汽车集成电路持续短缺

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半导体工程

2021 年 5 月 20 日

目前的汽车半导体短缺不会很快结束。

2020 年初，COVID-19 大流行病肆虐全球供应链，尤其令汽车制造商措手不及。当汽车原始设备制造商在大约八周的工厂停工期间取消芯片订单时，他们后来发现关键集成电路的供应已经蒸发。

为了使这场风暴更加完美，其他一些事件也加剧了这场大流行病，其中包括德克萨斯州冬季大冰风暴导致奥斯汀芯片制造商的工厂关闭、瑞萨电子公司位于日本那珂的晶圆厂发生大火以及台湾持续干旱。所有这些事件都严重削减了汽车集成电路的库存。

目前，关于汽车芯片可用性的预测众说纷纭。最乐观的预测是，到今年晚些时候，也许是第三季度，或者明年年初，汽车芯片的供应问题将得到缓解。但据行业分析师称，汽车集成电路的短缺很可能会延续到 2022 年，甚至 2023 年，届时 TMSC、英特尔和其他公司预计会有更多的芯片代工产能投产。

事实证明，主要汽车原始设备制造商对汽车集成电路订单的大幅削减已使该行业付出了极其高昂的代价，将订单推向了漫长而复杂的半导体供应链的末端，并迫使全球几乎所有汽车制造商的工厂纷纷停产。从底特律三巨头通用汽车、福特和斯泰兰特（前菲亚特克莱斯勒），到大多数主要的欧洲、日本和韩国汽车制造商，几乎所有的汽车制造商都受到了芯片紧缩的影响。

几乎所有的主要汽车制造商都宣布工厂定期停产或减速，有些还采取了极端措施。在受影响最严重的汽车制造商中，福特公司不得不在没有必要芯片的情况下制造其 F-150 皮卡（该公司最受欢迎也是迄今为止利润最高的汽车），并将卡车停放在停车场，直到集成电路运抵，使其完全投入使用。福特早些时候宣布，如果半导体短缺持续到 2021 年上半年，将对福特调整后的息税前利润造成约 10 亿至 25 亿美元的影响。在 4 月 28 日福特发布的 2021 年第一季度财报中，该公司以 362 亿美元的营收实现了 33 亿美元的净利润，并指出由于全球半导体短缺和商品成本上升，该公司面临着同比增加 25 亿美元的成本。福特还表示，第一季度已损失约20万辆，占产量的17%，预计半导体短缺问题可能要到2022年才能完全解决。

是什么造成了芯片短缺？
汽车行业芯片短缺的主要原因是，在大流行病爆发的大约八周时间里，工厂全面停工，导致原始设备制造商撤回集成电路订单。电子行业的各个角落都出现了需求激增的现象，因为突然间在家工作的工人们释放出了对各类电子设备（包括个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、路由器和其他网络设备）芯片的不可预见的需求。这就侵蚀了一些以前为汽车行业服务的市场。

"GlobalFoundries 汽车业务线副总裁兼总经理卡迈勒-库里（Kamal Khouri）说："为了更好地理解解决供需失衡问题所面临的挑战，我们有必要回过头来看一看我们是如何走到今天这一步的。"以计算为中心的微型芯片走的是一条路，而功能丰富的芯片（可改善触摸屏、盲点检测、通信和智能支付等设备的用户体验）走的是另一条路。研发和投资集中在小型芯片上，而功能丰富的芯片则悄然成为技术和经济增长的驱动力。"

数字化转型的加速、在家工作/在家学习人数的激增、5G 超级周期的启动以及全球贸易的影响，共同推动了今天对半导体前所未有的需求。在 COVID 流行的最初几个月，汽车销售疲软，其影响波及整个供应链。

"与此同时，其他客户--主要是笔记本电脑、平板电脑、WIFI 和流媒体供应链中的客户--由于全球向在家工作和学习过渡，当时出现了需求激增，"Khouri 说。"几个月后，出乎意料的是，汽车行业的需求出现了反弹和增长。当汽车制造商试图重新启动供应链时，大部分有限的半导体制造能力已被其他客户预订。

