半導體設備缺芯，影響遠超你想象
2022-05-04
全球半導體供應失衡阻礙了無數(shù)行業(yè)，包括汽車和醫(yī)療等重要領域以及工人和消費者。在全球范圍內，政策制定者正在提高半導體制造能力，以加強供應鏈，并通過總計數(shù)千億美元的強有力的激勵方案滿足對半導體不斷增長的需求。提高半導體制造能力的全球努力取決于額外半導體制造設備 (SME：semiconductor manufacturing equipment) 的生產(chǎn)和安裝。簡單地說，沒有更多的SME，就不可能有額外的產(chǎn)能。
芯片短缺導致晶圓廠設備和其他復雜半導體制造工具的交貨時間增加。2020 年晶圓廠設備的交貨時間在 3 到 6 個月之間，2021 年第一季度平均延長至 10 個月，到 2021 年 7 月甚至進一步延長至平均 14 個月。對于某些晶圓廠設備，交貨時間超過兩個年。
確保中SME所需的芯片供應將顯著縮短半導體設備制造商在不改變分配策略的情況下擴大產(chǎn)能所需的晶圓廠設備的交貨時間。
所有擴大芯片生產(chǎn)的努力都取決于SME
設備交付周期的延長阻礙了晶圓廠的邊際擴張，因為在這些地方有足夠的空間來增加產(chǎn)能，并可能嚴重阻礙廣泛的設備制造商及其供應鏈的擴張努力——從材料和工藝設備供應商到封裝和測試供應商。
根據(jù)SEMI 世界晶圓廠預測，預計 2020 年至 2024 年間將有 86 家新晶圓廠或主要晶圓廠擴建項目投產(chǎn)（見圖 1），這代表此期間 200 毫米晶圓廠總產(chǎn)能增長 20%，300 毫米晶圓廠產(chǎn)能增長 44%。更長的設備交付時間意味著計劃中的芯片產(chǎn)能提升速度較慢，可能會延長短缺時間。
圖 1：按地區(qū)劃分的新 300 毫米和 200 毫米晶圓廠預計將于 2020 年至 2024 年投產(chǎn)。
SME 的生產(chǎn)依賴于相對少量的半導體，這些半導體通常由合同制造商向 SME 原始設備制造商 (OEM) 購買并整合到 SME 組件中。這些面向SME OEM 和代工制造商的芯片在全球半導體市場中的占比遠低于 1%。然而，SME的芯片對于提高半導體產(chǎn)能和滿足不斷增長的需求至關重要，因此它們對于旨在提高產(chǎn)能和加強制造供應鏈的所有投資和公共政策的成功至關重要。
擴大SME生產(chǎn)的直接挑戰(zhàn)是確保充足、及時和可靠的半導體供應。此外，硅基板對于半導體生產(chǎn)同樣重要。原硅片生產(chǎn)商也依賴中小企業(yè)來增加產(chǎn)能，而這個設備也需要芯片。呼吁增加產(chǎn)能的行業(yè)和政府利益相關者必須確保 SME 原始設備制造商和合同制造商獲得他們需要的芯片，以構建對新建晶圓廠至關重要的工具。
SME的乘數(shù)效應
重要的是，雖然構建 SME 所需的半導體體積非常小，但這些工具能夠生產(chǎn)大量芯片，相當于 >1000 倍的乘數(shù)效應。SME OEM 需要各種數(shù)量和類型的半導體器件，例如現(xiàn)場可編程門陣列 (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)轉換器、功率放大器和存儲芯片——適用于他們不同的工具。乘數(shù)效應適用于所有工具；一些例子包括：
一個典型的 FPGA 測試工具需要大約 80 個 FPGA 來構建。然而，該測試儀每年可以測試大約 320,000 個 FPGA——乘數(shù)效應約為 4,000 倍。
工藝工具需要大約 100 個 FPGA 來構建，每小時可以處理 120 個或更多晶圓。晶圓在制造流程中通過每個工具多次通過，但大多數(shù)工具對整體生產(chǎn)的貢獻相當于每年至少 200 萬臺設備 - 約 20,000 倍乘數(shù)。
光學晶圓檢測工具需要大約 100 個高性能計算 (HPC) 服務器芯片才能制造。它們的乘數(shù)效應可以達到約 30,000 倍甚至更高。
一個典型的 MCU 測試儀需要制造大約 100 個 FPGA，但該工具可以在一年內測試近 1000 萬個 MCU，乘數(shù)效應約為 100,000 倍。
美國商務部指出，MCU 是面臨最嚴重短缺的芯片之一。它們用于包括汽車在內的許多關鍵下游行業(yè)。如果我們考慮一個對測試儀使用 100,000 倍乘數(shù)效應并將其擴展到汽車供應鏈的示例，假設汽車制造所需的 MCU 數(shù)量約為每輛汽車 100 個，那么每個工具/測試儀都可以啟用足夠的 MCU 來制造 100,000 輛汽車（見圖 2)。
圖 2：SME芯片乘數(shù)效應對汽車市場的影響示例（來源：SEMI 研究）
這個 MCU 測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大乘數(shù)效應。為了增加產(chǎn)能，半導體行業(yè)需要更多的SME。更重要的是，汽車制造商和其他行業(yè)的公司依賴于SME實現(xiàn)產(chǎn)能的增長。數(shù)十億半導體和無數(shù)集成半導體的下游設備的生產(chǎn)最終依賴于SME使用的少量芯片。半導體供應鏈中的所有利益相關者必須幫助確保這些芯片的充足供應，以便半導體產(chǎn)能能夠增長以滿足未來的需求，并加強供應鏈以避免未來的短缺。
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