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半導体デバイスのコアが欠けていて、影響は想像をはるかに超えています
2022-05-04

世界の半導体供給のアンバランスは、自動車や医療などの重要な分野や労働者や消費者を含む多くの業界を阻害している。世界中で、政策立案者は半導体の製造能力を高め、サプライチェーンを強化し、計数千億ドルの強力なインセンティブ案を通じて半導体の増加に対する需要を満たしている。半導体の製造能力を向上させるための世界的な努力は、追加の半導体製造装置(SME:s e m i conductor manufacturing equipment)の生産と設置に依存する。簡単に言えば、より多くのSMEがなければ、追加の生産能力はあり得ない。

チップの不足はウエハ工場の設備とその他の複雑な半導体製造工具の納品時間の増加をもたらした。2020年ウエハ工場の設備の納品期間は3~6ヶ月で、2021年第1四半期は平均10ヶ月に延長され、2021年7月にはさらに平均14ヶ月に延長された。一部のウエハ工場の設備では、納品時間が2年を超えています。

中SMEを確保するために必要なチップ供給は、半導体装置メーカーが分配戦略を変更することなく、生産能力を拡大するために必要なウエハ工場装置の納品時間を著しく短縮する。

チップ生産を拡大するすべての努力はSMEにかかっている。

設備の納品サイクルの延長はウエハ工場の境界拡張を阻害し、これらの場所で生産能力を増加させるのに十分な空間があり、広範な設備メーカーとそのサプライチェーンの拡張努力を深刻に阻害する可能性があるためである。材料とプロセス設備サプライヤーからパッケージとテストサプライヤーまでである。

SEMI世界ウエハ工場の予測によると、2020年から2024年までに86社の新ウエハ工場または主要ウエハ工場の拡張プロジェクトが生産を開始する見通しである(図1参照)。これはこの間の200 mmウエハ工場の総生産能力が20%増加し、300 mmウエハ工場の生産能力が44%増加したことを意味する。より長い設備納入時間は、計画中のチップ生産能力の向上速度が遅く、不足時間が延長される可能性があることを意味します。

図1:地域別の新300ミリと200ミリウエハ工場は2020年から2024年にかけて生産を開始する予定だ。

SMEの製造は比較的少量の半導体に依存し、これらの半導体は、通常、契約製造業者によってSME元デバイス製造業者(OEM)に購入され、SMEコンポーネントに統合される。これらのSME OEMおよび代行製造業者向けチップの世界半導体市場における割合は1%をはるかに下回っている。しかしながら、SMEのチップは、半導体の生産能力を向上させ、成長する需要を満たすために極めて重要であり、そのため、生産能力の向上と製造サプライチェーンの強化を目的とするすべての投資と公共政策の成功にとって極めて重要である。

SME生産を拡大する直接的な課題は、十分でタイムリーで信頼性の高い半導体供給を確保することである。また、シリコン基板は半導体製造においても同様に重要である。元シリコンチップメーカーも中小企業に頼って生産能力を増やしているが、この設備にもチップが必要だ。生産能力の増加を呼びかける業界と政府の利益関係者は、SMEの元の設備メーカーと契約メーカーが必要なチップを獲得することを確保し、新しいウエハ工場にとって重要なツールを構築しなければならない。

SMEの乗数効果

重要なことは，SMEの構築に必要な半導体体積は非常に小さいが，これらのツールは，1000倍の乗数効果に相当する多数のチップを生産できることである。SME OEMは、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)、電源管理IC(PMIC)、センサ、マイクロコントローラユニット(MCU)、プログラマブルロジックデバイス(PLD)、アナログ変換器、電力増幅器、およびメモリチップなど、様々な数およびタイプの半導体デバイスを必要とする。乗数効果はすべてのツールに適用されます。いくつかの例は次のとおりです。

典型的なFPGA試験ツールを構築するには、約80個のFPGAが必要である。しかし、このテスターは毎年約320000個のFPGAをテストすることができ、乗数効果は約4000倍である。

プロセスツールは約100個のFPGAを必要とし、1時間に120個以上のウエハを処理することができる。ウエハは製造プロセスにおいて各工具を複数回通過するが、ほとんどの工具の全体生産への寄与は毎年少なくとも200万台の設備-約20000倍乗数に相当する。

光学ウエハ検出ツールは、製造するために約100個の高性能コンピューティング(HPC)サーバチップを必要とする。それらの乗数効果は約30000倍以上に達することができる。

典型的なMCUテスタは、約100個のFPGAを製造する必要があるが、このツールは、1年間で1000万個近くのMCUを測定することができ、乗数効果は約100000倍である。

米商務省は、MCUが最も深刻な不足に直面しているチップの一つだと指摘した。自動車を含む多くの重要な下流業界に使用されています。テスターに100000倍の乗数効果を使用し、自動車サプライチェーンに拡張する例を考慮すると、自動車製造に必要なMCUの数が自動車1台あたり約100個であると仮定すると、各ツール/テスターは、100000台の自動車を製造するのに十分なMCUを有効にすることができる(図2参照)。

図2：SMEチップ乗数効果の自動車市場への影響例（出典：SEMI研究）

このMCUテスタの例は、SME OEMおよび契約製造業者に十分なチップを提供することを保証する強力な乗数効果を示している。生産能力を増加させるために、半導体業界はより多くのSMEを必要とする。さらに重要なのは、自動車メーカーや他の業界の会社がSMEに依存して生産能力の成長を実現していることだ。数十億の半導体と無数の集積半導体の下流装置の生産は最終的にSMEが使用する少量のチップに依存する。半導体サプライチェーンのすべての利害関係者は、これらのチップの十分な供給を確保し、半導体生産能力が将来の需要を満たすために成長し、サプライチェーンを強化し、将来の不足を回避しなければならない。

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