成熟节点芯片短缺加剧

目前的芯片短缺浪潮预计将持续到可预见的未来，特别是在成熟工艺节点中生产的越来越多的关键器件。

成熟节点制造的芯片通常不受关注，但它们几乎被用于所有电子设备，包括电器、汽车、电脑、显示器、工业设备、智能手机和电视。这些芯片中有许多是热门产品，供应紧张，交货期长，而另一些则很容易找到。这取决于芯片类型、规格和供应商。

此外，一些尖端芯片，如精选存储器和处理器，也处于同一境地。这些芯片往往会吸引大部分注意力，但基于成熟节点的芯片也很重要。供应紧张的成熟节点半导体包括CMOS图像传感器、显示驱动器ic、闪存控制器、微控制器(mcu)、功率mosfet和电源管理ic (pmic)。

落后和前沿节点的芯片短缺已经影响了许多公司及其产品的出货能力。短缺阻碍了汽车、个人电脑和智能手机的出货，这种情况短期内不会好转。

Gartner分析师Samuel Wang表示:“总体而言，我们认为芯片短缺至少将持续到明年年中。”

事情并不总是这样的。在2020年初，由于COVID-19大流行爆发，IC供应商的需求下降。到2020年年中，市场出现反弹。在家工作/教育的经济推动了对电脑和电视的需求，从而导致对芯片的需求激增。部分芯片出现短缺。这种势头随后延续到2021年上半年，出现了一些新的动态。汽车领域出现了严重的芯片短缺，这种情况已经蔓延到智能手机和其他产品。

芯片行业普遍出现芯片短缺还有其他原因。在较高的水平上，该行业正处于需求超过供应的繁荣周期之中。芯片制造能力也不足以满足需求。

领先的芯片是在最先进的300mm晶圆厂使用从16nm/14nm到5nm的各种先进工艺制造的。此外，300mm晶圆厂还生产65nm至28nm成熟节点的器件。芯片也在旧的200mm晶圆厂使用350nm到90nm的工艺制造。

几年来，全球200mm晶圆厂产能一直紧张。300mm容量也是如此。分析师表示，事实上，台湾晶圆代工厂的产能至少要到2022年年中才会售罄。

“我们看到许多应用程序在所有节点上都有前所未有的需求，”腾讯销售副总裁Walter Ng说联华电子．“随着这个周期持续更长时间，我们认为这可能会成为新的常态。”

为了满足需求，芯片制造商正在建造新的200mm和300mm晶圆厂。但建造晶圆厂需要时间和金钱，这意味着芯片短缺问题不会在一夜之间消失。在此之前，包括图像传感器、显示ic、mcu和pmic在内的许多芯片类型将继续短缺。

繁荣周期
多年来，该行业经历了各种需求大于供应的繁荣周期。它也经历过经济衰退。当前的繁荣周期是近期记忆中最大的周期之一。

东芝总裁兼首席执行官Toshiki Kawai表示:“在5G移动和数据中心投资的普及推动下，逻辑/代工方面的投资强劲，存储器方面的投资也在加速。电话他在最近的一次演讲中说。“由于5G移动、PC和数据中心需求增加，(DRAM)供应紧张。对(闪存)的投资仍在稳步增长。”

根据Semico Research的数据，2021年半导体市场预计将增长17%。根据Semico的数据，2020年的增长率为6.6%。在这个周期中，芯片的需求超过了供应，这影响了许多产品。Semico总裁吉姆•费尔德汉(Jim Feldhan)表示:“供应短缺期间的经典经济模式通常会导致价格上涨和销量下降。”

但至少对某些终端用户产品而言，需求正在放缓。费尔丹说:“个人电脑升级周期的大部分已经结束，短缺将在2021年下半年在很大程度上缓解。”“我们考虑了一些将短缺延长到2022年的情况。物联网、5G及其在智能城市中的新应用预计将继续增长，对云应用的依赖也将越来越大。”

每个应用程序以及相关的芯片都有不同的动态集。“先进技术和成熟半导体产品正在经历不同的供应情况，”Feldhan说。“随着采用最新一代制程技术(5nm)的手机陆续推出，智能手机用高级处理器的供应紧张是正常现象。随着升级和家庭教育需求得到满足，个人电脑和平板电脑的计算处理器需求正在回归历史水平。”

