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晶片产能大塞车 半导体供应链能否有新局?
 

【作者: 籃貫銘】2021年03月15日 星期一

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新冠肺炎对半导体产业至少带来两种影响,一个是带来的新需求;另一个则是常态供需的递延。


在新需求方面,就是因疫情加速的数位转型应用,以及防疫相关的产品。由於数位转型是个全方位且深远的趋势,因此几??影响了整个电子产业的供应链,最常听到的各种自动化和智慧应用就是最隹代表。尤其因为疫情的因素,衍生了社交距离的需求,大量减少人们的接触,同时企业也趁此减少人力和劳力型的工作。而这之中就牵涉到很多电子系统的导入,包含软体和硬体,还有新兴网路基础建设。


所以5G相关的产品,在这段时间内就呈现了快速的成长,无论是基地台,还是终端装置,都发展得相当迅速。笔记型电脑和各种远距设备也出现供货不及的现象。


另一个就是防疫延伸的产品,像是疫情爆发的初期,MCU和种种的感测器都呈现大量的成长。间接影响,但是规模更大的,仍是前述的自动化和智慧应用,这些也同样为MPU、MCU和Sensor带来庞大的需求,而记忆体和功率元件也跟着水涨船高。



图一 : 尤其因为疫情的因素,衍生了社交距离的需求,大量减少人们的接触,同时企业也趁此减少人力和劳力型的工作。
图一 : 尤其因为疫情的因素,衍生了社交距离的需求,大量减少人们的接触,同时企业也趁此减少人力和劳力型的工作。

不过,同时一个时间点,其实也有政治因素的影响,最重要的,就是前美国川普政府与中国的贸易战和科技战,导致半导体制造的转单,同时也加深了对台的夥伴关系,直接的影响就是更仰赖台湾的供应链。


像是台积电在2020年9月营收??升到1276亿元,创下单月历史新。但同一个时间点,台积电(TSMC)也宣布在9月後停止对华为出货,因此出现了华为抢先下单的情况。


至於哪一种晶片最缺,其实就是什麽都缺,因为晶圆代工厂的产能一直都维持在满载的情况,很难说哪个类别最乐观。现在加上美国德州前不久又遭受暴风雪的灾情,让供需更加雪上加霜。


车用晶片验证流程繁复 短期供需难解

需求递延则新冠肺炎产生的另一个影响,也就是因为疫情冲击,企业出现了先减单,但随着疫情时间拉长,产业出现新动能,而又加大下单,汽车就是其中一个。也因为如此,在这波半导体缺货潮之中,需求最紧张、影响也最大的产业,就是汽车产业。


其实汽车电子无论纯电动车,或者传统的燃料车,它们所用的晶片大致可以分成两类:一个是逻辑晶片,也就是处理器,控制器和记忆体;另一个则是功率晶片(Power IC)、电源晶片、电池管理晶片。另外,感测元件的运用也越来越多。


然後,由於自驾车、智慧车和电动车的趋势,造成汽车所用的电子元件数量越来越多,现在一台主流的汽车,大约会用八千颗晶片,也因此整合型晶片和模组型设计也就会变成主流产品。同时这些应用都是需要更多,同时效能也更高的处理和控制晶片。另一方面,更多的感测器、无线网路(也就是车联网)、电源管理,也都会越来越吃重。


而台积电作为全球最大的晶圆代工厂,上述这些晶片,多数它都有涉略。也因此就出了产能紧张的状况。


但为什麽汽车晶片会出现短缺。其实它有很大的因素,是由於疫情造成的延迟下单和短期间需求爆发,两个相互作用後的结果。而且汽车晶片跟一般晶片的生产流程,是不一样的。它有车规标准认证的问题,也就是测试和认证的程序更多,时间也更长,而且一个流程也不能跳过。


