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(dǎo)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(yīng)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(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(dāng)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能擴充比較謹(jǐn)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(fù)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(dǎo)體供應(yīng)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(xí)慣于用低價采購芯片,，導(dǎo)致（半導(dǎo)體供應(yīng)商）沒有動力擴大產(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)時化管理模式,，要求芯片供應(yīng)商被動的配合——半導(dǎo)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(dǎo)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(yù)測的信心水準(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(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(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(dǎo)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(yīng)鏈極長的半導(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,。

　　消費端

　　在消費端，2020年以來半導(dǎo)體需求猛增,，增速達到17%,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過產(chǎn)能的擴充速度。原因主要是疫情導(dǎo)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(dǎo)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過汽車行業(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(fù)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(fù),，這導(dǎo)致半導(dǎo)體供應(yīng)鏈各方汽車芯片的庫存都遠(yuǎn)低于正常水平,。這導(dǎo)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(yīng)（bull whip effect）使得半導(dǎo)體供應(yīng)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(dǎo)致采購價格低,、采購條件苛刻，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,。因此,，半導(dǎo)體廠商和晶圓代工廠沒有動力主動生產(chǎn)和供應(yīng)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(dǎo)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(rèn)為芯片供需平衡可能要到2023年才能實現(xiàn),，英飛凌Ploss也認(rèn)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(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,，缺芯情況會有所緩解,。無論如何，沒有人有水晶球可以準(zhǔn)確預(yù)測未來,，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,，幫助判斷芯片危機何時緩解。

　　產(chǎn)能利用率

　　半導(dǎo)體IDM和晶圓代工廠的前道工序產(chǎn)能利用率是一個重要的生產(chǎn)端指標(biāo),，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(dǎo)體供應(yīng)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(yīng)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(biāo)可以判斷短期內(nèi)芯片供應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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(dǎo)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(dǎo)體供應(yīng)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(biāo)。例如,，在納微半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(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容都會在未來影響芯片的供應(yīng),。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(yán)格,。即使獲得批準(zhǔn)，目前半導(dǎo)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(fù)責(zé)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(yù)期,，但是產(chǎn)能是按照之前客戶的預(yù)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(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產(chǎn)消息只能提供中長期供給端數(shù)據(jù),。

　　不過,，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(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(biāo),。

　　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(dǎo)體企業(yè)索要其產(chǎn)品類型,、制程與產(chǎn)能、庫存,、供應(yīng)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(dǎo)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(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)冗長導(dǎo)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(dǎo)體企業(yè)自身庫存來應(yīng)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(yīng)協(xié)議（LTSA），降低半導(dǎo)體供應(yīng)商擴產(chǎn)風(fēng)險,。另外,，美國政府需要通過財政和稅務(wù)手段來刺激半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)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(dǎo)體供應(yīng)鏈項目,。

　　汽車行業(yè)中重要的一級零件供應(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。