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“芯荒”时代缺货的情况究竟有多严重?

来源:中国新闻周刊      时间:2021-06-28 15:40:08

“芯荒”时代

芯片缺货的情况究竟有多严重?

复旦大学微电子学院教授、矽典微联合创始人徐鸿涛博士给《中国新闻周刊》讲了一个故事,一家国际知名的芯片厂商希望把一款产品转到一家晶圆代工厂生产,这家代工厂表示自己需要购买设备才能扩充产能进行生产,于是就联系设备厂商,但是设备厂商表示自己也没法出产设备,因为没有芯片厂商的芯片。他提醒,这不是一个“段子”,而是真实发生的情况,“这是一个死循环”。

“缺芯”的现状已经影响了半导体产业链上的各个环节,这场去年年底由汽车芯片短缺牵引出的“缺芯潮”已然逐步蔓延。一开始可能只是某个类别、某种制程芯片的短缺,但裹挟着人们对于供应链安全的隐忧,“缺芯潮”的波及范围在不断扩张,高盛最新研究报告指出,全球多达169个行业在一定程度上受到芯片短缺的打击。

手机芯片往往被认为是供应最为充足的品类,相比于此前缺芯的汽车行业在芯片产能中不高的占比,手机及其周边产品芯片产能占据台积电这家全球最大的晶圆代工厂三成以上。一旦缺芯,影响面更大。

缺芯甚至引发了半导体产业前所未有的混乱。“一款芯片可以在多个制程投产,企业会选择性价比最高的制程,比如一款芯片原本在65nm制程投产,但因为该制程产能紧缺,企业就会下意识向下一个制程节点推进,选择在40nm或28nm投产,这样层层传递,一些去年尚未紧缺的制程产能也逐渐变得紧缺。”徐鸿涛说。

产能通道越来越拥堵

约定的采访时间已经过去40分钟,刘东才坐到《中国新闻周刊》记者对面,他是上海一家芯片设计公司CEO,刚刚结束与华虹宏力领导会面的他感慨,“现在想要见代工厂的人一面太难,邀约多次才安排了这次会面。”

这背后是晶圆代工厂紧俏的产能。集成电路产业有两种商业模式,一种是IDM模式,即芯片设计、制造、封装、测试四个环节在同一家企业完成。与之相对应的是专业分工模式,四个环节由不同企业完成,芯片设计公司将生产外包给晶圆代工厂,两者类似苹果与富士康间的关系,人们熟知的台积电、中芯国际便属晶圆代工厂,其地位有如连接沙漏两个玻璃球的狭窄通道,有多少芯片以怎样的速度交付终端客户,恰恰取决于“通道”的宽窄。

“对晶圆代工厂而言,最基本的产能单位就是25片晶圆,即1个LOT,不同种类的芯片尺寸各异,一片晶圆可以切割出数量不等的芯片,从一千颗左右到上万颗。”刘东告诉《中国新闻周刊》,“我们每月只希望增加200片产能,但现在哪怕增加1个LOT的产能都很难,因为这就意味着其他公司的产能被削减。”

据华虹宏力2020年财报披露,其2020年月产能可达22万片8英寸等值晶圆。有上海市集成电路行业协会人士告诉《中国新闻周刊》,目前华虹宏力产能利用率甚至已达100%~104%。

刘东的公司希望增加一款OLED屏幕电源管理芯片的产能,原本计划在今年进入导入期,预计产能200片/月,客户包括主流OLED屏幕厂商,下游客户是手机等3C产品厂商。刘东坦言,“下游传导来的压力非常大,客户甚至指责我们不守商业信誉。”

每月新增200片晶圆产能都难以实现,这是芯片产能紧缺的影响已经传导至手机等3C产品厂商的一个缩影。在刘东的记忆中,产能紧缺从去年第三季度便已显现,至第四季度已与当今情况相差不多。

一位无晶圆厂商负责人向《中国新闻周刊》回忆,去年八九月间已经在投片时感到困难。所谓投片,是指芯片设计公司向代工厂下订单,如果有产能便会随之进入产线。“去年八九月时可能要等一两周,到10月、11月时可能就要等待一两个月了,现在则是每个月都要到代工厂沟通,看看能不能挤出一些产能。”

