2020年在全球范圍內(nèi)爆發(fā)的新冠肺炎直擊汽車行業(yè)。汽車需求“蒸發(fā)”、全球各車企工廠相繼停工。原以為市場需求、汽車生產(chǎn)都會在2020年下半年復蘇，熟料進入2021年，車載半導體供給不足、汽車廠家再次陷入減產(chǎn)困局。

　　首先，本田汽車在1月7日宣布，由于用于車輛控制系統(tǒng)的半導體供給不足，1月份減產(chǎn)約4,000輛，包括小轎車“飛度（Fit）”（1月8日日本經(jīng)濟新聞）。其次，日產(chǎn)汽車在1月8日宣布，由于電子產(chǎn)品（包含半導體構(gòu)成）的采購出現(xiàn)問題，下調(diào)小轎車“NOTE”5,000輛的生產(chǎn)（1月9日日本經(jīng)濟新聞）。

　　圖片出自：biz-journal

　　當日日本經(jīng)濟新聞還發(fā)表文章如下，豐田汽車于1月8日宣布，由于半導體采購問題，下調(diào)由美國工廠生產(chǎn)的皮卡——“Tundra”。歷年來，豐田汽車都會在這個時候向零部件供應商說明次年度的生產(chǎn)計劃，而今年卻僅公布了“暫定值”，實屬罕見。

　　此外，日本經(jīng)濟新聞的文章還指出，減產(chǎn)的不僅有本田、日產(chǎn)、豐田等日系車企，美國福特、美國通用汽車、美國菲亞特克萊斯勒汽車（Fiat Chrysler Automobiles）、德國大眾等歐美系車企也相繼因半導體供給不足而減產(chǎn)或調(diào)整生產(chǎn)。

　　車載半導體緣何供給不足？

　　之前有文章提出車載半導體供給不足的原因如下：“由于電動汽車（EV）、無人駕駛汽車的普及，導致車載半導體需求高漲”、“一輛EV的半導體使用量是一輛汽油車的兩倍”、“新冠肺炎帶來的‘宅家’促使了PC、智能手機方向的半導體需求擴大”、“全球最大半導體代工廠臺灣TSMC的尖端產(chǎn)品訂單已經(jīng)覆蓋到半年以后”等。因此，“需要將近半年的時間才能使車載半導體的供給恢復正常”。

　　但是，以上內(nèi)容很難成為全球車載半導體供給不足的理由。于是，筆者就在本文中詳細敘述車載半導體供給不足的理由。屆時，筆者還會列舉以下個案（Case Study）：因2011年3月11日發(fā)生的東日本大地震，位于茨城縣的車載半導體工廠——瑞薩電子那珂工廠受災的事例。其次，再揭示導致當下車載半導體供給不足的真正原因。最后，再提出筆者的預測，即解決車載半導體供給問題至少需要半年、甚至1-2年的時間。

　　車載半導體的特殊性

　　下表1是車載半導體與用于一般數(shù)碼家電等消費電子產(chǎn)品的半導體的要求規(guī)格的比較表。即，此表雖出自2008年9月1日電裝發(fā)布的《第五屆信賴性論壇》（主辦：日經(jīng)Micro Device），即使在今天也不過時。

　　表格出自：日經(jīng)Micro Device第五屆信賴性論壇的資料。2008年9月1日

　　從表1可以看出，車載半導體在以下環(huán)境中可以保證20年的質(zhì)量：溫度為-40-175（200）度、濕度為95%、50G的激烈震動、15-25Kv的靜電，不良率僅為1ppm（百萬分之一）。且價格被定為“Low”。即，與消費型半導體相比，車載半導體具有極高的可靠性。

