芯片荒，宿命难违？

头图｜视觉中国

　　作者／Odin Asgard

　　2021 年，苹果继续蝉联著名顾问机构 Gartner的“供应链大师”(Supply Chain Master) 的荣誉。而苹果 CEO 库克 (Tim Cook)，也被美国福布斯 (Forbes) 誉为“供应链达人”(Supply Chain Guru)。

　　虽然苹果拥有如此优秀的供应链管理，全球电子元件供应商往往也会向苹果优先供货。可是， Odin 在苹果上一季度财报分析里提到，苹果即将要面对严重的供应链问题。另外，据彭博消息也指出，苹果将因为芯片不足而将下季度  iPhone 订单削减了 1000 万台。JP Morgen 和 Needham 两大投行均发出报告，担心苹果 iPhone 的销量与业绩，会受到芯片荒的拖累。

　　就连苹果也受到芯片荒的拖累，可见目前芯片短缺问题已达到非常严重的程度。但到底有多严重？

图片来源：Bloomberg。

　　据彭博报道，一般芯片的备货时间约为 10~15 周（上图），但目前已经增加至 20 周以上。而汽车用的微控制器芯片，一般备货时间约为 6～9 周，但目前的备货时间却在 26.5 周以上。因此，特斯拉的 CEO 马斯克已在推特表示，目前产业的惊慌程度，就如疫情期间抢卫生纸一样疯狂；而来自高盛证券的报告更表示，全球有169个行业受到了缺芯的影响，甚至连肥皂的生产都受到了影响。

　　然而，为什么突然出现这么大规模的芯片荒呢？

　　芯片荒：一切真的只是偶然事件？

　　最初，不少人把芯片短缺问题，归因于各种偶然事件，包括贸易战、全球新冠疫情、以及一连串的天灾人祸（例如瑞萨厂房火灾、德州大停电以及中国台湾的旱情等）。可是，尽管我们把芯片荒的问题推到运气之上，全球科技产业在应对上述偶然事件时，同样也有各种不当。因此，美国战略与国际研究中心 (CSIS) 战略技术项目高级副总裁兼主任 James Lewis 曾表示：

　　但在各种偶然事件当中，新冠疫情往往被视为最重要的因素。诚然，2020 年全球疫情开始爆发，不少地区都进入封锁状态，不但影响国内的消费市场，也影响全球供应链运作。因此，不少企业纷纷下调销量预测，减少订单。没想到疫情对消费市场的影响比想象中的少，而各国政府为疫情而推出各种救市方案，反而刺激了需求增长。

图片来源：Fusion Worldwide。

　　据汽车一级供应商大陆集团 (Continental) 内部消息指出，当他们在去年年初按着当时锐减的汽车销量数据，以及相应减少的车厂需求，规划了 2020 的规划。就在此时，因疫情激发的大量在线办公需求激增，全球个人出货量不降反增，结果，芯片供应商相应减少了汽车芯片的排产计划，并把产能转移到了手机、电脑这些使用量大的消费电子领域。

　　然后车市在 2020 年下半年迅速反弹，车企不得不突然增加芯片订单，让上游供应链措手不及。

　　但与此同时，在 2 月美国德州大停车，导致重要的汽车芯片供应商德州仪器 (TI) 产能受到一定影响；然后到了三月，日本汽车芯片制造商瑞萨 (Renesas) 厂房大火，接着是台湾接连发生大停电以至大干旱，进一步影响芯片生产。

　　据 IHS 数据指出，2020 年汽车行业对半导体的实际需求，比疫情前的估算落后了大约 15%，在严重的落差之下，多家车企不得不暂时停产或减产。毕竟，汽车业是欧美重工业的核心，停产消息使各国政府为之心悸。因此，据消息指欧美政府纷纷出手向芯片生产商施压，成功逼使芯片生产商优先考虑汽车芯片。然而，这也打开了“潘朵拉之箱”，把芯片荒波及至使本来供应就十分紧张的其它产业。

　　全球产业遇上的芯片荒，真的就是这样一连串偶然事件所导致吗？诚然，上述不少偶然事件，往往只能带来一季左右的短期影响；即便偶然事件严重如新冠肺炎疫情，也在欧美政府放宽封锁、和各种宽松的经济政策，得到很大的舒缓。

