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晶片荒問題為何如此難解?

全球主要半導體生產商正試圖通過改變生產流程等舉措來提高產量。但由此實現的供應小幅增加不太可能解決晶片短缺問題。


2021年2月11日,一名員工在德國的半導體工廠維護儀器。 攝:Liesa Johannssen-Koppitz/Bloomberg via Getty Images
2021年2月11日,一名員工在德國的半導體工廠維護儀器。 攝:Liesa Johannssen-Koppitz/Bloomberg via Getty Images

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全球主要的半導體供應商正在努力解決持續已久的晶片荒問題,晶片短缺已阻礙了從家電到個人電腦和汽車等方方面面的生產。

晶片製造商正想方設法增加供應,比如改變生產流程、向競爭對手開放閒置產能、審核客戶訂單以防止囤積,還有調換生產線等舉措。壞消息是,沒有快速解決之道,半導體行業的高管表示,短缺情況很可能將持續到明年。

製造商不僅要應對需求激增的局面,還受到一系列干擾供應的不尋常事件的影響,與此同時,中美之間持續的政治摩擦以及對短缺情況長期存在的擔憂已促使一些製造商囤積晶片。

目前的短缺範圍包括非高端晶片,業內幾家最大企業紛紛減少非高端晶片的產能,轉而生產利潤更高的尖端晶片。在晶片業,建立新的產能通常需要花數年時間。

晶片短缺問題可能會拖慢某些使用晶片的行業在疫情後復甦的步伐,這些行業原本希望抓住消費者支出增加的機會。晶片荒也加劇了通脹憂慮,因為晶片成本升高可能會激發整個經濟的價格上漲。

全球最大的晶片代工商之一、總部位於加州聖克拉拉的格芯(Globalfoundries Inc.)正在竭力完成訂單,為此派遣工程師設法從其位於美國、新加坡和德國的工廠擠出哪怕是最小的額外產能。該公司採取的多種解決方案包括:推遲某些維護安排,加快晶片在流水生產線上的移動速度,哪怕只提速一點點。

格芯首席執行官考爾菲爾德(Thomas Caulfield)表示:「我們正全力設法做得更多,造得更多。」

上周二,美國總統拜登(Joe Biden)與汽車和科技業高管會面時,呼籲兩黨合力加強美國半導體產業。作為2.3兆美元基礎設施計劃的一部分,他已劃撥500億美元用於提高美國的半導體產量。但預計這些支出難以產生很大影響:根據行業組織半導體產業協會(Semiconductor Industry Association)的數據,美國晶片要實現自給自足,需要在十年內投入超過1.4兆美元的投資和政府激勵措施。

高管們表示,晶片製造商只能在現有工廠中增加產能。由於製造半導體在設備和空間方面的要求既多又複雜,建設一座新的製造工廠可能需要數年時間。

主要晶片製造商此前在5G和服務器等所需的利潤更高的先進晶片上押下戰略性重注。但隨著疫情導致全球經濟陷入史上少有的衰退,令供應鏈和消費者的支出模式受到衝擊,晶片廠商的這種策略遇到了問題,他們無力滿足對一些不那麼複雜的老式半導體的高需求,這些半導體廣泛用於汽車、計算機顯示器、揚聲器和家電等產品,疫情期間人們大量購買這些產品。

美中貿易緊張局勢加劇了供應難題,特別是在過去一年。美國已實施政策逐漸限制向一些中國買家出售美國設計或製造的晶片。華為技術有限公司(Huawei Technologies Co.)副董事長徐直軍(Eric Xu)上周表示,對制裁的擔憂促使中國科技公司囤積晶片,併為最壞的情況做準備。華為在其通訊設備和消費類電子產品中使用一系列晶片,並且已大舉儲備零部件以抵禦美國的出口限制。

徐直軍表示,目前中國產業鏈備貨已變為一個月、三個月甚至六個月,攪亂了整個系統。中國海關數據顯示,去年中國半導體進口增長15%,3月份達到創紀錄的359億美元。

日本工廠火災、美國南部嚴寒天氣等事件導致生產線關停,擾亂晶片生產。而主要晶片製造中心台灣正遭遇乾旱,由於晶片生產過程需要大量用水,這一局面或導致晶片產量進一步降低。

