(408) 844-7100 自動車用IC不足が長引く
Semiconductor Engineering
2021年5月20日
現在の自動車用半導体の供給不足はすぐには終わらないだろう。
2020年初頭にCOVID-19のパンデミックが発生したとき、世界中のサプライチェーンに大混乱をもたらしたが、特に自動車メーカーは足元をすくわれた。約8週間にわたる工場の操業停止期間中に自動車メーカーがチップの発注をキャンセルすると、後に重要なICの供給が途絶えていたことが判明した。
さらに完璧な嵐となったのは、テキサス州オースティンのチップメーカーの工場を閉鎖した大規模な冬の氷嵐、日本の那珂市にあるRenesas Electronicsのウェハ工場での大火災、台湾で進行中の干ばつなど、他のいくつかの出来事によってパンデミックが悪化したことだ。これらの出来事はすべて、自動車用ICの在庫を著しく減少させた。
車載用チップの入手可能性に関する予測は、現在あちこちで出ている。最も楽観的な予測は、今年後半、おそらく第3四半期、あるいは来年初頭までに緩和されるというものだ。しかし、業界アナリストによれば、自動車用ICの供給不足は、TMSCやIntelなどによるチップファウンドリーの能力増強が見込まれる2022年、あるいは2023年まで続く可能性が高いという。
主要自動車OEMによる自動車用IC受注の大幅な後退は、すでにこの業界にとって非常に大きな損失であることが証明されており、受注は長く複雑な半導体サプライチェーンの末端まで押しやられ、事実上世界中のすべての自動車メーカーで工場の計画的な操業停止を余儀なくされている。チップの逼迫は、 General Motors、Ford、Stellantis（旧Fiat Chrysler）のデトロイト3社から、欧州、日本、韓国の主要自動車メーカーのほとんどに至るまで、ほぼすべての自動車メーカーに影響を及ぼしている。
ほぼすべての大手自動車メーカーが、定期的な工場閉鎖や操業停止を発表しており、なかには極端な措置をとるところもある。最も大きな打撃を受けたのはFordで、同社の人気車種であり圧倒的に収益性の高いF-150ピックアップを、販売に必要なチップなしで製造し、後にICが到着してユニットが完全に稼動するようになるまでトラックを駐車場に止めておくという手段に出なければならなかった。Fordは先に、半導体不足が2021年上半期まで続く場合、Fordの調整後税引き前利益に10億～25億ドルの影響が出ると発表した。4月28日に行われたFordの2021年第1四半期決算発表では、売上高362億ドルに対して純利益33億ドルを計上し、世界的な半導体不足と商品コストの上昇により、前年同期比で25億ドルのコスト増に直面したと指摘した。Fordはまた、第1四半期に生産台数の17％にあたる約20万台を失ったとし、半導体不足が完全に解消するのは2022年になるとの見通しを示した。
チップ不足の原因は？
自動車業界のチップの苦境は、工場が完全に閉鎖されたパンデミックの約8週間の間に、OEMがICの発注を引き下げたことが主な原因である。突然、在宅勤務者がPC、ノートPC、タブレット、ルーター、その他のネットワーク機器など、あらゆる種類の電子機器にチップを搭載するための予期せぬ需要を解放したため、エレクトロニクス分野のあらゆる分野から爆発的な需要が発生した。そのため、以前は自動車部門向けであった市場の一部が食い荒らされた。
GlobalFoundriesのオートモーティブビジネスライン担当バイスプレジデント兼ジェネラルマネージャーであるカマル クーリ氏は、「需給の不均衡に対処するための課題を最もよく理解するためには、最初のスマートフォンが登場して以来15年の歳月をかけて、どのようにしてここまで来たのかを、一歩下がって振り返ってみることが重要です。タッチスクリーン、死角検出、通信、スマートペイなど、デバイスのユーザー体験を向上させる機能豊富なチップは別の道を歩みました。研究開発と投資は小型チップに集中し、機能豊富なチップは静かに技術的・経済的成長の原動力となった。」と語った。
