汽车芯片，缺到什么时候？
2022-05-15
14:00:08
来源: 半导体行业观察
由于长期的半导体不足等原因，丰田和大发工业在四月底以及之后理所应当的也将停止汽车的生产。
据报道，丰田将于4月30日至5月8日停止在日本国内的14家工厂的生产。其中，爱知县丰田市的高冈工厂到5月9日为止，爱知县刈谷市的丰田车体的富士松工厂到16日为止，将逐渐停止部分生产线。
另外，大发工业还追加了此前宣布延长停工时间的滋贺第二工厂，以及大分市第一工厂和总公司工厂的一部分，从当初计划的4月30日～5月8日开始，将停工时间延长3天。此外，京都工厂也计划于5月18日~19日停止生产。
在日经新闻4月30日的报道的旁边，刊登了一篇关于“半导体，24年前都会不足”的报道，这个报道汽车制造商看到会很头痛。在这篇报道中，美国Intel CEO帕特·盖尔辛格在4月28日的决算发表会上表示，“由于生产能力和生产设备的制约，半导体不足至少会持续到2024年”。
笔者开始认为，Intel CEO所说的“至少到2024年为止”并没有解决半导体不足的问题，反而是让我觉得更长期且慢性的半导体不足的状态还会持续下去。
我想在本文中进行讨论。首先取得结论的话，根据以下的理由，推测着传统的模拟&功率半导体今后慢性地不足的可能性很高。
总之，为了使自动驾驶车能运行高度的人工智能（AI），当然需要最先进的半导体，但是多数必要的传统模拟和功率半导体成为软肋，对汽车生产造成了障碍，解决这个问题不是容易的事。汽车产业迎来了被称为百年一遇的CASE（Connected、Autonomous/Automated、Shared、Electric）的大变革期，这也是一个被半导体不足所困扰的受难时代。
由于2020年全球感染扩大的新冠，汽车的生产台数低迷。在新冠前的2019年，世界汽车生产量9218万辆，到2020年将减少1456万辆，达到7762万辆，2021年将更少120万辆，达到7642万辆。
受到新冠的影响2020年汽车的减产很大。但是，2021年汽车生产的低迷主要是由于半导体不足。实际上到了2021年，由于半导体不足导致汽车无法生产，以汽车为国家基础产业的日本、美国、德国各国政府，经由台湾政府向TSMC请求增加车载半导体，这是一个特例。
此时不足的半导体是28nm的逻辑半导体和MCU（Micro Controller Unit，通称“微机”）。关于这些28nm的车载半导体不足的原因，在本专栏“为什么车载半导体不足？掌握关键的台湾TSMC”（2021年3月2日）中进行了详细说明。以下说明概要。
2020年4月～6月，随着新冠的感染扩大，汽车需求大幅下降。汽车制造商根据丰田汽车生产方式的整期、准时供应零部件，因此例如丰田汽车取消了向第一次承包的DENSO等的车载半导体订单。于是，丹麦取消了对瑞萨等的车载半导体订单，而瑞萨取消了对委托生产28nm以后的TSMC的订单。
由于新冠的特殊性，电玩机、家电产品等28nm半导体的生产委托蜂拥而至，车载半导体的取消的半导体生产空间瞬间被这些半导体掩埋。
之后，由于2020年秋汽车的需求恢复，丰田汽车→DENSO→经由瑞萨再次向TSMC订购了28nm的半导体，但是TSMC的生产线被其他半导体占据，没有生产车载半导体的余地。2020年秋冬季的库存还能承受，但是过了年到了2021年，库存也见底了，由于28nm的半导体产能不足，真的不能制造汽车了。
2021年上半年，世界上28nm的半导体不足。关于这个理由，在本专栏“为建设‘TSMC熊本工厂’感到高兴是大错特错的理由”（2021年12月7日）中进行了详细说明。简单地说，因为28nm的逻辑半导体有以下3个独特的特征。
（1）28nm是平面晶体管的最后一代（16/14nm到三维FinFET）
（2）不使用Self-Arigind Double Patterning（SADP）（由FinFET使用SADP）
（3）瑞萨等垂直整合型（Integrated Device Manufacture、IDM）将从这一代生产委托给半导体制造厂生产
总之，TSMC等半导体制造厂生产的28nm的半导体因为成本投资效率好，所以包括汽车在内的很多电子设备都使用了这种半导体。日本政府引进的、从2024年开始运转的TSMC熊本工厂也计划主要生产28nm的半导体。
然而，由于TSMC、UMC、SMIC等的半导体制造厂的努力，28nm的半导体不足在2021年的前半期几乎全部消除了（虽然与本稿的内容无关，但是在TSMC熊本工厂到底有没有制作的东西呢？）。
图3是2022年2月28日在美国半导体工业会（Semiconductor Industry Assiociation，简称SIA）的网络研讨会，VLSI Research（Tech Insights）的Andrea Lati在“Semiconductor Market Overview”上发表的一张幻灯片（本发表的幻灯片现在也可以从SIA的网站下载）。
