本文來自微信公眾號“半導(dǎo)體行業(yè)觀察”，作者/湯之上隆。
由于長期的半導(dǎo)體不足等原因，豐田和大發(fā)工業(yè)在四月底以及之后理所應(yīng)當(dāng)?shù)囊矊⑼Ｖ蛊嚨纳a(chǎn)。
據(jù)報道，豐田將于4月30日至5月8日停止在日本國內(nèi)的14家工廠的生產(chǎn)。其中，愛知縣豐田市的高岡工廠到5月9日為止，愛知縣刈谷市的豐田車體的富士松工廠到16日為止，將逐漸停止部分生產(chǎn)線。
另外，大發(fā)工業(yè)還追加了此前宣布延長停工時間的滋賀第二工廠，以及大分市第一工廠和總公司工廠的一部分，從當(dāng)初計劃的4月30日～5月8日開始，將停工時間延長3天。此外，京都工廠也計劃于5月18日~19日停止生產(chǎn)。
在日經(jīng)新聞4月30日的報道的旁邊，刊登了一篇關(guān)于“半導(dǎo)體，24年前都會不足”的報道，這個報道汽車制造商看到會很頭痛。在這篇報道中，美國Intel CEO帕特·蓋爾辛格在4月28日的決算發(fā)表會上表示，“由于生產(chǎn)能力和生產(chǎn)設(shè)備的制約，半導(dǎo)體不足至少會持續(xù)到2024年”。
這樣的半導(dǎo)體不足要持續(xù)到什么時候呢？
筆者開始認(rèn)為，Intel CEO所說的“至少到2024年為止”并沒有解決半導(dǎo)體不足的問題，反而是讓我覺得更長期且慢性的半導(dǎo)體不足的狀態(tài)還會持續(xù)下去。
我想在本文中進行討論。首先取得結(jié)論的話，根據(jù)以下的理由，推測著傳統(tǒng)的模擬&功率半導(dǎo)體今后慢性地不足的可能性很高。
●隨著汽車的自動駕駛化以及EV化的推進，需要的半導(dǎo)體飛躍性地變多。
●大部分半導(dǎo)體都是傳統(tǒng)的模擬和功率半導(dǎo)體。
●生產(chǎn)這些傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體的是8英寸的工廠。
●由于難以確保8英寸的制造裝置，所以難以增設(shè)8英寸的半導(dǎo)體工廠。
總之，為了使自動駕駛車能運行高度的人工智能（AI），當(dāng)然需要最先進的半導(dǎo)體，但是多數(shù)必要的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體成為軟肋，對汽車生產(chǎn)造成了障礙，解決這個問題不是容易的事。汽車產(chǎn)業(yè)迎來了被稱為百年一遇的CASE（Connected、Autonomous/Automated、Shared、Electric）的大變革期，這也是一個被半導(dǎo)體不足所困擾的受難時代。
因新冠和半導(dǎo)體不足而低迷的汽車產(chǎn)業(yè)
由于2020年全球感染擴大的新冠，汽車的生產(chǎn)臺數(shù)低迷。在新冠前的2019年，世界汽車生產(chǎn)量9218萬輛，到2020年將減少1456萬輛，達到7762萬輛，2021年將更少120萬輛，達到7642萬輛。
受到新冠的影響2020年汽車的減產(chǎn)很大。但是，2021年汽車生產(chǎn)的低迷主要是由于半導(dǎo)體不足。實際上到了2021年，由于半導(dǎo)體不足導(dǎo)致汽車無法生產(chǎn)，以汽車為國家基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的日本、美國、德國各國政府，經(jīng)由臺灣政府向TSMC請求增加車載半導(dǎo)體，這是一個特例。
此時不足的半導(dǎo)體是28nm的邏輯半導(dǎo)體和MCU（Micro Controller Unit，通稱“微機”）。關(guān)于這些28nm的車載半導(dǎo)體不足的原因，在本專欄“為什么車載半導(dǎo)體不足？掌握關(guān)鍵的臺灣TSMC”（2021年3月2日）中進行了詳細說明。以下說明概要。
為什么28nm半導(dǎo)體不足？
2020年4月～6月，隨著新冠的感染擴大，汽車需求大幅下降。汽車制造商根據(jù)豐田汽車生產(chǎn)方式的整期、準(zhǔn)時供應(yīng)零部件，因此例如豐田汽車取消了向第一次承包的DENSO等的車載半導(dǎo)體訂單。于是，丹麥取消了對瑞薩等的車載半導(dǎo)體訂單，而瑞薩取消了對委托生產(chǎn)28nm以后的TSMC的訂單。
由于新冠的特殊性，電玩機、家電產(chǎn)品等28nm半導(dǎo)體的生產(chǎn)委托蜂擁而至，車載半導(dǎo)體的取消的半導(dǎo)體生產(chǎn)空間瞬間被這些半導(dǎo)體掩埋。