今日の半導体に対する前例のない需要は、デジタルトランスフォーメーションの加速、在宅勤務/在宅学習の急増、5Gスーパーサイクルの立ち上げ、そして世界貿易への影響などの合流によってもたらされている。COVIDパンデミックの初期には、自動車販売が軟化し、その影響がサプライチェーンを通じて連鎖した。
「同時に、他の顧客（主にノートパソコン、タブレット、WIFI、ストリーミングのサプライチェーンに関わる顧客）も、在宅勤務や在宅学習への世界的な移行により、当時需要が急増した」とクーリ氏は述べた。「その数カ月後、予想に反して自動車産業が回復し、需要が伸びた。自動車メーカーがサプライチェーンに再び参入しようとしたとき、限られた半導体製造能力の多くはすでに他の顧客によって確保されていた」
パンデミック以前は、チップ不足はなかった。実際、DRAM市場の価格軟調により、半導体の売上はわずかに減少した。「2019年は、実際にはチップ不足はなかった。半導体業界全体では、実際に数量ベースで7％減少した」と、Semico Researchの社長ジム フェルダン氏は指摘する。「ある意味、調整の年だった。もちろん、自動車はメモリを使用している。サーバーなど他の業界ほど大規模ではないが、価格が大幅に上昇した。2019年は少し減速し、調整の年だったため、メモリの価格は大幅に下落したが、数量は減少した」
パンデミックが発生すると、自動車会社は生産を抑制した。「GDPは30％ほど落ち込んだ」とフェルダン氏は言う。「事態はかなり暗厳しく、自動車業界からは多くの撤退があった。自動車業界からは多くの引き戻しがあった。自動車市場がどれほど好調になるかは、わかっていなかった」
一方、新たに在宅勤務となったユーザーは、パンデミックによってすべてが停止している間、自宅でフルタイムでより効率的に仕事をするために、ラップトップ、タブレット、大型モニター、より高速なデスクトップ、ルーターなど、あらゆる種類の電子機器を購入した。「何年もの間、私たちは、ビジネス サイドも含めて、人々がPCのアップデートやアップグレードを遅らせていると言い続けてきました」とフェルダン氏は言う。「しかし、パンデミックがその原因になるとは誰も思っていなかった」
2019年と2020年には、自動車市場、特にTeslaや他のいくつかの自動車メーカーのEV向けに、スポット的な供給不足が発生した、とフェルダン氏は述べた。「Teslaは、シリコンカーバイト MOSFETを最初に採用したメーカーであり、供給不足に陥った」と同氏は語った。「2つのメーカー（TeslaとToyota）があり、そのほとんどを消費していました。実際、ToyotaはシリコンカーバイトMOSFETと標準的なシリコンMOSFETを比較検討していた。しかし、彼らは供給不足を恐れて、プラグイン車やハイブリッド車にはその技術を使わないことにしたのだ。誤算だったのは、パンデミックが起きると、それがエレクトロニクスの購買にどのような影響を及ぼすかということだ。そのため、すべての自動車メーカーが生産量を削減した。おそらく『好きなときに電源を入れればいい』と考えていたのでしょう。しかし、その後、多くの容量が他のものに奪われてしまいました」
これらの部品の一部は交換可能です。例えば、 DRAM は幅広いアプリケーションで使用できる。しかし、車載用チップは特殊なプロセスと広い温度範囲を必要とし、現場で故障すると高くつく。車載用OEMは、過酷な条件下での長寿命と極めて低い不良率を求めています。
何が不足し、誰が何を作っているのか
供給不足に陥っている車載用ICの大半は、 マイクロコントローラ (MCU)であり、これらは通常、古い200mmや300mmのファブで、より成熟したプロセスノードで製造されている。車載用ICのリードタイムは、MCUの種類やチップの製造に関わる半導体プロセスノードにもよるが、26週間、あるいはそれ以上かかるというのが大方の予想だ。
