半導(dǎo)體設(shè)備缺芯，影響遠(yuǎn)超你想象
2022-05-04
全球半導(dǎo)體供應(yīng)失衡阻礙了無(wú)數(shù)行業(yè)，包括汽車(chē)和醫(yī)療等重要領(lǐng)域以及工人和消費(fèi)者。在全球范圍內(nèi)，政策制定者正在提高半導(dǎo)體制造能力，以加強(qiáng)供應(yīng)鏈，并通過(guò)總計(jì)數(shù)千億美元的強(qiáng)有力的激勵(lì)方案滿(mǎn)足對(duì)半導(dǎo)體不斷增長(zhǎng)的需求。提高半導(dǎo)體制造能力的全球努力取決于額外半導(dǎo)體制造設(shè)備 (SME：semiconductor manufacturing equipment) 的生產(chǎn)和安裝。簡(jiǎn)單地說(shuō)，沒(méi)有更多的SME，就不可能有額外的產(chǎn)能。
芯片短缺導(dǎo)致晶圓廠設(shè)備和其他復(fù)雜半導(dǎo)體制造工具的交貨時(shí)間增加。2020 年晶圓廠設(shè)備的交貨時(shí)間在 3 到 6 個(gè)月之間，2021 年第一季度平均延長(zhǎng)至 10 個(gè)月，到 2021 年 7 月甚至進(jìn)一步延長(zhǎng)至平均 14 個(gè)月。對(duì)于某些晶圓廠設(shè)備，交貨時(shí)間超過(guò)兩個(gè)年。
確保中SME所需的芯片供應(yīng)將顯著縮短半導(dǎo)體設(shè)備制造商在不改變分配策略的情況下擴(kuò)大產(chǎn)能所需的晶圓廠設(shè)備的交貨時(shí)間。
所有擴(kuò)大芯片生產(chǎn)的努力都取決于SME
設(shè)備交付周期的延長(zhǎng)阻礙了晶圓廠的邊際擴(kuò)張，因?yàn)樵谶@些地方有足夠的空間來(lái)增加產(chǎn)能，并可能?chē)?yán)重阻礙廣泛的設(shè)備制造商及其供應(yīng)鏈的擴(kuò)張努力——從材料和工藝設(shè)備供應(yīng)商到封裝和測(cè)試供應(yīng)商。
根據(jù)SEMI 世界晶圓廠預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì) 2020 年至 2024 年間將有 86 家新晶圓廠或主要晶圓廠擴(kuò)建項(xiàng)目投產(chǎn)（見(jiàn)圖 1），這代表此期間 200 毫米晶圓廠總產(chǎn)能增長(zhǎng) 20%，300 毫米晶圓廠產(chǎn)能增長(zhǎng) 44%。更長(zhǎng)的設(shè)備交付時(shí)間意味著計(jì)劃中的芯片產(chǎn)能提升速度較慢，可能會(huì)延長(zhǎng)短缺時(shí)間。
圖 1：按地區(qū)劃分的新 300 毫米和 200 毫米晶圓廠預(yù)計(jì)將于 2020 年至 2024 年投產(chǎn)。
SME 的生產(chǎn)依賴(lài)于相對(duì)少量的半導(dǎo)體，這些半導(dǎo)體通常由合同制造商向 SME 原始設(shè)備制造商 (OEM) 購(gòu)買(mǎi)并整合到 SME 組件中。這些面向SME OEM 和代工制造商的芯片在全球半導(dǎo)體市場(chǎng)中的占比遠(yuǎn)低于 1%。然而，SME的芯片對(duì)于提高半導(dǎo)體產(chǎn)能和滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的需求至關(guān)重要，因此它們對(duì)于旨在提高產(chǎn)能和加強(qiáng)制造供應(yīng)鏈的所有投資和公共政策的成功至關(guān)重要。
擴(kuò)大SME生產(chǎn)的直接挑戰(zhàn)是確保充足、及時(shí)和可靠的半導(dǎo)體供應(yīng)。此外，硅基板對(duì)于半導(dǎo)體生產(chǎn)同樣重要。原硅片生產(chǎn)商也依賴(lài)中小企業(yè)來(lái)增加產(chǎn)能，而這個(gè)設(shè)備也需要芯片。呼吁增加產(chǎn)能的行業(yè)和政府利益相關(guān)者必須確保 SME 原始設(shè)備制造商和合同制造商獲得他們需要的芯片，以構(gòu)建對(duì)新建晶圓廠至關(guān)重要的工具。
