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芯片荒 一场纯粹的人祸

来源:原创    更新时间:2021-05-26 13:25:19    编辑:星谷下载    浏览:194

全球范围内芯片短缺的问题,始于去年10月。最初,短缺问题出现在消费电子类产品领域。进入2021年以后,才逐步蔓延至车规级芯片。

起初,业界援引历史经验,认为短缺问题最迟将从今年6月开始缓解,并在下半年逐渐趋于平静。但4月以来全球各大车企的减产,甚至众多低端车型的停产,证明了这种预期似乎太过乐观。

导致芯片供应短缺的原因,最近2个月业界内外的诸多媒体,已经总结了一个遍。

诸如2020年新冠疫情的全球化;今年2月迫使英飞凌、恩智浦德州工厂停工的德克萨斯州特大寒潮;3月末日本瑞萨电子(Renesas Electronics)生产区N3栋1楼的那场烧毁专用12英寸车载芯片晶圆车间的大火等等,不一而足。

           

德州寒潮确实对当地的晶圆工厂造成了巨大的影响,但却并不足以影响整个世界芯片市场——其影响甚至不如2011年的东日本大地震

然而,这样的分析是标准的“做题家”思路,对于探究宏观上的深层次原因的几乎毫无意义。事实上,车规级芯片短缺,源于芯片整体产能的紧张,更因为车规级芯片的特殊性。

01

从供给侧谈车规芯片

有关车规级芯片的定义,相信许多文章已经详细阐述,这里不再累牍。由于从技术角度剖析一个芯片的全流程对于大部分人来说可能难以理解,所以我们从资本投入的角度来看一下芯片制造的问题。

虽然传统芯片的制造流程早已流程化,规范化,但是芯片全流程的难度却丝毫未减。

一个芯片从立项到最终上市,可以简略分割成五个阶段,那么其中的花销也就可以如此大致区分研发:包含从架构IP授权/IP自研费用,购买EDA进行设计模拟的费用,无数工程师参与其中设计,布线和调试的人工成本,以及进行逻辑验证的成本验证调试:从EDA包含的物理验证/物理仿真软件,到EDA方面对于验证调试的帮助,到物理层面的debug,其中成本都非常巨大。

           

正在使用光刻机进行加工的晶圆

流片:仅仅代工厂的耗材,人工与OPC(设计电路在实际生产中的光学临近修正)就可以达到2-3亿人民币,其中主要成本是Mask,也就是光罩的耗材费用;

量产:芯片量产需要的晶圆,人员与耗材成本;

封测:即封装与测试,芯片不可能一片硅就拿上去用,需要封装成各式各样的芯片,并且要进行检验和测试确保可用。这一项别看很简单,但是可能占到芯片总成本的20%左右。

但是,车规芯片的全流程不仅仅包含了需要延长的传统消费级芯片的全流程,还包含了与之配套的车规级认证系统开发,满足AEC-Q100的功能安全相关系统软件的开发,长达1-2年的验证车型导入调整与测试,并行与之匹配的整车系统和功能开发的调整与测试,最终才可能完成量产与芯片终端产品的部署。

           

这里特别需要注意的是最后一条,因为这也意味着,车规芯片的供应商和对应的车企,其实是高度绑定的。

举个例子来说,2011年东日本大地震受灾时,瑞萨电子车载半导体的主力工厂曾在遭受重创:半导体洁净室损毁严重,无尘车间的墙壁出现了大尺寸裂纹。当时受损勘验的结果认为,企业部分恢复生产需要至少3个月左右,完全恢复则需要180天以上。

然而即便如此,丰田汽车作为瑞萨电子最大的客户,宁可减产甚至停产部分车型,也没有选择更换供应商。

此外,不同车规芯片和其他类型的消费芯片对于制程的需求也截然不同。

我们熟悉的移动端消费芯片(也就是手机芯片)就在不断朝着工艺的顶峰攀登,但是我们看到的车规芯片大多是45nm甚至以上的制程,因为他们对于功耗的敏感度并不高。

           

苏州纳芯微去年推出的,国内首款车规级LIN总线接口的单芯片压力传感器信号调理芯片NSA(C)9262,主要用于汽车空调和热管理系统、进气/尾气管理系统、燃油蒸气管理系统以及刹车助力系统等各个电子控制系统。同许多非常了解消费电子产业的朋友认识中的芯片不同的是,绝大部分车规级芯片都是这种“粗笨古早”风格的产物,但却是一台现代汽车必不可缺的组成部分