2020年4月からチップ不足を追跡してきたIHS Markitのサプライチェーンおよびテクノロジーチームは最近、このトピックに関するホワイトペーパーを発表しました。「これらの制約の原因は、OEMからの需要の増加と半導体の供給不足によるものであるため、両方の力が一致するまで解決されません」と、IHS MarkitのADAS、半導体、コンポーネント担当シニアプリンシパルアナリスト、フィル アムスルード氏は書いています。「原因が自然災害であれば、サプライチェーンは適切な復旧計画で対応するでしょう。その実施には数か月または数四半期かかりますが、計画はすでに存在しています。これは供給と需要のバランスの問題であり、マイクロコントローラーユニット（MCU）のリードタイムが26週間以上であることから、サプライチェーンの制約は少なくとも今年の第3四半期までは続く可能性があります」
特に問題なのは、自動車に搭載される半導体の量が増えていることだ。今日、事実上すべての新車には車載電子機器が満載されており、それは最も豪華なオプションを搭載していないモデルであっても同様である。この傾向は過去数十年間続いているが、比較的最近まで--先進運転支援システム（ADAS)の出現、電気自動車やハイブリッド車への注目、従来の自動車におけるコネクティビティ機能の増加--は、 ファウンドリーが自動車を最優先事項としていた。
自動車業界では、ICはボディ、コネクティビティ、フュージョン／セーフティ、インフォテインメント、パワートレインの5つのドメインのいずれかに分類される。現在の不足は、これらのドメインのすべてに影響を及ぼしている。
「今抱えている問題は、自動車に搭載される新しい半導体アプリケーションの結果だと言う人もいる」とアムスルッド氏は言う。「しかし、今、我々が制約を目の当たりにしているのは、ほとんどがMCUであり、車載用のレガシーなものが多い。エンジン制御、トランスミッション制御、ステアリング、エアバッグ、ラジオなどだ。レーダーやフロントカメラなど、ADASの一部にも触れています。しかし、私たちがこの問題を抱えている理由は、MCUが文字通り車内の至る所にあるからです。車を注文するときに、より現代的な機能のいくつかを外せばいい、というわけではない。いや、車を走らせようと思ったら、マイコンが何個も入っていなければならない。だから、ADASが原因というわけではない。クルマにもっと多くの電子機器を搭載しようという流れがそうさせているのです」
車載用 MCU は主に 45nm 以上のプロセス ノードで製造されていると Amsrud 氏は言います。「28nm の範囲では例外がいくつかあるかもしれませんが、主に 45、90、100、130nm の範囲になります。これらの領域で大幅な拡張が行われていないという点で、これは最悪のシナリオと言えます」
さらに、安価な中古8インチ装置の不足がこれに拍車をかけている。Fabsは現在、新しい8インチ装置と新しい12インチ装置にほぼ同額の投資をしなければならない。アムスラッド氏は、「12インチ装置を導入した方が経済的であり、従来のプロセスとは対照的に、より先端的なプロセスに使用する傾向がある」と言う。「12インチウエーハは、8インチウエーハより50％以上多く生産できる」
現在、自動車用ICは車載アプリケーションに数多く使用されているため、たった1つの部品が欠落するだけで、組み立てラインが実質的に停止する可能性がある。「ダイオードやコンデンサ、あるいは2端子デバイスのような単純なものが製造ラインを停止させるということは、自動車業界では以前にもありました」とアムスラッド氏は指摘する。「代用品が簡単に手に入るとは限りませんし、それはソフトウェアが関与していない場合です。MCUの場合、すべての半導体サプライヤーにほぼ等しく影響を及ぼしている。サプライヤーAからはMCUを入手できないが、サプライヤーBからは入手できると言えたとしても、問題はソフトウェアに互換性がないことです。1ドルの部品であれ1ペニーの部品であれ、平均的な自動車には約1200個の半導体が搭載されていると推定される。ダイオードからメモリー デバイス、最もパワフルなSoCまで、自動車に搭載されるものはすべてそうです。つまり、すべての自動車に1,200の機会があり、そこに何かがなければ、その自動車を作ることはできないのです」