利用成熟技术的芯片也在蓬勃发展。英特尔半导体x射线事业部副总裁兼总经理Paul Ryan表示:“我们在射频领域看到了很多机会，特别是在5G的推出方面。力量．“许多代工厂的主力是40nm及以上。他们现在正在爆炸。他们只是为了满足标准组件的需求而填满了大量的货物。”

以汽车行业为例。汽车可能有一些领先的芯片，但绝大多数设备都是基于成熟的节点。费尔丹说:“随着个人电脑需求的增加，2020年汽车销量将下降。”“将产能从汽车芯片转移到计算和家庭娱乐是有意义的。但许多汽车芯片是为特定应用而设计和使用的，不能用于其他应用。”

到2021年初，汽车业务有所反弹，但汽车制造商未能采购足够的芯片来满足需求。“汽车制造商试图恢复订单，但现在他们排在了生产队伍的后面。晶圆厂的产能已经分配给笔记本电脑、台式电脑、平板电脑和服务器，以满足不断增长的销售需求。这与去年下半年新智能手机的正常推出相冲突。反常的天气和交通问题加剧了这一问题。”

总而言之，该行业在多个领域都陷入了芯片短缺。因此，IC供应商需要更多的制造能力。

但拥有晶圆厂和代工厂的IC供应商面临着产能不足的问题。“我们看到成熟节点的300mm设备利用率达到历史最高水平。中国、北美、欧洲和日本的设备制造商尤其积极地增加产能，”中兴通讯副总裁兼总经理Wilbert Odisho说心理契约．“200mm设备的利用率非常高。设备制造商正在建设新的200毫米晶圆厂，并扩大现有晶圆厂的产能。”

200mm的容量特别紧。在某些情况下，晶圆代工厂正在将一些芯片产品从200mm晶圆厂迁移到300mm晶圆厂。“然而，在许多其他情况下，将专业技术生产转移到300毫米还存在一些重大障碍，”该公司战略营销董事总经理大卫•海恩斯(David Haynes)表示林的研究．“首先，将器件生产从折旧的200mm晶圆厂转移到300mm晶圆厂的经济效益可能具有挑战性。其次，重新认证可能是一个更大的障碍。在许多情况下，晶圆厂输出的一个重要组件的目标是汽车应用，重新认证可能是耗时和昂贵的。但这使得这些200毫米晶圆厂需要持续改进，以增加现有设施的产能。”

所有这些都给代工供应商带来了挑战。"每个晶圆代工厂都有自己的标准来应对目前的短缺，" UMC的Ng说。“由于需求远远超过我们的能力，这迫使我们根据客户和特定的重点终端应用来优先考虑我们的供应能力。我们在这种情况下所做的决定，以及我们所依据的标准，将对我们在未来几年的表现至关重要。”

据SEMI称，为了满足需求，全球约有19个新的大批量晶圆厂已经开始建设，或将在今年年底开工，另有10个计划在2022年开工。

但许多晶圆厂设备类型也供不应求，特别是200mm工具。KLA的Odisho说:“我们已经看到我们的客户重新部署了以前关闭或存放在仓库中的成熟系统。”KLA为新一代系统增加了200mm的能力，允许设备制造商部署最新的功能和能力来满足他们的过程控制需求。”

单片机短缺
与此同时，一些成熟节点上的芯片产品很热门，面临短缺，包括微控制器．微控制器被用于许多系统中，如电器、汽车、通信设备和工业产品。Infineon、Microchip、NXP和Renesas等公司提供mcu。一些公司有自己的晶圆厂。许多零件外包给铸造厂。

微控制器提供系统中的处理功能，将CPU和内存等多个组件集成在同一块芯片上。mcu有4-、8-、16-和32位配置。应用程序取决于配置。例如，32位mcu用于汽车，而4位产品用于家电。

微处理器在不同节点的晶圆厂进行加工，如28nm, 40nm, 65nm, 90nm和180nm。一些公司正在开发高级节点设备。

mcu需求强劲。UMC的吴恩达说:“MCU是一个热门应用的例子，需要从成熟的200mm技术节点到主流的300mm技术的支持。”“mcu是推动主流40nm及以下技术增长的关键应用之一。”

然而，MCU供应商无法跟上需求。Semico的Feldhan表示:“mcu的短缺仍在继续。“到2020年下半年，对mcu的需求开始增加。从那时起，MCU的平均售价(asp)每个季度都在增长。我们预计2021年第二季度销量将下降1%，而平均售价预计将增长近5%。32位mcu的供应似乎是最紧张的，其asp比去年增长了20%以上。”

