为设备供应商提供芯片:芯片短缺的设备乘数效应

阿吉特·马诺查、桑杰·马尔霍特拉著

全球半导体供应不平衡已经阻碍了包括汽车和医疗等基本领域以及工人和消费者在内的无数行业。在世界各地，政策制定者正在提高半导体制造能力，以加强供应链，并通过总额达数千亿美元的强有力的激励方案满足日益增长的半导体需求。这种全球半导体制造能力增长的努力取决于额外半导体制造设备(SME)的生产和安装。简单地说，没有更多的中小企业，就没有额外的产能。

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延长。2020年，晶圆厂设备的交货周期为3至6个月，2021年第一季度平均延长至10个月，2021年7月平均进一步延长至14个月。对于一些晶圆厂设备，交货期超过两年。[1]

确保中小企业所需的芯片供应将大大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依赖于中小企业

设备交付周期的延长阻碍了有足够空间增加产能的边缘晶圆厂扩张，并可能严重阻碍广泛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包装和测试提供商。根据SEMI世界晶圆厂预测在2020年至2024年期间，预计将有86家新晶圆厂或大型晶圆厂扩建投产(见图1)，这意味着在此期间，200mm晶圆厂总产能将增长20%，300mm晶圆厂总产能将增长44%。更长的设备交付时间意味着计划芯片产能的增长速度会放缓，这可能会延长短缺的时间。

图1:各地区预计将在2020-2024年上线新的300mm和200mm晶圆厂。

中小企业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中小企业原始设备制造商(OEM)购买并集成到中小企业组件中。这些为中小企业oem和合同制造商提供的芯片占全球半导体市场的比例远不到1%。[２]然而，中小企业的芯片对于提高半导体产能和满足日益增长的需求至关重要，这使得它们对半导体的成功至关重要所有旨在提高产能和加强制造业供应链的投资和公共政策。

扩大中小企业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，硅衬底对半导体生产同样至关重要。原始晶圆生产商也依赖SME来增加产能，而这种设备也需要芯片。要求提高产能的行业和政府利益相关者必须确保中小企业原始设备制造商和合同制造商获得所需的芯片，以建造新晶圆厂所必需的工具。

中小企业乘数效应

重要的是，虽然构建SME所需的半导体数量非常小，但这些工具能够生产非常大量的芯片，相当于1000倍的乘数效应。[3]中小企业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，用于他们的不同工具。乘数效应适用于所有工具;一些例子包括:

• 一个典型的FPGA测试工具需要构建大约80个FPGA。然而，该测试仪每年可以测试大约32万个fpga -乘数效应约为4,000倍。
• 加工工具需要大约100个fpga来构建，每小时可以加工120个或更多的晶圆。在制造流程中，晶圆要多次通过每个工具，但大多数工具对整体生产的贡献份额相当于每年至少200万个器件-约20,000倍。
• 光学晶圆检测工具大约需要100个高性能计算(HPC)服务器芯片来制造。它们的乘数效应可以达到3万倍甚至更高。
• 一个典型的MCU测试器需要制造大约100个fpga，但该工具可以在一年内测试近1000万个MCU，乘数效应为~100,000倍。

美国商务部指出，微控制器是面临最严重短缺的芯片之一。[4]它们被用于包括汽车在内的许多关键下游行业。如果我们考虑一个使用100,000倍乘数效应的测试器的例子，并将其扩展到汽车供应链，假设汽车制造所需的mcu数量为每辆汽车约100个，每个工具/测试器都可以使用足够的mcu来制造100,000辆汽车(见图2)。

图2:中小企业芯片乘数效应对汽车市场的影响示例(来源:SEMI research)

这个MCU测试器示例演示了为中小企业oem和合同制造商确保充足的芯片供应的强大乘数效应。为了增加产能，半导体行业需要更多的中小企业。更重要的是，汽车制造商和其他行业的公司依赖于中小企业带来的产能增长。数以十亿计的半导体和无数包含半导体的下游设备的生产最终依赖于中小企业使用的少量芯片。半导体供应链中的所有利益相关者都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。

结论

半导体设备制造商面临着艰巨的挑战，因为他们努力将芯片公平分配给汽车和医疗等基本行业，但提高对中小企业原始设备制造商所面临的芯片短缺的认识至关重要。由于中小企业对芯片产量的要求较小，将芯片优先用于重要的半导体制造工具将不需要设备制造商改变其分配策略，从而实现从中小企业原始设备制造商和半导体设备制造商到终端市场原始设备制造商和最终消费者的全方位双赢。

如果没有中小企业的重要贡献，扩大晶圆厂产能以实现无数下游行业所需的更大半导体产量将是不可能的。优先为中小企业提供芯片的回报是巨大的。由此带来的设备交货周期的缩短将使半导体生产能力大幅提高，有助于缓解芯片短缺并提高投资回报率。

参考文献

[1]来源:各中小企业oem

[２]各种中小企业oem。

[3]中小企业乘数效应和例子是基于SEMI在中小企业原始设备制造商的投入下进行的研究。

[4]https://www.commerce.gov/news/blog/2022/01/results-semiconductor-supply-chain-request-information

作为SEMI的企业营销和市场情报组副总裁，Sanjay Malhotra管理着几个关键职能。其中包括跨价值链的企业公关、品牌、产品营销、数字营销平台和半导体行业研究。Sanjay在半导体和资本设备行业拥有超过25年的管理经验。在2021年3月加入SEMI之前，他曾担任Applied Materials, Inc.的各种公司和业务部门领导职务。Sanjay在堪萨斯大学获得市场营销和金融MBA学位，在印度塔帕尔工程技术学院获得工程学士学位。