是何原因导致了最近汽车芯片的短缺？

近日，德国萨克森州首府和欧洲最大的半导体集群之一的德国德累斯顿（Dresden）出现意外停电，全城电力供应异常情况长达两个小时。根据彭博社报道，英飞凌的工厂关闭到周二晚上，博世设法在周一下午就重新开始运营，但博世表示仍在评估其价值 10 亿欧元的工厂的损失。GlobalFoundries Inc.表示，由于储能系统能源供应，德累斯顿工厂的影响有限。

前段时间，被誉为全球“半导体封测重镇”的马来西亚疫情反弹，全球芯片巨头、意法半导体位于马来西亚的一个工厂出现集体感染，工厂生产多次被迫中断，由此导致的芯片供应短缺问题已经传导至汽车行业。马来西亚是全球半导体产业的重要组成部分，半导体封装测试产能占到全球的13%

题图：德累斯顿附近的半导体产业

一、为什么缺芯会对汽车行业影响严重？

汽车芯片是汽车电子的基础，通常来说汽车电子是安装在汽车上所有电子设备的总称。我们以一个简单的汽车车门为例，它想要实现一定速度下的自动落锁，远程关锁和开锁，玻璃自动摇下的工作，离不开芯片。通常芯片存在于三类部件中，包括传感器、电子控制模块和执行器中。

图1 简单的一个车门都需要大量的信息

从汽车电子功能的分类来看，汽车电子主要包括包含传感器、控制器、执行器（含外部机械结构）等基本部分组成。

1）传感器（相当于人的五觉）：它的主要作用是将物理量转换为可识别的电信号，一般是为控制器收集所需对象的信息和状态，它目前也是汽车里面很重要的芯片。从物理量来来看，传感器帮助汽车收集汽车里面的分类有温度、压力、车速、加速度、等对于车辆有用的的信息，然后把这些信息传输到电子控制模块里面。

2）电子控制模块（相当于人的大脑）：它是汽车里面处理信息的大脑，以MCU和SOC芯片为核心，包括各种电源电路、通信电路、输入处理电路和输出功率电路。。

3）执行器（相当于人的四肢）：车里面执行器是用来地执行电子控制器发出的控制信号，对电子模块来说是负载。

随着汽车工业的发展和消费者不断提高的期望，使得各家厂商更加注重提高汽车安全性、减低能耗、改善舒适性和增加娱乐及辅助功能，以提高汽车产品的竞争力。所以目前来说，一台车越智能，它对应的智能控制模块和传感器越多，需要的芯片越多。以微控制器来说，一台车上往往需要40-80个，加上各类传感器还有各种各样的其他特定功能的芯片，单台车上主要的大芯片甚至有1000多个，更不用说各种分立器件（二极管和三极管）还有被动器件（我们熟知的电阻、电容）。通常一台车需要4000个二极管、1200个三极管、5万个电阻和6万电容。

图2 越豪华的车辆具备越多的芯片

可以说，汽车芯片让我们的车辆越来越智能，用起来越来越舒适，但是芯片也成为了汽车里面非常重要的部分。在极端状况下，芯片的供应成为了汽车供应链管理的阿克琉斯之踵。

二、 为什么芯片会短缺？

总体来看，汽车芯片短缺主要是供需失衡，供给端因为各种天灾人祸造成紧缺，这使得供应链里面所说的牛鞭效应越来越严重，供应链条上所有的企业需要增加额外的库存，使得芯片紧缺的情况雪上加霜。

我们首先回顾下汽车芯片的短缺情况，去年12月开始Volkswagen Group、Continental和Bosch开始从供应链短缺的角度开始发出首次汽车行业缺芯的情况。从去年12月到2021年2月的汽车芯片短缺情况，主要是因为供需错配导致的不平衡。2020年疫情突然发生，使得汽车的生产在2020年第二季度骤降，这使得汽车芯片厂家拿到的2020年下半年的需求量暴跌。当2020年第三季度全球汽车生产复苏的时候，大量的需求和消费电子复苏一起对上游的芯片供应产生了巨大的压力，可以说这一轮是短暂的供需失衡引发的。