甚至更老的4位mcu也有需求。“4位mcu的销量大幅增长。虽然4位mcu仅占总销量的不到1%，但在2021年的前五个月，4位mcu的销量比2020年增长了400%以上。”

一些MCU供应商正在采取常规措施来满足需求。例如，Microchip推出了优先供应计划(PSP)。它将为客户提供从订单后6个月开始的优先供应，以换取至少12个月的不可取消订单。

Microchip总裁兼首席执行官Ganesh Moorthy在最近的一次电话会议上表示:“这为我们提供了一个坚实的基础，使我们能够谨慎地购买受限的原材料，投资扩大工厂产能，并雇佣员工来支持我们的工厂。”

PMIC, DDIC短缺
显示驱动ic (ddic)和电源管理集成电路(pics)的供应也很紧张。ddic用于为平板显示器供电，而pmic用于管理系统中的电源。

UMC的Ng说:“我们看到与电力相关的应用，如PMICs和ddic，需求很高。”DDIC和PMIC的生产跨越了从150nm到22nm/28nm节点的成熟技术。”

pmic几乎应用于所有系统，是一种控制电力流向和方向的芯片。Dialog, Maxim, Qualcomm，三星，STMicroelectronics和TI销售pmic。一些供应商在自己的晶圆厂生产pmic，而另一些则使用代工厂。

pmic基于BCD(双极cmos - dmos)工艺。据意法半导体称，BCD将三种不同的工艺技术结合在一块芯片上。双极用于模拟功能，CMOS用于数字功能，DMOS用于电源和高压元件。

pmic至关重要。在智能手机中，pmic处理大部分电源需求和其他功能。

然后，对于可穿戴设备、可听设备和其他紧凑型消费系统，设计师希望开发更小的系统，但他们也必须找到延长电池寿命的方法。设计人员必须减少散热和噪音。

为了满足这些需求，Maxim最近推出了单电感、多输出PMIC。该设备可以将系统尺寸缩小一半，同时将电池寿命延长20%。

然而，pics也供应不足，这影响了部分产品的出货。pmic用于pc、服务器和其他产品。“在供应受限的情况下，PC、服务器和图形需求保持健康。KeyBanc分析师John Vinh表示:“尽管个人电脑笔记本需求依然健康，但由于与ddic和pmic相关的零部件严重短缺，第二季度的需求可能低于此前预期。”

因此，根据Semico的数据，2021年第一季度电源管理设备的单位销量下降了0.7%，而价格上涨了2.8%。

此外，ddic的供应也很短缺，阻碍了部分显示器的出货。汽车、工业设备、个人电脑、智能手机、电视和其他产品都采用了平板显示器。大多数电视屏幕是基于液晶显示器(lcd)的。电视使用其他显示类型，如有机发光二极管(oled)和量子点。

智能手机的显示屏基于lcd和oled。许多汽车采用简单的液晶显示器，而其他汽车则采用更复杂的显示器。UMC的吴恩达表示:“汽车显示屏的扩展、汽车设计中电气化和先进计算机架构的兴起，正在推动显示驱动ic和改进的显示技术，以及3D传感和更广泛的MCU应用，以提高ADAS性能。”

平板显示器是在大型晶圆厂生产的。来自中国大陆、韩国和台湾的供应商主导着显示屏制造业。

在新冠疫情之前，平板显示器市场非常不景气。供应过剩、价格下跌和亏损是市场的共同主题。到2020年年中，显示市场出现反弹，显示中使用的关键芯片出现短缺，包括ddic、定时控制器(TCONs)以及触摸和显示驱动程序集成(TDDI)芯片。

显示芯片和其他产品供应商Himax的Eric Li表示:“dic提供了点亮面板的功能。”

TCONs用于控制显示器中的显示驱动IC。TTDIs在同一芯片上结合了一个触摸控制IC和一个显示驱动IC。Focaltech, Himax, Ilitech, Magnachip, Novatek, Raydium和Synaptics提供显示芯片。