在大流行病之前，并没有出现芯片短缺。事实上，由于 DRAM 市场价格疲软，半导体销售额略有下降。"2019年，并没有出现真正的芯片短缺。Semico Research 总裁吉姆-费尔德汉（Jim Feldhan）指出："整个半导体行业的销售量实际上下降了 7%。"这算是一个修正年。当然，汽车确实使用内存。虽然不像服务器等其他行业那样广泛，但我们看到价格大幅上涨。在 2019 年，有一点放缓，这是一个修正年，内存的价格确实下降了，但单位数却下降了。"

一旦大流行病袭来，汽车公司就会控制生产。"Feldhan 说："它们停产了好几个星期，国内生产总值下降了 30%左右。"情况看起来相当暗淡，汽车行业出现了大量的回撤。有大量的汽车将被搁置和融资。人们没有意识到的是，汽车市场会有多么强劲。

与此同时，新的家庭用户正在购买各种电子设备--笔记本电脑、平板电脑、更大的显示器、更快的台式机和路由器--以便在大流行病导致所有设备瘫痪时，能够更有效地全职在家工作。"费尔德汉说："多年来，我们一直在说，人们更新和升级个人电脑的速度一直很慢，包括在企业方面。"但没人想到会是大流行造成了这种情况。

Feldhan 说，2019 年和 2020 年，汽车市场出现了一些现货短缺，特别是特斯拉和其他几家汽车制造商的电动汽车。"特斯拉是 碳化硅 MOSFET 的最初采用者，它们供不应求，"他说。他说："当时有两家制造商（特斯拉和丰田），它们消耗了大部分碳化硅。事实上，丰田正在研究碳化硅 MOSFET 与标准硅 MOSFET 的对比，因为碳化硅的效率要高得多，但他们害怕出现短缺。由于担心供应有限，他们选择不在插电式和混合动力汽车中使用这种技术。人们估计错误或没有意识到的是，当发生大流行病时，会对电子产品的采购产生怎样的影响，因此所有的汽车制造商都削减了采购量。当时的想法可能是，'我们想什么时候开就什么时候开'。'但后来很多产能都被其他事情占用了"。

例如， DRAM 就可以广泛应用。但汽车芯片需要特殊的工艺和更宽的温度范围，如果在现场出现故障，代价就会很高。汽车原始设备制造商正在寻求在极端条件下使用寿命长、缺陷率极低的产品。

缺什么，谁在生产什么
供应稀缺的汽车集成电路大多是 微控制器 (MCU)，通常是在较老的 200mm 和 300mm 晶圆厂的较成熟工艺节点上生产的。根据大多数估计，汽车集成电路的交付周期为 26 周，甚至更长，这取决于所涉及的 MCU 类型和制造芯片的半导体工艺节点。

IHS Markit 的供应链与技术团队自 2020 年 4 月以来一直在跟踪芯片短缺问题，该团队最近发布了一份 白皮书 。"IHS Markit负责ADAS、半导体和组件的高级首席分析师菲尔-阿姆斯鲁德（Phil Amsrud）写道："由于造成这些限制的原因是原始设备制造商不断增长的需求和半导体供应有限的结果，因此在这两股力量达成一致之前，问题不会得到解决。"如果起因是自然灾害，那么供应链就会采取相应的恢复计划，虽然这仍需要几个月或几个季度的时间来实施，但计划已经存在。这是一个平衡供需的案例，由于微控制器单元（MCU）的交付周期为 26 周或更长，供应链的限制可能至少会持续到今年第三季度。"

尤其令人头疼的是，汽车中的半导体含量越来越高。如今，几乎每辆新车都配备了大量的汽车电子设备，即使是那些没有配备最先进配置的车型也是如此。虽然这一趋势在过去几十年中一直在持续，但直到最近，由于高级驾驶辅助系统(ADAS) 的出现、对电动汽车和混合动力汽车的关注以及传统汽车中更多的连接功能， 代工厂才将汽车电子产品作为重中之重。

