硬件|200mm晶圆投资不足是芯片普遍缺货的主要原因？

2020-12-23

过去几个月来一直存在的备受关注的问题就是许多新款电子产品很难买到。这涉及到很多相关因素，例如COVID-19、经济环境、良率问题等，但对于导致如此普遍的芯片缺货问题有一个新的争论：对200mm晶圆的投资不足。
如今，最先进的芯片在300mm晶圆上制造。过去的几十年，制造商一直在提升标准晶圆的尺寸，从100mm到150mm再到200mm和300mm 。长期以来，人们一直认为300mm晶圆要优于200mm晶圆，因为更大的晶圆尺寸可以减少浪费，通常还可以提高晶圆代工厂的日产量。
现在没有多少代工厂致力于150mm或更小尺寸的晶圆，但许多代工厂仍在运行200mm的生产线，台积电、三星，以及许多二线代工厂都提供这一节点。GlobalFoundries、中芯国际、联华电子、高塔半导体和SkyWater都有200mm生产线。
许多IoT和5G芯片，以及一些模拟芯片、MEMS芯片和RF解决方案都采用200mm晶圆。

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图片由Semico Research提供， 2018年
需要指出，关注度比较高的产品，像台式机和移动设备的GPU、CPU ，高端蜂窝调制解调器芯片以及其它类似产品，只是一个设备中少数的几个芯片，还有许多是通过较为成熟的工艺和更低的成本制造。
200mm的晶圆本应随着300mm晶圆的使用而逐渐减少，在2007年至2014年期间，情况确实如此，但此后趋势逆转了。原因是200mm的生产线非常成熟且成本很低。另外，许多客户迁移到更大的晶圆并没有获得太多好处，他们希望使用已有的成熟设计。这也是许多物联网传感器和产品都使用相对成熟节点的原因。
随着对这些产品需求的增长，新冠大流行之前，许多工厂的200mm晶圆的利用率就已经很高，而像台积电这样的大型代工厂在新增200mm晶圆产能方面的进展缓慢，让200mm晶圆变得紧俏。

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这张旧图描述了450mm晶圆的占比，还显示了分析师预计200mm晶圆出货量的变化。2015年之后，对200mm的需求再次开始增长，而从未投放过450mm的晶圆。
不过，这并不意味着每个有200mm晶圆产线的代工厂的利用率都很高。在某些情况下，一家公司将一款新品的设计移植到新的晶圆厂可能需要大量的时间和金钱。也就是说，如果一家公司为代工厂A的生产线设计的芯片，要转移到代工厂B进行生产，这可能会带来巨大的成本。
新冠大流行给许多行业带来了挑战，半导体产业的表现是一大亮点。居家办公有电子产品的销量是一大利好，这意味着对各种芯片有额外需求，当然也给供应链带来了压力。
“今年的情况很有趣。不仅200mm晶圆需求增加，最新的和特殊的产品需求也显著增加，包括电源、CMOS图像传感器、RF射频等产品。” VLSI研究部总裁Risto Puhakka告诉SemiEngineering 。“如果是像TI、恩智浦这样的模拟芯片IDM ，那么2020年将是艰难的。工业、汽车和电力市场一直受冠大流行影响处于艰难境地。但与此同时，代工厂正在解决消费市场的问题。”
市场的情况是，对Wi-Fi和蓝牙芯片需求的激增，导致这两种芯片都很短缺。另外，汽车电子产品的需求增长也快于预期。
至此，就能够在一定程度上解答文章开头提出的现在一些电子产品比较难买到的问题了。这不仅仅因为新冠大流行扰乱了供应链，同时，需要新的笔记本电脑来满足远程学习和办公需求，加上备受期待的新款GPU的发布，还有华为的提前备货，以及现在200mm晶圆的普遍短缺，都是芯片普遍缺货的原因。
预计到2021年，将新增每月22万片（wpm）的200mm晶圆产能，到时全球的总产能将超过640万wpm 。
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