图1:液晶电视定时控制器。来源:Himax

到2021年为止，显示器的需求仍然强劲，显示芯片的短缺仍然存在。

Semico的费尔丹说:“有传言称，显示驱动程序处于短缺状态，2020年下半年可能就是这种情况，当时显示驱动程序的平均售价增长了21%，而销量只增长了19%。”“但在2021年第一季度，销量增长了14.5%，而价格下降了10.4%。这种销售对价格的反应通常表明库存正在增加。”

几家代工厂商生产显示芯片。用于大尺寸lcd的ddic是在200mm晶圆厂使用110nm至150nm工艺生产的。用于小型屏幕的dic是在300mm晶圆厂使用90nm至22nm工艺制造的。

根据TrendForce的数据，用于大屏幕lcd的ddic供应不足。据该研究公司称，这些产品是在200mm晶圆厂生产的，而全球200mm产能短缺。

用于小型/中型显示器的ddic也很紧张。除了短缺，ddic供应商还面临其他挑战。在某些应用中，tddi正在取代ddic。

与此同时，用于智能手机显示屏的AMOLED显示芯片也出现短缺。据TrendForce称，这些产品的代工产能紧张。据TrendForce称，这些产品采用40nm和28nm中压工艺技术制造。

GlobalFoundries，三星，台积电和联华是这些工艺的主要代工厂。此外，据TrendForce报道，HLMC、Nexchip和中芯国际也在开发这些工艺。

图像传感器吊杆
CMOS图像传感器也供不应求。CMOS图像传感器在汽车、工业/医疗系统、安防摄像头和智能手机等各种系统中提供相机功能。

典型的智能手机包含两个或多个摄像头，每个摄像头都由CMOS图像传感器供电。传感器将光线转换成信号，使手机能够创建照片。

根据OmniVision的数据，一般来说，一款高端智能手机由1到2个前置摄像头，以及3到4个主摄像头组成。这款相机集成了分辨率在200万到2亿像素之间的图像传感器。

OmniVision负责全球销售和营销的高级副总裁Michael Wu说:“移动相机的新功能仍然是图像和捕捉。”在某些情况下，客户可能会探索新的成像应用，例如同步定位和测绘以及AR/VR。”

图像传感器供应商不断突破技术极限，在一个芯片上封装更多更小的像素。UMC的吴恩达表示:“市场不断寻求在更广泛的终端产品中使用更高分辨率和更小像素尺寸来改进相机模块。”

需求强劲。根据Yole Développement的数据，2020年，图像传感器业务总计达到207亿美元，比2019年增长7.3%。据Yole称，预计2021年该市场将达到214亿美元，增长3.2%。

“对于移动设备而言，2020年5G需求呈指数级增长，现在我们正在经历其后遗症。我们看到4G的库存很低，而整体市场趋势仍在向5G转移。”“在医疗方面，大流行推动了市场的积极增长，今年我们将继续看到增长，特别是从可重复使用的医疗成像设备到一次性设备的需求。计算机是另一个迅速增长的市场，今年的趋势是向更高分辨率、更小尺寸的薄边框笔记本电脑和笔记本电脑发展。”

图像传感器使用标准CMOS工艺在200mm和300mm晶圆厂制造。为了制造一个图像传感器，供应商在晶圆厂加工两种不同的晶圆。第一个晶圆由许多晶片组成，每个晶片由一个像素数组组成。第二晶圆由图像信号处理器(ISP)芯片组成。晶圆被粘合在一起，模具被切丁，形成图像传感器。

一般来说，顶部像素数组骰子是基于成熟节点的。ISP的模具范围从65nm, 40nm和28nm工艺。

“从制造的角度来看，首先要注意的一点是，随着像素尺寸缩小到1微米以下，传感器像素晶圆的制造正在从90nm技术节点转移到65nm和45nm技术节点，”Lam的Haynes说。与此同时，相关的图像信号处理(ISP)晶圆生产正在转向28nm及以下。最后，今天集成的不仅仅是传感器和ISP晶圆。DRAM集成也成为趋势。”

其中一些工艺目前供应不足。“CMOS图像传感器的短缺不仅影响移动市场。这是影响整个半导体行业的普遍短缺，”OmniVision的Wu说。“我们发现40纳米和28纳米工艺都出现了短缺，但从40纳米到28纳米的一些工艺也出现了短缺。”

结论
其他类型的芯片，如模拟芯片和射频芯片，也处于供应短缺的状态。像电容器这样的无源元件也是如此。

目前尚不清楚短缺情况何时会结束。希望这个行业下次能处理得更好。

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