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日本专家精细解读:全球汽车半导体短缺的真正原因何在?

2021-02-04 10:35:34 来源:荆州人网
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JBpress2/3刊发微细加工实验室主任汤之上隆的文章,分析全球汽车半导体短缺的真正原因,指出,由于车载半导体对先端半导体的需要,瓶颈出现在台湾台积电的先进半导体。

日本专家精细解读:全球汽车半导体短缺的真正原因何在?


汽车半导体凸显供不应求!

2021年,本田、日产、丰田、斯巴鲁等汽车厂商因汽车半导体供应不足,相继决定减少汽车产量。车载半导体的短缺,不仅限于日本,还在美国和欧洲的汽车制造商中蔓延,包括福特汽车公司、通用汽车公司和大众汽车公司。

1月24日,德国、美国、日本等将汽车视为本国重要产业的国家政府,都要求台湾“经济部”增加车载半导体的产量。这可谓是一个前所未有的事件。

在汽车半导体厂商中,按销售额计算,德国英飞凌在全球市场占有率排名第一,其次是荷兰恩智浦半导体排名第二,瑞萨电子排名第三(图1)。图1:各公司汽车半导体销售份额

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来源:Strategy Analytics;英飞凌

这些汽车半导体厂商虽然有自己的半导体工厂,但是,他们将28纳米及以上先进半导体的生产外包给台湾的台积电。而且,当它们超过自己工厂的制造能力时(图2),也会将40/45纳米及更早的传统半导体的生产外包给台积电和联电,

台积电和联电的应对措施

台积电1月29日在《日本经济新闻》上宣布,将考虑引进一种名为"超级热线"的方法,将交货时间从正常工艺的40天至50天缩短一半,最长不超过20天至25天,并表示"减少对汽车行业的影响是我们的首要任务"。这是一个临时的应对措施。但是,这只是临时的权宜之计,并不是解决问题的根本办法。

对此,解决半导体短缺的唯一办法,就是建立新的生产线。因此,要解决汽车半导体的短缺问题,至少需要半年时间。此外,在1月27日召开的新闻发布会上,联电高层表示,"不可能只优先考虑汽车的供应。我们不能打破已经接到的订单。"并表示,公司将无法增加汽车半导体的产量。

因此,一进入到2021年,汽车行业就面临着一个重大问题:汽车半导体供应短缺。在本文中,我们将试图找出汽车半导体短缺的原因。图2:台积电的技术节点和瑞萨的生产外包情况

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资料来源:图节选自台积电2019年业务。

因此,日本、美国和欧洲的许多汽车制造商都出现了半导体短缺的情况,这意味着台积电和联电生产的汽车半导体,无论是先进的还是传统的,都存在短缺。这使得日本、美国、欧洲等国政府向台湾主管部门提出了不同寻常的要求,希望台积电和联电增加汽车半导体的产量,但是,前景可能很黯淡。

在这篇文章之前,我曾写过一篇文章,题目是《为什么全世界的汽车制造商都因为半导体短缺而全面减产?可能需要一到两年才能解决》,现在看来,那里的分析还不充分。在本文中,我试图更全面地阐明汽车半导体短缺的真正原因,当然,这会与我之前的文章有一些重叠。

疫情对汽车行业的损害

图3显示了2016年至2020年日本新车销售的趋势。各个月的新车销量波动很大,但很明显,每年的3月份在财年末有一个特别大的高峰,2020年对于车企来说,直接受到疫情的冲击,很多工厂减产或停产。图3还显示,2020年新车销售疲软。图3:日本新车销量(注册量)(2016-2020年)

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资料来源:笔者根据日本汽车经销商协会的统计数据整理而成。

在此,我们将2016年至2019年的月均新车销量(以下简称均量)与2020年的销量进行对比(图4上)。然后,我们绘制出两者之间的差异,显然,2020年销量相对于月均销量的下降程度(图4下图)。图4:2016年与2019年平均销售量对比及2020年两者的差异

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资料来源:作者根据日本汽车经销商协会的统计数据。

结果显示,2020年3月和4月新车销量下降了5万余辆,5月和6月再下降8万余辆。从7月份开始,这种下降的趋势逐渐恢复,到10月份,销量比平均水平高出2.1万辆,说明几乎完全从疫情下恢复。

这种情况表明,日本汽车制造商在3月至8月期间取消了大量的车载半导体订单,当时汽车产量因疫情灾害而减少。这不仅限于日本,欧美汽车制造商的情况可能也属于相同情况。

那么,由英飞凌、恩智浦和瑞萨分包生产的台积电汽车半导体的出货量,有什么变化呢?

台积电的汽车半导体真的供不应求吗?

