從2020年底開始，缺芯問題就成為汽車行業(yè)的最大挑戰(zhàn)。去年1月以來，沒有因此被迫停產(chǎn)或減產(chǎn)的整車廠寥寥無幾。芯片短缺不僅導致汽車行業(yè)產(chǎn)出減少，消費者購車成本增加，還影響到了依賴貨運卡車的運輸行業(yè)，繼而影響到全球物流成本，甚至還干擾了眾多開發(fā)自動駕駛乘用車或者卡車的科技企業(yè)，汽車行業(yè)缺芯危機成為全球供應鏈乃至疫情中維持世界經(jīng)濟發(fā)展的焦點。因此，了解這場汽車芯片短缺的來龍去脈，缺芯危機何時緩解以及該怎么解決，是業(yè)內(nèi)人士以及半導體和汽車產(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。智能電動汽車的出現(xiàn)使得先進制程和尖端制程的芯片用量大增，但是考慮到當前智能電動汽車的市占率，汽車產(chǎn)業(yè)對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)對芯片制程的需求（來源：羅蘭貝格）

　　生產(chǎn)端

　　在生產(chǎn)端， 半導體產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能擴充比較謹慎，年增長率只有6%左右。晶圓廠資本支出集中在40納米之下的先進制程和尖端制程，并且為12寸產(chǎn)線，這部分的年復合增長率在2020-2022年達到26%。而對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，半導體供應商的擴產(chǎn)更為保守，例如傳統(tǒng)制程的產(chǎn)能增長速度中只有2%。

　　對此英飛凌科技首席執(zhí)行官Reinhard Ploss解釋到，汽車行業(yè)習慣于用低價采購芯片，導致（半導體供應商）沒有動力擴大產(chǎn)能。安森美半導體首席執(zhí)行官 Hassan El-khory也有類似的表述，整車廠大多采用Just-in-Time準時化管理模式，要求芯片供應商被動的配合——半導體廠商花幾年時間，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天時間被整車廠取消訂單。因此，半導體廠商對產(chǎn)能的擴充慎之又慎。

　　以筆者的經(jīng)歷為例，管理層不僅要求擴產(chǎn)的投資回報率ROI在18個月之內(nèi)，并且要求產(chǎn)品線經(jīng)理對客戶需求預測的信心水準（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，需要立即施行應急計劃，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、取消擴產(chǎn)計劃等。

　　半導體行業(yè)總產(chǎn)能的變化，以及成熟制程和傳統(tǒng)制程歷年來的擴充情況 （來源：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寸晶圓廠并無成本優(yōu)勢，因此8英寸晶圓的產(chǎn)能在5年平均年增長率僅為3%。雖然有的半導體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，但是產(chǎn)線調(diào)試、產(chǎn)品驗證（半導體供應商處和汽車客戶處）和產(chǎn)能爬坡都需要較長的時間，緩不濟急。

　　再次，一些存量8寸線和6寸線也在轉(zhuǎn)型生產(chǎn)化合物半導體如碳化硅或者氮化鎵，進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年擴充為8寸代工線 （來源：互聯(lián)網(wǎng)）

　　最后，得州寒潮、馬來西亞因疫情關(guān)停封裝企業(yè)、瑞薩工廠大火等黑天鵝事件進一步打擊了供應鏈極長的半導體產(chǎn)業(yè)，使得需要成千上百芯片正常供應才能按期生產(chǎn)的汽車行業(yè)不得不忍受芯片供應鏈中最短的那塊木板的桎梏。

　　消費端

　　在消費端，2020年以來半導體需求猛增，增速達到17%，遠遠超過產(chǎn)能的擴充速度。原因主要是疫情導致的居家辦公極大的促進了對個人電腦和云計算/存儲的需求。與此同時，2020年整車廠取消大批芯片訂單，使得晶圓代工廠和半導體IDM將產(chǎn)能，特別采用先進制程的汽車微處理器芯片的產(chǎn)能，轉(zhuǎn)移到給消費電子和數(shù)據(jù)中心等。

　　但是2020年下半年汽車市場的回暖遠遠超過汽車行業(yè)的預期，整車廠試圖恢復之前規(guī)劃的汽車產(chǎn)量，并加大芯片用量更大的電動汽車的投資。因此，對汽車芯片的需求在2020年和2021年演繹了一場V形復蘇，甚至超過了疫情前水平。但是之前劃撥走的產(chǎn)能卻沒有恢復，這導致半導體供應鏈各方汽車芯片的庫存都遠低于正常水平。這導致了芯片采購部門的過度訂購（Double Ordering），甚至客戶間的短缺博弈，由此產(chǎn)生的牛鞭效應（bull whip effect）使得半導體供應鏈的每一級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（來源：SIA）