使用晶片產品的製造商正在加緊生產,寄希望於疫情後的經濟復甦。晶片需求激增不僅推高了價格,還令本已達到歷史之最的交貨時間進一步延長。豐田汽車公司(Toyota Motor Corp., 7203.TO, TM)和通用汽車公司(General Motors Co., GM)等汽車製造商被迫在一些工廠停產或減產。

一些買家表示,正面臨交貨時間延長半年甚至更長時間的局面。瑞士空氣質量監測設備製造商 Kaiterra 的首席執行官貝茨(Liam Bates)說:「你周一問的時候交貨期是12周。你周三再問的時候就會是27周。」

Kaiterra 在中國南方生產設備。該公司正加強應急計劃,以使供應鏈「未來無憂」。現在,專注於製造新產品的工程師們分配出大量時間重新設計現有產品,使之支持不同晶片,以防所需晶片無法到貨的情況。最近,Kaiterra 決定針對一些零件儲備一年的庫存。

半導體是許多行業的命脈,按進出口規模計算是全球第四大貿易產品,僅次於原油、成品油和汽車。

多年來,全球大型晶片製造商紛紛投資於產能,以滿足對下一代半導體的需求,並將側重點從生產較基礎晶片轉移到其他領域。

但汽車和家用電子設備中都有很多比較初級的零件,包括調節設備電流的基礎型電源管理晶片,和運行一系列功能的主力晶片微控制器。

「所有電子設備上都有微控制器,」格芯的考爾菲爾德說。「這方面普遍面臨供應短缺。」

即使是先進的電子產品也需要一些基本的晶片才能運行,事實上為了運行更複雜的技術,所使用的晶片越來越多。研究機構 Omdia 的分析師 Hui He 稱,一款典型的5G智能手機可能配備多達八個電源管理晶片,而一部4G手機只有兩到三個此類晶片。

根據研究機構 Gartner Inc. 的數據,去年的晶片製造設備開支中,有27%用於該行業最先進晶片的生產設備,這些晶片通常用於智能手機、高端個人電腦和數據中心。而用於生產更為商品化晶片的設備所佔支出比例不到上述比例的一半,約為11%。

全球最大的晶片代工商台灣積體電路製造股份有限公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., 2330.TW, 簡稱台積電)在1月份告訴投資者,公司正與客戶合作,升級他們正在使用的一些晶片,以便能夠在其產能更大、更先進的生產線上製造。上周四,高管們告訴投資者,由於疫情和地緣政治緊張局勢,客戶一直在提高庫存水平。

將現有的生產線從生產一種類型的晶片切換到另一種類型的晶片並不容易,因為不同類型的晶片需要不同的設備來生產,雖然會有一些重疊。

Fusion Worldwide 亞太區銷售副總裁 Marcus Chen 表示,從來沒有過這麼多類型和品牌的晶片同時出現短缺的情況。Fusion Worldwide 是全球眾多分銷商之一,他們以中間商身份向買家供應電子元件。

通常,建造和裝備一座半導體製造廠(即所謂的「晶圓廠」)至少需要兩年時間,成本可能數以十億美元計。工廠可安裝的最先進機器的成本可能超過1億美元,而且非常龐大,需要多達三架747飛機才能運送。

晶圓廠建成之後,晶片生產周期通常需要三個月,最先進的晶片則需要更長時間。

半導體製造商必須決定是否要押上數以十億計美元資金,賭這種需求激增是會持續下去,還是會在新工廠紛紛建成投產時逐漸減少。許多公司不願改變長期支出計劃,因為這種需求激增也許是暫時的。

但大型半導體公司還是紛紛劃撥巨資來提升整體產能。台積電本月稍早公布了業內史上最大規模投資,未來三年安排1000億美元用於提升產能。但該公司近期支出的大部分將用於製造最先進的晶片。在美國,英特爾公司(Intel Co., INTC)上月承諾為亞利桑那州的兩個廠區投資200億美元,並暗示今年將有進一步的投資承諾。韓國三星電子(Samsung Electronics Co., 005930.SE)已預留1160億美元作為2030年前的投資,以實現晶片生產的多樣化

在中國,國家主席習近平多年來一直將晶片等先進技術方面的自給自足作為國家優先事項。但實現這個目標仍困難重重。在中國推動晶片供應自主的努力中,一家主要晶片企業發生數以十億計美元的債務違約。其他一些業者則因美國對先進晶片製造技術的出口限制而受阻。

