半导体设备缺芯，影响远超你想象
2022-05-04
全球半导体供应失衡阻碍了无数行业，包括汽车和医疗等重要领域以及工人和消费者。在全球范围内，政策制定者正在提高半导体制造能力，以加强供应链，并通过总计数千亿美元的强有力的激励方案满足对半导体不断增长的需求。提高半导体制造能力的全球努力取决于额外半导体制造设备 (SME：semiconductor manufacturing equipment) 的生产和安装。简单地说，没有更多的SME，就不可能有额外的产能。
芯片短缺导致晶圆厂设备和其他复杂半导体制造工具的交货时间增加。2020 年晶圆厂设备的交货时间在 3 到 6 个月之间，2021 年第一季度平均延长至 10 个月，到 2021 年 7 月甚至进一步延长至平均 14 个月。对于某些晶圆厂设备，交货时间超过两个年。
确保中SME所需的芯片供应将显着缩短半导体设备制造商在不改变分配策略的情况下扩大产能所需的晶圆厂设备的交货时间。
所有扩大芯片生产的努力都取决于SME
设备交付周期的延长阻碍了晶圆厂的边际扩张，因为在这些地方有足够的空间来增加产能，并可能严重阻碍广泛的设备制造商及其供应链的扩张努力——从材料和工艺设备供应商到封装和测试供应商。
根据SEMI 世界晶圆厂预测，预计 2020 年至 2024 年间将有 86 家新晶圆厂或主要晶圆厂扩建项目投产（见图 1），这代表此期间 200 毫米晶圆厂总产能增长 20%，300 毫米晶圆厂产能增长 44%。更长的设备交付时间意味着计划中的芯片产能提升速度较慢，可能会延长短缺时间。
图 1：按地区划分的新 300 毫米和 200 毫米晶圆厂预计将于 2020 年至 2024 年投产。
SME 的生产依赖于相对少量的半导体，这些半导体通常由合同制造商向 SME 原始设备制造商 (OEM) 购买并整合到 SME 组件中。这些面向SME OEM 和代工制造商的芯片在全球半导体市场中的占比远低于 1%。然而，SME的芯片对于提高半导体产能和满足不断增长的需求至关重要，因此它们对于旨在提高产能和加强制造供应链的所有投资和公共政策的成功至关重要。
扩大SME生产的直接挑战是确保充足、及时和可靠的半导体供应。此外，硅基板对于半导体生产同样重要。原硅片生产商也依赖中小企业来增加产能，而这个设备也需要芯片。呼吁增加产能的行业和政府利益相关者必须确保 SME 原始设备制造商和合同制造商获得他们需要的芯片，以构建对新建晶圆厂至关重要的工具。
SME的乘数效应
重要的是，虽然构建 SME 所需的半导体体积非常小，但这些工具能够生产大量芯片，相当于 >1000 倍的乘数效应。SME OEM 需要各种数量和类型的半导体器件，例如现场可编程门阵列 (FPGA)、电源管理 IC (PMIC)、传感器、微控制器单元 (MCU)、可编程逻辑器件 (PLD)、模数转换器、功率放大器和存储芯片——适用于他们不同的工具。乘数效应适用于所有工具；一些例子包括：
一个典型的 FPGA 测试工具需要大约 80 个 FPGA 来构建。然而，该测试仪每年可以测试大约 320,000 个 FPGA——乘数效应约为 4,000 倍。
工艺工具需要大约 100 个 FPGA 来构建，每小时可以处理 120 个或更多晶圆。晶圆在制造流程中通过每个工具多次通过，但大多数工具对整体生产的贡献相当于每年至少 200 万台设备 - 约 20,000 倍乘数。
光学晶圆检测工具需要大约 100 个高性能计算 (HPC) 服务器芯片才能制造。它们的乘数效应可以达到约 30,000 倍甚至更高。
一个典型的 MCU 测试仪需要制造大约 100 个 FPGA，但该工具可以在一年内测试近 1000 万个 MCU，乘数效应约为 100,000 倍。
美国商务部指出，MCU 是面临最严重短缺的芯片之一。它们用于包括汽车在内的许多关键下游行业。如果我们考虑一个对测试仪使用 100,000 倍乘数效应并将其扩展到汽车供应链的示例，假设汽车制造所需的 MCU 数量约为每辆汽车 100 个，那么每个工具/测试仪都可以启用足够的 MCU 来制造 100,000 辆汽车（见图 2)。
图 2：SME芯片乘数效应对汽车市场的影响示例（来源：SEMI 研究）
这个 MCU 测试仪示例展示了确保为 SME OEM 和合同制造商提供充足芯片的强大乘数效应。为了增加产能，半导体行业需要更多的SME。更重要的是，汽车制造商和其他行业的公司依赖于SME实现产能的增长。数十亿半导体和无数集成半导体的下游设备的生产最终依赖于SME使用的少量芯片。半导体供应链中的所有利益相关者必须帮助确保这些芯片的充足供应，以便半导体产能能够增长以满足未来的需求，并加强供应链以避免未来的短缺。
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