5张图说明全球芯片短缺的原因

FPGA技术江湖 2022-08-28 10:03

为何无法快缓解决芯片短缺。

从游戏机到保时捷，很多消费产品都受到了芯片短缺的影响，芯片短缺阻碍了全球经济发展，这种现象从2020年持续到了今天。2022年1月，美国商务部长吉娜•雷蒙多在推特上发文表示：“我们远没有脱离困境，半导体供应链非常脆弱，除非我们能提高芯片产量，否则这种情况依旧会持续下去。”美国国会准备提供520亿美元的硅片刺激计划，作为《美国竞争法案》的一部分，旨在扩大美国的半导体制造。同时，欧盟也公布了其430亿欧元的芯片短缺改善计划。

理解芯片供应网络的广泛性

全球半导体联盟2020年的一份报告表明，在一个半导体器件到达最终消费者手中之前，半导体的各元件可能需要穿越5万多公里、跨越70多条国际边界。美国新泽西州霍博肯汉隆金融系统中心的主任乔治•卡尔霍恩（George Calhoun）说：“仅用供应链来表述并不合适，因为这是一个非常复杂的全球性生态系统，该网络中的一些节点至关重要。”其中一个脆弱的关键地区是荷兰，该国的阿斯麦公司是光刻技术领导者，也是全世界唯一的极紫外（EUV）光刻机生产商。另一个关键地区是中国台湾，该地区的3家公司生产了全球超过90%的最先进（5纳米和7纳米）半导体。不过，半导体产业协会（SIA）2021年的一份报告表示，全球化本身并不是坏事。该协会估计美国要实现自给自足的本地半导体供应链，需要花10年时间、耗资上万亿美元，且半导体的价格会提高65%。

认识芯片短缺之前的产能不足

半导体行业一直处于周期性变化当中，随着全球经济的兴衰，个人计算机、家庭电子产品和智能手机市场起伏演变，经历了供大于求和产品短缺等阶段。在2020年初新冠疫情暴发之前，也已有信号表明“市场非常非常紧张”，IEEE美国分会的政府关系部门主任拉塞尔•哈里森（Russell Harrison）说。半导体工厂通常会按照额定产能的80%左右运行，以便有时间进行维护、升级和人员变动。早在2019年夏季，全行业的设备利用水平就接近90%了。卡尔霍恩说，这反映了家用电器联网需求的增长，以及越来越复杂的自动驾驶功能和汽车数字联网需求的增加。半导体产业协会表示，自2020年夏季以来，设备利用水平就从未低于90%。

揭示令人一筹莫展的库存挤压

在半导体开始供不应求时，疫情使其发展成为一场灾难性的风暴。从原材料采购到元件运输和向客户配送成品芯片的复杂全球性物流，供应生态系统的每个环节都受到了冲击。2022年1月，美国商务部发布了一项报告，报告调查了半导体供应链中的150多家公司，几乎包括了所有大型芯片制造商和客户，如福特、谷歌和威瑞森。报告指出，半导体产品的库存中位数从2019年的40天下降到了2021年的不到5天，导致这些公司处于弱不禁风的脆弱状态。“这一平均值未必能反映真实情况。”卡尔霍恩说，“就像是老话说的，虽然河水平均深度只有6英寸，但你在河中央还是可能会溺水。”那些严重依赖被彻底打乱的“遗留节点”的公司处在水深火热中：这些节点生产的不是笔记本电脑中技术前沿的硬件，而是复杂度不高的老式模拟芯片，但这些芯片对医疗设备、宽频通信和汽车非常重要。“这些芯片利润不高，当然也名声不大，因此很多公司都没有多少资金投入。”哈里森说。

对比美国和中国的生产和研发数据

2021年秋季，美国商务部长雷蒙多说：“我们如果想在全球具有竞争力，就需要在国内进行投资，特别是投资振兴半导体行业。”同时她还指出，美国在全球芯片产量的占比从20世纪90年代的40%跌到了2021年的12%，现在远远落后于中国。“我们等待一天就是落后一天。”她补充说。不过，虽然美国拥有的工厂比中国少，但仍然在半导体行业最具价值的环节中占据主导地位，例如新型半导体的设计和开发，以及这些半导体的生产设备。同时，中国仍然是一个半导体净进口国，主要是从美国进口，2020年芯片进口总额达到3500亿美元。半导体产业协会表示，美国在研发方面的支出也远远超过中国，去年的经费高达390亿美元。

将半导体激励计划融入《美国竞争法案》

如果美国在半导体行业已经成为一个健康、产生盈利的全球性领导者，还需要《美国竞争法案》为半导体行业留出520亿美元资金吗？这项激励计划比2009年的通用汽车救援计划更大。“很显然，这无法解决短期问题。”哈里森说，因为建造并经营工厂需要很多年时间。“不过，如果企业在全球范围内寻址修建工厂，我认为是有帮助的。”即便没有这些资金，有些巨型半导体公司也已在规划大型美国工厂了。英特尔、三星、德州仪器和台积电最近公布了在亚利桑那州、俄亥俄州和得克萨斯州的工厂项目，项目总额高达990亿美元。英特尔表示，未来10年，其俄亥俄工厂的投资可能增长到1000亿美元，前提是得到政府的援助。卡尔霍恩推测，未来几年，为应对芯片短缺，全球的私营企业投资将超过8500亿美元资金。“这个数字非常庞大，以至于520亿美元似乎看起来微不足道，即使这笔投资最终很完美，且没有像你想象得那么低效地从美国政府一点点挤出来，看起来依旧如此。”他说。