随着复苏的时间越来越长，汽车产业发现短缺的芯片主要是缺MCU微控制器。前面已经介绍了，汽车控制模块里面使用了大量的MCU微控制器，由于芯片小型化和高频的需求，MCU需要40 nm以下的制程，大部分IDM都把芯片生产外包给台积电（TSMC）等代工厂， TMSC生产出货的所有汽车MCU的约70％的市场份额。由于汽车MCU芯片的市场也是高度集中的，排名前7位的MCU供应商约占需求的98％。当时的瓶颈是台积电，由于汽车业务仅仅占它的3%的总收入，在加工其他芯片还是加工汽车MCU微控制器里面，台积电有着自己的考量。但是随着各国政府还有车企的斡旋，台积电这块的瓶颈逐步被打破，这个阶段短缺在4月以后逐步缓解。

在这个过程里，还发生了德州半导体生产重镇发生罕见的暴风雪使得电力紧缺，几个大的芯片企业被迫停工节约电力。世界最大的汽车芯片公司之一的瑞萨半导体工厂发生火灾等等原因。而到7月份东南亚疫情的加剧，以马来西亚为中心的某汽车芯片供应商的工厂，继之前关厂停产数周后，再次被当地政府要求关闭部分生产线至8月21日。这直接导致了芯片供应的恶化，芯片制造商停产也导致了博世的ESP/IPB、VCU、TCU等产品的供货困难，而博世作为全球最大的汽车供应商，底盘和安全部件的供应缺口，对于全球所有的整车企业来说，产生了重大的打击。

由于这样的背景持续，汽车芯片就发生了非常明显的牛鞭效应。牛鞭效应是需求信息在传递过程中逐级放大的现象。这个从汽车来说，是最为典型的。终端客户就是车主，经销商是我们所熟知的4S店，制造商是生产汽车的整车厂，直接给整车厂供货的被称为一级供应商。在供应链的信息失真过程主要包括了三个关键词：

1. 需求信息，包括了订单和预测

2. 传递过程，经过了多个经销商和供应商的传递节点。

3. 逐级放大，供应链条尾部的振幅最大。

由于汽车芯片的供应的短缺情况持续，所有的车企和供应商是被迫放弃了零库存的策略，对于芯片的需求是非常大的，这使得芯片企业收到了多如雪花的订单和需求，根本做不完。

图3 汽车供应链的牛鞭效应【1】

实际上，影响汽车芯片生产的还有本身汽车芯片的问题：

• 生产链条长，供给不充分：从原材料到芯片产品，包括设计、制造、封装、测试四大环节，生产链条分工精细，工厂覆盖全球，任何环节出现问题都会影响芯片产能。而汽车芯片的短缺，在在圆晶、制造和封测方面，都有各种原因。

图4 芯片的设计和制造过程

• 生产周期长：由于芯片的产业链条比较长，所以从原材料到芯片产品，一般需要24周-26周的时间。当供应链扰动增加之后，供应时间不断背拉长。车规级芯片生产要求高、利润低：相比消费级芯片，车规级芯片要高利润低，产值仅占全行业产值的10%左右，话语权低。在消费类芯片需求增长、产能整体不足的情况下，芯片产商更愿意生产利润率高的消费类芯片。

所以从这个逻辑来看，汽车芯片短缺在当前环境下也有一定必然性。三、汽车芯片的行业布局是什么？在前面已经说过了，芯片生产四大环节设计、制造、封装、测试，只有少数公司可以独立完成四个环节。汽车芯片行业为了追求更高的利润率，采取了大量的外包服务。在汽车芯片的主要供应商包含十大供应商，主要包括英飞凌、意法半导体、恩智浦，而这些巨头有设计能力，把附加值比较低的环节布局在封装、测试集中在劳动密集型地区。同时，随着汽车零部件供应商的经验积累，他们设计了专有的汽车芯片，比如博世在设计中把大量的知识进行固化，往前自己设计专用芯片。

小结

从当前的状态来看，汽车芯片的情况还会持续一段时间，有很多的力量在努力改善芯片的供应情况。这段时间确实是对于汽车企业是个困难时期，对于消费者来说，汽车供应不充分也导致了汽车产品终端价格的上涨。随着各方面的努力，芯片供应会逐步改善。