根据该图3，半导体制造厂的“Shortage（不足）”或“Tight（逼迫）”截止到2021年第2季度，之后为“Balanced（刚好）”、“Saturated（饱和）”、“Lose（剩余）”。也就是说，在2021年第3季度以后，TSMC等半导体制造厂的窘迫得以解除。
然而，瑞萨等IDM的“Tight”却一直持续到2020年第二季度到2022年2月18日。并且，瑞萨等公司不委托TSMC生产，而自己公司生产的传统模拟功率半导体和IDM一样，从2020年第2季度到2022年2月18日成为“Tight”。其结果是，车载半导体“Auto”在2020年第4季度成为“Tight”，2021年以后基本上变成了“Shortage”。
也就是说从该图3可以说明，2021年第1季度以后车载半导体不足，2021年前半期TSMC等半导体制造厂生产的28nm不足，但2021年后半期那个不足被解除，取而代之的是瑞萨等IDM生产的传统模拟功率半导体不足的事态。
图4表示世界半导体市场统计（World Semiconductor Trade Statics、WSTS）发表的用于汽车的半导体的种类和出货额。
根据WSTS，用于汽车的半导体至少有15种。其中最引人注目的是模拟半导体，在2019年和2020年时为150亿美元以下，到2021年急剧增加到约240亿美元（另外，在WSTS的定义中，这个模拟半导体中也包含了功率半导体。从这种行为来看，仿佛模拟半导体（包括功率）不足。
那么，为什么2021年汽车用模拟半导体市场急速扩大呢？如图1所示，汽车的生产台数在减少。尽管如此，半导体需求急剧扩大。
可以推测那个原因是汽车的EV化和自动驾驶化开始急速普及。根据咨询公司KPMG的发表资料《车载半导体：新的ICE时代》（2020年4月23日），一辆汽车上搭载的半导体，内燃机车在500美元以下，而EV则是其2倍以上，约1000美元。另外，关于自动驾驶相对于零级（手动运转），完全自动运转的4级或5级搭载了约3000美元的半导体，是8～10倍。
EV需要很多功率半导体。另外，自动驾驶车需要很多对来自各种传感器的模拟信息进行处理的模拟半导体。也就是说，从2020年到2021年，尽管汽车的生产台数减少了，但是搭载在汽车上的模拟半导体急速扩大，可以说是EV化和自动驾驶化开始推进的原因。
而且，EV化和自动驾驶化今后会更加快速普及。这意味着（包括功率）模拟半导体的需求今后也将继续增加。
但是，也有不能飞跃性地扩大模拟和功率半导体的供给量的情况。
图5是全世界12英寸晶圆换算技术节点的半导体生产能力（万张/月）。超过100nm的传统电容器几乎都是8英寸的半导体工厂。另一方面，90nm以后的容量全部是12英寸的半导体工厂。
因此，在100nm附近有8英寸和12英寸的边界线。其理由是，2000年左右，当半导体微细化达到130nm以后，硅晶圆的直径从8英寸大口径变成了12英寸。那之后，随着精细化的发展，12英寸用的制造装置为了应对其精细性而不断进步。
因此，8英寸的微细性仍停留在100nm附近，而12英寸的TSMC则从2020年开始批量生产最先进的5nm半导体。
而且，现在半导体不足的传统模拟和功率半导体大多在8英寸的半导体工厂生产。
然而，很难增加这种传统模拟和功率半导体的生产能力。有两个理由。
首先，荷兰ASML、美国应用材料、美国科林研发、日本东京电子等大型制造装置制造商不想制造8英寸用的制造装置。因为这些制造装置制造商主张“不要买8英寸用的，要买12英寸用的装置”。
结果，在制造装置市场，8英寸用的装置极端缺货，二手装置一上市，很快就会以高价卖出。因此，虽说传统的模拟和功率半导体的需求很大，但增设8英寸的半导体工厂变得困难。
如果8英寸的装置不能得到，8英寸的工厂不能建设的话，需求方可能会认为就在12英寸工厂制造传统模拟和功率半导体好了。
但是，这并不是简单的事情。12英寸的制造装置为了能够实现最先进的精细化而取得了进步。例如，TSMC在5nm的生产中使用的装置，即使想加工100nm以上（例如100～500nm）的模式，恐怕也不行。
粗糙的图案的加工需要适合它的工序和装置，最先进的工艺和装置不能进行那个加工。也就是说，至今为止在8英寸工厂生产的传统模拟和功率半导体，即使想在12英寸工厂生产，也不能说不可能，但是相当难。
在汽车产业界，今后自动驾驶化和EV化会越来越先进吧。其结果是，汽车用模拟和功率半导体的需求将不断增加。但是，在8英寸工厂生产的传统模拟和功率半导体的生产能力很难迅速扩大。
原因是8英寸的装置很难入手，所以8英寸的工厂不能增设，以及在12英寸的工厂生产8英寸工厂生产的传统模拟和功率半导体也相当困难。
如此一来，汽车产业将迎来100年一次的大变革期，只要自动驾驶化和EV化继续发展，车载半导体不足就会持续下去。可以说对于汽车制造商来说，灾难的时代到来了。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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