從2020年底開始，缺芯問(wèn)題就成為汽車行業(yè)的最大挑戰(zhàn)。去年1月以來(lái)，沒(méi)有因此被迫停產(chǎn)或減產(chǎn)的整車廠寥寥無(wú)幾。芯片短缺不僅導(dǎo)致汽車行業(yè)產(chǎn)出減少，消費(fèi)者購(gòu)車成本增加，還影響到了依賴貨運(yùn)卡車的運(yùn)輸行業(yè)，繼而影響到全球物流成本，甚至還干擾了眾多開發(fā)自動(dòng)駕駛乘用車或者卡車的科技企業(yè)，汽車行業(yè)缺芯危機(jī)成為全球供應(yīng)鏈乃至疫情中維持世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)。因此，了解這場(chǎng)汽車芯片短缺的來(lái)龍去脈，缺芯危機(jī)何時(shí)緩解以及該怎么解決，是業(yè)內(nèi)人士以及半導(dǎo)體和汽車產(chǎn)業(yè)相關(guān)人員的必修一課。

　　缺芯的緣由

　　汽車芯片采用的前道工序工藝仍然為40納米以上的成熟工藝和傳統(tǒng)工藝，這兩者占到燃油車用汽車芯片95%。這些芯片產(chǎn)品主要包括汽車分布式電子架構(gòu)中用到的各類微處理器、電源芯片、數(shù)據(jù)鏈芯片和接口芯片等。智能電動(dòng)汽車的出現(xiàn)使得先進(jìn)制程和尖端制程的芯片用量大增，但是考慮到當(dāng)前智能電動(dòng)汽車的市占率，汽車產(chǎn)業(yè)對(duì)芯片的需求還是以成熟工藝和傳統(tǒng)工藝為主。

　　汽車行業(yè)對(duì)芯片制程的需求（來(lái)源：羅蘭貝格）

　　生產(chǎn)端

　　在生產(chǎn)端， 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能擴(kuò)充比較謹(jǐn)慎，年增長(zhǎng)率只有6%左右。晶圓廠資本支出集中在40納米之下的先進(jìn)制程和尖端制程，并且為12寸產(chǎn)線，這部分的年復(fù)合增長(zhǎng)率在2020-2022年達(dá)到26%。而對(duì)于汽車芯片所依賴的成熟制程和傳統(tǒng)制程晶圓生產(chǎn)線，半導(dǎo)體供應(yīng)商的擴(kuò)產(chǎn)更為保守，例如傳統(tǒng)制程的產(chǎn)能增長(zhǎng)速度中只有2%。

　　對(duì)此英飛凌科技首席執(zhí)行官Reinhard Ploss解釋到，汽車行業(yè)習(xí)慣于用低價(jià)采購(gòu)芯片，導(dǎo)致（半導(dǎo)體供應(yīng)商）沒(méi)有動(dòng)力擴(kuò)大產(chǎn)能。安森美半導(dǎo)體首席執(zhí)行官 Hassan El-khory也有類似的表述，整車廠大多采用Just-in-Time準(zhǔn)時(shí)化管理模式，要求芯片供應(yīng)商被動(dòng)的配合——半導(dǎo)體廠商花幾年時(shí)間，幾億到數(shù)十億美元建立的芯片產(chǎn)能，可能在生產(chǎn)前30天時(shí)間被整車廠取消訂單。因此，半導(dǎo)體廠商對(duì)產(chǎn)能的擴(kuò)充慎之又慎。

　　以筆者的經(jīng)歷為例，管理層不僅要求擴(kuò)產(chǎn)的投資回報(bào)率ROI在18個(gè)月之內(nèi)，并且要求產(chǎn)品線經(jīng)理對(duì)客戶需求預(yù)測(cè)的信心水準(zhǔn)（Confidence Level）在80%以上，否則寧愿放棄從客戶額外需求中可能獲得的收益。即使同意投入，也至少要每半年或每個(gè)季度審查客戶需求是否仍然存在。如果情況有變，需要立即施行應(yīng)急計(jì)劃，包括且不限于找到替代客戶、轉(zhuǎn)移產(chǎn)能至其他產(chǎn)品或產(chǎn)品線、取消擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃等。

