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2022年,芯片危机会解决吗?能寻找到新路径吗?

2021-12-30 10:52
帮宁工作室
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这是一个复杂问题

编译 | 杨玉科

编辑 | Jane出品 | 帮宁工作室(gbngzs)

2021年的关键词,绝对少不了芯片。

这一年,全球芯片危机导致行业损失数百万辆汽车和数十亿美元收入。最近预测数据显示,这一问题还将延续到2022年上半年。

为什么芯片问题如此复杂?为什么这个问题会持续到下一年?为什么行业如此急于解决这个问题,却没有产生什么效果?或许这里能找到部分答案。

作为欧洲第二大芯片制造商,意法半导体(STMicroelectronics)正用实际行动解决全球芯片短缺问题。其在意大利靠近米兰的阿格拉特市,投资30亿美元建立新工厂,或称晶圆厂。意法半导体是一家法国和意大利合资的半导体制造商,在欧洲规模仅次于德国的英飞凌(Infineon)。

不过,半导体工厂建设并不容易。这种工厂不仅建设缓慢、成本高昂,而且运营复杂。更重要的是,与汽车制造商的大规模生产流水线相比,它们产量有限。意法半导体的新工厂自然也不例外。

一方面,一个汽车制造厂通常可以安排两个班次,每周5天,总共10个班次。如果汽车制造商需要提高产量,它可以增加夜班或周末班组,这样一周就可以增加到21个班次。

相比之下,意法半导体现在(或建成后)的芯片工厂一年365天、每天24小时都在运转,几乎没有提升产量的空间。

另一方面,一家新汽车工厂从开工到投产需要2年时间,并在短短6个月内达到满负荷运转。而同样的过程,对芯片工厂来说,需要长达5年时间。

此外,制造一辆汽车需要15-30个小时,而芯片的生产、包装和运输,需要5个月才能安装到汽车上。

以上是不利的一面。利好的一面是,为应对全球芯片短缺,芯片制造商已经加快投资步伐,以满足汽车行业需求。同时,这场危机迫使汽车制造商和芯片制造商之间进行更直接的沟通。

它让我们认识到,芯片厂应该能够提供微芯片,以满足汽车更先进的技术要求。

▍投资不菲,投产更长

今年6月,台积电(TSMC)在美国亚利桑那州投资120亿美元,建设一家芯片工厂。全球近1/4芯片都由台积电供应。但这家芯片工厂真正投产,则要等到2024年。有报道称,台积电正在讨论在德国建造新晶圆厂的可能性。

与此同时,韩国电子产品巨头三星公司,计划在德克萨斯州投资170亿美元建立一个芯片工厂。9月,美国芯片制造商英特尔在亚利桑那州破土动工,耗资200亿美元扩大芯片产能。

为改善芯片供应情况,意法半导体正在建造一个12英寸晶圆厂,提高工艺生产率的同时,将每片晶圆芯片数量增加2.4倍。

意法半导体制造和质量主管奥利奥·贝勒泽(Orio Bellezza)表示,新工厂严重依赖自动化,将大大减少人工需求。该公司从2018年开始投资阿格拉特工厂,早于2021年芯片短缺和供应链危机。但意法半导体当初启动这个新工厂,目的是满足其预测的需求增长,也为提高制造效率。

建设阶段耗时很长,放在阿格拉特这个地方,比通常更长。因为这座工厂的建设,不得不等待这块土地上旧工业建筑搬迁。同时,与疫情有关的运作问题进一步导致进度延误。

建设阶段目前已接近尾声。新晶圆厂刚收到第一批用于无尘室的机器。无尘室是硅片加工成芯片的地方,有一个足球场那么大。

贝勒泽表示,第一批晶圆将于2022年第一季度末投产,2022年年底开始批量生产。芯片用硅片大规模生产,一块晶圆可以生产约1000个芯片。

不过,汽车客户的芯片需要更长验证程序,因此,他们不得不等到2023年年底才能从新工厂获得芯片。

到2024年,意法半导体将开始扩建新的晶圆厂——根据未来需求,将91000平方英尺的无尘室扩大近一倍,至161000平方英尺,预计扩建将持续到2025年或2026年。

等到2024年阿格拉特工厂第一个生产阶段完成,其投资将达到20亿美元。在贝勒泽看来,随着公司建立额外生产模块以逐步增加产能,这一数字还会上升。

新晶圆厂完全自动化。第一阶段将雇佣700-800名操作员,当增加更多无尘室时再增加额外工人。相比之下,意法半导体现有工厂1400名,加上质量、物流、维修和一些生产人员,员工总数为2400人。