SME的乘數(shù)效應(yīng)
重要的是，雖然構(gòu)建 SME 所需的半導(dǎo)體體積非常小，但這些工具能夠生產(chǎn)大量芯片，相當(dāng)于 >1000 倍的乘數(shù)效應(yīng)。SME OEM 需要各種數(shù)量和類(lèi)型的半導(dǎo)體器件，例如現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)、電源管理 IC (PMIC)、傳感器、微控制器單元 (MCU)、可編程邏輯器件 (PLD)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、功率放大器和存儲(chǔ)芯片——適用于他們不同的工具。乘數(shù)效應(yīng)適用于所有工具；一些例子包括：
一個(gè)典型的 FPGA 測(cè)試工具需要大約 80 個(gè) FPGA 來(lái)構(gòu)建。然而，該測(cè)試儀每年可以測(cè)試大約 320,000 個(gè) FPGA——乘數(shù)效應(yīng)約為 4,000 倍。
工藝工具需要大約 100 個(gè) FPGA 來(lái)構(gòu)建，每小時(shí)可以處理 120 個(gè)或更多晶圓。晶圓在制造流程中通過(guò)每個(gè)工具多次通過(guò)，但大多數(shù)工具對(duì)整體生產(chǎn)的貢獻(xiàn)相當(dāng)于每年至少 200 萬(wàn)臺(tái)設(shè)備 - 約 20,000 倍乘數(shù)。
光學(xué)晶圓檢測(cè)工具需要大約 100 個(gè)高性能計(jì)算 (HPC) 服務(wù)器芯片才能制造。它們的乘數(shù)效應(yīng)可以達(dá)到約 30,000 倍甚至更高。
一個(gè)典型的 MCU 測(cè)試儀需要制造大約 100 個(gè) FPGA，但該工具可以在一年內(nèi)測(cè)試近 1000 萬(wàn)個(gè) MCU，乘數(shù)效應(yīng)約為 100,000 倍。
美國(guó)商務(wù)部指出，MCU 是面臨最嚴(yán)重短缺的芯片之一。它們用于包括汽車(chē)在內(nèi)的許多關(guān)鍵下游行業(yè)。如果我們考慮一個(gè)對(duì)測(cè)試儀使用 100,000 倍乘數(shù)效應(yīng)并將其擴(kuò)展到汽車(chē)供應(yīng)鏈的示例，假設(shè)汽車(chē)制造所需的 MCU 數(shù)量約為每輛汽車(chē) 100 個(gè)，那么每個(gè)工具/測(cè)試儀都可以啟用足夠的 MCU 來(lái)制造 100,000 輛汽車(chē)（見(jiàn)圖 2)。
圖 2：SME芯片乘數(shù)效應(yīng)對(duì)汽車(chē)市場(chǎng)的影響示例（來(lái)源：SEMI 研究）
這個(gè) MCU 測(cè)試儀示例展示了確保為 SME OEM 和合同制造商提供充足芯片的強(qiáng)大乘數(shù)效應(yīng)。為了增加產(chǎn)能，半導(dǎo)體行業(yè)需要更多的SME。更重要的是，汽車(chē)制造商和其他行業(yè)的公司依賴(lài)于SME實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的增長(zhǎng)。數(shù)十億半導(dǎo)體和無(wú)數(shù)集成半導(dǎo)體的下游設(shè)備的生產(chǎn)最終依賴(lài)于SME使用的少量芯片。半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中的所有利益相關(guān)者必須幫助確保這些芯片的充足供應(yīng)，以便半導(dǎo)體產(chǎn)能能夠增長(zhǎng)以滿(mǎn)足未來(lái)的需求，并加強(qiáng)供應(yīng)鏈以避免未來(lái)的短缺。
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