　　半導(dǎo)體行業(yè)總產(chǎn)能的變化，以及成熟制程和傳統(tǒng)制程歷年來(lái)的擴(kuò)充情況 （來(lái)源：羅蘭貝格）

　　其次，生產(chǎn)汽車芯片的產(chǎn)線大多為8寸線（甚至有6寸線），產(chǎn)線建立時(shí)間較早，折舊基本完成，因此晶圓生產(chǎn)成本較低，再投入建設(shè)新的8寸晶圓廠并無(wú)成本優(yōu)勢(shì)，因此8英寸晶圓的產(chǎn)能在5年平均年增長(zhǎng)率僅為3%。雖然有的半導(dǎo)體IDM將汽車芯片的生產(chǎn)轉(zhuǎn)移到老舊的12寸產(chǎn)線上意圖提高產(chǎn)能并獲得規(guī)模效應(yīng)，但是產(chǎn)線調(diào)試、產(chǎn)品驗(yàn)證（半導(dǎo)體供應(yīng)商處和汽車客戶處）和產(chǎn)能爬坡都需要較長(zhǎng)的時(shí)間，緩不濟(jì)急。

　　再次，一些存量8寸線和6寸線也在轉(zhuǎn)型生產(chǎn)化合物半導(dǎo)體如碳化硅或者氮化鎵，進(jìn)一步減少了硅芯片的產(chǎn)能，這也直接或間接影響了汽車芯片的生產(chǎn)。

　　臺(tái)積電Fab2在2015年從硅傳統(tǒng)制程轉(zhuǎn)為代工6寸硅基氮化鎵芯片，并在2021年擴(kuò)充為8寸代工線 （來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng)）

　　最后，得州寒潮、馬來(lái)西亞因疫情關(guān)停封裝企業(yè)、瑞薩工廠大火等黑天鵝事件進(jìn)一步打擊了供應(yīng)鏈極長(zhǎng)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，使得需要成千上百芯片正常供應(yīng)才能按期生產(chǎn)的汽車行業(yè)不得不忍受芯片供應(yīng)鏈中最短的那塊木板的桎梏。

　　消費(fèi)端

　　在消費(fèi)端，2020年以來(lái)半導(dǎo)體需求猛增，增速達(dá)到17%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)產(chǎn)能的擴(kuò)充速度。原因主要是疫情導(dǎo)致的居家辦公極大的促進(jìn)了對(duì)個(gè)人電腦和云計(jì)算/存儲(chǔ)的需求。與此同時(shí)，2020年整車廠取消大批芯片訂單，使得晶圓代工廠和半導(dǎo)體IDM將產(chǎn)能，特別采用先進(jìn)制程的汽車微處理器芯片的產(chǎn)能，轉(zhuǎn)移到給消費(fèi)電子和數(shù)據(jù)中心等。

　　但是2020年下半年汽車市場(chǎng)的回暖遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)汽車行業(yè)的預(yù)期，整車廠試圖恢復(fù)之前規(guī)劃的汽車產(chǎn)量，并加大芯片用量更大的電動(dòng)汽車的投資。因此，對(duì)汽車芯片的需求在2020年和2021年演繹了一場(chǎng)V形復(fù)蘇，甚至超過(guò)了疫情前水平。但是之前劃撥走的產(chǎn)能卻沒(méi)有恢復(fù)，這導(dǎo)致半導(dǎo)體供應(yīng)鏈各方汽車芯片的庫(kù)存都遠(yuǎn)低于正常水平。這導(dǎo)致了芯片采購(gòu)部門的過(guò)度訂購(gòu)（Double Ordering），甚至客戶間的短缺博弈，由此產(chǎn)生的牛鞭效應(yīng)（bull whip effect）使得半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的每一級(jí)都或多或少放大訂單需求，造成了短期內(nèi)需求的快速增加。

　　汽車芯片每月銷量變化（來(lái)源：SIA）

　　此外，汽車芯片因?yàn)檎噺S強(qiáng)大的議價(jià)權(quán)導(dǎo)致采購(gòu)價(jià)格低、采購(gòu)條件苛刻，同樣的產(chǎn)能若供應(yīng)給其他客戶則可以獲得更高的利潤(rùn)。因此，半導(dǎo)體廠商和晶圓代工廠沒(méi)有動(dòng)力主動(dòng)生產(chǎn)和供應(yīng)汽車芯片，直到多國(guó)政府部門介入。這些原因疊加在一起，共同導(dǎo)致了這次歷史性芯片短缺問(wèn)題。

