全球汽車芯片何時才能不再這麼短缺？_風聞

4月30日，進入GW（黃金週）後的第二天，日本經濟新聞發表文章稱，由於半導體長期短缺，豐田和大發將不僅在黃金週期間和黃金週之後暫停汽車的生產。

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

除了此前宣佈延長停產的滋賀第二工廠外，大發還將增加原定於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，延長停產時間天數。此外，京都工廠定於5月18日至19日停產。

《日經新聞》4月30日版塊頭新聞旁邊寫着：“從汽車製造商的角度看，半導體2024年前還遠遠不足”的報道。在這篇文章中，英特爾 CEO Pat Gelsinger 在 4 月 28 日的財務業績發佈會上表示，“由於產能和生產設備的限制，半導體短缺至少會持續到 2024 年。”

這樣的半導體短缺還會持續多久？

我開始認為，正如英特爾首席執行官所説，“至少到 2024 年”，半導體短缺不會消失，而且半導體短缺將長期持續下去。

在這篇文章中，我想討論一下基本原理。如果先取得結論，我們推測，由於以下原因，未來傳統模擬和功率半導體很可能長期短缺：

隨着汽車和電動汽車的自動化程度越來越高，所需的半導體數量將急劇增加。

大多數半導體是傳統的模擬和功率半導體。

這些傳統模擬和功率半導體是由8英寸的工廠生產的。

由於難以確保 8 英寸製造設備，因此難以增加新的 8 英寸半導體工廠。

簡而言之，自動駕駛汽車當然需要尖端的半導體來運行先進的人工智能（AI），但需要大量的傳統模擬和功率半導體成為汽車生產的致命弱點，解決這個問題並不容易。汽車產業雖然迎來了百年不遇的CASE（Connected, Autonomous/Automated, Shared, Electric）大變革期，但同時也是一個飽受半導體短缺之苦的時代。

作者簡介：

湯之上隆，微細加工研究所所長。1961年出生於日本靜岡縣，畢業於京都大學研究生院（原子核工學專業）後進入日立製作所工作。之後的16年間，在中央研究所、半導體事業部、爾必達存儲器（借調）、半導體尖端技術公司（借調）從事半導體微細加工技術開發。2000年被京都大學授予工學博士學位。現為微加工研究所所長，從事半導體、電器產業相關企業的顧問及新聞工作者工作。著有《日本半導體戰敗》（光文社）、《電機半導體大崩潰的教訓》（日本文藝社）、《日本型產品的失敗零戰半導體電視》（文春新書）。

以下為編譯全文：

《豐田大發停產背後，全球車企飽受煎熬的時代》

由於疫情蔓延和半導體短缺

汽車生產低迷

由於 2020 年全球新冠疫情感染蔓延，汽車生產低迷（圖 1）。全球生產的汽車數量，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 汽車生產下降（2016-2021），來源：作者根據汽車行業門户網站  MARK LINS數據製作

2020 年汽車產量的減少受到新冠疫情導致需求鋭減。然而，2021年汽車生產低迷主要是由於半導體短缺。事實上，到了2021年，半導體緊缺導致無法造車，以汽車為核心產業的日本、美國、德國各國政府紛紛通過中國台灣政府向台積電提出增產車載半導體的要求。

當時緊缺的半導體是28nm邏輯半導體和MCU（Micro Controller Units，俗稱“微控制器”）。這些28nm車載半導體缺貨的原因在筆者專欄《車載半導體為何缺貨？台灣台積電的關鍵》（2021年3月2日）有詳細説明。以下簡要説明一下。

為什麼28nm半導體短缺？

從 2020 年 4 月到 2020 年 6 月，由於新冠疫情的蔓延，對汽車的需求急劇下降。汽車製造商根據豐田汽車的經營方式“Just In Time”來採購零部件，因此，例如豐田取消了其主要分包商電裝的車載半導體訂單，於是電裝取消了瑞薩等車載半導體的訂單，接着瑞薩取消了向台積電委託生產的28nm以後的訂貨。

由於新冠疫情下居家的特殊需求，台積電遊戲機用、家電產品用等28nm半導體生產委託蜂擁而至，車載半導體取消後的空白產線瞬間被這些半導體填滿。

之後，隨着 2020 年秋季汽車需求回升，豐田汽車→電裝→瑞薩計劃再次向台積電訂購28nm的半導體，但由於台積電產線被其他半導體所佔據，因此沒有生產車載半導體的餘地。雖然2020年秋冬的庫存量超標，但是到了2021年，庫存已經見底了，再加上28nm半導體緊缺，汽車無法被製造。

獨特的 28nm 半導體

2021年上半年，全球出現28nm半導體短缺。其原因在筆者專欄《為什麼對台積電熊本工廠的建設感到高興是一個大錯誤》（2021 年 12 月 7 日）中進行了詳細解釋。簡單地説，28nm 邏輯半導體具有以下三個特性（圖 2）：

(1) 28nm 是最後一代平面晶體管 (FinFET 從 16 / 14nm 到 3D)

(2) 不使用自對準雙圖案 (SADP) (將從 FinFET 使用 SADP)

(3) 瑞薩垂直集成型 (集成設備製造商IDM)，例如，從這一代開始將生產外包給 FinFET        

圖2 半導體技術節點和晶體管結構（很多電子器件的半導體都集中在28nm）

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

總之，台積電等代工廠生產的28nm半導體具有良好的性價比，所以包括汽車在內的很多電子設備都使用了這種半導體。受日本政府邀請，將於2024年開始運營的台積電熊本工廠也將主要生產這種28nm半導體。