　　既然如此，为什么不少业界人士都在哭着要芯片？为什么英特尔新任 CEO 也表示，芯片荒最少要在两年后才能解决？

　　危机，早已潜伏于半导体产业之中

　　诚然，不少半导体产业的分析师早就指出，目前出现芯片荒很大程度上是必然结果。Gartner 研究副总裁盛陵海接受媒体采访时表示，半导体产业向来每隔两至三年，就会出现一次周期，而目前正处于一个供不应求阶段，所以目前的芯片荒其实是正常现象。而同样来自 Gartner 的分析师 Koray Köse 也表示：疫情其实只是压死骆驼的最后一根稻草 (just the last drop in the bucket) 而已。

芯片产业平均每三年，就会遇上一次周期性需求同比激增（紫色折线图）。图片来源：Kearney。

　　为什么半导体产业有三年周期之说（上图）？全球科技企业是否什么都不能做，只能坐等周期完结？要了解问题的关键，我们必须从供应链运作的特性入手，探讨什么是半导体周期到底从何而来。

　　事实上，供应链的利润来自产能，而供应链的最大产能，则取决于供应链的生产线规模。而供应链的生产线规模，则源自企业在机器和厂房等的前期投资。换言之，只要供应链愿意在前期花更多的钱去投资生产设备，产能就能轻松上升了。可是，倘若遇上产品需求锐减，即使半导体产业在这时候减少产能，但已经花费的前期投资不可能回收，这将严重影向供应链的盈利能力。

　　上述的现在，在半导体产业就更为更为明显。毕竟芯片需要高度技术，也必须使用顶尖的生产设备，所以需要巨大的前期投资。以中芯国际为例，他们在半导体产业的地位，远不如台积电、三星或英特尔；但据报道指出，他们在 2019 年建造一家新的晶圆厂，总投资额仍然高达120 亿美元。想象一下，如果中芯国际无法榨光这条生产线的产能，巨额投资可能化为乌有。

　　可见，产能利用率就是芯片代工厂的生命线：产能利用率过高，无法实现营收最大化；产能利用率过低，则无法实现利润最大化。因此在最近 10 年，大部分生产芯片的晶圆厂，产能长时间处于 80% 以上，所以芯片代工厂往往缺乏充足的后备产能，能在短时间内增产。倘若遇上了芯片荒，这些芯片代工厂必须再次投入大笔前期资金，建设全新的生产线。

　　问题是芯片生产线高度技术密集，所以要重新建设这样的一条生产线，仍然需要耗费不少时间。据中国半导体行业协会指出，建造一个大型晶圆厂，需要一到两年的时间，绝不可能在短时间内，满足突然出现的芯片需求。

　　由于晶圆从决定增产到付运芯片之间，有着相当大的时间差；科技产业也不可能按着当下的经营环境，实时调整芯片需求；他们只能预测未来的市场趋势，并提早大约一年，向半导体产业提出需求。但人类毕竟无法准确预知未来，当产业预测错误芯片供应变得紧张，他们就会赶紧追加订单；但追加的订单并不能立即满足需求，反而在一至两年后才付运之时，芯片产能却会讽刺地变得过剩。

　　这就是半导体产业所谓的“三年周期”的由来。

　　问题的真正根源：芯片需求越来越难预测

　　既然半导体产业每隔三年，就会有一次芯片过剩／不足的现象，那为什么这次芯片荒却导致全球产业鬼哭神嚎，就连供应链大师苹果也不能幸免？问题的关键，在于全球科技产业的发展，日益变得更难以捉摸，产业再也无法准确预测未来的需求。

　　刚才 Odin 就曾提到，科技产业只能通过未来科技趋势，预测未来数年的芯片需求。而这个预测的准确程度，将会决定未来数年的芯片供应水平。在过去的十年，就连傻子也知道移动计算是全球科技的大趋势；所以科技产业只要跟着摩尔定律的路线，追求最先进的制程，开发更高性能、更低功耗的芯片，整个产业都会抢着购买，这时即使躺着也能赚钱。