　　然而，據(jù)瑞薩那珂工廠的從事車載半導體生產(chǎn)的技術(shù)人員透露，汽車廠家豈止是要求一百萬分之一，而是要求“不良率為零”！哪怕一個小小的車載半導體發(fā)生作業(yè)不良，就可能引起交通事故、導致人員死亡。因此，必須保證“零不良率”！無論是生產(chǎn)100萬個產(chǎn)品、還是生產(chǎn)1,000萬個產(chǎn)品，都要保證100%良率！因此，不存在“不良率ppm”這一定義。必須要“零不良率”。

　　以上要求是可以理解的，然而卻是無法實現(xiàn)的。因為無法使批量生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品達到100%良率！因此，理想狀態(tài)下可以實現(xiàn)以上要求，但不適用于工業(yè)產(chǎn)品。

　　然而，瑞薩的那珂工廠確實是要求“零不良率”。而且，為了實現(xiàn)“零不良率”，在生產(chǎn)車載半導體時，豐田等汽車廠家針對瑞薩的半導體工廠實行了“產(chǎn)線認定”。

　　什么是“產(chǎn)線認定”？

　　比方說，瑞薩的那珂工廠為生產(chǎn)豐田的發(fā)動機控制半導體（Engine Control Unit，ECU），專門研發(fā)了一套由500個工序組成的生產(chǎn)制程?；诖酥瞥蹋鹚_在半年--一年的時間內(nèi)連續(xù)生產(chǎn)ECU，當瑞薩可以穩(wěn)定地生產(chǎn)出正常工作的ECU時，豐田汽車對瑞薩的產(chǎn)線進行“認定”。此外，被賦予“產(chǎn)線認定”的由500道工序組成的制程，原則上不可以更改生產(chǎn)設備、制程條件。

　　就瑞薩而言，即使為了“和諧”地與其他產(chǎn)品共存、調(diào)整與其他工廠之間的生產(chǎn)計劃、推進微縮化、提高良率、提高產(chǎn)出等目的，而希望改造產(chǎn)線、更換設備、更改工藝條件，作為客戶的汽車廠家也不會同意的。以此為背景，如果更換了設備和工藝條件，從而導致不良發(fā)生，結(jié)果又引起了汽車事故問題，“到底是誰的責任”？

　　在以上種種苛刻的束縛條件下得到汽車廠家的認定、生產(chǎn)具有超高信賴水平的車載半導體，且價格也要做到“Low”，因此曾聽到瑞薩的技術(shù)人員吐露真言：“其實我們真不想生產(chǎn)車載半導體”！

　　因東日本大地震而受災的瑞薩那珂工廠

　　受到豐田汽車“產(chǎn)線認定”的瑞薩那珂工廠卻在2011年3月11日因東日本大地震而受災，大批生產(chǎn)設備遭到破壞、潔凈室的墻壁上也出現(xiàn)了裂痕，直接導致瑞薩的那珂工廠無法再為豐田生產(chǎn)ECU，且豐田無法生產(chǎn)油電混合汽車“普銳斯（PRIUS）”。

　　最終，豐田和電裝為了支援瑞薩那珂工廠的復原，派送了約2,500名員工。當時，豐田的ECU在瑞薩那珂工廠的8英寸產(chǎn)線上由0.18um工藝生產(chǎn)。除了那珂工廠，瑞薩的西條工廠、滋賀工廠、川尻工廠、新加坡工廠等都有0.18um的8英寸產(chǎn)線，都可以代替那珂工廠生產(chǎn)。

　　然而，瑞薩和豐田都不打算由其他工廠代替生產(chǎn)，堅持復原受災的那珂工廠。聽說其理由是“產(chǎn)線認定”。即，如果在那珂工廠以外的其他工廠為豐田生產(chǎn)ECU，需要再次進行“產(chǎn)線認定”，又要花費半年-—一年的時間。因此，他們認為修復那珂工廠受災的產(chǎn)線比新的“產(chǎn)線認定”花費的時間更短。

　　如此一來，每當要生產(chǎn)信賴性極高的車載半導體時，汽車廠家就規(guī)定必須花費半年—一年的時間進行“產(chǎn)線認定”。此外，即使半導體工廠發(fā)生問題，也不會輕易地轉(zhuǎn)移到其他半導體工廠生產(chǎn)。

