汽车IC短缺持续

目前的汽车半导体短缺不会很快结束。

当2019冠状病毒病(COVID-19)大流行在2020年初袭来时，它对全球供应链造成了严重破坏，但尤其让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关闭期间取消芯片订单时，他们后来发现他们的关键集成电路供应已经枯竭。

让这场大流行变得更加完美的是，其他几件事也加剧了疫情，包括德克萨斯州冬季的大规模冰暴导致奥斯汀芯片制造商的晶圆厂关闭，日本中坂瑞萨电子晶圆厂发生重大火灾，以及台湾持续的干旱。所有这些事件都严重削减了汽车IC库存。

对汽车芯片可用性的预测现在到处都是。最乐观的预测是，今年晚些时候，可能是第三季度，或者明年初，这种情况不会得到缓解。但据行业分析师称，汽车IC短缺很可能会延续到2022年，甚至到2023年，届时TMSC、英特尔和其他公司将有更多的芯片代工产能上线。

事实证明，主要汽车原始设备制造商的汽车IC订单大幅减少，对该行业来说代价极其高昂，将订单推到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轮流关闭。芯片危机几乎影响了每一家汽车制造商，从底特律三巨头通用汽车、福特和Stellantis(原菲亚特克莱斯勒)，到大多数主要的欧洲、日本和韩国汽车制造商。

几乎所有主要汽车制造商都宣布定期关闭工厂或放慢生产速度，其中一些还采取了极端措施。受打击最严重的是，福特不得不在没有出售所需芯片的情况下生产其F-150皮卡(该公司最受欢迎、迄今为止最赚钱的车型)，将卡车停在停车场，直到ic到达，之后才能使这些单元完全运行。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10亿至25亿美元的影响。在福特4月28日发布的2021年第一季度业绩报告中，该公司报告称，其净利润为33亿美元，营收为362亿美元，并指出，由于全球半导体短缺和大宗商品成本上涨，该公司面临25亿美元的同比成本增长。福特还表示，第一季度损失了约20万辆，占产量的17%，预计半导体短缺可能要到2022年才能完全解决。

短缺的原因是什么?
汽车行业的芯片困境主要可以追溯到原始设备制造商在大流行大约八周的时间里减少IC订单，当时工厂完全关闭。需求的爆炸式增长来自电子行业的各个角落，因为突然在家办公的员工对所有类型的电子设备(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)的芯片产生了无法预料的需求。这蚕食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)表示:“为了更好地理解解决供需失衡的挑战，我们有必要回顾一下我们是如何走到今天的，自第一代智能手机问世以来，我们已经经历了15年的发展。”“以计算为中心的微型芯片走了一条路，而功能丰富的芯片走了另一条路，这些芯片改善了触摸屏、盲点检测、通信和智能支付等设备的用户体验。研发和投资集中在更小的芯片上，而功能丰富的芯片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的前所未有的需求。在新冠肺炎大流行的前几个月，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——由于全球转向在家工作和学习，当时需求激增，”库里说。“几个月后，出乎意料的是，汽车行业出现了反弹和需求增长。当汽车制造商试图重新参与供应链时，有限的半导体制造产能中有很大一部分已经被其他客户保留了。”

在大流行之前，芯片并不短缺。事实上，由于DRAM市场的价格疲软，半导体销售额略有下降。“2019年，芯片并不真的短缺。半导体行业整体销量实际上下降了7%，”Semico Research总裁吉姆·费尔德汉(Jim Feldhan)指出。“这是一个调整的一年。当然汽车也需要内存。它不像服务器等其他行业那样广泛，但我们看到了价格的大幅上涨。2019年出现了一点放缓，这是一个调整年，记忆中价格确实下降了，但销量下降了。”

大流行爆发后，汽车公司控制了生产。他说:“他们关闭了几个星期，国内生产总值下降了30%左右。“形势看起来相当黯淡，汽车行业出现了很多下滑。他们有大量的汽车可以坐着融资。他们没有意识到汽车市场将会多么强劲。”

与此同时，新的居家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——以便在疫情导致一切瘫痪的情况下更有效地全职在家工作。费尔丹说:“多年来，我们一直在说，人们更新换代的速度很慢，包括在商业方面。”“但没有人想到会是一场大流行导致了这种情况。”

费尔丹说，2019年和2020年，汽车市场出现了一些现货短缺，尤其是特斯拉和其他几家汽车制造商生产的电动汽车。特斯拉是最初的采用者碳化硅场效电晶体而且供不应求，”他说。“有两家制造商(特斯拉和丰田)，他们消耗了大部分。事实上，丰田在考虑碳化硅mosfet和标准硅mosfet，因为碳化硅效率更高，但他们担心短缺。他们选择不在他们的插电式和混合动力汽车上使用这项技术，因为他们非常担心有限的供应。我们错误估计或没有意识到的是，当发生流行病时，它会如何影响电子产品的采购，所以所有汽车行业的人都减少了采购。当时的想法可能是，‘我们可以在想要的时候打开它。’但后来很多产能被其他事情占用了。”

