半导体材料及器件是全球制造业领域的关键战略材料。受新冠病毒肺炎疫情、恶劣天气以及其他因素的叠加影响，全球半导体供应链短缺给全球供应链安全带来了前所未有的压力，带来了诸如汽车制造商停产、电器电子产品停产等一系列问题，造成了一定的经济损失。
中国工程院院刊《Engineering》2022年第2期刊发《受疫情影响的半导体供应链危机》一文，报道了全球半导体供应链危机带来的一系列影响，并指出芯片短缺将一直持续到2022年或2023年年末；同时，这场危机可能会对半导体行业造成长期影响，至少一些微芯片的产地会发生变化，甚至会改变工程师设计产品（需内置微芯片）的方式。文章还分析了解决芯片短缺、半导体供应链危机的主要思路。
汽车制造商福特公司被迫停止生产F-150皮卡，原因是其无法完成60 000~70 000辆的生产目标。福特公司的竞争对手美国通用汽车公司取消了一些新车型的功能，并关闭旗下多家工厂数周甚至数月。苹果公司宣布将iPhone的产量削减10%以上。加拿大消费者部分已将近一年甚至更长时间无法购置新款冰箱和其他家电。
这仅仅是2021年全球半导体供应链短缺带来的一系列后果的冰山一角。新冠病毒肺炎（COVID-19）疫情、恶劣天气以及其他因素给这些设备的全球供应链带来了前所未有的压力，而这些设备的短缺已经造成了不小的经济损失。2021年，仅汽车制造商的损失就高达2100亿美元。专家预测，在一年或更长时间之内，这些设备将供不应求。美国北卡罗来纳州立大学的运营与供应链管理专业教授Robert Handfield表示：“你不能仅靠踩油门就指望供应链恢复正常。”除了短期的停产之外，这场危机可能会对半导体行业造成长期影响，至少一些微芯片的产地会发生变化，甚至会改变工程师设计产品（需内置微芯片）的方式。
图1. 制造商使用这些12 in（1 in =2.54 cm）的硅晶圆来制造最精密的微芯片。由于受新冠病毒肺炎疫情影响，供应链中断，这些微芯片与一般芯片越来越难以获得。这些由台积电或晶圆工厂生产的硅晶圆，可制造出数十枚微芯片。随后对每个芯片进行测试、切割和包装，以供最终使用。来源：Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd.，经许可。
每年，超过6400亿枚微芯片为全球智能手机、电脑以及其他电子产品提供中央控制组件，制造商已经将它们整合到其他各种产品中，包括电动牙刷、电饭煲和电动吸奶器。一辆汽车可容纳超过1000枚芯片，这些芯片具有控制汽车的电动车窗、点火系统、刹车系统、导航系统和气囊等功能。
半导体供应链是全球化的典型范例。大多数用于制造微芯片的硅来自北卡罗来纳州的一个采石场，那里有世界上最纯净的石英矿床。然后由集中在日本和亚洲其他国家的工厂将粉末形态的硅制成薄的硅晶圆。之后，由那些设备昂贵且超级洁净的工厂或晶圆工厂（fab）将微芯片的电路刻印在硅晶圆上（图1）。在过去，美国负责完成上述流程的大部分工作，1990年美国制造了全球37%的芯片。现如今，其份额已经缩减至12%，亚洲晶圆工厂占据主导地位。仅台湾积体电路制造股份有限公司（简称台积电，TSMC）自己就生产了全球一半以上的定制芯片（图2），而诸如苹果公司等非常依赖台积电制造的芯片。
在准备安装前，需要对微芯片进行测试，之后从晶圆上将其切割下来再封装，这些步骤通常由越南和马来西亚的工厂来完成。封装完成之后，这些经历了“环球旅行”的芯片才会被运到工厂中（这些工厂通常位于中国），工厂将这些芯片用于各种产品。智利、土耳其和荷兰等其他国家提供生产半导体所必需的原材料和机械设备。
哈佛商学院（美国马萨诸塞州波士顿）工商管理专业教授Willy Shih表示，半导体供应链看似错综复杂，但其复杂性在经济上意义重大。他说，制造过程中的每一步都是如此复杂和苛刻，“你需要更加专业”。因此，在最近的供应链危机到来之前，“我们有一个分层清晰的供应链，这从成本的角度来看是非常有效的。”
然而，近期发生的灾难暴露了芯片供应链的脆弱性。2011年袭击日本的大地震使得日本主要芯片供应商的工厂关闭，导致全球汽车生产速度减缓。
