芯片缺货潮中的恶性循环

全球半导体供应失衡阻碍了无数行业，包括汽车和医疗等重要领域以及工人和消费电子。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大激励计划满足不断增长的半导体需求。这种全球发展半导体制造能力的努力取决于其他半导体制造设备（SME）的生产和安装。简而言之，没有更多的半导体制造设备，就不可能有额外的产能。

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增加。到2020年，晶圆厂设备的交货时间在3到6个月之间，2021年第一季度平均延长至10个月，2021年7月平均延长至14个月。对于某些晶圆厂设备，交货时间超过两年。

确保半导体制造设备所需的芯片供应将大大减少晶圆厂设备的交货时间，半导体制造设备可以在不改变其分配策略的情况下扩大产能。

 半导体制造设备：扩大芯片生产的关键角色

延长的设备交货时间阻碍了晶圆厂的扩张，而这些晶圆厂已经准备好了空间去扩张产能；此外，交货延期会严重阻碍材料和工艺设备供应商、封装测试提供商以及其供应链的扩张。根据SEMI预测，2020年至2024年间将有86个新晶圆厂或主要晶圆厂扩建上线（见图1），在此期间，200mm晶圆厂总产能增长20%，300mm晶圆厂产能增长44%。 但更长的设备交付时间意味着计划芯片生产能力的提升速度较慢，可能会延长短缺时间。

图1:2020年-2024年新200mm和300mm晶圆厂的扩产情况

半导体制造设备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半导体制造设备原始设备制造商购买并整合到半导体制造设备组件中。这些面向半导体制造设备OEM和代工制造商的芯片在全球半导体市场中的占比远低于1%。然而，半导体制造设备所需的芯片对于提高半导体产能和满足不断增长的需求至关重要。

扩大半导体制造设备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，硅基板对于半导体生产同样重要。原硅片生产商也依赖半导体制造设备来增加产能，而这个设备也需要芯片。呼吁增加产能的行业必须确保半导体制造设备OEM和合同制造商获得他们需要的芯片，以构建对新建晶圆厂至关重要的工具。

 半导体制造设备的乘数效应 

重要的是，虽然构建半导体制造设备所需的半导体占比非常小，但这些工具能够生产大量芯片，相当于>1000倍的乘数效应。半导体制造设备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——适用于他们不同的工具。乘数效应适用于所有工具，一些例子包括：

一个典型的FPGA测试工具需要大约80个FPGA来构建。然而，该测试仪每年可以测试大约320000个FPGA——乘数效应约为4000倍。

工艺工具需要大约100个FPGA来构建，每小时可以处理120个或更多晶圆。晶圆在制造流程中通过每个工具多次，但大多数工具对整体生产的贡献相当于每年至少200万台设备-约20,000倍乘数。

光学晶圆检测工具需要大约100个高性能计算(HPC)服务器芯片才能制造。它们的乘数效应可以达到约30000倍甚至更高。

一个典型的MCU测试仪需要制造大约100个FPGA，但该工具可以在一年内测试近1000万个MCU，乘数效应约为100000倍。

MCU是面临最严重短缺的芯片之一。它们用于包括汽车在内的许多关键下游行业。如果我们考虑一个对测试仪使用100000倍乘数效应并将其扩展到汽车供应链的示例，假设汽车制造所需的MCU数量约为每辆汽车100个，那么每个工具/测试仪都可以启用足够的MCU来制造100000辆汽车（见图2）。

 图2:半导体制造设备芯片乘数效应对汽车市场的影响

这个MCU测试仪示例展示了确保为半导体制造设备OEM和合同制造商提供充足芯片的强大乘数效应。为了增加产能，半导体行业需要更多的半导体制造设备。更重要的是，汽车制造商和其他行业的公司依赖于半导体制造设备实现的产能增长。数十亿半导体和无数集成半导体的下游设备的生产最终依赖于半导体制造设备使用的少量芯片。半导体供应链中的所有利益相关者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

半导体制造设备公司在努力将芯片公平地分配给汽车和医疗等重要行业时面临着艰巨的挑战，但提高对半导体制造设备OEM面临的芯片短缺的认识至关重要。

如果没有半导体制造设备，扩大晶圆厂产能以实现无数下游行业所需的更大半导体生产将是不可能的。为半导体制造设备优先考虑芯片的回报是巨大的。设备交付周期的缩短将显着提高半导体生产能力，有助于缓解芯片短缺并提高投资回报率。