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引发全球芯片荒,“牛鞭效应” 何时平息?

全球半导体供应链的“牛鞭效应”不会在短期内消失,但美国政府可以与晶圆代工厂商、芯片供应商,以及汽车、PC和电子设备厂商协作,以减缓这一经济现象对全球经济的负面影响...

什么是“牛鞭效应”?

在商学院读书时,我第一次从运营管理学教授那里听到“牛鞭效应(bull whip effect)”这一名词。这是指供应链上的一种需求变异放大现象,就是订单信息流从最终客户端向上游供应链传递时,因为无法有效地共享信息,使得信息扭曲而逐级放大,从而导致需求信息出现越来越大的波动。这种信息扭曲的放大作用在图形上很像一个甩起的牛鞭,因此被形象地称为“牛鞭效应”。sPIesmc

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斯坦福大学商学院运营管理学教授Hau L. Lee在1997年《MIT斯隆管理评论》杂志上发表了一篇有关“牛鞭效应”的学术论文,其中引用宝洁(P&G)公司的尿布例子,说明了这一经济学现象在各个行业的普遍性。在眼下影响全球的芯片荒中,我们也可以找到“牛鞭效应”的痕迹。sPIesmc

哈佛商学院制造和供应链管理教授Willy Shih在其《福布斯》专栏里分析了引起“牛鞭效应”的三个主要原因:sPIesmc

1.需求预测不准和订购反应过度。当供应链采购经理看到需求增加时,他们可能会试图“额外订购”一点,以免出现短缺。他们甚至会乐观地认为需求有不断上升的趋势。复杂的产品都会涉及多级供应链,而每一级都有可能放大订单需求。sPIesmc

2.订单交货延迟。如果订单没有及时交付,采购人员的自然倾向是下次订购量更大,担心短缺而希望有一些安全库存。如果已经出现短缺,可能会导致恐慌订购。sPIesmc

3.短缺博弈。如果某一热门产品出现供应紧张而有订购限额的情况,采购人员就会下赌注“博弈”,不顾实际需求而拼命抢购,这已经不是为了自己的产品需要,而是不让同行抢走配额的心理作怪。sPIesmc

导致芯片荒的市场供需因素

Gartner最新发布的数据显示,2021年第一季度全球PC出货量同比增长32%(如果将主要面向教育市场的谷歌Chromebooks也算进来,全球PC总市场同比增长高达47%),这是PC行业20年来增长最快的一年。究其原因,Gartner研究总监Mikako Kitagawa认为,首先是2020年初因为疫情原因导致几乎所有商品销售下滑,PC也不例外。当在家办公或上学开始大范围普及时,下半年PC及配件出货量出现明显上升,从而延续至今。另一个不太明显的原因就是全球半导体芯片短缺。本已成熟的全球PC市场被五大厂商垄断,谁都想借此机会增加市场份额,出现芯片“囤货”和超额订购的现象也就不足为奇了。她预测下个季度有可能下降,因为芯片缺货导致PC交货期延长,有的长达4个月。sPIesmc

这一统计数据反映了“宅家”消费的市场需求增长,同时汽车芯片缺货又反映出“出行”消费的下降。丰田和通用汽车等整车厂商因为疫情导致销售下降而降低了汽车半导体器件的采购量,因为汽车行业大都采用丰田始创的“JIT(Just-in-Time)”生产模式,不敢像手机行业那样囤积很多库存和占用宝贵的现金流。汽车半导体供应商正好借此机会将产能转移到PC和其它需求旺盛的电子产品上。等市场复苏,汽车销售开始回升时,汽车厂商却发现无法继续从半导体供应商那里获得充足的供应。于是,出现了汽车芯片荒。sPIesmc

据相关研究机构统计,半导体在汽车整体价值中含量现在还不太高。一辆售价3万美元的电动车,半导体含量约600-700美元。而汽车厂商对车规级半导体器件的要求又特别严格,因此汽车半导体厂商大都采用比较成熟的制造工艺,在这类晶圆生产线上的投资也不像先进的数字芯片工艺那样大。多年来,汽车厂商很少遇到过芯片缺货的现象,自然对这类零部件的采购没有那么重视,也没有相应的积极预防和应对措施。sPIesmc

习惯于“Drive-through”购买麦当劳汉堡和薯条的普通美国人也许认为“chip”就是薯片,从来不知道他们驾驶的车也需要很多“chip(芯片)”。而汽车装配厂停产却是影响到每个人的大事,难怪拜登总统专门为此召开紧急会议呢。sPIesmc

跟中国一样,“芯片”现在也成了美国普通老百姓的热门话题。半导体市场调研机构IC Insights总裁Bill McLean感慨道,这是他在半导体行业从业41年来首次听到人们清早起来就开始议论,“原来没有半导体芯片所有的电子设备都无法工作”。就是因为“汽车缺芯”,才让美国上至总统下至普通百姓意识到芯片原来跟薯片一样重要。sPIesmc