中國最大晶片製造商中芯國際集成電路製造有限公司(Semiconductor Manufacturing International Co., 0981.HK, 簡稱﹕中芯國際)上月與政府合作夥伴承諾投資23.5億美元,建設一家專注於較老式晶片製造工藝的新工廠。該公司預計新工廠將於明年投產。但中芯國際聯合首席執行官趙海軍2月份對投資者表示,遲遲不能拿到新的晶片製造設備是提高產量的一個障礙。

銷售二手晶片製造設備的 SurplusGlobal Inc. 的首席執行官 Bruce Kim 表示,晶片製造商發現半導體生產設備的交付時間是以前的兩倍甚至四倍。

格芯的考爾菲爾德說,該公司計劃今年投資14億美元擴大現有設施的產能,明年可能會將投資增加一倍。他說,一些客戶已承諾提供投資資金確保未來的產能,這類資金占該公司今年資本支出的30%。在疫情爆發前,客戶並不會提供此類投資資金。

考爾菲爾德說:「很多客戶說,『我不會讓這樣的事再次發生,我的業務太重要了』。」

英特爾首席執行官基辛格(Pat Gelsinger)表示,該公司將把部分產能用於生產汽車零部件製造商所需的特別短缺的晶片。基辛格在接受採訪時表示,供應可能在六到九個月後開始改善。

總部位於以色列的晶圓代工企業 Tower Semiconductor Ltd. 的首席戰略官葉裡斯托夫(Guy Eristoff)表示,通過對生產線進行分類,以便快速生產高優先級的晶片,個別時候晶片生產甚至可以提升至通常水平的3.5倍。一些設備可以運行更長時間才進行預防性的維護,不過這可能會降低設備的產出率。

葉裡斯托夫說,總的來說,這些措施意味著一些晶片的生產周期可以從通常的120天縮短到30至40天。不過,這樣做會增加其他晶片的整體生產時間。這些調整最多只能使一個晶圓廠的產能提高5%,而且最多只能維持六個月。

「可以嘗試各種各樣小的調整,」葉裡斯托夫說,「不過,如果不購買更多的設備,就難以持續使產能較目前水平大幅提高。」

鑑於陷入恐慌的買家紛紛增加訂單量或向多家公司下訂單,供應商擔心這種需求激增勢頭或許無法持續。全球主要晶片製造商、總部位於加州聖何塞的博通(Broadcom Inc., AVGO)正試圖確保湧入的訂單反映實際需求。博通最近提醒投資者,該公司不允許客戶取消晶片訂單,以防止一些買家因擔心短缺而作出購買承諾。

博通首席執行官陳福陽(Hock Tan)告訴投資者,客戶為了及早拿到貨而加快預訂步伐、試圖建立緩衝,從而造成供需不平衡。目前,預訂量已相當於該公司2021年全年產能的近90%。

在買家中,汽車製造商對晶片荒感觸極深,因為汽車需要的半導體比以往任何時候都要多。據諮詢機構德勤(Deloitte)提供的資訊,2017年,汽車所用電子產品在其總成本中的佔比達到40%以上,較2007年升高一倍。

預計電子產品的使用量將隨成本一同上升。德國汽車晶片製造商英飛凌科技公司(Infineon Technologies AG, IFX.XE)預計,到2030年,自動駕駛汽車的晶片成本將大幅增加,目前2級(Level 2)半自動駕駛汽車的晶片成本約為170美元,屆時將增至約1200美元。

總部位於加拿大的智能燈具製造商 Nanoleaf 主要在中國南方城市東莞生產產品,該公司表示,過去下了晶片訂單,大約兩到四個月過後就能收到貨。如今,供應商正要求 Nanoleaf 為其希望在2022年1月或5月收貨的晶片下訂單。

Nanoleaf 首席運營官 Christian Yan 稱:「眼下,錢幾乎都不是問題。重要的是你能拿到什麼。」Yan 表示,他不知道該公司今年下半年能拿到多少微晶片。他說:「你必須為自己辯護。」

對 Tower Semiconductor 而言,滿足客戶需求已經變成一種微妙的平衡術,需要考量客戶的利潤率、訂單量、忠誠度以及業務潛力等因素。

「這是非常難以作出的決定,」葉裡斯托夫表示,「有人的生意可能受損。」

英文原文:Why the Chip Shortage Is So Hard to Overcome

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