徐鸿涛解释说,其实一款芯片一旦进入生产线到交货,这个时间相对固定,快一点的话不到两个月,慢一点是两到三个月,但排队等待进入产线的时间与产能有关,“现在时间已经很难讲”。

等待所带来的焦虑已经传导到下游厂商。上海来远电子科技有限公司(下称“来远电子”)主要产品是TWS耳机电源管理芯片和服务于手机快充功能的协议芯片,总经理苏淼说,有一位做手机周边电子产品的客户专程从深圳飞到上海,就是为了看一款快充芯片的生产进度,“我告诉他芯片已经进入封装环节,但他还是执意想要亲自看芯片是不是真的在封装。”

而小米管理层今年已于多个场合谈及缺芯话题。今年2月,小米集团合伙人、高级副总裁卢伟冰曾发布微博称,“哎,今年芯片太缺了。不是缺,是极缺……”“芯片缺货的周期不会太短,今年肯定不可能缓解,乐观的话明年上半年会缓解,但我觉得也有一定的难度,也可能明年会出现整体缺货的状况。”大厂已经提早开始囤货,4月底,卢伟冰再度谈及这个话题时透露,以骁龙888芯片为例,小米拿到的货可能是中国所有其他厂商加起来1~2倍。

“产业链都首先保证手机芯片供应,因为手机是拉动其他消费电子产品消费的核心。”刘东透露,现在不管下多少订单,晶圆代工厂每月分配给每家芯片设计公司的产能都是定额,“想要投产哪些产品自己定,在这种情况下确实会砍掉一些消费类产品客户,全力保障华米OV这样的手机厂商。”

波士顿咨询与美国半导体协会发布的报告显示,智能手机使用芯片的销售额以26%的占比在6个应用领域中排名首位。尽管如此,手机厂商仍然受到芯片短缺的冲击,苹果亦受到影响。彭博社去年11月初曾报道称,苹果正面临电源管理芯片短缺。

“华米OV对产业链的议价能力跟苹果不在一个数量级,苹果不光会关注芯片设计公司这一级供应商,还会帮助他们拿到代工厂的产能保障。”一位国内手机厂商的供应链人士告诉《中国新闻周刊》,理论上说,即使全世界都缺芯,苹果手机也不会缺。

真实需求与恐慌囤货,也许各有一半

产能紧缺的背后是需求的爆发,“宅经济”通常被认为是去年以来消费电子产品需求增加的原因。

2020年,笔记本电脑出货量同比增长30%,达到2.24亿台,新冠肺炎疫情于去年第二季度在全球暴发,平板电脑销量在当季便增长了17%,全年增幅也达到21%。此外,与远程办公、“宅经济”等相关的电子产品例如摄像头、耳机、显示器、服务器等均出现销量激增的现象。

而随着电子产品,甚至一些居家用品的智能化,其所需的芯片数量也在不断上升。上海菲戈恩微电子科技有限公司(下称“菲戈恩”)CEO黄昊向《中国新闻周刊》举例说,以前一盏台灯不需要任何芯片,但随着5V可调光LED台灯的普及,至少需要将电压从220V转换至5V的MOS管芯片和LED驱动芯片。“包括日常见到的电动自行车由于由电能驱动也需要电源管理芯片”。

同样,智能手机所搭载的芯片数量也在不断攀升。在5月底的一场演讲中,卢伟冰介绍说,一部5G手机所需要的芯片的数量和产能大约是4G手机的两倍,射频芯片的需求大约是4倍,而且5G手机发展速度非常快,这造成了大量的芯片需求。

“智能手机需要搭载的电源管理芯片越来越多,每一套子系统,如射频、音频、WiFi等都需要单独的电源管理芯片,在智能手机拥有多条电源轨的情况下,电源管理系统也一定是分布式的。”苏淼以近期手机厂商颇为短缺的电源管理芯片为例解释,“智能手机的功能在增多,相当于在河流主干道上分出更多支流,而每一条支流都需要配备电源管理芯片。”

