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AutoForecast Solutions的最新数据显示，截至1月29日，由于芯片短缺，今年全球汽车市场已减产约30.46万辆汽车，预计今年全球汽车市场累计减产量将攀升至279.89万辆。AFS认为，即使芯片供应有所改善，汽车行业面临的半导体短缺结束至少还需要几个月的时间。
在日本丰田官网上，由于缺芯，许多车型的交付时间被延长。而在二手汽车市场，一些车型的价格甚至高于新车。从去年下半年开始，行业普遍认为缺芯已经得到缓解，但汽车行业似乎并未结束。
那么疫情前后的汽车产量发生了哪些变化？缺芯是如何造成的？缺芯真的得到缓解了吗？车企的苦难是结束了还是才开始？
日本半导体行业研究专家汤之上隆对此进行了分析并指出，由于汽车电动化转型及8英寸扩产有限，未来汽车半导体将出现两种极端的短缺，一类是传统的模拟及功率器件，另一类是尖端半导体。
以下为编译全文：
01、二手车比新车更贵，汽车 "劳力士化"？
我本以为已经可以买到汽车了，但看到丰田汽车公司网站上的汽车交付时间，吓了一跳。交付时间表以 "由于新冠病毒的传播和全球半导体的短缺，目前许多车型正在经历生产延迟 "作为开头，内容在叙述交付汽车需要多长时间，让人怀疑汽车业务是否真的能以这种方式运行。
这种情况下，我想看看二手车，结果发现二手车价格比新车还贵。据说，这种异常现象被称为"汽车劳力士手表化"（铃木贵博、《二手车比新车更贵的劳力士手表化》、2023年1月20日）。
新车难买，二手车又正变得比新车更贵。这样下去干脆不要买车了？
但是，为什么会出现新车交付时间长、二手车价格暴涨的"劳力士化"现象呢？丰田汽车公司的网站上有这样一句话："由于全球半导体的短缺"，上面提到的 "劳力士化 "的文章也说这是由于 "全球半导体短缺"。
然而，虽然都被称为 "半导体短缺"，但究竟哪些半导体在短缺呢？此外，上述“劳力士化”的文章中提到，大约要到2024年才能解决半导体短缺的问题，但半导体短缺的问题真的会在2024年底前得到解决吗？
在本文中，我想从车载半导体的角度讨论汽车生产何时能恢复正常（因为我想知道自己什么时候能买到一辆新车）。首先，将阐明全球和日本的汽车生产的实际状况。其次，将指出汽车减产在日本已经成为常态。此外，还将说明半导体短缺正在从28纳米逻辑半导体和MCU（微型控制器单元，俗称微控制器）转向传统的电源和模拟。
在此基础上，还将提出在电动汽车(EV)和自动驾驶汽车普及的今后，传统的电源和模拟芯片将出现令人绝望的短缺前景。如果我要买一辆新车，理想中应该是一辆具有L3左右的自动驾驶功能的电车，但不幸的是，这个希望在可预见的未来中不太可能实现。
02、全球和日本汽车产量的年度变化
图2展示了全球汽车产量的年度趋势：汽车产量自2010年以来一直稳步增长，在2017年达到了9730万辆的峰值。然后在新冠之前的2019年达到9218万辆，但在2020年，当新冠病毒爆发并蔓延至全球时，汽车产量急剧下降到7762万辆，比前一年减少1466万辆。
图2：全球汽车产量（2010-2022）资料来源：作者根据日本贸易振兴机构（JETRO）和其他来源的数据编制。
此后，虽然产量逐渐恢复，但在2022年只达到8250万辆，仍比新冠之前的水平少968万辆。如果按照目前的速度发展，很可能要到2025年或更晚产量才会恢复到新冠之前的水平。
其次，从图3所示的日本汽车产量来看，2011年曾一度下降，这可能是由于东日本大地震的影响。之后，产量迅速恢复，虽有一些起伏，但产量仍然超过了900万辆。特别是2017年至2019年的三年期间，即新冠疫情之前，总体上稳定在970万辆左右。
图3：日本的汽车产量（2010-2022） 资料来源：作者根据日本汽车工业协会的数据编制。