图5a为台积电半导体出货量的类型比例,智能手机用半导体占台积电出货量的50%,其次是高性能计算半导体(HPC),如高性能PC和高性能服务器的处理器,占30-40%。在台积电,智能手机的半导体占50%,其次是HPC(高性能计算),包括高性能PC和高性能服务器的处理器,占30-40%。

另一方面,车用半导体在台积电的占比很小,最近从2019年第3季到2020年第2季只有4%。2020年第三季度减半至2%。换句话说,台积电的汽车半导体出货量比例,确实有所下降。不过,同年第四季度恢复到3%。图5:台积电各领域的半导体出货量及百分比

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资料来源:笔者根据台积电的历史经营数据整理而成。

我们从出货量价值来看(图5B):2020年第二季度,汽车半导体的出货量为4.15亿美元,同年第三季度为2.43亿美元减,少1.72亿美元。不过,同年第四季度恢复到3.8亿美元。与下降前的第二季度相差仅0.35亿美元。

那么,仅仅是这个0.35亿万美元的汽车半导体短缺,就足以导致日本、美国和欧洲的所有主要汽车制造商减产吗?这个结论肯定难以让人信服。日本、美国和欧洲的汽车制造商不得不减产,难道就没有其他原因吗?

争夺台积电先进产能

在此,笔者想说明一下台积电的近况。图6是台积电按技术节点划分的半导体出货量,台积电在2018年第三季度开始量产7nm半导体,领先于全球其他地区,2019年推出7nm+,7nm+的空穴系统采用最先进的曝光系统EUV。2020年,同样使用EUV进行布线的5nm将开始正式量产,同年第四季度,5nm半导体占总出货量的比例达到20%。图6:台积电按技术节点划分的出货量值

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资料来源:笔者根据台积电的历史经营数据整理而成。

在2015年之前,作为全球最先进的小型化技术的美国领军者,英特尔已经退出了竞争,无法推进到10纳米以上,并且出现了将7纳米及以上的生产外包给台积电的可能性。此外,三星虽然制定了"愿景2030"的目标,即2030年在代工领域赶超台积电,但是,目前还没有掌握EUV,远远落后于台积电。

这样一来,不断研发出世界上最先进的微细加工技术的台积电,就拥有了包括苹果、高通、博通、AMD、英伟达、Xilinx、联发科、谷歌、特斯拉和亚马逊在内的大量客户。谷歌、特斯拉、亚马逊等全球领先的无晶圆厂企业纷至沓来,纷纷要求生产外包(图7)。由于美国的制裁,中国的华为不能再将生产外包给台积电,但是,这对台积电的尖端产能没有影响,台积电的产能正在出现趋紧。图7:台积电先进制程的无晶圆厂竞争情况

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英飞凌、恩智浦、瑞萨等汽车半导体厂商也都参与到这场台积电的产能争夺战中。丰田、大众和通用汽车是汽车半导体的最终客户,但是,并不意味着它们可以获得任何优惠待遇。

车载半导体到底是什么?

图8显示了2016年和2017年各类型汽车半导体的出货价值。出货价值最大的半导体是模拟,包括控制电气系统的功率半导体。接下来是微控制单元(MCU),也就是常说的微控制器、逻辑半导体(较大的称为SOC)、MOS存储器、数字信号处理器(DSP)和微处理器单元(MPU)。图8:按类型划分的汽车半导体的出货价值

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来源:IC Insights

下图为2019-2020年模拟、MCU和逻辑半导体的月度出货量,其中模拟、MCU和逻辑半导体作为汽车半导体的出货量最大(图9)。2020年3月至5月,这三类车用半导体的出货量均大幅下降。此后,三种类型的车载半导体都会恢复,但恢复的程度似乎有所不同。图9:模拟、MCU和逻辑汽车半导体的单位出货量

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资料来源:作者根据WSTS的数据编写。

模拟半导体在2020年9月增长,远高于同年3月之前的水平。而MCU和逻辑半导体则在4月和5月触底,随后有所恢复,但是,尚未达到2019年的峰值。我认为,不得不说,这里潜存着一个重大的问题,导致车载芯片出现短期。

汽车半导体的增长潜力

图10显示了从2014年到2019年五年间各行业半导体的增长情况。最大的半导体是计算用,包括高性能服务器的处理器,以及无线,包括5G通信半导体,分别只增长1.02倍和1.17倍。另一方面,汽车半导体市场排在第四至第六位,但是,在过去5年中,汽车半导体市场的增长率最大,达到1.6倍。图10:按行业分列的全球半导体市场(2014年和2019年)

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接下来,单从车用半导体来看,2012年至2019年市场增长1.6倍,预计2020年至2025年将再增长1.6倍(图11)。图11:汽车半导体的全球市场

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为什么汽车半导体市场会有如此快速的增长?