　　此外，汽車芯片因為整車廠強大的議價權(quán)導致采購價格低、采購條件苛刻，同樣的產(chǎn)能若供應給其他客戶則可以獲得更高的利潤。因此，半導體廠商和晶圓代工廠沒有動力主動生產(chǎn)和供應汽車芯片，直到多國政府部門介入。這些原因疊加在一起，共同導致了這次歷史性芯片短缺問題。

　　缺芯何時緩解

　　對于這場芯片短缺何時緩解眾說紛紜，英特爾首席執(zhí)行官Patch Gelsinger認為芯片供需平衡可能要到2023年才能實現(xiàn)，英飛凌Ploss也認為這場危機在2022年還將持續(xù)。同時，有產(chǎn)業(yè)觀察者表示芯片市場將在2023年實現(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，缺芯情況會有所緩解。無論如何，沒有人有水晶球可以準確預測未來，但是一些數(shù)據(jù)和指標可以幫助我們分析半導體供需情況，幫助判斷芯片危機何時緩解。

　　產(chǎn)能利用率

　　半導體IDM和晶圓代工廠的前道工序產(chǎn)能利用率是一個重要的生產(chǎn)端指標，表明某個時間段生產(chǎn)線上產(chǎn)出的晶圓總量與產(chǎn)線安裝產(chǎn)能的比例。半導體供應商通常在季報中或其后的財報電話會議中提供該數(shù)據(jù)，根據(jù)芯片產(chǎn)品一般生產(chǎn)周期，這個數(shù)據(jù)可以反映未來3-4個月時芯片的供應情況。

　　一般來說，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，這個數(shù)據(jù)一直在90%以上，有的晶圓廠接近100%，甚至個別產(chǎn)線通過高強度加班生產(chǎn)，產(chǎn)能利用率達到100%以上。然而太剛則折，產(chǎn)能利用率遲早會回到正常水平。因此，這個指標可以判斷短期內(nèi)芯片供應情況。

　　2019年以來的晶圓生產(chǎn)線產(chǎn)能利用率 （來源：SIA）

　　芯片庫存水平

　　芯片庫存水平是另一個在半導體公司季度財報中會提及的數(shù)據(jù)，一般可以通過Days Sales of Inventory （DSI）庫存周轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)來了解。半導體行業(yè)是一個周期性行業(yè)，通常走勢為行業(yè)景氣，營收增加、庫存減小。繼而營收增長速度到頂后開始減慢，但是隨著廠商擴產(chǎn)，庫存增加。隨后芯片逐漸供過于求，價格下跌，營收減少，行業(yè)進入低谷期。半導體企業(yè)也隨之暫停擴產(chǎn)或者淘汰落后產(chǎn)能，等待銷量增加速度超過生產(chǎn)速度，消化庫存。最后因為芯片消費量的增加，行業(yè)又轉(zhuǎn)入景氣。

　　因此，出現(xiàn)營收增速減緩或者持平，但是庫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）近期的季報中，庫存周轉(zhuǎn)天數(shù)增加到134天，公司管理層認為2022年底將達到供需平衡（詳見《了解芯源系統(tǒng)MPS的現(xiàn)狀與未來，從季報出發(fā)（上）》）。

　　5家半導體領(lǐng)軍企業(yè)（瑞薩、NXP、英飛凌、意法和德州儀器）的庫存周轉(zhuǎn)和營收變化情況，營收增減率為橫軸，庫存周轉(zhuǎn)率為縱軸（來源：日經(jīng)中文網(wǎng)）

　　除此之外，還可以參考Garnter的半導體供應鏈庫存追蹤指數(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，進入適度短缺區(qū)。

　　芯片價格ASP和交期Lead-Time

　　這兩個數(shù)據(jù)通常不會在財報中直接提供，但是在財報電話會議中經(jīng)常會被提及，也是了解芯片供需情況的重要指標。例如，在納微半導體近期的財報和投資者大會中，公司管理層就提到其氮化鎵芯片的交期沒有變化，仍舊是12周，說明臺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《納微半導體的第一份財報》）。