其中一些部件是可以互换的。动态随机存取记忆体例如，可以在广泛的应用程序中使用。但汽车芯片需要特殊的工艺和更宽的温度范围，而且当它们在现场失效时，成本很高。汽车原始设备制造商正在寻求在极端条件下的长寿命和极低的缺陷。

少了什么，谁在做什么
大多数供应稀缺的汽车集成电路都是如此微控制器(mcu)，通常在较老的200mm和300mm晶圆厂的更成熟的工艺节点上生产。大多数人估计，汽车IC的交货时间为26周，甚至更长，这取决于所涉及的mcu类型和制造芯片所涉及的半导体工艺节点。

IHS Markit的供应链和技术团队自2020年4月以来一直在跟踪芯片短缺，最近发布了一份报告白皮书关于这个话题。IHS Markit ADAS、半导体和组件高级首席分析师菲尔•阿姆斯鲁德(Phil Amsrud)写道:“因为这些限制的原因是原始设备制造商(oem)需求增加和半导体供应有限的结果，在双方力量一致之前，这个问题不会得到解决。”“如果原因是自然灾害，那么供应链将以适当的恢复计划做出回应，虽然这仍然需要几个月或几个月的时间来实施，但计划已经存在。这是一个供需平衡的例子，由于微控制器单元(MCU)的交货周期为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。”

让这个问题变得特别严重的是汽车中半导体含量的增加。如今，几乎每一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豪华选项的车型也是如此。虽然这一趋势在过去的几十年里一直持续着，但直到最近，由于先进的驾驶辅助系统(ADAS)，重点关注电动和混合动力汽车，以及传统汽车的更多连接功能铸造厂把汽车作为首要任务．

在汽车行业，集成电路可分为五个领域之一:车身、连接、融合/安全、信息娱乐和动力系统。目前的短缺影响到所有这些领域。

他说:“有人说，我们现在遇到的问题是汽车上所有新半导体应用的结果。“但我们现在看到的主要限制是mcu，这是很多传统的汽车产品。引擎控制，传动控制，转向，安全气囊，无线电。它确实涉及到ADAS的一些东西——雷达，前视摄像头。但我们遇到这个问题的原因是因为汽车里到处都是mcu。这不是说我要订一辆车，然后去掉一些更现代的功能，然后我就能买到它。不，如果你想让车跑起来，里面必须有几个微控制器。所以ADAS并不是造成这种情况的原因。在汽车中安装更多电子产品确实是一种趋势。”

Amsrud表示，汽车mcu主要采用45nm和更大的工艺节点。“在28nm的范围内可能会有一些例外，但主要是在45、90、100、130纳米的范围内。这是一种最糟糕的情况，因为这些地区没有大量的扩张。”

此外，廉价二手8英寸设备的短缺也加剧了这种情况。晶圆厂现在必须为新8英寸设备和新12英寸设备投入几乎相同的资金。Amsrud说:“从经济角度来看，安装12英寸的设备后，你会倾向于将其用于更多的尖端工艺，而不是传统工艺。”“12英寸的晶圆比8英寸的晶圆多50%左右。”

现在汽车应用中使用了如此多的汽车集成电路，只要缺少一个组件就可以有效地堵塞装配线。Amsrud指出:“我们以前在汽车行业也见过这种情况，一个二极管、电容器或一些终端设备就会导致生产线停产。“并不总是有一个简单的替代，那就是当你没有软件的时候。对于mcu，它对所有半导体供应商的影响几乎相同。即使你可以说，‘我不能从供应商A那里得到一个MCU，但我可以从供应商B那里得到它’，问题是两者之间的软件不兼容。无论我们谈论的是一美元的零件还是一美分的零件，我们估计一辆普通的汽车中大约有1200个半导体。这包括从二极管到存储设备的所有东西，以及汽车上最强大的SoC。所以每辆车都有1200个机会，如果没有什么东西，那辆车就造不出来。”

没有汽车OEM幸免
这导致了全球范围内的短缺。几乎所有的原始设备制造商或多或少都是如此。“这真的是全面的。即使在韩国，他们也关闭了一些工厂，”Semico的费尔丹说。“福特正在建造部分f -150。他们把他们从线上拉下来，他们坐在那里直到拿到芯片，然后他们会把他们放回线上。对于福特来说，他们最赚钱的车型是F-150。但引擎控制器可能是相同的引擎控制器，无论是在F-150还是其他装有V-8发动机的汽车上。”

通用汽车已经减产。本田(Honda)和日产(Nissan)也宣布减产25万辆。

费尔丹说:“大众汽车表示，他们看到了电脑芯片危机，这也阻碍了他们的运营，尤其是在美国。丰田宣布，他们将断断续续地削减生产线的轮班。”“所以，似乎没有人能幸免于这种痛苦。”