此前有传言称,正是因为芯片紧缺,华为不再随手机赠送电源适配器,即人们常说的“充电器”。虽然受访的多位电源管理芯片设计厂商都向《中国新闻周刊》否认了这一说法,但随着快充的普及,充电器所需芯片数量确实在成倍增长。

“以前手机使用的充电器只需要两颗芯片,但随着Type-C充电接口普及,快充时代到来,充电器用到五六颗芯片很正常。”刘东说,过去充电线也不需要芯片,但如今适用于快充的充电线都要搭载一颗协议芯片,“仅此一项所带来的芯片需求增量便是‘天量’。”

的确,以智能手机的出货量,每部手机哪怕只增加一颗芯片都会形成“天量”需求。

上海酷芯微电子有限公司(下称“酷芯微电子”)董事长姚海平对《中国新闻周刊》说,“比如从iPhone 8 到 iPhone 12,摄像头数量从1个增加到3个,意味着所需芯片数量也在成倍增长,智能手机每年的出货量可以达到10亿级,仅摄像头数量增加给芯片产能带来的压力可想而知。”

现实中,从2020年下半年开始,服务于摄像功能的CIS芯片便出现短缺,Omdia在今年1月的报告中指出,应用在中低端手机的500万像素和800万像素的CIS芯片正面临严重短缺现象。全球第二大CIS供应商三星从2020年12月开始,已经将其CIS的价格提升了40%,而其他CIS供应商也提价20%左右。

智能手机所需芯片数量在增加,但这似乎并不足以解释短期内订单的激增。

“安卓手机几乎百分之百有指纹识别功能,排除苹果的各类终端,2020年指纹识别芯片的市场规模为10亿颗,相比2019年增幅达10%~15%,9亿颗用于智能手机,剩下的被平板电脑、笔记本电脑、智能门锁等市场瓜分。”黄昊告诉《中国新闻周刊》,去年菲戈恩指纹识别芯片出货量为4000万颗,今年预计增长50%,达到6000万颗,5500万颗被手机厂商采购,主要客户便是三星与一家国内手机厂商。

“50%的增幅确实超过往年。”黄昊分析,一方面是拿到了主要面向亚非拉手机市场的客户的订单,“南亚4G网络基本上在过去两年普及,印度、巴基斯坦、孟加拉国三国有20亿左右人口,从功能机切换到智能机增量明显。”此外,另一个原因便是三星为了抢夺华为空出的市场增加备货。

2020年,先是华为突击囤货,继而引发其他手机厂商或是为了抢夺市场,或是出于恐慌备货。2020年末,华为存货及其他合同成本高达1676.67亿元,而2020年上半年,这一数据曾高达1803.9亿元。华为轮值主席郭平曾在去年9月15日美国禁令生效后介绍,禁令生效当天还在入库最后一批货。

姚海平解释,华为海思突击囤货,导致可能本来只有5%的供应缺口,扩大成了10%,甚至15%,每家厂商看到产能紧缺的情况后都要囤货,又进一步扩大了产能缺口,造成恶性循环。晶圆代工厂无从知晓客户所下订单是有真实需求,还是出于恐慌性囤货。“业界难以判断真实需求与囤货的占比,也许各有一半。”

有小米供应商告诉《中国新闻周刊》,比如小米的真实需求可能只有1000万颗芯片,但在产能紧缺的情况下,为了最大程度保障供应链安全,其会给A、B两家供应商同时下单1000万颗芯片,而A、B两家供应商同时会向晶圆代工厂下单1000万颗芯片订单,导致代工厂账面上多出1000万颗芯片需求,从而加剧了晶圆厂的产能紧张。

这即是台积电董事长刘德音所谓“重复下单”因素。他此前曾表示,不确定性及市占率改变的时候,一定会有超额订购的情况出现。

“各个厂商都要备足子弹抢夺市场,去年9月份以来,各个手机厂商的订单量都有所上升,去年9月、10月间指纹识别芯片也经历过短缺,主要就是对于激增的市场需求缺少准备。”黄昊说,三星指纹识别芯片的订单量增长明显。