在汽车行业，集成电路分为五个领域：车身、连接、融合/安全、信息娱乐和动力总成。目前的短缺影响到其中的每一个领域。

"Amsrud 说："有些人说，我们现在遇到的问题是汽车上所有新半导体应用的结果。阿姆斯鲁德说："但我们现在看到的大多数限制因素都是 MCU，而且是许多传统的汽车产品。包括发动机控制、变速箱控制、转向、安全气囊、无线电。它确实涉及到一些 ADAS 的东西 - 雷达、前视摄像头。但我们之所以会遇到这样的问题，是因为 MCU 在汽车中无处不在。这并不是说我订购一辆车，然后把一些更现代的功能去掉，就能买到这辆车了。不，如果你想让汽车跑起来，它就必须有几个微控制器。因此，造成这种情况的原因并不是 ADAS。在汽车中安装更多电子设备才是真正的趋势"。

Amsrud 说，汽车 MCU 主要采用 45 纳米及更高的工艺节点。"28纳米以下可能会有一些例外，但主要还是在45、90、100、130纳米范围内。这是一种最坏的情况，因为在这些领域还没有大量的扩张。

而廉价的二手 8 英寸设备的短缺又加剧了这一问题。现在，工厂对新 8 英寸设备的投资几乎与新 12 英寸设备相同。"Amsrud说："从经济学的角度来看，12英寸设备更适合用于前沿工艺，而不是传统工艺。"12 英寸晶圆比 8 英寸晶圆的产量要高出 50%。

由于汽车应用中使用了大量的汽车集成电路，只要缺少一个元件，就会导致装配线瘫痪。"Amsrud 指出："我们以前在汽车行业中见过这种情况，简单到一个二极管、一个电容器或一些双端子器件，都会导致生产线瘫痪。Amsrud 指出："并不是总能找到简单的替代品，而这是在没有软件参与的情况下。对于 MCU 来说，这对所有半导体供应商的影响都是一样的。即使你可以说，'我不能从 A 供应商那里买到 MCU，但我可以从 B 供应商那里买到'，问题是这两家供应商的软件并不兼容。无论我们谈论的是一美元部件还是一美分部件，我们估计一辆普通汽车中大约要使用 1200 种半导体。从二极管到存储设备，再到汽车中最强大的 SoC，应有尽有。因此，每辆汽车上都有 1200 个机会，如果没有这些机会，就无法制造汽车。

汽车制造商无一幸免
这已转化为全球范围内的短缺。几乎所有的原始设备制造商都出现了不同程度的短缺。"这确实是全局性的。即使在韩国，他们也关闭了一些工厂，"Semico 的 Feldhan 说。"福特正在生产部分 F-150。他们把这些车从生产线上拉下来，放在那里直到他们拿到芯片，然后再把它们重新放到生产线上。对于福特来说，他们最赚钱的车型就是 F-150。但无论是 F-150 还是其他装有 V-8 发动机的汽车，其发动机控制器可能都是相同的"。

通用汽车公司已经减产。本田（Honda）和日产（Nissan）也是如此，它们共同表示将减少生产 25 万辆汽车。

"大众汽车表示，他们的电脑芯片紧缺也阻碍了他们的运营，尤其是在美国，丰田也宣布他们将间歇性地削减生产线的班次，"费尔德汉说。费尔德汉说，"因此，似乎没有人能够幸免于难"。

GlobalFoundries 的 Khouri 说："短期内，短缺问题将难以解决。"从中期来看，我们正在解决供需错配问题，并将为客户提供所需的芯片。长期前景非常光明。汽车制造商不会让这种情况再次发生。我们已经在与一级汽车供应商建立新的直接合作关系，以确保产能，并寻求与代工厂建立更紧密、更具战略性的合作关系。

随着汽车中硅含量的不断增加，这种更紧密的供应链的重要性将与日俱增--这既是由于向电动汽车的转变，也是由于信息娱乐、雷达和 ADAS 等功能的增强。"Khouri说："计算已成为汽车的核心--用于管理电池、运行电机、刹车、车灯和其他关键系统。"芯片遍布当今汽车的每个角落，从可以升降车窗的微控制器，到包括雷达和 ADAS 在内的安全功能，再到复杂的发动机功能。车辆现在已经成为设备的一部分，如果没有无处不在的芯片，我们所期望的功能就无法实现。

