高管要求紧急订购25片晶圆，但台积电接单多以2.5万片起跳。

汽车制造商和半导体之间仍然存在傻瓜的围墙

众所周知，台积电是世界尖端半导体代工企业，是垄断全球半导体销售额50%以上的大型企业。
谁会给台积电的CEO打电话呢？考虑到台积电的存在感，如果不是汽车制造商的社长就不合适了。但是，我认为，可能是汽车制造商采购部门的科长，或者充其量是部长级别的职员给台积电的CEO打了电话。（更何况，台积电是第三级供应商，这是不是在拼命地命令呢？）
此外，正如台积电CEO所说，尽管台积电的订购单位至少为2.5万片，但车厂提出的订单数量仅为25片，这是最低订单单位的千分之一。也就是说，他们完全不考虑世界上最大、最强的半导体代工厂的内情，打了太不合常理的电话（也许从上往下看），难道算不上是“傻瓜的围墙”吗？
正如我在开头所写的那样，汽车行业正在经历一个百年一遇的重大变革时期，称为Connected（网络化）、Autonomous（智能化）、Shared（共享化）和Electric（电气化）。为了实现这些目标，大量的半导体是必不可少的。在这种情况下，那些不能超越半导体之间的愚蠢障碍的汽车制造商将被淘汰。
那么日本的汽车制造厂真的没问题吗？

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