　　28納米以后由TSMC代工

　　45-40納米世代時，由瑞薩自行設計、內(nèi)部生產(chǎn)。然而，隨著微縮化的發(fā)展，研發(fā)費用、設備投資方面花費的資金越來越高。于是，瑞薩僅自行設計28納米以后的車載半導體，委托給TSMC代工生產(chǎn)（2018年3月26日日經(jīng)新聞）。

　　換言之，采用45-40納米傳統(tǒng)工藝的車載半導體由瑞薩自行生產(chǎn)，28納米以后的需要尖端工藝的車載半導體全部委托給TSMC生產(chǎn)，即瑞薩成為了名為“Fab Lite”的半導體廠家。（如下圖1）

　　圖1：TSMC的技術(shù)節(jié)點和瑞薩的外包生產(chǎn)。（圖片出自：筆者從TSMC的2019 Business的圖中匯總了此圖。）

　　當時，筆者還特意詢問了瑞薩的相關(guān)人士：“TSMC的半導體工廠是否也需要‘產(chǎn)線認定' ”。瑞薩的回答是“當然需要，TSMC的車載半導體產(chǎn)線已經(jīng)獲得了’產(chǎn)線認定‘資格”。

　　車載半導體的變化

　　近幾年來，車載半導體發(fā)生了巨大的變化，2011年瑞薩那珂工廠因東日本大地震而受災時，豐田的ECU采用的是8英寸的0.18納米工藝（上文已經(jīng)敘述）。換句話說，十年前的大部分車載半導體都是采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的，且很少使用尖端工藝。這是因為就車載半導體的生產(chǎn)而言，傳統(tǒng)工藝可以滿足要求，且由于汽車廠家的嚴格要求、很難開發(fā)新的工藝。然而，這幾年來，汽車產(chǎn)業(yè)迎來了CASE（Connected、Autonomous、Shared ＆ Services、Electric）大潮，進入了百年一度的大變革時期。就如同本文開頭所述——“一輛EV的半導體使用量是一輛汽油車的兩倍”，車載半導體的使用數(shù)量、種類逐年在增加。

　　尤其是“C”、“A”，即聯(lián)網(wǎng)無人駕駛汽車在逐步普及，這種汽車需要搭載由尖端工藝生產(chǎn)的通信半導體（符合5G通信規(guī)格，如美國高通的Base Band Processor、基帶處理器），此外要運行這種無人駕駛汽車，還需要由尖端工藝生產(chǎn)的人工智能（AI）半導體（比方說，美國NVIDIA的GPU）。

　　總而言之，隨著CASE時代的到來，并不是所有的車載半導體都可以由傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)，5G通信、AI半導體必須由TSMC的7納米、5納米等尖端工藝生產(chǎn)。

　　TSMC的尖端工藝的產(chǎn)能供不應求

　　TSMC于2018年量產(chǎn)7納米，2019年啟動采用了最尖端曝光設備EUV的7nm+工藝，2020年啟動5納米的量產(chǎn)，今年（2021年）開始3納米的風險量產(chǎn)。3納米的正式量產(chǎn)計劃在2022年，據(jù)說目前正在籌備2024年量產(chǎn)的2納米的生產(chǎn)設備、材料。

　　如上所述，TSMC走在全球尖端微縮化的最前沿，但其產(chǎn)能卻嚴重不足。換句話說，蘋果、高通、AMD、NVIDIA、博通、賽靈思（Xilinx）、聯(lián)發(fā)科等全球Fabless都希望設計出最先進的半導體，并委托給TSMC生產(chǎn)。（如下圖2）

　　圖2：Fabless圍繞TSMC的尖端工藝進行“爭奪戰(zhàn)”。

　　此外，在2015年之前都是英特爾引領著全球最先進的微縮化技術(shù)。自2016年十納米啟動失敗后，就一直“原地踏步”。結(jié)果，英特爾差點將7納米以后的產(chǎn)品委托給TSMC生產(chǎn)。這也是TSMC尖端工藝產(chǎn)能吃緊的原因之一。

