随着汽车和电动汽车的自动化程度越来越高，所需的半导体数量将急剧增加。
大多数半导体是传统的模拟和功率半导体。
这些传统模拟和功率半导体是由8英寸的工厂生产的。
由于难以确保 8 英寸制造设备，因此难以增加新的 8 英寸半导体工厂。
汤之上隆，微细加工研究所所长。1961年出生于日本静冈县，毕业于京都大学研究生院（原子核工学专业）后进入日立制作所工作。之后的16年间，在中央研究所、半导体事业部、尔必达存储器（借调）、半导体尖端技术公司（借调）从事半导体微细加工技术开发。2000年被京都大学授予工学博士学位。现为微加工研究所所长，从事半导体、电器产业相关企业的顾问及新闻工作者工作。著有《日本半导体战败》（光文社）、《电机半导体大崩溃的教训》（日本文艺社）、《日本型产品的失败零战半导体电视》（文春新书）。
以下为编译全文：
《丰田大发停产背后，全球车企饱受煎熬的时代》
01
由于疫情蔓延和半导体短缺
汽车生产低迷
由于 2020 年全球新冠疫情感染蔓延，汽车生产低迷（图 1）。全球生产的汽车数量，在新冠疫情之前的 2019 年为 9218 万辆，2020 年减少了 1456 万辆至 7762 万辆，而 2021 年似乎减少了 120 万辆至 7642 万辆。
图1 汽车生产下降（2016-2021），来源：作者根据汽车行业门户网站 MARK LINS数据制作
2020 年汽车产量的减少受到新冠疫情导致需求锐减。然而，2021年汽车生产低迷主要是由于半导体短缺。事实上，到了2021年，半导体紧缺导致无法造车，以汽车为核心产业的日本、美国、德国各国政府纷纷通过中国台湾政府向台积电提出增产车载半导体的要求。
当时紧缺的半导体是28nm逻辑半导体和MCU（Micro Controller Units，俗称“微控制器”）。这些28nm车载半导体缺货的原因在笔者专栏《车载半导体为何缺货？台湾台积电的关键》（2021年3月2日）有详细说明。以下简要说明一下。
02
为什么28nm半导体短缺？
从 2020 年 4 月到 2020 年 6 月，由于新冠疫情的蔓延，对汽车的需求急剧下降。汽车制造商根据丰田汽车的经营方式“Just In Time”来采购零部件，因此，例如丰田取消了其主要分包商电装的车载半导体订单，于是电装取消了瑞萨等车载半导体的订单，接着瑞萨取消了向台积电委托生产的28nm以后的订货。
由于新冠疫情下居家的特殊需求，台积电游戏机用、家电产品用等28nm半导体生产委托蜂拥而至，车载半导体取消后的空白产线瞬间被这些半导体填满。
之后，随着 2020 年秋季汽车需求回升，丰田汽车→电装→瑞萨计划再次向台积电订购28nm的半导体，但由于台积电产线被其他半导体所占据，因此没有生产车载半导体的余地。虽然2020年秋冬的库存量超标，但是到了2021年，库存已经见底了，再加上28nm半导体紧缺，汽车无法被制造。
03
独特的 28nm 半导体
图2 半导体技术节点和晶体管结构（很多电子器件的半导体都集中在28nm）
来源：以Joanne Chiao（TrendFore），《Wafer Shortages Drives the General Growth of Foundry Capacity in 2022》的发表为基础编写
04
半导体紧缺形势变化
05
汽车所需的半导体
图 4 显示了世界半导体贸易统计 (WSTS) 公布的汽车中使用的半导体类型和运输价值。
根据 WSTS，汽车中使用的半导体至少有 15 种。其中，模拟半导体尤为突出，2019年和2020年还不到150亿美元，2021年却飙升至240亿美元左右（另外，根据WSTS的定义，在这些模拟半导体中，功率半导体也包括在内）。这种现象也表明模拟半导体（包括电源）短缺。
那么，为什么汽车（包括电力）的模拟半导体市场在 2021 年迅速扩张？如图 1 所示，生产的汽车数量正在下降。然而，模拟半导体市场有一个快速的扩张。
可以推断，其原因在于传统燃油车向电动汽车和汽车自动驾驶的转变已经开始迅速蔓延。
根据毕马威的发表资料《In-Vehicle Semiconductors: A New Era of ICE》（2020 年 4 月 23 日），安装在一辆汽车上的半导体对于一辆内燃机汽车来说还不到 500 美元。另一方面，EV汽车则达到两倍多，大约1000美元。至于自动驾驶，4级或5级的全自动驾驶将配备3000美元的半导体，是0级（手动驾驶）的8到10倍。
电动汽车需要大量的功率半导体，此外，自动驾驶汽车需要大量的模拟半导体来处理来自各种传感器的模拟信息。换言之，从 2020 年到 2021 年，尽管生产的汽车数量有所减少，但安装在汽车上的模拟半导体（包括电源）的快速扩张是由于 EV 和自动驾驶的快速扩张。
未来，电动汽车和自动驾驶将越来越流行，这意味着汽车对模拟半导体（包括电源）的需求将继续增长。
然而，在某些情况下，模拟和功率半导体的供应无法大幅扩大。
06
大多数模拟和功率半导体
都在 8 英寸工厂生产
图 5 显示了全球 12 英寸晶圆按技术节点划分的半导体产能（10,000 片/月）。100nm以上的遗留产能大部分是8英寸的半导体工厂。另一方面，90nm之后的产能都是12英寸的半导体厂。
图5 12英寸转换技术/节点产能（万片/月）
来源：作者根据环球网股份有限公司《世界半导体工厂年鉴》和SEMI Wafer World Forecast数据制作
因此，在 100 nm 附近，存在 8 英寸和 12 英寸之间的边界。原因是在2000年左右，当半导体的微型化达到130nm或以后时，硅片的直径从8英寸增加到12英寸。之后，随着微型化的推进，12英寸的制造设备也随着精细化的发展而进步。
因此，8英寸的精细度保持在100nm左右，但在12英寸上，台积电从2020年开始批量生产尖端5nm半导体。
而现在，许多缺乏半导体的传统模拟和功率半导体都是在 8 英寸半导体工厂生产的。
然而，目前很难提高这种传统模拟和功率半导体的生产能力，主要有两个原因。
07
为何不能增加传统半导体产能？
08
车载半导体的短缺
将永远持续下去
在汽车行业，未来自动驾驶和电动汽车将继续发展。因此，汽车对模拟和功率半导体的需求将稳步增长。然而，目前很难快速扩大 8 英寸工厂生产的传统模拟和功率半导体的产能。
理由是由于8英寸设备难以获得，无法新建和增建8英寸工厂，而在12英寸工厂生产8英寸传统模拟和功率半导体也相当困难。
在这种情况下，只要汽车行业进入百年一遇的大变革时期，自动驾驶和电动汽车继续发展，车载半导体的短缺就会持续。可以说，汽车制造商的艰难时期已经到来。
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来源：内容由芯世相（ID：xinpianlaosiji）编译自「EE Times Japan」，作者：汤之上隆