いかなる自動車OEMも例外ではない
世界的な供給不足が続いている。ほぼすべての自動車メーカーが、その程度の差はあれ、深刻な事態に陥っている。「本当に全面的です。韓国でさえ、いくつかの工場を閉鎖しました」とSemicoのフェルダン氏は言う。「FordはF-150を部分的に生産している。FordではF-150を部分的に生産している。ラインから外して、チップを手に入れるまでそこに置いておき、またラインに戻すのだ。Fordにとって、最も収益性の高い車はF-150だ。しかし、エンジン コントローラーは、F-150であろうと、V型8気筒エンジンを搭載した他の車であろうと、おそらく同じエンジン コントローラーだ」。
General Motorsは減産に踏み切った。Hondaと日産も同様で、合わせて25万台の減産を発表した。
「Volkswagenは、特にアメリカにおいて、コンピューター・チップの不足が業務に支障をきたしていると発表し、Toyotaは生産ラインのシフトを断続的に削減すると発表した」とフェルダン氏は言う。「だから、誰も痛みを免れていないようだ」
GlobalFoundriesのクーリ氏は、「短期的には、供給不足は難しいでしょう。中期的には、需給のミスマッチを解消し、顧客が必要とするチップを供給することができるでしょう。長期的には非常に明るい。自動車メーカーはこのような事態を繰り返させるつもりはありません。われわれはすでに、生産能力を確保するために、ティア1自動車サプライヤーと新たな直接パートナーシップを構築し、ファウンドリーとのより緊密で戦略的なパートナーシップを模索している」と語った。
電気自動車への移行や、インフォテインメント、レーダー、ADASなどの機能強化により、自動車に搭載されるシリコンの量は増加の一途をたどっている。「コンピューティングは、バッテリーを管理し、電気モーター、ブレーキ、ライト、その他の重要なシステムを動かす、自動車の心臓部となっています。チップは、窓の上げ下げを可能にするマイクロコントローラーから、レーダーやADASを含む安全機能、洗練されたエンジン機能まで、今日の自動車の隅々にまで及んでいます。自動車は今やデバイスの一部であり、私たちが期待する機能はチップの普及なしには成り立ちません」とKhouri氏は言う。
長い自動車リードタイム、複雑な資格
自動車用ICの種類にもよるが、チップのリードタイムは、部品によっては一般的な16～18週間から大幅に長くなっている。これは、材料の入手可能性に起因する部分もあるが、チップ製造装置も供給不足に陥っている。自動車用ICの複雑なサプライチェーンでは、チップメーカーに直接発注するのではなく、自動車用エレクトロニクス・サプライヤーやチップ ディストリビューターを通じてチップを購入するのが一般的である。
「一般的に、現在の半導体供給は非常に逼迫しているどういうわけか、需要に応えられない」と、台湾の特殊メモリ・車載用ADASシステム・メーカーであるウィンボンド・エレクトロニクスのアメリカ・セールス担当副社長、I-Wen Huang氏は語った。パンデミックが流行する前は、半導体デバイスの製造開始から完成品となり顧客に納品されるまでの一般的なサイクルタイムは4ヵ月だったと黄氏は言う。多くの部品では、リードタイムは5、6ヶ月に伸びている。
黄氏は、供給不足は少なくとも2021年後半まで、あるいは2022年まで続くと見ている。「来年の需要がどの程度になるかにかかっていますが、どの半導体メーカーに聞いても、申し訳ありませんが、今年の生産能力はすでに顧客の予約でいっぱいですと言うでしょう」と黄氏は言う。