当然,随着汽车智能化和电动化的发展,自动驾驶带来的高端侧算力需求也就侧面推动了高性能低功耗AI计算芯片在汽车领域的发展,高能效比的高算力芯片能在满足相同自动驾驶算力需求的前提下提供更高的整车续航里程。与此同时,以Bosch为首的T1厂商也在通过将功率器件升级到碳化硅工艺,进一步的提升整车芯片系统的效率,提升续航,这一路径也与移动端消费PMIC的追求大相径庭。

另外,在芯片自身流程的最后一环封装与测试,车规级芯片因为要面对的环境远比消费级电子其他芯片恶劣,其封装,堆叠的要求也就与其他类型芯片不可同日而语,同时对ZeroDefault(零失效)的严苛要求,也让车规芯片在测试阶段对比其他消费芯片诞生了全新的挑战。

换言之,车规芯片四个大字,背后都有我们难以想象的复杂度与困难,也与当前飞速发展的消费电子工业有不小的方向性差异。

讲到这里,相信大家已经能够比较直观地理解,为什么“缺芯”问题反映到车规级芯片之上会那么激烈,那么持久——因为这真不是车企想换个供应商就能立马换的。

02

“缺芯”背后的实质问题

现在让我们回过头看看这一轮芯片短缺的整个过程。

2018年以后,特朗普时代的美国政府为了打击飞速崛起的中国高科技企业,不停捏造罪名、玩弄长臂管辖,大大突破了原有的国际商业规则底线,对以华为为代表的中国高技术企业施以“制裁”。而这其中,切断关键零部件供应是最典型,也是特朗普政府认为最“有用”的一项措施。

           

以华为为始的一系列制裁,本质上是美国政府对华展开的一场“科技战”,旨在彻底遏制中国飞速崛起的诸多高技术企业

而其连绵不绝且无法预测(例如,连小米都能被美国国防部以“涉军”为由,纳入美国国防部黑名单)的制裁措施,让所有业务牵涉中美两国的跨国公司,产生了巨大的危机感。

这种危机感体现到具体业务应对,便是各自对供应链控制程度的无限加重。这不仅仅体现在企业对供应链相关环节的投资上,更体现在供应链周转周期的提升上、体现在对时刻储备可应付更长周期生产的物料需求上。

这种储备,可以是美国军工企业不断囤积稀土,也可以是那些被制裁或者担心被牵连的企业,不断超量采购囤货。

自2019年起,越来越多的公司倾向于拉长供货周期,更早的预定芯片,在仓库和周转中哪怕损失利润也要囤积更多的芯片。以前零库存运作的企业,现在要储备几个月的产品;以前储备几个月的企业,现在要备货半年。

然而,除了丰田等极少数特例,多数车企却并不在此行列中。

           

吸取2011年东日本大地震的教训,丰田汽车是少数有着芯片储备习惯的车企

紧随其后的,则是2020年新冠疫情在全球的爆发。

在全球停摆疫情刚开始的时候,大多数企业是措手不及的。为了减少损失,它们纷纷选择“砍单”。其中尤以车企为多——因为比起各种消费电子类产品,汽车可是一种昂贵到需要分期的大件,但同时又是可以延后的。

很快,新冠在全球开始蔓延,多数国家受到影响,居家隔离、远程会议和在线教学,变得非常普遍。在这个背景下,包括手机、平板、笔记本电脑在内的消费类电子产品出现了一轮爆发性需求。

企业永远跟着市场转。在这个状况下,由于汽车销量的锐减,而消费电子类产品需求旺盛,于是晶圆工厂纷纷停止了车规级芯片的流片,将产能转移给了消费了电子产品。而各国为了保经济而采取的“印钱”和“发钱”政策,又进一步刺激了消费电子产品、家电产业的火热,面板,电脑,白电,黑电,耳机,手机……均出现了大幅增长。于是,这些企业纷纷向着晶圆厂“加单”。

           

无论从哪种角度看,特朗普政府都当得上“始作俑者”的定义。先是丧心病狂地采用断供关键部件等方式,试图扼杀中国的诸多高技术企业;又在新冠疫情期间采取消极措施,坐看本国大爆发;最后更是启动“核动力印钞机”试图依靠滥发钞票来维持经济,进而赢得大选。种种倒行逆施,从宏观面而言,导致了目前全球范围内严重的通胀压力。而在产业层面,也间接导致了车企芯片的短缺