刘东甚至认为,一些大的公司也会把供应链作为武器去攻击竞争对手,“因为市场上的货就这么多,一家公司拿到了货就意味着另外一家公司缺货。”

这种恐慌型备货已经从终端厂商传导至芯片厂商,姚海平指出,现在会向代工厂下比较大的订单,“代工厂实际分配的产能跟公司需要的产能基本上是平衡但趋紧的状态,但这无疑使得代工厂的产能显得愈发拥挤。”

结构性缺芯之困

真实需求的增长与恐慌下的备货共同推高了需求侧,但供给侧显然没有做好足够的准备,这也与晶圆代工厂产能弹性不足有关。“一般而言,代工厂的产能利用率会维持在80%以上,如今提升至接近100%的水平,其实产能弹性非常小,即使增加百分之二三十的需求,都会给供应链带来恐慌。”一位晶圆代工厂人士向《中国新闻周刊》解释。

随着“缺芯潮”蔓延,各家晶圆代工厂的产能利用率都维持高位,台积电自去年以来一直维持在100%以上,今年第一季度,中芯国际的产能利用率也达98.7%。产能确实难以匹配需求的增长,波士顿咨询与美国半导体协会发布的报告显示,如果要在2030年满足当年对芯片的需求,需要在现有产能的基础上增加56%。

但产能不足在当下的表现更多是某类芯片产能不足,用卢伟冰的话说便是“结构性缺货”。那么缺货的又是哪些芯片?

今年3月底,上海市科学技术委员会与上海市集成电路行业协会曾发布过一份“芯片紧缺专题调研报告”,其提供给《中国新闻周刊》的调研结果显示,受影响最大的是电源管理、显示驱动类产品,产能供给平均只有30%左右,而移动通信及手机周边产品、存储器产品、指纹识别传感器产品的产能规模满足率在80%~85%。

卢伟冰以5月底发布的Redmi Note10 Pro为例,称其一共用到114颗芯片,其中有三类芯片最为紧缺:处理器芯片、屏幕驱动芯片以及电源充电芯片。

“一些先进制程的芯片并不面临严重缺货,反而是像屏幕驱动芯片、电源管理芯片这样的周边产品缺货。但是最后发现,一部手机少任何一颗芯片都出不了货,这反映了半导体产能存在结构性问题。”苏淼告诉《中国新闻周刊》。

刘东公司的电源管理芯片客户包括华米OV等手机厂商,他说,今年以来,电源管理芯片每个月的出货量在9000万到1亿颗之间,其中约一半用于手机,去年同期这一数字仅为5000万到6000万颗。但如今每月不到1亿颗的出货量远不能满足订单需求,“每月接到的订单量在1.5亿到1.6亿颗之间,如果要满足手机客户的需求,现有产能需要翻倍。”电源管理芯片之短缺由此可见一斑。

晶圆代工厂一端的感受亦是如此,5月14日,中芯国际联合首席执行官赵海军在投资人会议上称,目前成熟制程产能仍是非常吃紧,缺口最大的是 0.15/0.18 微米的电源管理芯片,他甚至直言,“电源管理芯片的缺口非常大,根本无法解决。”

0.15/0.18微米的制程,远非外界颇为关注的5nm、7nm这样的“先进制程”,采用“成熟制程”的电源管理芯片为何陷入短缺?“随着快充的普及,手机等电子产品对于电源管理芯片的要求提高,芯片面积越来越大,使其能够通过更大电流,一片晶圆产出的芯片数量在减少。”刘东解释,“电源管理芯片基本投产于8英寸晶圆,但是在过去一段时间,代工厂更多在扩充12英寸晶圆产能,8英寸晶圆产能停滞不前,这一轮同样非常紧缺的MCU(微控制处理器)同样多投产于8英寸晶圆。”