新冠疫情导致2020年的汽车产量减少161万辆，下降到807万辆。这比2011年，东日本大地震的那一年还低。而且，虽然全球汽车产量从2021年开始恢复，但日本的产量却逐年下降，2021年下降到785万辆（-183万辆），2022年下降到776万辆（-192万辆）（括号内的数字显示与2019年产量的差异）。
在新冠疫情之后，世界和日本的汽车产量都立即下降。然而，当全球汽车产量恢复时，日本的产量却还在下降。目前，其原因尚不清楚，但作为一个别无选择只能在日本买车的人，我感到相当焦急。
从这里开始，将重点分析日本的汽车生产。
03、日本汽车月产量
图4 显示了日本从2017年1月至2022年12月的月度汽车产量。从中可以发现，汽车产量似乎存在季节性因素，即使是年产量稳定在970万辆左右的2017年-2019年，也出现了剧烈的上下波动。但是，在疫情发生后的2020年5月左右，产量大幅减少，同年9月曾一度回升，但进入2021年又再度减产。并且，在剧烈的上下波动中，产量看起来会逐渐减少。
图 4：日本汽车产量（2017 年 1 月至 2022 年 12 月）资料来源：作者根据日本汽车工业协会数据制作
2020年5月左右的大幅减产是由于疫情冲击了汽车需求所致，随着疫情的扩散，人们产生了“不是买车时候”的心理，需求大幅下降。2021年1月后的减产被认为是缺芯所致。
为了排除季节性的变动因素，我们计算了疫情前（2017年1月至2019年12月）的月平均产量（以下简称平均数），并与2020年1月之后的产量进行了比较，得出了差异数据。
图5：2017-2019年平均产量及2020年后对比资料 来源：作者根据日本汽车工业协会数据制作
得出的结果发现，2020年的产量差值在2-3月为8万-9万以上，4-6月为30万-40万以上，7-8月为10万台以上。9-10月几乎没有差值，恢复到平均数水平。
但从2020年11月开始，产量再度下降，甚至到了2021年，再也没有恢复到疫情前的水平。汽车产量下降变得更为严重。到了2022年，减产成为常态，10万以上的减产量是家常便饭。
那么，为什么2021年后汽车产量会持续下降呢？有观点认为，导致下降的原因是汽车缺芯。然而，即使是缺芯，在2021-2022年间也发生了细节变化。
04、汽车半导体缺芯细节的变化
图6显示了每个半导体类型和半导体公司类型的供需平衡调查结果。
图6:半导体种类及各半导体企业形态的供需平衡 来源:Andrea Lati, VLSI Research (Tech Insights)，“半导体市场概观”，以SIA晶圆公司(2022年2月28日)发表的资料为基础撰写
2020年Q2和Q3，汽车需求因疫情影响下降，汽车半导体出现了“过剩”。到2020年Q4出现“吃紧”，2021年Q1以后变成“短缺”。由此可见，2021年Q1和Q2的短缺是由于台积电等代工企业造成的，但是到2021年上半年已经得到解决了，同年Q3后达到“供需平衡”，到2022年Q2变为“过剩”。
那么2021年Q3以后的汽车芯片短缺是什么呢？可以看到是功率器件和模拟器件。这些都是瑞萨等IDM生产的传统半导体，而不是代工的尖端半导体。
接下来，首先对2021年Q1和Q2中由台积电等代工企业引起的汽车缺芯进行说明。
05、准时制生产的不利影响
汽车行业有一个等级制度，以丰田等整车厂为首。车企使用准时制生产的方式，在必要时间以必要的数量采购必要的零件。
图 7：28 纳米及以下的汽车半导体集中在台积电
2021年Q1、Q2汽车半导体短缺，是受准时制生产方式的影响所致。自2020年2月以来，汽车产量逐月下降。因此，丰田等汽车制造商继续取消汽车半导体的订单，首先是电装等一级分包商和瑞萨电子等二级分包商。
在这里，瑞萨等汽车半导体厂商将28nm之后的所有逻辑半导体和MCU的生产都外包给了台积电等代工厂，属于三级分包商（台积电垄断了全球一半以上的代工厂份额。为简单起见，以下限于台积电）。因此，台积电也继续逐月取消车载半导体产能。