其实半导体已经成为世界第四大贸易商品,仅次于原油、成品油和汽车。据美国半导体行业协会(SIA)数据统计,过去30年来(1990-2020年),全球半导体市场的年复合增长率为7.5%,高于同期的全球GDP的5%增长率。从1995年到2015年,半导体创新为全球GDP做出的直接贡献估计超过3万亿美元,而间接贡献约有11万亿美元。sPIesmc

给芯片荒“雪上加霜”的天灾人祸因素

2月份,德州奥斯汀大雪导致汽车芯片最大制造商之一的恩智浦半导体(NXP)被迫关闭两座8吋晶圆厂,主要生产微控制器(MCU)和微处理器(MPU)、电源管理器件、RF收发器和放大器以及各类传感器。三星也短暂关闭了两座晶圆厂,虽然影响不是特别大。另外,TI、英飞凌、X-FAB、Skorpios、TowerJazz和Qorvo在德州都设有晶圆厂,也受到了不同程度的影响。sPIesmc

3月份,日本瑞萨一座以车用半导体为主的12吋晶圆厂起火,这无疑对车用芯片的供应短缺是“雪上加霜”,严重影响到汽车行业的制造产能。sPIesmc

台湾缺水。2020年是中国台湾地区56年来首次没有台风通过的一年,但又出现了缺水的问题,据称台积电花费2亿新台币从外地预定上百辆卡车运水。半导体中的杂质对电阻率的影响非常大,当半导体掺入微量杂质时,杂质原子附近的周期势场受到干扰会形成附加的束缚状态。因此,在半导体的生产加工过程中,需要用超纯水进行清洗,对水质的要求也很高。为了保证生产出超大规模的集成电路,除高纯原材料、高纯气体、高纯化学药品外,超纯水也是其中关键元素之一。sPIesmc

导致芯片荒的“短缺博弈”

自然灾害和失火等不可控因素虽然是导致全球芯片荒的一个原因,但毕竟是暂时的。如果半导体厂商与客户协作沟通好,是可以采取应急措施让损失降到最低的。但是,人为干预的因素,特别是政府的行政干预,会给半导体供应链造成长期且无法估量的负面影响。sPIesmc

特朗普政府对部分中国半导体和电子设备企业的限制,特别是对华为的“围堵”,影响的不单单是华为和几家中国公司,而是全球供应链的正常市场供需。sPIesmc

1.限制先进半导体制造设备出口给中芯国际等中国芯片制造厂商,导致全球半导体供应链的新增产能延迟或受阻。这不但影响到美国半导体设备供应商,也涉及欧洲和日本的供应商。sPIesmc

2.限制美国芯片厂商供货给华为,甚至不允许台积电为华为代工生产先进工艺芯片。华为轮值董事长徐直军坦言,美国政府的出口管制迫使华为提前超额预订关键芯片和元器件,以做好美国政府和公司完全断供的打算。sPIesmc

3.抓紧“囤货”的不止华为一家公司,所有被列入美国商务部实体清单的中国企业都是诚惶诚恐,纷纷提前“囤货”1个月、3个月甚至6个月的芯片库存。这些中国企业在拼命“囤货”的同时,也开始寻找“国产替代”,这对中国本土IC设计厂商虽然是好事,但有些核心器件毕竟需要时间来导入和磨合。晶圆制造的复杂性、交货期延长和盲目“囤货”导致了“短缺博弈”。很多中小IC设计公司一方面面临客户需求暴涨的压力,另一方面又不得不面对晶圆代工厂的产能吃紧局面。sPIesmc

在紧急情况下,人们会失去理性而疯狂抢购某些被视为“救命稻草”的商品。2003年“非典”期间的醋,去年新冠疫情早期的口罩和酒精,都短期成了“紧缺物资”。这些日常消费品的生产和供应可以很快调整,但半导体芯片的生产却没那么容易。交期延长更进一步加剧了厂商采购人员的“短缺博弈”心理,从而让“牛鞭效应”达到最大程度的扭曲,凸显出来就成了严重的社会问题。sPIesmc

如何应对芯片荒?

