Will the chip crisis be solved in 2022
Time:2022-01-03
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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。
对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 Schfer）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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