台积电被28纳米逻辑半导体外包生产淹没了。结果，因取消车载半导体而留下的空白很快被其他半导体所填补。在这样的情况下，2020年9月汽车生产恢复，于是整车厂又试图通过一级、二级分包商向台积电订购28nm逻辑半导体和MCU，但台积电似乎无力应对。
在2020年，我们靠原有库存勉强生存，但在2021年第一季度，当库存用完时，28nm 逻辑半导体和MCU出现短缺，迫使全球汽车制造商减产。
如此看来，2021年Q1、Q2的车载半导体短缺，是Just-in-time生产制造成的，一言以蔽之，是车企自找的。
06、独特的28nm逻辑半导体
我解释一下，2021年Q1、Q2迫使全球汽车制造商减产的28nm逻辑半导体具有非常独特的特性。如下(图8 )。
1.28nm晶体管是最后一代平面型，16/14nm是3D FinFET2.SADP未用于28nm生产3.瑞萨等汽车芯片厂商将28nm以下工艺的生产外包给台积电等
图 8：半导体技术节点和晶体管结构（电子电器产品集中在28nm/22nm） 资料来源：Joanne Chiao (TrendFore)，“晶圆短缺推动 2022 年晶圆代工产能的普遍增长”，由作者基于2022 年内存趋势峰会上的演讲
例如，苹果的iPhone等新型智能手机、最尖端的PC、高速服务器用处理器等，总是要求高性能的逻辑半导体晶体管，从平面型变成FinFET，再变成GAA 。此时，半导体的芯片成本虽然会上升，但性能会被优先考虑，因此会不断地进行精密化，选择最优的晶体管结构。
然而，许多电子产品并不需要如此高的性能。与其这样，不如使用性价比优异的半导体。它就是28nm逻辑半导体，最后一代平面晶体管。因此，疫情导致各种消费电子产品需求爆发，而生产28nm的工艺订单都涌向了台积电。
此外，对于台积电等代工厂来说，22nm是28nm的改进版，所以和28nm基本是一样的。
07、从2021年后半期开始的半导体"短缺"现象
现在，回到汽车半导体的“短缺”。从 2021 年第 3 季度开始，28nm 的“短缺”已经得到解决。也许台积电等代工厂受到了日本、美国和欧洲政府的压力，因此他们拼命批量生产用于汽车的28nm逻辑半导体和MCU。因此，汽车应用的“短缺”问题得到了解决。
然而，即使在2021年第三季度之后，汽车半导体仍然短缺。而由于这些功率和模拟半导体是传统的半导体，瑞萨等汽车半导体制造商并没有将其生产外包给台积电，而是自己生产。
那么，为什么传统功率和模拟半导体会出现“短缺”呢？
08、EV和自动驾驶的广泛使用
可以认为，其原因是向EV和自动驾驶的转变已经开始迅速推进。根据笔者的采访，对于内燃机汽车来说，一辆汽车所安装的半导体价值大约为300美元，而混合动力汽车为700美元，电动汽车为900美元。至于自动驾驶，自动驾驶的1级或2级将搭载高达700美元的半导体，4级或5级的半导体最高为3000美元（图9）。
图9：每辆车的半导体安装价值量 来源：根据作者采访
那么，半导体安装费用为手动内燃机车300美元、1级和2级混合动力车1400美元、4级和5级全自动驾驶EV 3900美元。
电动汽车需要功率半导体来驱动电机。此外，自动驾驶汽车将需要模拟半导体来处理来自大量传感器的模拟信息。
换句话说，从2020年到2022年，尽管汽车产量减少，但向电动汽车和自动驾驶的转变开始快速推进，汽车上安装的功率和模拟半导体的需求迅速扩大，并且由于它们的短缺，汽车产量持续下降。
世界半导体贸易统计组织（WSTS）的数据也证实，汽车半导体的出货量正在迅速扩大（图10）。汽车的逻辑、MCU 和模拟芯片出货量，所有这些都高于疫情大流行前的水平。特别是，模拟半导体的快速增长是显著的（功率包含在WSTS定义中的模拟芯片中）。
图10：汽车逻辑、MCU和模拟出货量（-2022年12月 ） 资料来源：作者根据WSTS数据制作
未来，EV和自动驾驶的普及将进一步加速。这意味着对传统功率和模拟半导体的需求将继续增长。然而，瑞萨电子等汽车半导体制造商无法大幅扩大功率和模拟半导体的供应。