英特尔CEO Pat Gelsinger最近在接受媒体采访时声称,该公司正抓紧时间调整其晶圆厂产线,预计6-9个月内可以为汽车和医疗设备厂商提供芯片生产。但要彻底解决芯片荒问题,他认为至少需要2年时间。sPIesmc

晶圆厂产能是芯片荒的供应一面,在需求一面仍然十分混乱。哈佛商学院制造管理教授Willy Shih认为,厂商同时向多家供应商订购让局面更加复杂化。他举例说,假如一家汽车厂商的采购人员被告知某个芯片的交货期是1年时间,他会采取什么措施?十有八九会向可以提供同类芯片的其它供应商下订单,而且订单额比实际需求要大。台积电董事长刘德音在最近投资者会议上也证实了客户超额下单“囤货”的事实。这些订单和需求的混乱让芯片制造厂商更加难以准确判断实际需求,而晶圆厂的投资动辄几十亿美元(先进工艺的晶圆厂建造成本要远高于建造一艘航空母舰),厂商不会轻易投资扩大产能。sPIesmc

眼下能够做的就是在现有产能上“挤牙膏”,这正是美国最大晶圆代工厂商格芯(GlobalFoundries)在做的。该公司CEO Thomas Caulfield表示,在现有生产线上切换芯片类型可不太容易,因为不同的芯片需要不同的设备和原材料,工艺流程也不尽相同。然而,格芯正派遣其位于美国、新加坡和德国工厂的工程师抓紧时间寻找任何可能的空闲生产线和时间,以挤出一点额外的产能。采用的办法包括:延迟一些正常的维护保养操作、加速晶圆在生产线上的移动速度,等等。sPIesmc

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格芯位于纽约的晶圆厂工程师正在抢时间“挤产能”。(来源:WSJ)sPIesmc

无论汽车厂商、PC厂商还是医疗设备厂商,如果大家愿意共享信息,让订单信息公开透明,芯片荒的问题也许可以理出个头绪来。但是,各家都有自己的小算盘,谁愿意共享其真实数据呢?整机厂商不愿意,芯片供应商也不愿意公开其实际产能数据。政府能够强制大家公开信息吗?显然在美国不大可能。sPIesmc

既然短期应急措施没有太多能做的,那就谈谈长期战略吧,这是美国政客喜欢谈论的话题。拜登政府拿出了500亿美元的晶圆制造投资预算,用于补贴美国半导体厂商的晶圆产能扩增。虽然这个项目预算获得了民主和共和两党一致通过,但短期也无法缓解汽车芯片短期的局面。长期价值呢?恐怕也难以让美国实现晶圆制造的自给自足。据美国半导体行业协会(SIA)的研究预测,美国要实现芯片制造的自给,在接下来的10年内需要政府和企业投资1.4万亿美元。sPIesmc

其实全球最大的三家晶圆厂都在计划投资扩展,英特尔宣布投资200亿美元在亚利桑那州新建两座晶圆厂;台积电将其2021年投资预算提升至300亿美元,几乎是2020年的两倍;而三星也正计划增资170亿美元在德州建造一座新的晶圆厂。然而,这些巨额投资大都用于先进的晶圆制造工艺,目的是为了满足需求强劲且利润丰厚的高性能数字芯片的需要,比如5G手机和数据中心服务器所用的芯片。sPIesmc

对于汽车厂商来说,除了高级别ADAS和自动驾驶车辆外,大部分燃油车和新能源车所需要的半导体器件还是28nm及以上这些已经成熟的制造工艺。全球汽车半导体三巨头英飞凌、恩智浦和瑞萨在投资扩建晶圆制造产能方面却没有听到太响的声音。现在最为短缺的芯片种类是电源管理器件和微控制器(MCU)芯片,因为所有电子产品都需要MCU这样的“大脑”来处理计算任务,同时需要电源管理芯片和功率器件来为各部分功能模块的正常工作供电。sPIesmc

结语

像尿布和纸巾这类需求相对平稳且生产供应可以灵活调整的商品,出现“牛鞭效应”现象也可以通过市场调节和人为积极应对措施来快速缓解。然而,半导体芯片产品的制造涉及全球供应链,不但需要供应链上各个环节的协调,而且需要政府的干预和政府之间的协商谈判。尽管美国、中国大陆/台湾和其它国家地区都在积极应对这样的“芯片荒”,但短期内恐怕难以消除“牛鞭效应”。看来至少要等到2022年才能看到牛鞭的消失,眼下政府可以做的就是拨款以安抚民心;晶圆厂能够做的就是“挤牙膏”;汽车厂商和其它设备厂商应该做的是不要再盲目下单;而我们普通老百姓能够做的就是暂时不要买车、手机、PC和各种电子产品。sPIesmc

参考来源:sPIesmc

1.EE Times: The Chip Shortage: Moore Than Potatoes by Don Scansen.sPIesmc

2.Forbes: Toilet Paper Surplus, Ketchup And Semiconductor Chip Shortages – Supply Chain Forecasting Is Hard by Willy ShihsPIesmc

3.WSJ: Why the Chip Shortage Is So Hard to Overcome by Eun-Young Jeong & Dan StrumpfsPIesmc

4.Chip shortage will last beyond 2022 as demand far outstrips supply, Intel chief says by Jeanne WhalensPIesmc

原创
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顾正书
电子工程专辑(EETimes China)主分析师。
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