但进入2021年以后,随着以美国为首的欧美国家疫情出现了受到控制的苗头,加之其“核动力印钞机”开始不断发威,沉寂大半年的汽车消费也开始逐渐恢复。然而就在此时,车企们才突然发现,由于之前砍掉了太多的芯片订单,库存的车规级芯片已不敷使用。

既然缺芯片,自然就得加单。但此时,晶圆工厂的产能又已经被消费类电子产品的订单占满,要想插队是难上加难。

03

潜在的产能过剩危机

芯片订单插不上队,不代表目前全球芯片产能的不足。产能的问题,让我们听听业界的大佬是怎么说的。

作为全球最大的8英寸晶圆生产方,台积电董事长刘德音在今年3月底的TSIA(也就是台湾半导体协会)的年会上就直接把话挑明了——成熟制程(例如28nm)的吃紧看似供不应求,但其实全球的产能仍大于需求。

           

刘德音的履历,在某种程度上也代表着现代半导体产业的历史:1983~1987年任职于英特尔,担任CMOS技术开发之制程整合经理,进行微处理器制程技术的开发;1987~1993年任职于美国纽泽西州AT&T贝尔实验室,担任高速电子研究实验室研究经理,研发光学通讯系统;1999~2000年担任世大集成电路制造公司总经理;2000~2006年间在台积电晶圆厂及营运组织历任多项要职;200~2009年间担任先进技术事业资深副总经理;2009~2012年间担任营运资深副总经理;2012年3月~2013年11月担任共同营运长;现任台积电(中国)有限公司董事长

作为一位自1983年就开始投身半导体产业,在业内摸爬滚打已经38年的资深大佬,刘德音的话应该具有极高的权威性。而且,一场针对成熟制程的“腥风血雨”,即将掀起——

就在国内新冠疫情刚刚得到控制的2020年4月28日,总投资10亿的长沙比亚迪半导体8英寸晶圆生产线项目在长沙经开区正式动工。

一个月后的5月30日,西部半导体集成电路高科技产业园项目开工仪式在四川省绵阳市游仙区举行。该产业园项目规模甚大,根据官方介绍总投资高达80.26亿元,涵盖集成电路(芯片)研发、设计、制造、生产等环节,计划建设起一个年产能最高可达60万片的8英寸晶圆的产业集群。当然,该集群并不只针对车规级芯片,而是将面向工控、汽车电子、电力能源领域、生物基因、射频器件以及5G通讯产品等所有领域的芯片需求。

           

尽管8英寸晶圆在今天看来是一种“过时”技术,但仍有其价值,更是车规级芯片所需要的

当然,我们也不应该忽略极其重要的中芯国际。在中芯国际去年第四季度的电话财报会议上,联合CEO赵海军曾经透露:公司在2021年底以前,将扩充4.5万片的8英寸月产能;另外12英寸也将扩充1万片/月。此前,中芯的8英寸晶圆的月产能,已经达到了25万片规模。

台积电当然也不会错过这波行情。2021年4月22日,全球晶圆代工龙头台积电(TSMC)召开临时董事会,核准一笔高达28.87亿美元的预算,用于扩充成熟制程产能。其中已经决定并公开的计划,包括扩张其位于南京的晶圆工厂,建设多条28nm制程(8英寸晶圆)产线。计划在2023年达到“月产4万片”。

也就是说,最近一年来,国内从公开新闻可查询到的8英寸晶圆产能扩张就超过每月70万片规模。而这些产能最快,将在2022年中被释放出来……

毫无疑问,这是标准的“头疼医头”式的操作,只针对当前问题,甚至在未来可能带来潮水一样且未必能完全消化掉的8英寸晶圆产能。

芯片本该只是一种商品,是推动现代工业社会,构筑我们的现代生活所必不可少的基石。奈何现在,却因为美国政府的一己私欲,在其不断干预和阻挠下,竟成了一种“战略物资”般的存在。

可以预期,随着各种投资的蜂拥而至,芯片产能的新一轮爆炸性增长已蓄势待发。成熟制程的芯片的短缺状况,将被画上句号。甚至在不久的将来,这种无视总产能的密集投资,极大概率将会导致一个恶果——过剩的产能将会席卷整个产业,掀起一阵新的腥风血雨。

           

这个世界,需要一位屠龙勇士

回顾这一轮芯片危机的整个过程,我们越发深刻地感受,在这个“旧神”已陷入疯狂的时代,无论为了自己还是为了整个世界市场,中国都有义务去联合整个业界,建立一些不受美国影响的“局部领域”。

哪怕这个“局部领域”最初非常的微小,但我们却有理由相信,有朝一日它将化作燎原之火。

C-DIMENSION

           


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