　　但在 2019 年开始，形势却完全不同了。关键在于 5G 开始普及后，带来了由人工智能、大数据、云计算、物联网等新式智能技术，构成出全新的数字化社会 。

　　以往只有手机和电脑需要芯片，但当我们进入数字化社会之后，不但汽车需要芯片、智能工厂需要芯片、农场也需要芯片，所以整个产业预期数字化社会必然带动更多的芯片需求。但产业没想到的是，数字化社会迟迟未有到来：AR/VR 依旧是画饼，智能工厂发展缓慢，智能家居更被视为伪需求。有业界人士更表示，到现在全球物联网装置数，就只有 110 亿个，仅达到原来预期的 22％ 而已。

　　可是，尽管数字化社会迟迟未有来临，但产业却不得不跟进全新的发展趋势。

　　明明消费者老是说对 5G 没啥用，但毕竟根据信通院数据，中国的 5G 手机销量占比已高达 70%；可见 5G 手机再没用，消费者却只愿意买 5G 手机。同样地，明明消费者老是忧虑电动车的续航力不足，但据消息指出，电动车在 2021 年上半年卖得乐呵呵似的，在顶级汽车市场同比增长 160%，占全球汽车市场销售额的 26%。

　　尽管汽车芯片销量因缺芯问题远低于预期，但其它芯片销量仍高出疫情前预计。图片来源：McKinsey，翻译：虎嗅。

　　整个科技产业，都知道数字化社会就是未来，但无奈这些技术也实在太新鲜，产业没有足够经验和数据，因而无法准确预测这些新技术的发展速度；再加上新冠疫情的干扰，估算时就更容易出现误差。

　　结果，去年绝大部分的科技产业，通通低估了相关芯片的需求增长（上图）。

　　以个人电脑为例，联想全球供应链首席转型官徐赫曾透露，最初在疫情爆发后，大众对市场仍然悲观，但他们后来发现零碎的需求不断涌现，所以他们不得不快速调整供应链。事实上，当时的科技产业低估远程办公和线上教学的潜力，没想到个人电脑在疫情期间发挥了重要作用，销量因而不跌反增，更录得同比 10.4% 以及 32% 的高速增长（Gartner 数据），远远超出电脑产业原来的预计。

　　可是，半导体产业所面对的真正的困难，是数字化社会竟然逼使他们集体开倒车。

　　数字化社会，打乱了半导体产业的部署

　　今天媒体提到芯片战争，往往以为就是各种高大上的 5nm、EUV、FinFET 等顶尖先进制程技术的战争；产业之间争相开发比新冠肺炎病毒还要小的纳米级工艺。可是，我们目前面对的芯片荒，却不是这么高大上的工艺。事实上，目前芯片荒的真正重灾区，却是那些 90nm 以上、制程工艺相对落后的基础芯片；而生产这些基础芯片的生产线，用的也同样是相对落后的 8 寸晶圆生产设备。

　　近年，全球科技产业均向移动化发展，追求更低功耗、但更高性能的手机和电脑芯片；芯片生产商为了追求更高的利润，纷纷发展直径更大的晶圆生产技术。因此，至今大多数最顶尖的先进制程芯片，均采用最先进的 12 寸晶圆生产线，并纷纷淘汰这些旧式的 8 寸晶圆生产线；还未淘汰的 8 寸晶圆厂，只用来生产相对落后的成熟制程芯片。

　　没想到数字化社会概念兴起，却为不断追求先进制程的芯片产业，重重踩了一脚刹车；偏偏芯片产业却来不及刹车，直接被这个时代甩开了。

　　虽然云计算服务器需要高度计算能力的芯片，但却对终端设备的性能要求却大为减少。尽管智能家居让全屋家电也变得更智能，但家电所用的芯片往往就是模拟芯片、传感器芯片、相机感光元件等对制程要求不高的基础芯片。在这时候，科技产业才发现数字化社会的确带动了芯片需求，但这些芯片并不需要太高的性能，也用不上最顶尖的先进制程，用旧式的 8 寸晶圆生产就能满足需求（上图）。