GlobalFoundries的Khouri说，短期内，这种短缺将很困难。“从中期来看，我们正在解决供需不匹配的问题，并将为客户提供他们所需的芯片。长期前景非常光明。汽车制造商不会让这种事情再次发生。我们已经与一级汽车供应商建立了新的直接合作伙伴关系，以确保产能，并寻求与代工厂建立更紧密、更具战略意义的合作伙伴关系。”

随着汽车硅含量的不断增加，这种紧密联系的供应链只会变得越来越重要——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等增强功能。“计算已经成为汽车的核心——管理电池、运行电动机、刹车、灯和其他关键系统，”Khouri说。“芯片遍布当今汽车的每个角落，从允许你打开或放下车窗的微控制器，到包括雷达和ADAS在内的安全功能，再到复杂的发动机功能。汽车现在是设备的一部分，如果没有无处不在的芯片，我们所期望的功能就不可能存在。”

汽车交货期长，资质复杂
根据所涉及的汽车集成电路的不同，芯片的交货期在危机期间大大延长，一些组件的交货时间从典型的16到18周延长到更长。这部分是由于材料供应，部分是由于芯片制造设备，后者也处于供应短缺状态。该行业复杂的汽车集成电路供应链通常涉及通过汽车电子供应商和芯片分销商购买的芯片，而不是直接从芯片制造商那里订购。

“总体而言，目前整体半导体供应非常、非常紧张。在某种程度上，我们就是无法满足需求，”台湾汽车应用专用存储器和ADAS系统制造商温邦电子(Winbond Electronics)的美洲销售副总裁黄怡文(I-Wen Huang)说。黄说，在大流行爆发之前，制造半导体设备从开始到成品并交付给客户的典型周期为4个月。对于许多零件，交货时间延长到五六个月。

黄认为，供应短缺至少会持续到2021年底，甚至2022年。“这真的取决于明年的需求有多大，”他说。“今年肯定是这样，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满了。’”

目前的延迟部分是由于衬底材料短缺，黄说。温邦不生产晶圆，因此它迟迟没有收到用于制造汽车芯片的基板。影响交货时间的其他因素是半导体设备的短缺。但另一个关键障碍是汽车集成电路的长期认证，在这个过程中，新设备的认证可能是一个艰巨的过程，还有汽车行业长期坚持的准时制(JIT)商业模式，即只在汽车和卡车组装时交付组件。

他说，汽车行业采用非常严格的流程，需要很长时间才能获得合格的集成电路。他说:“通常情况下，一款设备在不到一年的时间内无法获得汽车使用的资格。”他指出，对汽车电子产品的严格控制确保了安全。“当他们从我们这里订购产品时，我们必须在制造过程中进行非常严格的控制，所以为汽车客户供货需要更长的交货时间，我们在制造过程中采用了更多的质量控制流程。汽车客户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检验。”

为汽车制造商提供单一的汽车集成电路来源也使得不可能将专为一种汽车应用设计的芯片换成专门为另一种汽车应用制造的类似设备。“每个汽车制造商都有自己的设计，自己的规格。例如，瑞萨的ADAS设备可能与英特尔的设备不一样，”黄说，“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没有共通性。“一个汽车制造商，比如福特，他们可能有通用的平台设计，不同的车型都是福特汽车，”黄说。“但他们设计和开发的平台不能用于通用汽车。所以这个行业没有共性。一切都是定制的，这让供应变得非常复杂。”

扩大铸造能力
随着汽车集成电路危机在今年早些时候达到了一个危机点，该行业争相寻找新的解决方案。英特尔宣布计划重新进入代工业务．与此同时，台积电表示，计划在未来三年总共投资1,000亿美元。4月28日，联华电子宣布了扩大产能的计划在台湾台南科技园的300mm Fab 12A第6期(P6)。

此外，美国政府可能会加大对半导体产业的支持力度。拜登政府承诺在4月12日举行的虚拟全球芯片峰会上寻求国会支持，以授权新的行业资金，许多汽车和半导体首席执行官都参加了峰会。拜登的计划将为恢复美国半导体产业注入约500亿美元，这是奥巴马政府拟议的基础设施计划的一部分，该计划的资金最终需要国会批准。

不过，汽车IC产能的恢复可能需要比预期更长的时间。Semico研究主管唐尼(Adrienne Downey)指出，目前在建的任何新晶圆厂可能都不会在近两年内投产并产生有效产量，但台积电在台湾的一些晶圆厂实际上今年就将投产。

“我们认为短缺将持续到今年和明年初，”费尔丹补充道。“很难确定一个确切的日期，但可能会到明年年中。真正的关键是目前的晶圆厂今年的执行情况如何，因为似乎每年都有一些工艺和产量的改进，所以他们生产了更多的芯片。但如果短缺导致原始设备制造商无法生产满足市场需求的产品，那么需求就会发生变化。这种情况发生得越多，我们就会看到短缺持续的时间越长。如果到了紧要关头，我认为将持续到明年4月。”