汽车芯片缺货原因深究

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编者按:本文来自微信公众号“半导体行业观察”(ID:icbank),作者:汤之上隆,36氪经授权发布。

来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank)编译自「biz-journal」,笔者:汤之上隆

2020年在全球范围内爆发的新冠肺炎直击汽车行业。汽车需求“蒸发”、全球各车企工厂相继停工。原以为市场需求、汽车生产都会在2020年下半年复苏,熟料进入2021年,车载半导体供给不足、汽车厂家再次陷入减产困局。

首先,本田汽车在1月7日宣布,由于用于车辆控制系统的半导体供给不足,1月份减产约4,000辆,包括小轿车“飞度(Fit)”(1月8日日本经济新闻)。其次,日产汽车在1月8日宣布,由于电子产品(包含半导体构成)的采购出现问题,下调小轿车“NOTE”5,000辆的生产(1月9日日本经济新闻)。

图片出自:biz-journal

当日日本经济新闻还发表文章如下,丰田汽车于1月8日宣布,由于半导体采购问题,下调由美国工厂生产的皮卡——“Tundra”。历年来,丰田汽车都会在这个时候向零部件供应商说明次年度的生产计划,而今年却仅公布了“暂定值”,实属罕见。

此外,日本经济新闻的文章还指出,减产的不仅有本田、日产、丰田等日系车企,美国福特、美国通用汽车、美国菲亚特克莱斯勒汽车(Fiat Chrysler Automobiles)、德国大众等欧美系车企也相继因半导体供给不足而减产或调整生产。

车载半导体缘何供给不足?

之前有文章提出车载半导体供给不足的原因如下:“由于电动汽车(EV)、无人驾驶汽车的普及,导致车载半导体需求高涨”、“一辆EV的半导体使用量是一辆汽油车的两倍”、“新冠肺炎带来的’宅家’促使了PC、智能手机方向的半导体需求扩大”、“全球最大半导体代工厂台湾TSMC的尖端产品订单已经覆盖到半年以后”等。因此,“需要将近半年的时间才能使车载半导体的供给恢复正常”。

但是,以上内容很难成为全球车载半导体供给不足的理由。于是,笔者就在本文中详细叙述车载半导体供给不足的理由。届时,笔者还会列举以下个案(Case Study):因2011年3月11日发生的东日本大地震,位于茨城县的车载半导体工厂——瑞萨电子那珂工厂受灾的事例。其次,再揭示导致当下车载半导体供给不足的真正原因。最后,再提出笔者的预测,即解决车载半导体供给问题至少需要半年、甚至1-2年的时间。

车载半导体的特殊性

下表1是车载半导体与用于一般数码家电等消费电子产品的半导体的要求规格的比较表。即,此表虽出自2008年9月1日电装发布的《第五届信赖性论坛》(主办:日经Micro Device),即使在今天也不过时。

表格出自:日经Micro Device第五届信赖性论坛的资料。2008年9月1日

从表1可以看出,车载半导体在以下环境中可以保证20年的质量:温度为-40-175(200)度、湿度为95%、50G的激烈震动、15-25Kv的静电,不良率仅为1ppm(百万分之一)。且价格被定为“Low”。即,与消费型半导体相比,车载半导体具有极高的可靠性。

然而,据瑞萨那珂工厂的从事车载半导体生产的技术人员透露,汽车厂家岂止是要求一百万分之一,而是要求“不良率为零”!哪怕一个小小的车载半导体发生作业不良,就可能引起交通事故、导致人员死亡。因此,必须保证“零不良率”!无论是生产100万个产品、还是生产1,000万个产品,都要保证100%良率!因此,不存在“不良率ppm”这一定义。必须要“零不良率”。

以上要求是可以理解的,然而却是无法实现的。因为无法使批量生产的工业产品达到100%良率!因此,理想状态下可以实现以上要求,但不适用于工业产品。

然而,瑞萨的那珂工厂确实是要求“零不良率”。而且,为了实现“零不良率”,在生产车载半导体时,丰田等汽车厂家针对瑞萨的半导体工厂实行了“产线认定”。

什么是“产线认定”?