　　缺芯何時(shí)緩解

　　對(duì)于這場(chǎng)芯片短缺何時(shí)緩解眾說(shuō)紛紜，英特爾首席執(zhí)行官Patch Gelsinger認(rèn)為芯片供需平衡可能要到2023年才能實(shí)現(xiàn)，英飛凌Ploss也認(rèn)為這場(chǎng)危機(jī)在2022年還將持續(xù)。同時(shí)，有產(chǎn)業(yè)觀察者表示芯片市場(chǎng)將在2023年實(shí)現(xiàn)軟著陸，回到“金發(fā)姑娘”地帶。芯片業(yè)投資者中也有人認(rèn)為今年第三季度芯片產(chǎn)能增速和芯片銷量增速將出現(xiàn)交叉點(diǎn)，缺芯情況會(huì)有所緩解。無(wú)論如何，沒(méi)有人有水晶球可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)，但是一些數(shù)據(jù)和指標(biāo)可以幫助我們分析半導(dǎo)體供需情況，幫助判斷芯片危機(jī)何時(shí)緩解。

　　產(chǎn)能利用率

　　半導(dǎo)體IDM和晶圓代工廠的前道工序產(chǎn)能利用率是一個(gè)重要的生產(chǎn)端指標(biāo)，表明某個(gè)時(shí)間段生產(chǎn)線上產(chǎn)出的晶圓總量與產(chǎn)線安裝產(chǎn)能的比例。半導(dǎo)體供應(yīng)商通常在季報(bào)中或其后的財(cái)報(bào)電話會(huì)議中提供該數(shù)據(jù)，根據(jù)芯片產(chǎn)品一般生產(chǎn)周期，這個(gè)數(shù)據(jù)可以反映未來(lái)3-4個(gè)月時(shí)芯片的供應(yīng)情況。

　　一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)能利用率在80%以上就算是晶圓制造產(chǎn)線得到比較充分的利用。但是自疫情以來(lái)，這個(gè)數(shù)據(jù)一直在90%以上，有的晶圓廠接近100%，甚至個(gè)別產(chǎn)線通過(guò)高強(qiáng)度加班生產(chǎn)，產(chǎn)能利用率達(dá)到100%以上。然而太剛則折，產(chǎn)能利用率遲早會(huì)回到正常水平。因此，這個(gè)指標(biāo)可以判斷短期內(nèi)芯片供應(yīng)情況。

　　2019年以來(lái)的晶圓生產(chǎn)線產(chǎn)能利用率 （來(lái)源：SIA）

　　芯片庫(kù)存水平

　　芯片庫(kù)存水平是另一個(gè)在半導(dǎo)體公司季度財(cái)報(bào)中會(huì)提及的數(shù)據(jù)，一般可以通過(guò)Days Sales of Inventory （DSI）庫(kù)存周轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來(lái)了解。半導(dǎo)體行業(yè)是一個(gè)周期性行業(yè)，通常走勢(shì)為行業(yè)景氣，營(yíng)收增加、庫(kù)存減小。繼而營(yíng)收增長(zhǎng)速度到頂后開始減慢，但是隨著廠商擴(kuò)產(chǎn)，庫(kù)存增加。隨后芯片逐漸供過(guò)于求，價(jià)格下跌，營(yíng)收減少，行業(yè)進(jìn)入低谷期。半導(dǎo)體企業(yè)也隨之暫停擴(kuò)產(chǎn)或者淘汰落后產(chǎn)能，等待銷量增加速度超過(guò)生產(chǎn)速度，消化庫(kù)存。最后因?yàn)樾酒M(fèi)量的增加，行業(yè)又轉(zhuǎn)入景氣。

　　因此，出現(xiàn)營(yíng)收增速減緩或者持平，但是庫(kù)存增加就可能是需求已經(jīng)見頂而產(chǎn)能逐漸趕上的跡象。例如，在芯源系統(tǒng)（MPS）近期的季報(bào)中，庫(kù)存周轉(zhuǎn)天數(shù)增加到134天，公司管理層認(rèn)為2022年底將達(dá)到供需平衡（詳見《了解芯源系統(tǒng)MPS的現(xiàn)狀與未來(lái)，從季報(bào)出發(fā)（上）》）。

　　5家半導(dǎo)體領(lǐng)軍企業(yè)（瑞薩、NXP、英飛凌、意法和德州儀器）的庫(kù)存周轉(zhuǎn)和營(yíng)收變化情況，營(yíng)收增減率為橫軸，庫(kù)存周轉(zhuǎn)率為縱軸（來(lái)源：日經(jīng)中文網(wǎng)）

　　除此之外，還可以參考Garnter的半導(dǎo)體供應(yīng)鏈庫(kù)存追蹤指數(shù)，目前最新的數(shù)據(jù)為2021年第3季度的0.90，較上季度0.88有所增加，進(jìn)入適度短缺區(qū)。