　　此外，瑞薩等車載半導體廠家也陷入了爭奪TSMC尖端工藝產(chǎn)能的旋渦之中。2020年爆發(fā)的新冠肺炎對TSMC的車載半導體生產(chǎn)又造成了什么影響呢？

　　新冠肺炎對汽車產(chǎn)業(yè)的打擊

　　下圖3是2016年-2020年日本新車銷售數(shù)量推移表，每月的新車銷售數(shù)量浮動很大，但是在每個財政年度末的3月份都會出現(xiàn)頂峰，這也是可以理解的。2020年受新冠肺炎的沖擊，很多汽車廠家減產(chǎn)、停工。從下圖3可以看出2020年新車銷售數(shù)量低迷。

　　圖3：日本的新車銷售數(shù)量（統(tǒng)計）數(shù)量（2016年-2020年）

　?。▓D片出自：筆者根據(jù)一般社團法人日本汽車銷售協(xié)會聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)字制作了此圖。）

　　日本的新車銷售數(shù)量（萬輛）

　　此處，比較2016年-2019年每月新車平均銷售數(shù)量（以下簡稱為：平均數(shù)量）與2020年的銷售數(shù)量后，得出下圖4的上半部分。此外，且筆者將二者的差（即2020年每月的平均銷售數(shù)量到底下滑至何種程度）制成了下圖4的下半部分。

　　圖4:2016年-2019年的平均銷售數(shù)量與2020年的比較，以及差距。

　?。▓D片出自：筆者根據(jù)一般社團法人日本汽車銷售協(xié)會聯(lián)合會的統(tǒng)計數(shù)字制作了此圖。）

　　結(jié)果，2020年3月-4月期間新車銷售數(shù)量下滑5萬多輛，5月-6月期間下滑8萬多輛。下滑趨勢在7月份以后得以緩和，10月份超平均銷售數(shù)量約2.1萬輛，可以說完全恢復了。

　　基于以上情況，今年（2021年）各家汽車廠商應該都會按照計劃生產(chǎn)新車。然而，如文章開頭所述，由于車載半導體供給不足，全球汽車廠家被迫減產(chǎn)。那么，車載半導體真的供不應求嗎？

　　TSMC的各種半導體的出貨金額

　　下圖5是TSMC的各類半導體的出貨金額。首先，2018年下半年以來，智能手機方向的半導體占據(jù)TSMC出貨金額的約50%。其中，包含智能手機應用處理器（AP）、4G&5G通信半導體等。其中最大的客戶就是銷售iPhone的美國蘋果。

　　圖5：TSMC的各種半導體的出貨金額占比。

　?。▓D片出自：Biz-journal）

　　此外，從上圖可知，進入2020年，High Performance Computing的占比大幅度提升。主要原因在于，新冠肺炎引起全球范圍內(nèi)遠程辦公的普及，且人們不得已宅在家中，導致網(wǎng)購大幅度發(fā)展、高性能游戲機暢銷。比方說，隨著遠程辦公的普及，PC需求擴大，推動了美國的處理器廠家AMD（將委托給TSMC代工）的業(yè)務擴大。此外，由于全球范圍內(nèi)通信數(shù)據(jù)的大幅度增長，亞馬遜、微軟、谷歌等云服務企業(yè)也開始踴躍建設數(shù)據(jù)中心，他們的數(shù)據(jù)中心都需要大量的服務器，這些服務器又都需要搭載高性能的處理器。因此，High Performance Computing的占比大幅度提升。

　　TSMC的車載半導體占比

　　另一方面，車載半導體（Automotive）在TSMC的出貨金額中的占比本來就不是很高，2020年第一四半期、第二四半期分別為4%，第三四半期下滑至2%。主要原因如下：汽車廠家受到新冠肺炎的沖擊，尤其是在2020年5月-6月期間，汽車廠家大幅度下調(diào)新車生產(chǎn)（如圖4），因此大幅度削減了對TSMC下發(fā)的車載半導體訂單。