比方说,瑞萨的那珂工厂为生产丰田的发动机控制半导体(Engine Control Unit,ECU),专门研发了一套由500个工序组成的生产制程。基于此制程,瑞萨在半年–一年的时间内连续生产ECU,当瑞萨可以稳定地生产出正常工作的ECU时,丰田汽车对瑞萨的产线进行“认定”。此外,被赋予“产线认定”的由500道工序组成的制程,原则上不可以更改生产设备、制程条件。

就瑞萨而言,即使为了“和谐”地与其他产品共存、调整与其他工厂之间的生产计划、推进微缩化、提高良率、提高产出等目的,而希望改造产线、更换设备、更改工艺条件,作为客户的汽车厂家也不会同意的。以此为背景,如果更换了设备和工艺条件,从而导致不良发生,结果又引起了汽车事故问题,“到底是谁的责任”?

在以上种种苛刻的束缚条件下得到汽车厂家的认定、生产具有超高信赖水平的车载半导体,且价格也要做到“Low”,因此曾听到瑞萨的技术人员吐露真言:“其实我们真不想生产车载半导体”!

因东日本大地震而受灾的瑞萨那珂工厂

受到丰田汽车“产线认定”的瑞萨那珂工厂却在2011年3月11日因东日本大地震而受灾,大批生产设备遭到破坏、洁净室的墙壁上也出现了裂痕,直接导致瑞萨的那珂工厂无法再为丰田生产ECU,且丰田无法生产油电混合汽车“普锐斯(PRIUS)”。

最终,丰田和电装为了支援瑞萨那珂工厂的复原,派送了约2,500名员工。当时,丰田的ECU在瑞萨那珂工厂的8英寸产线上由0.18um工艺生产。除了那珂工厂,瑞萨的西条工厂、滋贺工厂、川尻工厂、新加坡工厂等都有0.18um的8英寸产线,都可以代替那珂工厂生产。

然而,瑞萨和丰田都不打算由其他工厂代替生产,坚持复原受灾的那珂工厂。听说其理由是“产线认定”。即,如果在那珂工厂以外的其他工厂为丰田生产ECU,需要再次进行“产线认定”,又要花费半年-—一年的时间。因此,他们认为修复那珂工厂受灾的产线比新的“产线认定”花费的时间更短。

如此一来,每当要生产信赖性极高的车载半导体时,汽车厂家就规定必须花费半年—一年的时间进行“产线认定”。此外,即使半导体工厂发生问题,也不会轻易地转移到其他半导体工厂生产。

28纳米以后由TSMC代工

45-40纳米世代时,由瑞萨自行设计、内部生产。然而,随着微缩化的发展,研发费用、设备投资方面花费的资金越来越高。于是,瑞萨仅自行设计28纳米以后的车载半导体,委托给TSMC代工生产(2018年3月26日日经新闻)。

换言之,采用45-40纳米传统工艺的车载半导体由瑞萨自行生产,28纳米以后的需要尖端工艺的车载半导体全部委托给TSMC生产,即瑞萨成为了名为“Fab Lite”的半导体厂家。(如下图1)

图1:TSMC的技术节点和瑞萨的外包生产。(图片出自:笔者从TSMC的2019 Business的图中汇总了此图。)

当时,笔者还特意询问了瑞萨的相关人士:“TSMC的半导体工厂是否也需要‘产线认定’ ”。瑞萨的回答是“当然需要,TSMC的车载半导体产线已经获得了‘产线认定’资格”。

车载半导体的变化

近几年来,车载半导体发生了巨大的变化,2011年瑞萨那珂工厂因东日本大地震而受灾时,丰田的ECU采用的是8英寸的0.18纳米工艺(上文已经叙述)。换句话说,十年前的大部分车载半导体都是采用传统工艺生产的,且很少使用尖端工艺。这是因为就车载半导体的生产而言,传统工艺可以满足要求,且由于汽车厂家的严格要求、很难开发新的工艺。然而,这几年来,汽车产业迎来了CASE(Connected、Autonomous、Shared & Services、Electric)大潮,进入了百年一度的大变革时期。就如同本文开头所述——“一辆EV的半导体使用量是一辆汽油车的两倍”,车载半导体的使用数量、种类逐年在增加。