但升级到12英寸的晶圆厂,并不意味着舍弃汽车行业其他产品需求。意法半导体目前的8英寸芯片厂为安全气囊、导航系统和无钥匙进入系统生产芯片。该工厂产品包括汽车模拟和射频产品芯片,希望能缓解因供应短缺造成的订单积压。

▍芯片制造商的困惑

扩大产能道路上,有一点非常令芯片制造商困惑,那就是芯片客户正在向相互矛盾的两个方向推进。

消费电子和电脑行业来说,改变芯片生产的两个关键因素是微型化和提高效率。但对汽车客户来说,寿命和极端条件下的运行能力才是关键。

这部分解释了为什么在欧洲汽车芯片生产份额高于世界其他地区,却没有微型化(10纳米以下)的晶圆厂。1纳米等于十亿分之一米,因为中央处理器中晶体管之间的距离越短,效率越高,所以这个数据越小越好。

意法半导体最先进工厂是位于法国克莱罗的28纳米芯片工厂,在那里生产的芯片用于多种汽车应用,包括视觉处理器和下一代微控制器

意法半导体的汽车客户并没有要求他们制造10纳米或以下纳米能力的晶圆厂,但对这种水平的专业技术的需求确实存在。目前,意法半导体的欧洲本土市场还没有这种需求。

▍投资的高风险

国际咨询公司科尔尼(Kearney)在一份市场展望报告中写道,当前的应用构建在成熟的工艺节点之上,随着时间推移,将转向更高级的节点。这纯粹是因为,更先进的节点对任何半导体应用都具有优势。例如,降低功耗、提高密度等。

然而,过去十年间,意法半导体决定选择保守方案,退出芯片更微型化的竞争,主要原因是巨大的前期投资成本。科尔尼称,一个5纳米晶圆厂每月可以生产35000块晶圆,前期投资成本高达200亿美元。

结果是,意法半导体目前只有不到12家具备这种能力的工厂在运营,散布在美国、以色列、韩国和中国台湾等地。这些国家和地区有生产10纳米节点或更少的晶圆厂。

投资的高风险一直是个问题。

1998年,欧洲的半导体产量占全球的22%。行业协会数字欧洲(Digital Europe)透露,2019年这一比例仅为8%,并将比例下降归咎于世界其他地区愿意引入“更有利的商业环境”。

科尔尼认为,在欧洲投资5纳米晶圆厂的潜在长期成本,比韩国高出33%,比中国台湾高出43%。报告还称,造成这些差距的80%原因是,亚洲各国政府的慷慨激励。

今年9月,欧盟委员会(European Commission)提出一项“芯片法案”(Chips Act),以促进本地芯片的研发和生产,目标是将欧盟份额提高到20%。

一个可能的障碍是——在芯片生产阶段,欧盟的竞争规则禁止使用国家援助来递延成本。只有研究和试点生产阶段才可以获得激励。

预计正式指令将于2022年提出。这一规则的任何更改,都将得到所有27个欧盟国家的批准。

▍寻找新路径

与此同时,一些行业人士正在通过采取不同措施,寻找解决芯片产能危机的方法。

意法半导体汽车部门主管马尔科·蒙蒂(Marco Monti)在接受Automotive News采访时表示,越来越多的汽车制造商和一级供应商正在重新设计汽车芯片,如电子控制单元,以获得更灵活的解决方案。

有的汽车制造商也开始直接从芯片制造商那里购买芯片。这是一个巨大的变化。过去,芯片制造商被严格视为二级供应商,它们向一级供应商如博世或法雷奥提供产品。这些一级供应商为汽车制造商生产更大的零部件。

戴姆勒集团负责采购的高管马库斯·舍费尔(Markus Sch?fer)表示,戴姆勒集团正在直接与芯片供应商谈判,其中包括中国台湾晶圆生产商。

大众汽车集团首席执行官赫伯特·迪斯(Herbert Diess)也曾表示,他们与亚洲制造商建立了“战略伙伴关系”。

鉴于此,2022年的问题将是——采购程序、技术和芯片生产流程这些变化,多久可以给汽车行业带来宽慰?

(本文部分内容综合Automotive News报道,部分图片来自网络)


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