　　然而，一切已经太迟了。

　　当整个产业发现 8 寸晶圆需求暴增之时，顿时手足无措，因为他们早就把这些旧式生产线淘汰了。自 2016 年开始，整个半导体产业就一直研究如何增加 8 寸晶圆的产能；但直到新冠疫情爆发前夕，旧式的 8 寸晶圆产能仍未能解决。毕竟根据东方证券的研究指出，市场上已经没有多少台能生产 8 寸晶圆的二手设备，增产的空间十分有限。

　　结果，目前在芯片荒里哭得最惨的汽车产业，绝大多数就是缺少 8 寸晶圆生产的芯片；即使最先进的苹果的 iPhone 供应链，也不能幸免。事实上 iPhone 就是因为改用了 5G，而 5G 手机比 4G 手机需要更多的电源管理芯片，而这些电源管理芯片偏偏也是来自 8 寸晶圆，所以他们也遭到 8 寸晶圆产能不足的威胁。

　　长远来看，各家企业最终也得把旧式芯片，往更先进的 12 寸晶圆转移；但尽管 8 寸晶圆绝不再是科技产业的未来，在目前而言， 8 寸晶圆有着巨大的成本优势，仍然是物联网芯片的“现在”。可见，尽管新的科技带来了新的芯片需求，但这个诡异的需求，完全超出整个半导体产业的预料，更打乱了他们持续二十年的部署。

　　一纸禁令，摧毁了产业的自我调节机制

　　虽然，半导体产业一直苦于 8 寸晶圆的产能不足，但多年来他们通过不断调节生产计划，仍然勉强应付下来。没想到美国前总统特朗普的一纸禁令，不但使中国的半导体产业陷于困难局面，也同时扰乱了产业的自我调节机制。

　　美国著名咨询机构科尔尼 (Kearney)，先前曾在报告上发出警告：

　　无疑美国在半导体产业上有着绝对领先的地位，尽管中国在短时间内也无法实现自给自足；但这不代表美国的科技产业，就不需要中国的支持。虽然每个国家均希望可以在半导体上实现自研自给，无需依赖别人；但半导体是一个过于庞大的产业，没有一个参与其中的国家，能够独善其身。

　　事实上，由于美国限制中国取得最先进的芯片生产设备，中国半导体制造商近年只能苦苦经营，选购其它产业不要的二手 8 寸晶圆设备。偏偏由于中国近年大力发展半导体产业，据日经新闻消息，目前接近 90% 的废旧设备已被运往中国，二手 8 寸晶圆生产设备价格已经大幅飙升，导致其它国家想为 8 寸晶圆增产，也相当不容易。

　　正如 Odin 先前提到，目前芯片荒的重灾区就在 8 寸晶圆；但即使各国正加紧增加  8 寸晶圆产能，由于市场能生产 8 寸晶圆生产线不多，增产的空间十分有限。没想到中国的半导体产业相对落后，反而保留了大量旧式的 8 寸晶圆产能。

中国是近年唯一一个在 8 寸晶圆产能上快速增长的地区。图片来源：SEMI via Applied Materials。

　　据国际半导体产业协会 (SEMI) 的报告指出，中国内地的 8 寸晶圆产能将在 2021 年底，将占全球 8 寸晶圆市场的 18% 份额，成为全球最大的 8 寸晶圆生产国。当然，占全球18% 的产能，并不足以控制整个市场，更何况目前全球最大的 8 寸晶圆生产商，仍然是中国台湾的台积电。

　　可是，中国目前的 8 寸晶圆产能，却对于宣泄目前的芯片荒有巨大的作用。路透社早前报道，一家汽车制造商因为美国的制裁关系，尝试将芯片生产从中芯国际转移到台积电，结果导致台积电爆单。有供应商高管曾对路透社表示，他们找到可以使我们不依赖台积电的替代方案，但最终却发现替代晶圆制造商，却没有可用的产能。

　　对制裁的恐惧，扩大半导体周期的波幅

　　讽刺的是，本来美国各种制裁的目的，是要保持美国半导体产业的领导地位，但没想到这样的制裁，却破坏了半导体产业赖以调节产能的合作机制，导致供应端的自我调节机制无法运作。

　　但更讽刺的是，中国对芯片的需求，本来也可以调节半导体需求的周期性波幅，但美国的制裁反而却放大了半导体周期的波幅，进一步使整个产业陷入不稳定性的状态。

　　事实上，近年中国的科技产业快速发展，对半导体的需求也快速增加。据统计指出，中国在 2019 年已占据了全球 53% 的购买量（下图）；可见即使半导体产业真的出现产能过剩，快速增长中的中国的科技产业，也能过剩的产能通通吃下来。