尤其是“C”、“A”,即联网无人驾驶汽车在逐步普及,这种汽车需要搭载由尖端工艺生产的通信半导体(符合5G通信规格,如美国高通的Base Band Processor、基带处理器),此外要运行这种无人驾驶汽车,还需要由尖端工艺生产的人工智能(AI)半导体(比方说,美国NVIDIA的GPU)。

总而言之,随着CASE时代的到来,并不是所有的车载半导体都可以由传统工艺生产,5G通信、AI半导体必须由TSMC的7纳米、5纳米等尖端工艺生产。

TSMC的尖端工艺的产能供不应求

TSMC于2018年量产7纳米,2019年启动采用了最尖端曝光设备EUV的7nm+工艺,2020年启动5纳米的量产,今年(2021年)开始3纳米的风险量产。3纳米的正式量产计划在2022年,据说目前正在筹备2024年量产的2纳米的生产设备、材料。

如上所述,TSMC走在全球尖端微缩化的最前沿,但其产能却严重不足。换句话说,苹果、高通、AMD、NVIDIA、博通、赛灵思(Xilinx)、联发科等全球Fabless都希望设计出最先进的半导体,并委托给TSMC生产。(如下图2)

图2:Fabless围绕TSMC的尖端工艺进行“争夺战”。

此外,在2015年之前都是英特尔引领着全球最先进的微缩化技术。自2016年十纳米启动失败后,就一直“原地踏步”。结果,英特尔差点将7纳米以后的产品委托给TSMC生产。这也是TSMC尖端工艺产能吃紧的原因之一。

此外,瑞萨等车载半导体厂家也陷入了争夺TSMC尖端工艺产能的旋涡之中。2020年爆发的新冠肺炎对TSMC的车载半导体生产又造成了什么影响呢?

新冠肺炎对汽车产业的打击

下图3是2016年-2020年日本新车销售数量推移表,每月的新车销售数量浮动很大,但是在每个财政年度末的3月份都会出现顶峰,这也是可以理解的。2020年受新冠肺炎的冲击,很多汽车厂家减产、停工。从下图3可以看出2020年新车销售数量低迷。

图3:日本的新车销售数量(统计)数量(2016年-2020年)

(图片出自:笔者根据一般社团法人日本汽车销售协会联合会的统计数字制作了此图。)

日本的新车销售数量(万辆)

此处,比较2016年-2019年每月新车平均销售数量(以下简称为:平均数量)与2020年的销售数量后,得出下图4的上半部分。此外,且笔者将二者的差(即2020年每月的平均销售数量到底下滑至何种程度)制成了下图4的下半部分。

图4:2016年-2019年的平均销售数量与2020年的比较,以及差距。

(图片出自:笔者根据一般社团法人日本汽车销售协会联合会的统计数字制作了此图。)

结果,2020年3月-4月期间新车销售数量下滑5万多辆,5月-6月期间下滑8万多辆。下滑趋势在7月份以后得以缓和,10月份超平均销售数量约2.1万辆,可以说完全恢复了。

基于以上情况,今年(2021年)各家汽车厂商应该都会按照计划生产新车。然而,如文章开头所述,由于车载半导体供给不足,全球汽车厂家被迫减产。那么,车载半导体真的供不应求吗?