現在の遅れの一因は、基板材料の不足にあると黄氏は言う。Winbondはウエ―ハを製造していないため、車載用チップを製造するための基板の入荷が遅れている。リードタイムに影響を与える他の要因は、半導体装置の不足である。しかし、もうひとつの重要な障害は、自動車用ICの認定に非常に時間がかかり、新しいデバイスの認定には骨の折れるプロセスが必要であること、また、自動車業界が長年培ってきた、自動車やトラックの組み立てに合わせて部品を納品するというジャスト イン タイム（JIT）ビジネスモデルであることである。
自動車業界は非常に厳しく厳格なプロセスを採用しており、ICの認定取得には長い時間がかかると黄氏は言う。「一般的に、車載用デバイスの認定を取得するのに1年より早いことはありません」「当社から製品を注文する場合、製造工程で非常に高度に管理されたプロセスを導入する必要があります。そのため、車載機器メーカーに製品を供給するには、さらに長いリードタイムが必要となり、製造工程でより多くの品質管理プロセスを適用することになります。自動車の顧客は細かい工程まで指定します。私たちは代替品の認定を行っていないため、代替品を使用することはできません」
自動車メーカー向けの車載用 IC の単一調達では、ある自動車アプリケーション向けに設計されたチップを、別の自動車メーカーのアプリケーション向けに特別に製造された類似のデバイスと交換することも不可能です。「自動車メーカーはそれぞれ独自の設計、独自の仕様を持っています。たとえば、ルネサスの ADAS デバイスはIntelのデバイスと同じではない可能性があります」と 黄氏は言います。「すべてのハードウェアとソフトウェアがカスタマイズされているため、交換することはできません」
自動車業界では、OEM は各メーカー内で共通のプラットフォーム設計を使用していますが、異なる OEM 間では共通性がありません。「自動車メーカー、たとえばFordは、すべてフォード車であるさまざまなモデルに共通のプラットフォーム設計を持っているかもしれません」と 黄氏は言います。「しかし、彼らが設計および開発するプラットフォームは、ゼネラルモーターズの車では使用できません。したがって、この業界には共通性がありません。すべてがカスタマイズされており、これが供給を非常に複雑にしています」
ファウンドリー能力の拡大
今年初めに自動車用IC不足が危機的状況に達したため、業界は新たな解決策を急いで模索した。 Intelはファウンドリー事業に再参入する計画を発表した。一方、TSMCは今後3年間で総額1000億ドルを投じる計画だと発表した。そして4月28日、UMCは、台湾の台南サイエンスパークにある300mmファブ12Aフェーズ6（P6）の 生産能力を拡大する計画を発表した 。
加えて、米国政府は半導体業界支援を強化する可能性がある。バイデン政権は、4月12日に多くの自動車および半導体CEOが参加して開催されたバーチャル グローバル チップ サミットにおいて、新しい業界資金の認可について議会の支持を求めることを約束した。バイデン氏の計画は、政権のインフラ計画案の一部として、米国半導体業界の回復に約500億ドルを投入するもので、最終的には資金について議会の承認が必要となる。
それでも、自動車用 IC 生産能力の回復には予想よりはるかに長い時間がかかる可能性がある。現在建設中の新しい工場が稼働して実効歩留まりを生み出せるようになるまでにはおそらく 2 年近くかかるだろうが、TSMC は台湾に実際に今年稼働を開始する工場をいくつか持っていると、Semicoの調査ディレクター、エイドリアン ダウニー氏は指摘した。
フェルダン氏はさらに、「この不足は今年から来年初めまで続くだろう」と付け加えた。「正確な日付を特定するのは難しいが、来年半ばまで続く可能性がある。重要なのは、現在の工場が今年どれだけうまく稼働するかだ。毎年、プロセスと歩留まりが少しずつ改善され、チップの生産量が増えているように見えるからだ。しかし、不足により、OEM が市場の需要に見合うだけの製品を製造できなくなった場合、需要は変化する。それが多ければ多いほど、不足は長引くことになる。いざというときには、来年の 4 月まで続くだろう」