不過，得益於台積電、聯電、中芯國際等代工廠的努力，28nm半導體的短缺在2021年上半年基本消除。

半導體緊缺形勢變化

圖3 是 2022 年 2 月 28 日半導體行業協會 (SIA) 網絡研討會上 VLSI Research (Tech Insights) 的 Andrea Lati 在“半導體市場概覽”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

根據圖 3，Foundry 的“短缺”或“緊缺”是到 2021 年第二季度為止，之後是“平衡”、“飽和”、“剩餘”。換言之，可以説台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）在內部生產而不外包給台積電的傳統模擬和功率半導體是“緊張的”。於是，車載半導體“Auto”在2020年第四季度變得“緊俏”，2021年後幾乎變成“短缺”。

根據圖3可知，從2021年第一季度開始，車載半導體就出現了短缺，而2021年上半年，台積電等代工廠生產的28nm出現了短缺，但在到 2021 年下半年，短缺將消失，取而代之的是瑞薩等 IDM 生產的傳統模擬和功率半導體的短缺。

汽車所需的半導體

圖 4 顯示了世界半導體貿易統計 (WSTS) 公佈的汽車中使用的半導體類型和運輸價值。

圖4 汽車用半導體（2019-2021），來源：作者根據WSTS數據製作

根據 WSTS，汽車中使用的半導體至少有 15 種。其中，模擬半導體尤為突出，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WSTS的定義，在這些模擬半導體中，功率半導體也包括在內）。這種現象也表明模擬半導體（包括電源）短缺。

那麼，為什麼汽車（包括電力）的模擬半導體市場在 2021 年迅速擴張？如圖 1 所示，生產的汽車數量正在下降。然而，模擬半導體市場有一個快速的擴張。

可以推斷，其原因在於傳統燃油車向電動汽車和汽車自動駕駛的轉變已經開始迅速蔓延。

根據畢馬威的發表資料《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體對於一輛內燃機汽車來説還不到 500 美元。另一方面，EV汽車則達到兩倍多，大約1000美元。至於自動駕駛，4級或5級的全自動駕駛將配備3000美元的半導體，是0級（手動駕駛）的8到10倍。

電動汽車需要大量的功率半導體，此外，自動駕駛汽車需要大量的模擬半導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，儘管生產的汽車數量有所減少，但安裝在汽車上的模擬半導體（包括電源）的快速擴張是由於 EV 和自動駕駛的快速擴張。

未來，電動汽車和自動駕駛將越來越流行，這意味着汽車對模擬半導體（包括電源）的需求將繼續增長。

然而，在某些情況下，模擬和功率半導體的供應無法大幅擴大。

大多數模擬和功率半導體

都在 8 英寸工廠生產

圖 5 顯示了全球 12 英寸晶圓按技術節點劃分的半導體產能（10,000 片/月）。100nm以上的遺留產能大部分是8英寸的半導體工廠。另一方面，90nm之後的產能都是12英寸的半導體廠。

圖5 12英寸轉換技術/節點產能（萬片/月）

來源：作者根據環球網股份有限公司《世界半導體工廠年鑑》和SEMI Wafer World Forecast數據製作

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，當半導體的微型化達到130nm或以後時，硅片的直徑從8英寸增加到12英寸。之後，隨着微型化的推進，12英寸的製造設備也隨着精細化的發展而進步。

因此，8英寸的精細度保持在100nm左右，但在12英寸上，台積電從2020年開始批量生產尖端5nm半導體。

而現在，許多缺乏半導體的傳統模擬和功率半導體都是在 8 英寸半導體工廠生產的。

然而，目前很難提高這種傳統模擬和功率半導體的生產能力，主要有兩個原因。

為何不能增加傳統半導體產能？

一是荷蘭ASML、美國Applied Materials、美國Lam Research、日本Tokyo Electron等主要製造設備製造商都不願意生產8英寸的製造設備。這些製造設備製造商堅持“買12英寸的設備，而不是8英寸的設備”。

因此，在製造設備市場上，8英寸的設備極為稀缺，二手設備一上市就迅速以高價銷售。因此，很難以傳統模擬和功率半導體需求巨大為由，來新建8英寸半導體工廠。

雖然因為買不到8英寸的設備而無法建立8英寸的工廠，但我們可以在12英寸的半導體工廠來製造它們。

但這並不是一件容易的事情。12英寸的製造設備正在向最尖端微細化邁進。例如，在台積電用於5nm生產的設備中，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備，並且最先進的工藝和設備無法對其進行加工。也就是説，即使要在12英寸的工廠生產至今為止在8英寸工廠生產的傳統模擬和功率半導體，也不是不可能，但這相當困難。

車載半導體的短缺

將永遠持續下去

在汽車行業，未來自動駕駛和電動汽車將繼續發展。因此，汽車對模擬和功率半導體的需求將穩步增長。然而，目前很難快速擴大 8 英寸工廠生產的傳統模擬和功率半導體的產能。

理由是由於8英寸設備難以獲得，無法新建和增建8英寸工廠，而在12英寸工廠生產8英寸傳統模擬和功率半導體也相當困難。

在這種情況下，只要汽車行業進入百年一遇的大變革時期，自動駕駛和電動汽車繼續發展，車載半導體的短缺就會持續。可以説，汽車製造商的艱難時期已經到來。

本文原發於：芯世相公眾號