TSMC的各种半导体的出货金额

下图5是TSMC的各类半导体的出货金额。首先,2018年下半年以来,智能手机方向的半导体占据TSMC出货金额的约50%。其中,包含智能手机应用处理器(AP)、4G&5G通信半导体等。其中最大的客户就是销售iPhone的美国苹果。

图5:TSMC的各种半导体的出货金额占比。(图片出自:Biz-journal)

此外,从上图可知,进入2020年,High Performance Computing的占比大幅度提升。主要原因在于,新冠肺炎引起全球范围内远程办公的普及,且人们不得已宅在家中,导致网购大幅度发展、高性能游戏机畅销。比方说,随着远程办公的普及,PC需求扩大,推动了美国的处理器厂家AMD(将委托给TSMC代工)的业务扩大。此外,由于全球范围内通信数据的大幅度增长,亚马逊、微软、谷歌等云服务企业也开始踊跃建设数据中心,他们的数据中心都需要大量的服务器,这些服务器又都需要搭载高性能的处理器。因此,High Performance Computing的占比大幅度提升。

TSMC的车载半导体占比

另一方面,车载半导体(Automotive)在TSMC的出货金额中的占比本来就不是很高,2020年第一四半期、第二四半期分别为4%,第三四半期下滑至2%。主要原因如下:汽车厂家受到新冠肺炎的冲击,尤其是在2020年5月-6月期间,汽车厂家大幅度下调新车生产(如图4),因此大幅度削减了对TSMC下发的车载半导体订单。

以丰田为代表的汽车厂家采用“Just In Time”的经营手法,尽力减少库存水准。此外,就半导体的生产而言,从晶圆入厂到经历500道工序(尖端产品需要约1,000道工序),约需要2-3个月左右的时间。比方说,如果事先了解到每年三月份新车销售数量会倍增,至少在半年之前就要下发所需的车载半导体订单。

然而,由于突然袭来的新冠肺炎,汽车厂家无法按照计划生产新车,也就大幅度削减了向TSMC下发订单。因此,TSMC的车载半导体出货金额占比在2020年第三四半期下滑了一半,下滑至2%。对此,TSMC采取了什么行动呢?

车载半导体缘何供给不足?

2020年下半年,TSMC的车载半导体工厂的稼动率应该远远低于正常水平。但是,先进Fabless厂家对TSMC的代工要求却源源不绝。作为TSMC,应该不会让那些稼动率低下的工厂闲置,而是会把Fabless要求的5G、AI半导体安排在这些工厂中生产。

因此,可以推测出原本车载半导体的专用工厂瞬间转换为生产“其他尖端半导体”。而且,“其他尖端半导体”的生产需要花费2-3个月时间,这期间,无法再转回车载半导体。这是车载半导体供给不足的第一个理由。

其次,即使“其他尖端半导体”的生产在2020年内得以完成、并再次转回车载半导体的生产,仅完成晶圆工艺也需要2-3个月的时间。因此,这期间汽车厂家无法采购车载半导体。这是车载半导体供给不足的第二个理由。

车载半导体供给不足何时可以解决?

此外,已经生产了“其他尖端半导体”的工厂很有可能无法迅速转回生产车载半导体。其理由有二。

首先,“其他尖端半导体”(比方说用于5G、High Performance Computing等方向的半导体)需求极大,且利润率很高(至少不需要像车载半导一样具有超高的信赖性、也不需要“产线认定”),因此,TSMC很可能会优先考虑经济效益、暂时不在那些工厂里生产车载半导体。这种情况下,TSMC就需要在其他地方建设车载半导体专用工厂,从零开始“产线认定”,至少需要花费1-2年的时间。

其次,在生产完“其他尖端半导体”后,转回生产车载半导体的情况下,也很可能无法马上生产出完成品。生产“其他尖端半导体”时,虽然不需要更换设备,但会大幅度调整工艺条件。就拥有真空腔的设备(如干蚀设备、CVD设备、溅射设备等)而言,其内部很有可能会发生变化。

因此,即使花费2-3个月试做了车载半导体,但还需要确认能否满足上表1中的规格。此时,如果无法生产出符合要求的车载半导体的话,需要重新研发500-1,000道工序。于是,要再次获得“产线认定”,至少要花费半年–一年的时间。

综上所述,要解决车载半导体供给不足的问题,可以预测至少需要半年-一年的时间(甚至会花费1-2年的时间)。可以说日本经济新闻的文章《恢复车载半导体的供给需要花费半年时间》也是较乐观的看法。对于很多汽车厂家来说,事态不容乐观。

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