原因在于,汽车行业正在经历CASE(互联、自动、共享、电动)形式的重大变革。其中,互联方面需要最先进的5G通信半导体,自动驾驶则需要具有最先进的人工智能(AI)功能的半导体。

例如,2019年至2023年,全球自动驾驶系统市场预计将增长2.2倍(图12)。这些自动驾驶系统的核心,会是瞬间连接互联网的5G通信半导体,以及具有人工智能功能的尖端半导体。这些5G通信半导体和AI半导体在图8所示的各类汽车半导体中被归为逻辑。图12:自动驾驶系统的全球市场

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资料来源:作者根据Netscribes的数据编写。

模拟、MCU和逻辑芯片量的长期趋势。

从过去10年各种模拟半导体的发展趋势来看,自2018年以来,汽车应用市场几乎持平,不过2020年第二季度有所下降外(图13)。图13:各种模拟半导体的单位出货量变化情况

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资料来源:作者根据WSTS的数据编写。

过去十年,MCU的增长从2010年到2018年一直有所起伏,但是,自2018年中期以来似乎开始趋于平稳(图14)。图14:MCU出货量趋势

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资料来源:作者根据WSTS的数据计算得出。

另一方面,从过去10年各种逻辑半导体的发展趋势来看,汽车应用虽然市场规模不大,但自2016年以来增长迅速(图15)。如前所述,这可以归功于连接到互联网并执行自动功能的汽车数量的增加。图15:各种逻辑半导体的出货量变化情况

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资料来源:作者根据WSTS的数据编写。

然而,汽车用逻辑半导体的出货量,从2019年第四季度的10.7亿下降到2020年第二季度的9.2亿。同年第三季度恢复到10.2亿规模,但是,根据过去4年持续增长的趋势,很可能需要12亿以上,而且,如果按图推算,则需要约15亿。换句话说,2021年汽车半导体供应短缺已经显现,很可能完全是由于缺乏尖端逻辑半导体。

尖端半导体的短缺,而不是传统半导体的短缺

图16是一个证据。图16A为台积电2020年按技术节点划分的季度出货量。图16B显示了2020年第一季度各自的出货值归一化为"1"时的出货值变化,这里仅针对5nm而言,第三季度的出货值设置为"1"。图16:台积电按技术节点划分的出货价值及其变化情况。

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资料来源:笔者根据台积电的历史经营数据整理而成。

2020年第三季度低于"1"的技术节点包括90nm、65nm和40/45nm。但是,65nm节点在第4季度恢复到1以上,40/45nm节点以0.98的速度接近1,只有90nm节点以0.82的速度缓慢恢复。不过,全球汽车制造商不太可能会因为90纳米半导体的短缺而减产。

相反,认为28nm、16/20nm、7nm、5nm半导体等前沿半导体的短缺,与前沿的无晶圆厂企业争夺制造能力更有意义。简而言之,台积电正在增加前沿半导体的产量,但是,前沿无晶圆厂的需求量太大,公司无力增加汽车半导体的产量,而且,汽车半导体的产量还曾一度被取消。

车用半导体的供应短缺问题何时能解决?

对于日本、美国和欧洲政府的要求,联电回应称,无法立即增加汽车半导体的产量。此外,台积电在本报告一开始就表示,会考虑设立"超级热线",将交货时间减半,从正常流程中的40至50天缩短到最多20至25天。

但是,"超级热线"只是权宜之计,不能成为问题的根源。因此,唯一的解决办法似乎是建立一个专门用于汽车半导体的量产工厂。从建厂、安装各种生产设备、转移各种汽车半导体的工艺,需要一到两年的时间。

在这个过程中,最麻烦的是汽车半导体特有的"线路限定"。与普通半导体相比,车载半导体对可靠性的要求极高(表1)。为了确保可靠性,在开发由1000道工序组成的汽车半导体时,必须证明该工序能生产出稳定完整运行半年至一年的汽车半导体,工厂必须通过"生产线认证"。表1汽车半导体和消费类半导体所需规格比较

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资料来源:电装在第八届日经微器件可靠性论坛上的资料(2008年9月1日)。

而且,通常情况下,制造设备和工艺条件一旦通过'生产线认证',1000道工序就不可能会有改变。

即使半导体厂想改变生产线、设备、工艺条件,以便与其他产品结合,调整与其他厂的生产计划,或变更生产线、或变更装备,或变更制造工序,来促进小型化、提高良率、提高产量,下订单的上级厂商,也不会允许其这样做。

这背后是一种极其保守的理念:如果改变设备或工艺条件,导致产品有缺陷,发生汽车事故,那世界上由谁来承担责任?

根据上述情况,要彻底消除汽车半导体的供应短缺,最快可能需要一年时间,也可能需要两年或更长时间。

丰田也会有朝圣台积电之日

过去,40/45nm之前的传统工艺,是汽车半导体的标准。然而,随着汽车行业正在经历百年一遇的CASE大革命,5G通信半导体、自动驾驶的AI半导体等前沿半导体已经不可或缺。结果,半导体的需求也就成为遇到了台积电这个制造方的瓶颈。

2017年前后,云计算厂商亚马逊、微软、谷歌都曾因为数据中心所需的服务器高级DRAM短缺而拜访过三星。未来,为寻找尖端半导体,为CASE能用上最先进的芯片,丰田、大众、通用和其他汽车制造商,都得去台积电那儿朝圣拜佛。


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