所谓8英寸、12英寸指两种不同面积的晶圆,12英寸晶圆产线在近年成为扩产的主力。广发证券研报显示,1990年第一座8英寸晶圆厂建立后,其数量曾经历迅速扩张,到2007年达到200座,此后8英寸晶圆厂的数量逐步下滑,如在2008年至2016年间,就有37座8英寸晶圆厂关闭、15座8英寸晶圆厂转为12英寸。直到2018年,8英寸晶圆厂方才进入复苏阶段,一个标志性事件便是当年台积电自2003年以来首次宣布新建8英寸晶圆厂计划。

虽然晶圆面积越大所能切割出的同一种类芯片数量也越多,但对于一些品类的芯片来说,短期内难以摆脱对8英寸产线的依赖。

“从长远看,12英寸晶圆产线肯定是趋势,但远水解不了近渴,基于8英寸晶圆的芯片设计没法直接拿到12英寸产线生产,因为其要求芯片设计公司更改设计,相当于产品迭代,需要时间。”深迪半导体公共关系负责人黄杜告诉《中国新闻周刊》。

刘东则从成本角度解释了为何电源管理芯片依赖于8英寸产线,“基于8英寸产线的0.18微米制程芯片甚至可以说是目前全世界最短缺的芯片,因为如果将其迁移至12英寸晶圆,制程就要变为0.1微米或90nm,0.18微米可以说是8英寸产线和12英寸产线的分界线,其可以将8英寸的性能发挥到极致,由此获得了极高的性价比,如果迁移到12英寸产线,芯片的性价比会降低,从而失去市场竞争力。”

面临类似困境的还有MCU。“现在市场上最缺的可能就是8位MCU,应用于一些简单的控制场景,比如家电、玩具、电动牙刷等。”苏淼解释,除了8英寸产能紧缺的因素,在整体产能偏紧的情况下,一些芯片厂商将有限产能更多分配给高附加值产品,导致像电源管理芯片、8位MCU缺货,此前一颗8位MCU最便宜时只卖到4毛钱。

对于芯片设计公司来讲,在分配到的产能有限的情况下,往往会投产附加值更高的芯片。刘东告诉《中国新闻周刊》,公司希望首先保住汽车和工业级客户,这类产品的毛利更高,而且从长远看需求稳定。

对于一些国际芯片厂商来讲亦是如此。有小米供应商向记者透露,小米原本大量采购德州仪器的电源管理芯片,但因为手机芯片的毛利率较低,德州仪器选择保住车规芯片产能,不再接受小米订单,导致小米转而寻找国内供应商。“这部分订单转移到国内芯片设计公司后,其只能向代工厂下单,像这类从国际芯片厂商,特别是IDM厂商排挤出的订单也加剧了代工厂的产能紧缺”。

附加值更高的芯片挤掉附加值较低的芯片的产能,层层传递,一些消费电子产品所需的芯片产能同样会被手机芯片挤掉。

“目前国内无人机厂商最为紧缺的就是WiFi芯片,原本高通有一款高性能WiFi芯片非常适合无人机使用,但因为高通能够拿到的产能同样紧缺,就将有限产能分配给手机芯片,从而砍掉WiFi芯片产能。”姚海平透露,公司因此在今年拿到五六千万颗的新增订单,“这对于国内厂商是机会,但在产能紧缺的情况下能否接住也是考验。”

但讽刺的是,被认为低附加值的MCU反而成为当下价格涨幅最大的芯片,多家芯片厂商负责人都告诉《中国新闻周刊》,以前一颗几毛钱的MCU如今甚至可以被炒到近10元,“今年做MCU的厂商反而赚翻了”。

凶猛的涨价潮

当然,涨价的不止是MCU。从制造,到封装,甚至到上游的原材料,芯片产业链都在涨价,压力之下,芯片涨价成为必然。

以指纹识别芯片为例,黄昊介绍,从细分品类来看,用于智能门锁的指纹识别芯片价格大概同比上涨了80%,而更多应用于手机的超薄屏下指纹识别芯片的涨幅大概在20%。在正常情况下,一颗超薄屏下指纹识别芯片的价格大概为5美元。“这两种芯片的面积都比较大,因此会占用上游晶圆厂更多的资源,从而上涨的幅度较为明显,像超薄屏下指纹识别芯片一片12英寸的晶圆只能切出1000多颗。”相比之下,一片8英寸晶圆可以切出万余颗电源管理芯片。