　　芯片價(jià)格ASP和交期Lead-Time

　　這兩個(gè)數(shù)據(jù)通常不會(huì)在財(cái)報(bào)中直接提供，但是在財(cái)報(bào)電話會(huì)議中經(jīng)常會(huì)被提及，也是了解芯片供需情況的重要指標(biāo)。例如，在納微半導(dǎo)體近期的財(cái)報(bào)和投資者大會(huì)中，公司管理層就提到其氮化鎵芯片的交期沒(méi)有變化，仍舊是12周，說(shuō)明臺(tái)積電作為納微的代工方，硅基氮化鎵的產(chǎn)能仍然能夠滿足納微的需要（詳見《納微半導(dǎo)體的第一份財(cái)報(bào)》）。

　　美國(guó)聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)也提供半導(dǎo)體和其他電子元件制造業(yè)的生產(chǎn)價(jià)格指數(shù)PPI，可供了解芯片價(jià)格變化趨勢(shì)。此外，一些代理商也能提供交期的匯總情報(bào)，如安富利的Abacus交期指南。

　　半導(dǎo)體和其他電子元件制造業(yè)的生產(chǎn)價(jià)格指數(shù)（來(lái)源：FRED）

　　產(chǎn)線擴(kuò)容

　　半導(dǎo)體前道工序是目前芯片短缺的主要瓶頸之一，因此，任何重要的晶圓制造擴(kuò)容都會(huì)在未來(lái)影響芯片的供應(yīng)。按照項(xiàng)目大小和投資多寡，前道工序的擴(kuò)產(chǎn)動(dòng)作包括建設(shè)嶄新的晶圓生產(chǎn)線，在現(xiàn)有產(chǎn)線上通過(guò)購(gòu)買設(shè)備擴(kuò)容，或是增加人力，提高現(xiàn)有產(chǎn)線的產(chǎn)能利用率。在目前產(chǎn)能利用率高企的情況下，前兩者成為主要的擴(kuò)產(chǎn)手段。

　　現(xiàn)有晶圓產(chǎn)線提高利用率，增加產(chǎn)能，以及建設(shè)新晶圓生產(chǎn)線所需的時(shí)間（來(lái)源：貝恩資本）

　　但是無(wú)論是建設(shè)新晶圓生產(chǎn)線或是購(gòu)買設(shè)備擴(kuò)充現(xiàn)有產(chǎn)線，都會(huì)涉及到固定資產(chǎn)投資，內(nèi)部審批嚴(yán)格。即使獲得批準(zhǔn)，目前半導(dǎo)體設(shè)備交期也動(dòng)則半年以上，加上安裝，調(diào)試和試生產(chǎn)所用時(shí)間，耗時(shí)更長(zhǎng)。建設(shè)全新晶圓生產(chǎn)線或是購(gòu)買設(shè)備擴(kuò)容平均所需的時(shí)間為2-3年和1-1.5年。

　　例如，筆者負(fù)責(zé)過(guò)的某款I(lǐng)GBT產(chǎn)品推出后性能頗為優(yōu)秀，終端客戶需求超過(guò)預(yù)期，但是產(chǎn)能是按照之前客戶的預(yù)測(cè)來(lái)投資的。經(jīng)過(guò)制造流程分析，某一工序?yàn)楫a(chǎn)能短板，只要購(gòu)買一臺(tái)晶圓片鍵合機(jī)即可把每周晶圓產(chǎn)量WPW增加50%。但是，這臺(tái)設(shè)備交期在9-10個(gè)月以上，加上前期的內(nèi)審、撥款、合同擬定、下單，以及后期所需的工程服務(wù)時(shí)間，至少15個(gè)月以內(nèi)產(chǎn)能還只能維持原有水平。因此，與前面幾個(gè)指標(biāo)相比，各大半導(dǎo)體領(lǐng)軍企業(yè)和主要晶圓代工廠的擴(kuò)產(chǎn)消息只能提供中長(zhǎng)期供給端數(shù)據(jù)。

　　不過(guò)，半導(dǎo)體企業(yè)公布的產(chǎn)品/工藝變更通知（PCN）能夠提供中短期內(nèi)產(chǎn)能的信息。例如，英飛凌2020年6月發(fā)布的一則產(chǎn)品/工藝變更通知中，就提到OptiMOS 5系列產(chǎn)品將在3個(gè)月后開始從德累斯頓12寸晶圓廠出貨，這意味著該產(chǎn)品產(chǎn)能有潛力在短期內(nèi)大幅提高。