09、许多功率和模拟半导体是在8英寸工厂制造的
图11 显示了全球12英寸（300毫米）晶圆按技术节点划分的半导体生产能力（10000个/月）。大多数超过100nm的技术节点都是8英寸（200毫米）半导体工厂。另一方面，100nm以后先进半导体的产能都是12英寸半导体工厂。
图11：按技术节点划分的生产能力（12英寸当量）（10，000张/月） 资料来源：作者根据环球网株式会社《世界半导体工厂年鉴》和SEMI硅片世界预测的数据制作
因此，在100nm左右有一个8英寸和12英寸的界限。原因是在2000年左右，当半导体在130nm之后小型化时，硅片的直径从8英寸增加到12英寸。后来，随着小型化的进展，12英寸的制造设备以应对其细度不断发展。
因此，8英寸在100nm左右保持不变，但12英寸半导体的小型化正在逐年进步，台积电自2022年12月29日以来一直在量产最先进的3nm半导体。
目前汽车半导体供不应求的许多传统功率和模拟半导体都是在8英寸半导体工厂生产的。然而，很难大幅提高这种传统功率和模拟半导体的生产能力。
图11显示，12英寸产能逐年增加，但8英寸产能增加缓慢。这有两个原因。
为什么我们不能增加传统半导体产能？
首先，荷兰的ASML、美国的应用材料、美国的Lam Research和日本的东京电子等主要设备制造商不愿意（或者更确切地说，似乎很少）制造8英寸使用的设备。这是因为这些设备制造商坚持要求他们购买 12 英寸而不是 8 英寸的制造设备。
结果，在制造设备市场上，8英寸的设备极度短缺，二手设备一上市，眨眼间就高价出售。因此，对传统功率和模拟半导体的高需求使得建造新的8英寸半导体工厂变得极其困难。
如果没有 8 英寸的设备并且无法建造 8 英寸的工厂，很多人可能会认为最好在需求不断增长的 12 英寸工厂中构建传统的功率和模拟半导体。
但这并不容易。12英寸制造设备不断进步，以实现最先进的小型化。例如，即使台积电尝试使用用于3nm生产的各种最先进的制造设备加工100nm或更大（例如200-500nm）的图案，也可能无法实现。
粗略图案的加工需要合适的工艺和制造设备，而这些工艺和设备无法用最先进的工艺和设备进行加工。换句话说，即使我们尝试在 12 英寸工厂生产传统功率和模拟半导体，而这些半导体以前是在 8 英寸工厂生产的，也不是说不可能，但执行起来相当困难。
10、车载半导体“短缺”未来将持续
在汽车行业，自动驾驶和电动汽车在未来将继续发展。因此，汽车对功率和模拟半导体的需求将稳步增长。但是，8英寸工厂生产的传统功率和模拟半导体的产能很难迅速扩大。
其理由是，由于很难获得8英寸生产设备，因此很难新建或扩建8英寸工厂，而且很难在12英寸工厂生产8英寸工厂生产的传统功率和模拟半导体。
只要汽车行业进入百年一遇的CASE（Connected、Autonomous/Automated、Shared、Electric）时代，自动驾驶和电动汽车继续发展，传统功率和模拟半导体就会出现无可救药的短缺。
此外，CASE需要5G（第五代移动通信）半导体，自主/自动化需要AI半导体，台积电最先进的工艺是必不可少的。由于苹果主导了台积电的尖端制造流程，汽车制造商很难遏制这种能力。
也就是说，放眼未来的汽车行业，将出现两个极端的短缺：一个是传统的功率和模拟半导体，一个是台积电生产的最尖端5G用半导体和AI半导体。
可以说，汽车制造商的苦难时代已经到来。根据我个人的分析，我能买到L3自动驾驶电动汽车的日子，暂时还不会到来。
内容由芯世相新能源（ID：nev_semi）编译自EE Times Japan
作者：汤之上隆
作者简介：汤之上隆先生为日本精密加工研究所所长，曾长期在日本制造业的生产第一线从事半导体研发工作，2000年获得京都大学工学博士学位，之后一直从事和半导体行业有关的教学、研究、顾问及新闻工作者等工作，曾撰写《日本“半导体”的失败》、《“电机、半导体”溃败的教训》、《失去的制造业：日本制造业的败北》等著作。