汽车前置时间长，资质复杂
根据所涉及的汽车集成电路，芯片的前置时间在紧缩期间大幅延长，有些元件的前置时间通常为 16 至 18 周，有些则更长。部分原因是材料供应不足，部分原因是芯片制造设备也供不应求。汽车集成电路行业的供应链十分复杂，通常是通过汽车电子供应商和芯片分销商购买芯片，而不是直接向芯片制造商订购。

"总的来说，现在半导体的整体供应非常非常紧张。华邦电子公司（Winbond Electronics）美国销售副总裁 I-Wen Huang 说："不知何故，我们就是无法满足需求。Huang 说，在大流行病肆虐之前，生产半导体器件从开始到成品交付给客户的周期一般为四个月。而现在，许多部件的生产周期已经延长到五六个月。

Huang 认为，短缺至少会持续到 2021 年底，甚至 2022 年。"这确实取决于明年的需求量有多大，"他说。"今年是肯定的，如果你问任何一家半导体制造商，他们都会说'对不起，今年的产能已经被我们的客户预订完了'。"

Huang说，目前的延误部分是由于基板材料短缺造成的。华邦公司不生产晶圆，因此在接收用于生产汽车芯片的基板方面出现了延误。影响交货时间的其他因素还有半导体设备短缺。但另一个主要障碍是汽车集成电路的鉴定时间很长，鉴定一个新器件可能是一个艰巨的过程，而且汽车行业长期以来一直采用及时交货（JIT）的商业模式，即在汽车和卡车组装完成后才交付元件。

汽车行业采用非常严格、僵化的流程，需要很长时间才能使集成电路获得认证，Huang 说。他说，"通常情况下，你不可能在不到一年的时间内就对汽车使用的设备进行认证，"他指出，这种对汽车电子产品的严格控制可以确保安全。他说，"当客户向我们订购产品时，我们必须在生产过程中实施非常严格的控制流程。汽车客户会指定每一个细节步骤。你不能使用替代品，因为我们从未对替代材料进行过鉴定"。

为汽车制造商单一采购汽车集成电路也使得为某一汽车应用设计的芯片不可能换成专门为另一汽车制造商的应用制造的类似器件。"每家汽车制造商都有自己的设计和规格。例如，瑞萨的ADAS设备可能与英特尔的设备不一样，"Huang说，"所以你无法替换它，因为所有的硬件和软件都是定制的。"

在汽车行业，原始设备制造商在每个制造商内部使用通用的平台设计，但不同的原始设备制造商之间却没有通用性。"黄说："一家汽车制造商，比方说福特，他们可能会为不同的车型设计通用平台，而这些车型都是福特汽车。"但他们设计和开发的平台却不能用于通用汽车的汽车上。因此，这个行业没有共性。一切都是定制的，这使得供应变得非常复杂。

扩大代工产能
英特尔宣布计划重新进入代工业务。与此同时，台积电表示计划在未来三年内斥资1000亿美元。4 月 28 日， ，联电宣布计划扩大其位于台湾台南科学园区的 300mm 晶圆厂 12A 六期（P6）的产能 。

此外，美国政府可能会增加对半导体行业的支持。拜登政府在 4 月 12 日举行的虚拟全球芯片峰会上承诺，将寻求国会支持授权新的产业资金，许多与会的汽车业和半导体业首席执行官都参加了此次峰会。作为政府提出的基础设施计划的一部分，拜登计划将为恢复美国半导体产业注入约 500 亿美元的资金，该计划最终需要国会批准拨款。

不过，汽车集成电路产能的恢复可能需要比预期更长的时间。Semico公司研究总监Adrienne Downey指出，目前正在建设的任何新晶圆厂都可能在近两年内无法投产并产生有效的产量，但台积电在台湾的一些晶圆厂实际上将于今年投产。

"Feldhan 补充说："我们认为，短缺将持续到今年和明年初。"很难确定确切的日期，但可能会持续到明年年中。真正的关键在于目前的晶圆厂今年的执行情况如何，因为似乎每年都会有一些工艺和产量方面的改进，所以他们能生产出更多的芯片。但如果芯片短缺导致原始设备制造商无法生产出市场所需的产品，那么需求就会发生变化。这种情况发生得越多，我们看到芯片短缺的时间就越长。迫不得已的情况下，我认为短缺会持续到明年 4 月。