之后，由于2020年秋汽車的需求恢復(fù)，豐田汽車→DENSO→經(jīng)由瑞薩再次向TSMC訂購了28nm的半導(dǎo)體，但是TSMC的生產(chǎn)線被其他半導(dǎo)體占據(jù)，沒有生產(chǎn)車載半導(dǎo)體的余地。2020年秋冬季的庫存還能承受，但是過了年到了2021年，庫存也見底了，由于28nm的半導(dǎo)體產(chǎn)能不足，真的不能制造汽車了。
獨特的28nm半導(dǎo)體
2021年上半年，世界上28nm的半導(dǎo)體不足。關(guān)于這個理由，在本專欄“為建設(shè)‘TSMC熊本工廠’感到高興是大錯特錯的理由”（2021年12月7日）中進行了詳細說明。簡單地說，因為28nm的邏輯半導(dǎo)體有以下3個獨特的特征。
（1）28nm是平面晶體管的最后一代（16/14nm到三維FinFET）
（2）不使用Self-Arigind Double Patterning（SADP）（由FinFET使用SADP）
（3）瑞薩等垂直整合型（Integrated Device Manufacture、IDM）將從這一代生產(chǎn)委托給半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)
總之，TSMC等半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)的28nm的半導(dǎo)體因為成本投資效率好，所以包括汽車在內(nèi)的很多電子設(shè)備都使用了這種半導(dǎo)體。日本政府引進的、從2024年開始運轉(zhuǎn)的TSMC熊本工廠也計劃主要生產(chǎn)28nm的半導(dǎo)體。
然而，由于TSMC、UMC、SMIC等的半導(dǎo)體制造廠的努力，28nm的半導(dǎo)體不足在2021年的前半期幾乎全部消除了（雖然與本稿的內(nèi)容無關(guān)，但是在TSMC熊本工廠到底有沒有制作的東西呢？）。
半導(dǎo)體不足的狀況變化
圖3是2022年2月28日在美國半導(dǎo)體工業(yè)會（Semiconductor Industry Assiociation，簡稱SIA）的網(wǎng)絡(luò)研討會，VLSI Research（Tech Insights）的Andrea Lati在“Semiconductor Market Overview”上發(fā)表的一張幻燈片（本發(fā)表的幻燈片現(xiàn)在也可以從SIA的網(wǎng)站下載）。
根據(jù)該圖3，半導(dǎo)體制造廠的“Shortage（不足）”或“Tight（逼迫）”截止到2021年第2季度，之后為“Balanced（剛好）”、“Saturated（飽和）”、“Lose（剩余）”。也就是說，在2021年第3季度以后，TSMC等半導(dǎo)體制造廠的窘迫得以解除。
然而，瑞薩等IDM的“Tight”卻一直持續(xù)到2020年第二季度到2022年2月18日。并且，瑞薩等公司不委托TSMC生產(chǎn)，而自己公司生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬功率半導(dǎo)體和IDM一樣，從2020年第2季度到2022年2月18日成為“Tight”。其結(jié)果是，車載半導(dǎo)體“Auto”在2020年第4季度成為“Tight”，2021年以后基本上變成了“Shortage”。
也就是說從該圖3可以說明，2021年第1季度以后車載半導(dǎo)體不足，2021年前半期TSMC等半導(dǎo)體制造廠生產(chǎn)的28nm不足，但2021年后半期那個不足被解除，取而代之的是瑞薩等IDM生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬功率半導(dǎo)體不足的事態(tài)。
汽車所需的半導(dǎo)體
圖4表示世界半導(dǎo)體市場統(tǒng)計（World Semiconductor Trade Statics、WSTS）發(fā)表的用于汽車的半導(dǎo)體的種類和出貨額。
根據(jù)WSTS，用于汽車的半導(dǎo)體至少有15種。其中最引人注目的是模擬半導(dǎo)體，在2019年和2020年時為150億美元以下，到2021年急劇增加到約240億美元（另外，在WSTS的定義中，這個模擬半導(dǎo)體中也包含了功率半導(dǎo)體。從這種行為來看，仿佛模擬半導(dǎo)體（包括功率）不足。
那么，為什么2021年汽車用模擬半導(dǎo)體市場急速擴大呢？如圖1所示，汽車的生產(chǎn)臺數(shù)在減少。盡管如此，半導(dǎo)體需求急劇擴大。