再加上汽车的供应链很长,也复杂,要调适所有的元件是很不容易的,所以总总因素就造成了线在汽车晶片短缺的问题。



图二 : 汽车用的晶片大致可以分成两类:一个是逻辑晶片,也就是处理器,控制器和记忆体;另一个则是功率晶片(Power IC)、电源晶片、电池管理晶片。另外,感测元件的运用也越来越多。
图二 : 汽车用的晶片大致可以分成两类:一个是逻辑晶片,也就是处理器,控制器和记忆体;另一个则是功率晶片(Power IC)、电源晶片、电池管理晶片。另外,感测元件的运用也越来越多。


通常一间半导体厂,从无到有,要进入汽车产业,至少需要两年的时间来做验证。如果已经有相关的经验,想要开发新产品,也需要半年到一年的时间,所以汽车突发的晶片需求,是很难克服的。


从台积电2020年的营收变化,就可看出汽车电子晶片的需求消长态势。原本第一季是微幅下跌(-1%),到了第二季更是季减了(-13%),第三季又进一步衰退了(-23%),但到了第四季却反弹了27%。



图三 : 台积电2020年第三季与第四季营收变化。
图三 : 台积电2020年第三季与第四季营收变化。

但是前面也说,汽车晶片不是说生产就能马上有,特别是在目前产能满载的情况下,调配产能就是唯一的解决之道。


尽管当前全球晶片供需十分吃紧,各国也正着手调整相关的供应链,但全球半导体供应链在结构上,短期间内并不会有明显的变化,也就是还会维持无晶圆厂,晶圆代工,和IDM的结构。但在高阶制程上,晶圆代工的角色会更形吃重。


不过受到新冠疫情和全球民族主义崛起的影响,各国各区域将会更加在意所谓在地供应链的问题,都会希??能够本国可以有自己生产晶片的能力,所以台积电也就必须在各区域设厂,以满足这个趋势。例如去美国建厂,在日本设研发中心等。


摩尔定律不灭 半导体朝向「系统等级」效能


图四 : 台积董事长刘德音在2021年国际固态电路会议线上演说指出,未来半导体制造将朝向发展「系统等级」的效能。(source:TSMC)
图四 : 台积董事长刘德音在2021年国际固态电路会议线上演说指出,未来半导体制造将朝向发展「系统等级」的效能。(source:TSMC)

至於技术的趋势,则可以从台积董事长刘德音在2021年国际固态电路会议(ISSCC)的线上演说看出一些。他指出,未来半导体制造将朝向发展「系统等级」的效能,要跳脱从单一晶片的思维,朝向更高等级的整合,进一步提升单晶片的效率与功耗。


但要达成这个目标,持续的制程微缩势不可免,因为要有更多的电晶体、更多的记忆体、逻辑与记忆体更好的整合、而且要针对应用需求来优化(端到端)。也因此,刘德音指出了,「材料」、「架构」、「设备」是半导体前进下个世代的发展关键。


在材料上,会使用新兴的物质,像是「??」金属,对於半导体微缩就很关键,另外还有氮化硼和奈米碳管等。在架构上,就会从FinFET转向「Nano-sheet电晶体」,也就是新的GAA制程技术,并且使用多层EUV的技术。至於是不是在2奈世代导入,就需要继续观察下去。


而要实现前两项,设备也是不可或缺的,但这些事情单靠台积电一家公司也难以完成,因此刘德音也强调,设备与工具的夥伴也将扮演着重要的角色。


然而对台积电来说,更重要的技术演进,则是系统晶片的整合制造能力,因为要达成系统级的性能,多晶片的堆叠与整合才是关键所在。因此刘德音特别指出了微晶片(Chiplet)的重要性,也表示台积电於此会有更多的着墨。而台积电去年正式推出的3D IC整合制造服务「3DFabric」也会是其重要技术方向。


然而,这其中还有许多的技术挑战待突破,包含散热、3D堆叠时的内部互连设计,以及装置的软体、系统、电路与架构的设计,都会是接下来半导体发展的重要议题。


不过这些问题,都已经被台积电标注出来了,意味着他们也正着手相关的应对之道。所以整体来说,未来的二十年内,摩尔定律仍将会延续下去,而半导体产业也会有十分乐观且令人兴奋的发展。


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