　　英飛凌2020年關(guān)于OptiMOS 5的產(chǎn)品/工藝變更通知中提到的產(chǎn)品主要變化 （來(lái)源：英飛凌）

　　終端需求

　　汽車銷量反映了汽車芯片的終端需求，如果這個(gè)數(shù)據(jù)還保持增長(zhǎng)趨勢(shì)且增速未見減緩，則意味著短時(shí)間內(nèi)對(duì)汽車芯片的需求還將高企。這個(gè)也可以通過(guò)美國(guó)聯(lián)邦儲(chǔ)備銀行經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的汽車存貨與銷量之比來(lái)了解。這個(gè)指標(biāo)歷史平均為2-3之間，但是最近的2021年11月數(shù)據(jù)只有0.24。

　　美國(guó)汽車市場(chǎng)存貨與銷量之比（來(lái)源：FRED）

　　另外，還可以參考每半月更新的曼海姆二手車價(jià)值指數(shù)（Manheim Used Vehicle Value Index），這也是方舟投資（ARK  Investment）常用來(lái)分析汽車芯片需求狀況的指標(biāo)。

　　曼海姆二手車價(jià)值指數(shù)（來(lái)源：Cox Automotive）

　　如何緩解

　　去年11月初是美國(guó)商務(wù)部向半導(dǎo)體企業(yè)索要其產(chǎn)品類型、制程與產(chǎn)能、庫(kù)存、供應(yīng)鏈等企業(yè)內(nèi)部信息的最后期限。根據(jù)美國(guó)商務(wù)部下轄工業(yè)與安全局公布的信息，有上百家產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)企業(yè)提交了要求的資料，其中包括高通、蘋果、臺(tái)積電和思科等大部分行業(yè)重要參與者。雖然涉及企業(yè)商業(yè)機(jī)密的信息不對(duì)公眾顯示，但是在透露出的信息中，一些企業(yè)給出了自己的看法。

　　美國(guó)商務(wù)部要求半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)提供的信息，以NXP公開的信息為例（來(lái)源：US BIS）

　　安森美半導(dǎo)體認(rèn)為短期方案在供應(yīng)鏈方面，需要解決因港口貨物堆積和海關(guān)清關(guān)冗長(zhǎng)導(dǎo)致的原材料和設(shè)備交期延誤的問(wèn)題。中長(zhǎng)期則需要降低代理商處庫(kù)存，提高半導(dǎo)體企業(yè)自身庫(kù)存來(lái)應(yīng)對(duì)終端客戶的過(guò)度訂購(gòu)。同時(shí)建議美國(guó)商務(wù)部鼓勵(lì)芯片供需雙方簽訂長(zhǎng)期供應(yīng)協(xié)議（LTSA），降低半導(dǎo)體供應(yīng)商擴(kuò)產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。另外，美國(guó)政府需要通過(guò)財(cái)政和稅務(wù)手段來(lái)刺激半導(dǎo)體企業(yè)在美國(guó)本土的投資。

　　除此之外，高通也提出政府需要加強(qiáng)專利和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，探索多種政策和監(jiān)管工具用以刺激半導(dǎo)體技術(shù)的多方技術(shù)授權(quán)。并且加強(qiáng)理工科教育（STEM）和改變高技術(shù)移民簽證來(lái)增強(qiáng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)人才儲(chǔ)備。

　　作為一家歐洲企業(yè)，英飛凌建議改變汽車行業(yè)常用的準(zhǔn)時(shí)化管理（Just-in-Time），采用一個(gè)協(xié)作平臺(tái)取而代之。在該平臺(tái)上，需求信息可以匿名分享，類似德國(guó)ZVEI 工作組和歐盟資助的 SC?半導(dǎo)體供應(yīng)鏈項(xiàng)目。

　　汽車行業(yè)中重要的一級(jí)零件供應(yīng)商大陸汽車則提出需要將汽車芯片占半導(dǎo)體總產(chǎn)能的比例從5%增加到8-10%，并擴(kuò)大40-180納米的成熟制程的產(chǎn)能。

　　反本溯源，各個(gè)利益相關(guān)方對(duì)如何緩解汽車芯片危機(jī)緩解都有自己的利益訴求。但是無(wú)論如何，加強(qiáng)自身技術(shù)實(shí)力，促進(jìn)供需雙方良性溝通，建立長(zhǎng)期合作關(guān)系，杜絕機(jī)會(huì)主義，是各方都可以開始實(shí)施的行動(dòng)。