可以推測那個原因是汽車的EV化和自動駕駛化開始急速普及。根據(jù)咨詢公司KPMG的發(fā)表資料《車載半導(dǎo)體：新的ICE時代》（2020年4月23日），一輛汽車上搭載的半導(dǎo)體，內(nèi)燃機車在500美元以下，而EV則是其2倍以上，約1000美元。另外，關(guān)于自動駕駛相對于零級（手動運轉(zhuǎn)），完全自動運轉(zhuǎn)的4級或5級搭載了約3000美元的半導(dǎo)體，是8～10倍。
EV需要很多功率半導(dǎo)體。另外，自動駕駛車需要很多對來自各種傳感器的模擬信息進行處理的模擬半導(dǎo)體。也就是說，從2020年到2021年，盡管汽車的生產(chǎn)臺數(shù)減少了，但是搭載在汽車上的模擬半導(dǎo)體急速擴大，可以說是EV化和自動駕駛化開始推進的原因。
而且，EV化和自動駕駛化今后會更加快速普及。這意味著（包括功率）模擬半導(dǎo)體的需求今后也將繼續(xù)增加。
但是，也有不能飛躍性地擴大模擬和功率半導(dǎo)體的供給量的情況。
大多數(shù)模擬和功率半導(dǎo)體是在8英寸工廠生產(chǎn)的
圖5是全世界12英寸晶圓換算技術(shù)節(jié)點的半導(dǎo)體生產(chǎn)能力（萬張/月）。超過100nm的傳統(tǒng)電容器幾乎都是8英寸的半導(dǎo)體工廠。另一方面，90nm以后的容量全部是12英寸的半導(dǎo)體工廠。
因此，在100nm附近有8英寸和12英寸的邊界線。其理由是，2000年左右，當(dāng)半導(dǎo)體微細化達到130nm以后，硅晶圓的直徑從8英寸大口徑變成了12英寸。那之后，隨著精細化的發(fā)展，12英寸用的制造裝置為了應(yīng)對其精細性而不斷進步。
因此，8英寸的微細性仍停留在100nm附近，而12英寸的TSMC則從2020年開始批量生產(chǎn)最先進的5nm半導(dǎo)體。
而且，現(xiàn)在半導(dǎo)體不足的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體大多在8英寸的半導(dǎo)體工廠生產(chǎn)。
然而，很難增加這種傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體的生產(chǎn)能力。有兩個理由。
不能增加傳統(tǒng)半導(dǎo)體的生產(chǎn)能力的理由
首先，荷蘭ASML、美國應(yīng)用材料、美國科林研發(fā)、日本東京電子等大型制造裝置制造商不想制造8英寸用的制造裝置。因為這些制造裝置制造商主張“不要買8英寸用的，要買12英寸用的裝置”。
結(jié)果，在制造裝置市場，8英寸用的裝置極端缺貨，二手裝置一上市，很快就會以高價賣出。因此，雖說傳統(tǒng)的模擬和功率半導(dǎo)體的需求很大，但增設(shè)8英寸的半導(dǎo)體工廠變得困難。
如果8英寸的裝置不能得到，8英寸的工廠不能建設(shè)的話，需求方可能會認(rèn)為就在12英寸工廠制造傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體好了。
但是，這并不是簡單的事情。12英寸的制造裝置為了能夠?qū)崿F(xiàn)最先進的精細化而取得了進步。例如，TSMC在5nm的生產(chǎn)中使用的裝置，即使想加工100nm以上（例如100～500nm）的模式，恐怕也不行。
粗糙的圖案的加工需要適合它的工序和裝置，最先進的工藝和裝置不能進行那個加工。也就是說，至今為止在8英寸工廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體，即使想在12英寸工廠生產(chǎn)，也不能說不可能，但是相當(dāng)難。
車載半導(dǎo)體不足會持續(xù)下去的，永遠
在汽車產(chǎn)業(yè)界，今后自動駕駛化和EV化會越來越先進吧。其結(jié)果是，汽車用模擬和功率半導(dǎo)體的需求將不斷增加。但是，在8英寸工廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體的生產(chǎn)能力很難迅速擴大。
原因是8英寸的裝置很難入手，所以8英寸的工廠不能增設(shè)，以及在12英寸的工廠生產(chǎn)8英寸工廠生產(chǎn)的傳統(tǒng)模擬和功率半導(dǎo)體也相當(dāng)困難。
如此一來，汽車產(chǎn)業(yè)將迎來100年一次的大變革期，只要自動駕駛化和EV化繼續(xù)發(fā)展，車載半導(dǎo)體不足就會持續(xù)下去?？梢哉f對于汽車制造商來說，災(zāi)難的時代到來了。
