进入2020年之后,半导体产业已经成为世界各国产业和经济发展战略中最重要的问题。目前各行各业都担心被这个产业链卡脖子,这也是未来核心技术承载的关键——因为当前的供应问题将对未来的汽车行业产生影响。

 

最近在研究日本的半导体产业,前面的文《瑞萨电子和日本车用半导体产业》已经聊过日本车企和产业界下一步也会加强半导体的投资。

 

日本经济产业省去年推出了“半导体与数字产业战略”,凸显出在解决半导体相关的问题,都需要政府层面做文章,不能只依靠民间力量主导(靠公司和资本进行投资)。

 

目前已举行多次会议,分别是第1次(2021年3月24日)、第2次(2021年4月27日)、第3次(2021年5月19日)和第4次会议(2021年11月15日),其中涉及汽车的部分我们可以仔细看一下。

 

▲图1.集成电路的重要性按产业分工的世界已经改变

 

Part 1、汽车用半导体的趋势

 

随着社会数字化进程的推进,半导体芯片已成为汽车产业、物联网、数据中心和元宇宙的生命线,并涉及到经济安全保障问题。

 

日本“失去的30年”经济增长低迷的主要因素之一是“数字化转型失败”。半导体芯片,日本预期的主要市场是电动汽车和自动驾驶领域。日本经济产业省认为日本的芯片产业不会在消费电子(电脑和手机)的主战场上与美中韩以及中国台湾地区进行竞争,而需要瞄准车载、数据中心、物联网边缘领域以扭转其仅占10%市场份额的局面。

 

▲图2.日本半导体的情况

 

数字革命中,美国、中国台湾地区和韩国在逻辑/存储等芯片领域份额都在不断增长,而日本在车载、工厂自动化领域拥有最后的增长机会——碳化硅功率损耗降低,传统小算力汽车半导体芯片方面都有一些机会。

 

车载半导体中,自动驾驶知觉和信息处理相关的上半层与电动汽车电耗相关的下半层领域的需求都在增加。

 

●上半层:用于实现功能安全的传感器×人工智能系统以及兼顾处理这些信息的高处理性能与低电耗的处理芯片,围绕算力为主导, Soc系统级芯片/传感器,人工智能系统,处理能力和低功耗芯片。

 

●下半层:用于改善电耗的功率半导体的能量损耗降低需求较重要,围绕低算力芯片和功率半导体(MCU/功率半导体)。

 

从2022-2030年普及的电动汽车、自动驾驶所需的半导体芯片需求要牢牢抓住。

 

▲图3.日本半导体的发展机会

 

换个角度来说,如果日本在这两个领域都没把握住,目前日本经济中的汽车产品的竞争力就麻烦了。

 

日本国内汽车产业出货额达60万亿日元,占制造业的20%,产品出口额77万亿日元中,汽车产业占比20%,汽车产业就业人口550万人(占所有产业的10%),设备投资1.4万亿日元, 研发投资3万亿日元。汽车产业是日本名副其实的支柱,而汽车行业迎来了百年一遇的大变革——汽车新四化趋势与碳中和目标下的:

 

1. 出行服务x自动驾驶

2. 网联化x自动行驶

3. 电动汽车与电动化动向

 

对于半导体的需求将出现爆炸式增长,必须将其与数字基础设施改革联系起来,汽车半导体的发展是不可或缺的。

 

▲图4.日本汽车产业在日本经济中制造业非常重要

 

汽车电子主要围绕可靠性开发,在芯片领域应用目前使用的工艺已超过10年,几乎都是40nm及以上的上一代稳定工艺(高可靠性、高温储存、高耐湿性和低缺陷率等严格条件)。随着高算力带来的集中化设计需求和自动驾驶对于图像传感器的精细化/性能增强,汽车半导体工艺开始向20nm级转型,目前10nm级工艺已经应用于自动驾驶和网联化领域的高端SoC。

 

近期的汽车缺芯问题,向精细化工艺转型的情况下,汽车芯片厂家不太积极增加老工艺的供应,在2020年汽车需求一度降温,因此更多新品企业往消费电子方向发展,目前半导体工厂的利用率超过90%。

 

Part 2、日本的对策

 

从日本国内半导体厂商的情况来看,在逻辑芯片以外的领域,仍然有公司可以在内存、传感器、功率等方面在全球市场一较高下,但在面临全球企业加大投资,在竞争激化的情况下也存在落后的风险,特别是功率半导体似乎处境艰难。日本没有竞争优势的逻辑芯片领域被认为是未来推动数字化产品的关键,只有40nm级或更早的老一代工艺生产基地。考虑未来经济安全和供应链时,如果缺失这一环,情况将极为危险。 

 

▲图5.日本的投资确实欠了很多的账

 

在逻辑芯片领域的竞争形势方面,世界几乎完全转向了横向分工,其中台积电在代工业务的市场份额超过50%,且工艺先进,处于几乎垄断的地位。最先进工艺的开发也与芯片设计具有共创关系,通过主要客户苹果和台积电的强大合作关系与共同开发,双方都赢得了压倒性的地位。这种共创关系不仅对先进工艺很重要,而且对老工艺以及新技术开发都很重要,例如高度可靠的混合存储器和下一代堆叠式图像传感器技术

 

 从汽车产业的角度来看,在日本拥有接下来将成为主流的20nm级工艺生产基地,通过与这些产品国内设计的共创关系,逐步建立技术和制造层面的优势,同时保障稳定供应,这是至关重要的。

 

▌三步走策略

 

◎第一步

紧急加强物联网半导体生产基础设施建设:电动汽车×自动驾驶。

 

▲图6.三步走战略第一步

 

从经济安全和供应链保障的角度来看,日本让台湾半导体制造公司台积电在日本建设40nm半导体生产线是有疑问的。作为确保制造基地的措施。

 

第一是确保日本国内公司的先进半导体(逻辑和存储芯片)的稳定供应,通过确保生产基地来保障日本的生态系统(元件/设备制造商、地区)。第二是应对供应链风险的措施,更新升级现有的模拟器件、功率、微控制器等制造基础设施。汽车市场正处于高端微控制器、集成ECU产品、图像传感器等未来汽车半导体的时代,日本国内企业的需求量很大。对于半导体行业来说,20nm级的国内工艺制造基地是必不可少的。 

 

◎第二步

日美合作研发下一代半导体技术基础。

 

▲图7.三步走战略第二步(2-1)

 

第一步带有强烈的应急色彩,第二步则开始进行反击,包括先进半导体前端工艺(2nm)后端工艺(3D封装)和下一代功率半导体(SiC、GaN、Ga2O3)的技术开发。

 

▲图8.三步走战略第二步(2-2)

 

◎第三步

全球合作研发下一代技术基础——到2030年致力于开发可以改变游戏规则的未来技术。

 

其亮点是光电融合技术。在最先进的工艺中,金属布线的损耗是一个基本的限制条件,虽说精细化具有局限性,但利用光传输的技术具有可能性,因此将致力于研究这个问题。

 

▲图9.三步走战略第三步

 

小结:

 

关于日本的讨论很多,能做的功率半导体,目前全球市场份额第3、第5、第6都是日本厂商,但在后两家企业基本没有什么利润,这是零部件行业面临的艰难局面。全球领先的德国英飞凌动作迅速,建立了越来越多的300mm晶圆线工厂,启动运营进行竞争。排名第2的美国安森美和排名第4的瑞士意法半导体都已经启动了300mm晶圆线,日本厂商完全落后。

 

本文特别感谢「锂解小哥哥 Gao Hongze」翻译图片&「锂解小姐姐 周mm」排版编辑