　　美國聯(lián)邦儲備銀行經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫也提供半導體和其他電子元件制造業(yè)的生產(chǎn)價格指數(shù)PPI，可供了解芯片價格變化趨勢。此外，一些代理商也能提供交期的匯總情報，如安富利的Abacus交期指南。

　　半導體和其他電子元件制造業(yè)的生產(chǎn)價格指數(shù)（來源：FRED）

　　產(chǎn)線擴容

　　半導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容都會在未來影響芯片的供應。按照項目大小和投資多寡，前道工序的擴產(chǎn)動作包括建設(shè)嶄新的晶圓生產(chǎn)線，在現(xiàn)有產(chǎn)線上通過購買設(shè)備擴容，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)線所需的時間（來源：貝恩資本）

　　但是無論是建設(shè)新晶圓生產(chǎn)線或是購買設(shè)備擴充現(xiàn)有產(chǎn)線，都會涉及到固定資產(chǎn)投資，內(nèi)部審批嚴格。即使獲得批準，目前半導體設(shè)備交期也動則半年以上，加上安裝，調(diào)試和試生產(chǎn)所用時間，耗時更長。建設(shè)全新晶圓生產(chǎn)線或是購買設(shè)備擴容平均所需的時間為2-3年和1-1.5年。

　　例如，筆者負責過的某款I(lǐng)GBT產(chǎn)品推出后性能頗為優(yōu)秀，終端客戶需求超過預期，但是產(chǎn)能是按照之前客戶的預測來投資的。經(jīng)過制造流程分析，某一工序為產(chǎn)能短板，只要購買一臺晶圓片鍵合機即可把每周晶圓產(chǎn)量WPW增加50%。但是，這臺設(shè)備交期在9-10個月以上，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)時間，至少15個月以內(nèi)產(chǎn)能還只能維持原有水平。因此，與前面幾個指標相比，各大半導體領(lǐng)軍企業(yè)和主要晶圓代工廠的擴產(chǎn)消息只能提供中長期供給端數(shù)據(jù)。

　　不過，半導體企業(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，如果這個數(shù)據(jù)還保持增長趨勢且增速未見減緩，則意味著短時間內(nèi)對汽車芯片的需求還將高企。這個也可以通過美國聯(lián)邦儲備銀行經(jīng)濟數(shù)據(jù)庫中的汽車存貨與銷量之比來了解。這個指標歷史平均為2-3之間，但是最近的2021年11月數(shù)據(jù)只有0.24。

　　美國汽車市場存貨與銷量之比（來源：FRED）

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

　　曼海姆二手車價值指數(shù)（來源：Cox Automotive）

　　如何緩解

　　去年11月初是美國商務(wù)部向半導體企業(yè)索要其產(chǎn)品類型、制程與產(chǎn)能、庫存、供應鏈等企業(yè)內(nèi)部信息的最后期限。根據(jù)美國商務(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)機密的信息不對公眾顯示，但是在透露出的信息中，一些企業(yè)給出了自己的看法。

　　美國商務(wù)部要求半導體相關(guān)企業(yè)提供的信息，以NXP公開的信息為例（來源：US BIS）

　　安森美半導體認為短期方案在供應鏈方面，需要解決因港口貨物堆積和海關(guān)清關(guān)冗長導致的原材料和設(shè)備交期延誤的問題。中長期則需要降低代理商處庫存，提高半導體企業(yè)自身庫存來應對終端客戶的過度訂購。同時建議美國商務(wù)部鼓勵芯片供需雙方簽訂長期供應協(xié)議（LTSA），降低半導體供應商擴產(chǎn)風險。另外，美國政府需要通過財政和稅務(wù)手段來刺激半導體企業(yè)在美國本土的投資。

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

　　作為一家歐洲企業(yè)，英飛凌建議改變汽車行業(yè)常用的準時化管理（Just-in-Time），采用一個協(xié)作平臺取而代之。在該平臺上，需求信息可以匿名分享，類似德國ZVEI 工作組和歐盟資助的 SC?半導體供應鏈項目。

　　汽車行業(yè)中重要的一級零件供應商大陸汽車則提出需要將汽車芯片占半導體總產(chǎn)能的比例從5%增加到8-10%，并擴大40-180納米的成熟制程的產(chǎn)能。

　　反本溯源，各個利益相關(guān)方對如何緩解汽車芯片危機緩解都有自己的利益訴求。但是無論如何，加強自身技術(shù)實力，促進供需雙方良性溝通，建立長期合作關(guān)系，杜絕機會主義，是各方都可以開始實施的行動。