　　全球半导体购买量占比。中国（红色）在 2019 年已占全球一半以上的份额。图片来源：Semiconductor Digest。

　　事实上，近年中国的科技产业高速发展，对半导体的需求也飞快地上升。据统计指出，中国在 2019 年已占据了全球 53% 的购买量（上图）；即使半导体产业真的出现产能过剩，进入快速增长期的中国的科技产业，也能消化过剩的产能，将半导体的价格稳定下来。

　　但自 2019 年开始，美国多次制裁中国科技企业，使各家公司也成为惊弓之鸟。华为轮值董事长徐直军就曾表示，尽管中国企业原来一直在追求零库存，但在制裁的恐慌之下，多家中国的科技公司不得不大幅增加芯片库存，部分公司的库存量达到半年以上。

　　目前中国的半导体需求，占了全球市场的一半以上；但根据中国海关数据显示，去年中国半导体进口量，在制裁的压力之下飙升 15%。美国的制裁到底为目前的半导体产业增加了多少负担？可想而知。

　　当然，如果说中国企业增加芯片库存，导致芯片价格飞涨；这对半导体产业来说，不一定就是坏事。毕竟据报道指出，由于芯片短缺导致价格激增的关系，台积电、三星等半导体产业在今年创下了销售额新纪录。问题是在芯片库存增加的相反方面，却也代表了未来的芯片需求，可能因为中国企业需要清库存而急剧减少，半导体产业很可能不得不面对芯片产能过剩的困境。

　　毕竟芯片属于高科技产品，具高度时效性，中国科技产业总不可能长期囤着不用。因此，这一大批的库存芯片，在短期内最终还是要消化掉；这将使未来一至两年内，中国的芯片需求大幅下滑。但与此同时，各国的半导体产业却在欧美政府的压力下不断增加产能，但新增的产能却只能在一年后才推出市场，这时很可能遇上中国企业清库存，导致芯片产能过剩，对半导体价格构成巨大的下行压力。

　　因此，尽管目前全球芯片荒仍然十分严重，但根据 EE Times 报道，目前多家分析机构却是对半导体产能过剩而忧心忡忡。美国著名投行摩根士丹利，早前更发表《冬天即将来临》(Winter is coming) 的报告，指出芯片行业正在进入周期的后期阶段，明年将面临艰难的定价环境。此报告一出，美国半导体公司股价应声大幅下跌。

　　由此可见，本来能作为半导体产业调制机制的中国市场，却在地缘政治的干扰下，将半导体产业的波幅扩大，不但导致今天爆发严重的芯片荒，更可能导致未来爆发严重的产能过剩。

　　半导体产业的未来，越来越难以预测

　　既然说半导体产业将要面对产能过剩，那到底目前全球范围内的芯片荒，要到什么时候才能完结呢？

　　没有人能够知道。

　　在 2021 年 8 月，包括 Nvidia 的黄仁勋、英特尔的 Pat Gelsinger 等产业大佬，也乐观地认为芯片荒将在 2022 年获得解决；但到了 10 月，产业开始转为悲观，Pat Gelsinger 就改了口风，认为芯片荒最少要到 2023 年才获得解决，而 IBM 的 Arvind Krishna，更表示可能要持续至 2024 年。

　　为什么产业会从乐观变成悲观？因为半导体产业的未来，已经变得越来越难以预测。

　　新冠病毒在多次变种后，依旧在全球各国里肆虚，8 寸产能在短期内也不见得能被解决，全球各地也出现不同程度的能源问题。但上述的问题也仅仅属于偶然事件。归根到底，数字化社会是科技发展的大趋势，但这个大趋势却完全打乱了全球半导体产业的部署。科技对人类生活的影响越深远，难免导致中美两大科技势力的关系变得紧张，并进一步破坏科技产业的调节机制。

　　如果中美之间不能互相合作，让科技产业适应数字化社会的新需求；半导体乱局将不可能得到改善，半导体产业的未来，也将会越来越难以看透。