　　以豐田為代表的汽車廠家采用“Just In Time”的經(jīng)營手法，盡力減少庫存水準。此外，就半導體的生產(chǎn)而言，從晶圓入廠到經(jīng)歷500道工序（尖端產(chǎn)品需要約1,000道工序），約需要2-3個月左右的時間。比方說，如果事先了解到每年三月份新車銷售數(shù)量會倍增，至少在半年之前就要下發(fā)所需的車載半導體訂單。

　　然而，由于突然襲來的新冠肺炎，汽車廠家無法按照計劃生產(chǎn)新車，也就大幅度削減了向TSMC下發(fā)訂單。因此，TSMC的車載半導體出貨金額占比在2020年第三四半期下滑了一半，下滑至2%。對此，TSMC采取了什么行動呢？

　　車載半導體緣何供給不足？

　　2020年下半年，TSMC的車載半導體工廠的稼動率應該遠遠低于正常水平。但是，先進Fabless廠家對TSMC的代工要求卻源源不絕。作為TSMC，應該不會讓那些稼動率低下的工廠閑置，而是會把Fabless要求的5G、AI半導體安排在這些工廠中生產(chǎn)。

　　因此，可以推測出原本車載半導體的專用工廠瞬間轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)“其他尖端半導體”。而且，“其他尖端半導體”的生產(chǎn)需要花費2-3個月時間，這期間，無法再轉(zhuǎn)回車載半導體。這是車載半導體供給不足的第一個理由。

　　其次，即使“其他尖端半導體”的生產(chǎn)在2020年內(nèi)得以完成、并再次轉(zhuǎn)回車載半導體的生產(chǎn)，僅完成晶圓工藝也需要2-3個月的時間。因此，這期間汽車廠家無法采購車載半導體。這是車載半導體供給不足的第二個理由。

　　車載半導體供給不足何時可以解決？

　　此外，已經(jīng)生產(chǎn)了“其他尖端半導體”的工廠很有可能無法迅速轉(zhuǎn)回生產(chǎn)車載半導體。其理由有二。

　　首先，“其他尖端半導體”（比方說用于5G、High Performance Computing等方向的半導體）需求極大，且利潤率很高（至少不需要像車載半導一樣具有超高的信賴性、也不需要“產(chǎn)線認定”），因此，TSMC很可能會優(yōu)先考慮經(jīng)濟效益、暫時不在那些工廠里生產(chǎn)車載半導體。這種情況下，TSMC就需要在其他地方建設車載半導體專用工廠，從零開始“產(chǎn)線認定”，至少需要花費1-2年的時間。

　　其次，在生產(chǎn)完“其他尖端半導體”后，轉(zhuǎn)回生產(chǎn)車載半導體的情況下，也很可能無法馬上生產(chǎn)出完成品。生產(chǎn)“其他尖端半導體”時，雖然不需要更換設備，但會大幅度調(diào)整工藝條件。就擁有真空腔的設備（如干蝕設備、CVD設備、濺射設備等）而言，其內(nèi)部很有可能會發(fā)生變化。

　　因此，即使花費2-3個月試做了車載半導體，但還需要確認能否滿足上表1中的規(guī)格。此時，如果無法生產(chǎn)出符合要求的車載半導體的話，需要重新研發(fā)500-1,000道工序。于是，要再次獲得“產(chǎn)線認定”，至少要花費半年--一年的時間。

　　綜上所述，要解決車載半導體供給不足的問題，可以預測至少需要半年-一年的時間（甚至會花費1-2年的時間）?？梢哉f日本經(jīng)濟新聞的文章《恢復車載半導體的供給需要花費半年時間》也是較樂觀的看法。對于很多汽車廠家來說，事態(tài)不容樂觀。