暴发于2019年年末的新冠病毒肺炎疫情严重影响了供需关系，引发了更大的危机。因为有如此多的人待在家里，所以人们对笔记本电脑、智能手机、家用电器和游戏机等含芯片产品的需求激增。而且由于新的晶圆工厂的建造需耗资数十亿美元，芯片制造商“在产能方面处于落后地位，他们不会事先投资以扩大额外产能。”美国锡拉丘兹大学供应链管理学教授Patrick Penfield如是说。因此，生产无法跟上不断增长的需求。2021年的其他突发事件也加剧了供应链危机，包括2011年日本大地震后关闭的上述工厂又发生火灾，以及得克萨斯州暴发二月寒潮。新冠病毒肺炎疫情暴发迫使越南和马来西亚切割和封装微芯片的一些工厂关闭，这进一步加深了芯片短缺危机。
由于在新冠病毒肺炎疫情早期，骤降的销量使各汽车制造商大幅度减产，并取消了不少半导体订单，因此汽车制造商在2021年陷入困境。Willy Shih表示，当他们后来决定应消费者需求回升而提高产量时，才发现其他生产高需求产品的公司，如健身器材和电器公司，已经在芯片厂下了订单。
半导体市场竞争非常激烈，2021年10月的订单等待时长破纪录地达到了将近22周，相比之下，2019年年底订单的等待时长为12周左右。然而，制造商设法从现有工厂分割更多产量，到2021年年中，芯片出货量达到创纪录的水平。随着供应量增加，至少某些类型半导体的需求可能会下降。Willy Shih表示，在疫情早期，消费者抢购的很多产品，如笔记本电脑属于耐用产品，其未来销量可能会下降。尽管如此，Willy Shih、Penfield和Handfield教授认为，芯片短缺将一直持续到2022年或2023年年末。
更多晶圆工厂的建立将成为芯片危机的遗留问题之一，台积电、英特尔和美光等公司宣布，计划投资数十亿美元扩大产能。但是芯片短缺也可能从根本上改变半导体供应链的结构。德国亚琛工业大学媒体流程学教授Thomas Rose表示，制造和使用微芯片的公司将重新评估微芯片的来源。他认为，削减成本一直是首要任务，但现在“他们必须考虑供应链可靠性的附加值”，以及客户是否会为增加的可靠性支付更多费用。
图2. （a）位于中国南京的台积电晶圆十六厂为汽车行业和其他用户生产芯片。目前该公司正投资28亿美元用于扩产，旨在实现每月4万片晶圆的产能目标。（b）在晶圆工厂的一间洁净室里，一名工人将一批包含微芯片的8 in硅晶圆移至下一个制造步骤。来源：台湾积体电路制造股份有限公司，经许可。
为了维持芯片供应，欧盟、美国、日本、中国以及其他国家正在寻求提高国内产能的解决方案。虽然这些国家在新冠病毒肺炎疫情暴发之前就已开始寻找解决方案，但最近的芯片短缺危机使得解决方案的寻求更加紧迫。考虑到微芯片对国家经济和国防的重要性，Penfield说：“如果你不在你自己国家制造芯片的话那就太愚蠢了。”
然而，欧盟或个别国家能否缩短供应链还有待观察。解决芯片短缺问题的难点之一是必要的巨额投资。2021年美国政府提出了一项计划，拟花费520亿美元促进其国内芯片的生产。而台积电计划在未来三年内花费这一数额的近两倍。
另一难点则是行业领导者台积电及紧接其后的韩国三星电子公司在技术上领先，仅有他们两家公司能够制造5 nm芯片，而该芯片对最新一代的iPhone等产品至关重要。总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉的英特尔公司曾是世界上最大的半导体制造商，其直到2022年才开始生产被推迟了很久的同类产品。
Handfield表示：“认为美国或其他国家在不久的将来能够在芯片制造领域自给自足的观点是‘痴人说梦’。你不能只建立起一个半导体供应链，而且建立一个半导体供应链需要至少十年的时间。”但是采取一些措施，使供给免受冲击是可行的。大多数产品需要的是标准的微芯片，而不是尖端的5 nm微芯片，甚至iPhone也依赖标准芯片，处理一些诸如显示屏控制和功耗管理等任务。个别国家也可增加这些较小功率的半导体产量。Handfield建议，规模更小、成本更低的晶圆工厂可能会满足各国对芯片的需求，而这些芯片对国防和其他关键经济部门至关重要。在芯片行业具有领先地位的国家也可以迁移一些芯片制造设备。台积电计划在美国亚利桑那州凤凰城建造一家5 nm芯片工厂，该计划已开始实施。
增加设计灵活性也有助于加强半导体供应链的弹性。与智能手机等设备中的芯片相比，汽车中的芯片必须达到更高的可靠性和耐用性标准，而且具有不可替代性。但是对于大部分产品而言，Willy Shih认为，制造商可以选择“提升软件的功能性，采用更多可替代、可更换的通用零部件。”
来源：本文选自中国工程院院刊《Engineering》2022年第2期
作者：Mitch Leslie