“对于电源管理芯片而言,其实大幅度涨价是涨不动的,只能去跟客户商量,如果再延续之前的价格就做不下去了,看看是不是能稍微提价吸收这部分成本,这样才能把生意做下去。”刘东说。

他透露,这背后是代工厂凶猛的涨价潮。“我们已经在台湾的代工厂经历过产能拍卖了,价格被拍上了天,基本是之前的代工价格乘以二。”

刘东介绍,除去拍卖产能,台湾一家代工厂从去年第三季度开始已经涨价三轮,“去年第三季度、第四季度,今年第一季度,每一轮涨价的幅度都在20%~30%之间,其实最终的结果也跟拍卖价格相差不多。”

当然,明显涨价也并非所有代工厂的选择,一位代工厂人士说,大陆代工厂的涨幅也就是15%~20%之间。酷芯微电子的芯片有部分在台积电投产,姚海平透露,台积电并未拍卖产能,也并未大幅提价,但代工价格确实更为坚挺。“目前代工厂的日子比较舒服,但半导体产业周期性很强,他们也会有苦日子,因此更为看重与客户之间的长期关系。相比之下,反而是与客户联系没有那么紧密的封装厂涨价明显,因为客户切换封装厂较为容易,黏性也没有那么强。”

据了解,目前国内封装价格上涨了将近一倍,部分原因是封装所需的铜的价格大幅上涨。姚海平表示,大部分芯片的成本构成中封装所占比例都会小于制造,但是对于一些对封装要求较高的芯片,如车载芯片,封装成本甚至会高于制造成本。“对于像酷芯微电子生产的一些用于无人机、智能家居产品的芯片,原本封装成本只占到三分之一,如今逐步上升至一半左右。”

芯片产业链提价明显,包括手机在内的消费电子产品的终端厂商又面临怎样的成本压力?

“现在终端客户特别难受,我们的一些客户专门生产TWS耳机使用的电路板,目前已经没有利润可言,但也要咬牙做下去,一颗MCU的价格已经从几毛钱上涨到几块钱,如果电源管理芯片再加价这些企业基本就挂掉了。”苏淼告诉《中国新闻周刊》。

相比之下,一些整机品牌厂商的日子要好过一些,一家深圳的TWS耳机厂商表示,迫于成本压力,企业已经在电商渠道悄然提价,“幅度有限,可能只有几块钱,而且会砍掉一些之前的优惠,一般消费者难以察觉。”

其实,对于芯片成本占比越来越高的智能手机而言,涨价的压力似乎更大,但目前似乎并没有看到智能手机明显的涨价。

“其实终端产品要想明显涨价还是挺难的,顶多是价格更加坚挺一点,或者打折少一点,比如“618”期间,可能就会发现手机的优惠幅度小了,通过这样的方式完全可以做到全年平均下来每部手机的出货量高5%,但消费者可能感知并不明显。”姚建平说。

但是刘东也提醒,如果要换手机的话要趁早,“现在手机厂商还不敢涨价,往往是实在消化不了成本后才会考虑涨价。像空调、冰箱这样直接成本更高的产品已经涨价,当然它们主要是由于大宗商品价格上涨,手机没有涨价是因为厂商还有能力消化,因为它们的毛利率还比较高,但预计到今年第三、第四季度调价就可能出现。”

手机品牌realme 副总裁徐起此前曾表示,受手机供应链上游芯片、电池、套片等原材料紧缺影响,今年下半年手机价格可能会产生浮动。“上半年的价格要珍惜,下半年可能要看整体的供需关系,来决定手机产业的价格走向。”

“缺芯是行业的照妖镜,也是试金石。”卢伟冰直言,“在缺芯之下,可能有的公司会高端涨价,中端降配,旗舰裸奔,把千元(机)的芯片用到旗舰(机),通过包装卖更高的价钱。”

(应受访者要求,刘东为化名)

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