芯片荒,宿命難違?

2021 年,蘋果繼續蟬聯著名顧問機構 Gartner的“供應鏈大師”(Supply Chain Master) 的榮譽。而蘋果 CEO 庫克 (Tim Cook),也被美國福布斯 (Forbes) 譽為“供應鏈達人”(Supply Chain Guru)。

[第一時間]全球供應鏈緊張 芯片短缺 韓國第三季度汽車產量降至13年來新低

作者/Odin Asgard

雖然蘋果擁有如此優秀的供應鏈管理,全球電子元件供應商往往也會向蘋果優先供貨。可是, Odin 在蘋果上一季度財報分析里提到,蘋果即將要面對嚴重的供應鏈問題。另外,據彭博消息也指出,蘋果將因為芯片不足而將下季度  iPhone 訂單削減了 1000 萬台。JP Morgen 和 Needham 兩大投行均發出報告,擔心蘋果 iPhone 的銷量與業績,會受到芯片荒的拖累。

就連蘋果也受到芯片荒的拖累,可見目前芯片短缺問題已達到非常嚴重的程度。但到底有多嚴重?

圖片來源:Bloomberg。

圖片來源:Bloomberg。

據彭博報道,一般芯片的備貨時間約為 10~15 周(上圖),但目前已經增加至 20 周以上。而汽車用的微控制器芯片,一般備貨時間約為 6~9 周,但目前的備貨時間卻在 26.5 周以上。因此,特斯拉的 CEO 馬斯克已在Twitter表示,目前產業的驚慌程度,就如疫情期間搶衛生紙一樣瘋狂;而來自高盛證券的報告更表示,全球有169個行業受到了缺芯的影響,甚至連肥皂的生產都受到了影響。

然而,為什麼突然出現這麼大規模的芯片荒呢?

內容大要:

雖然一連串偶然因素,導致芯片荒發生,但實際上芯片荒是周期所導致;

半導體產業的特性,逼使產業必須準確預測未來需求,才能確保芯片供應正常;

物聯網等全新的科技發展,使產業越來越難預測未來的需求;

大範圍的有形之手,不但擾亂了產業的自我調節,並進一步擴大波幅;

未來芯片供應問題只會越來越嚴重,全球科技產業的發展,也將更難以預測。

芯片荒:一切真的只是偶然事件?

最初,不少人把芯片短缺問題,歸因於各種偶然事件,包括貿易戰、全球新冠疫情、以及一連串的天災人禍(例如瑞薩廠房火災、德州大停電以及中國台灣的旱情等)。可是,儘管我們把芯片荒的問題推到運氣之上,全球科技產業在應對上述偶然事件時,同樣也有各種不當。因此,美國戰略與國際研究中心 (CSIS) 戰略技術項目高級副總裁兼主任 James Lewis 曾表示:

糟糕的決定、糟糕的運氣、以及需求增加,三者疊加在一起,然後芯片就短缺了。

但在各種偶然事件當中,新冠疫情往往被視為最重要的因素。誠然,2020 年全球疫情開始爆發,不少地區都進入封鎖狀態,不但影響國內的消費市場,也影響全球供應鏈運作。因此,不少企業紛紛下調銷量預測,減少訂單。沒想到疫情對消費市場的影響比想象中的少,而各國政府為疫情而推出各種救市方案,反而刺激了需求增長。

圖片來源:Fusion Worldwide。

圖片來源:Fusion Worldwide。

據汽車一級供應商大陸集團 (Continental) 內部消息指出,當他們在去年年初按着當時銳減的汽車銷量數據,以及相應減少的車廠需求,規劃了 2020 的規劃。就在此時,因疫情激發的大量在線辦公需求激增,全球個人出貨量不降反增,結果,芯片供應商相應減少了汽車芯片的排產計劃,並把產能轉移到了手機、電腦這些使用量大的消費電子領域。

然後車市在 2020 年下半年迅速反彈,車企不得不突然增加芯片訂單,讓上游供應鏈措手不及。

但與此同時,在 2 月美國德州大停車,導致重要的汽車芯片供應商德州儀器 (TI) 產能受到一定影響;然後到了三月,日本汽車芯片製造商瑞薩 (Renesas) 廠房大火,接着是台灣接連發生大停電以至大幹旱,進一步影響芯片生產。

據 IHS 數據指出,2020 年汽車行業對半導體的實際需求,比疫情前的估算落後了大約 15%,在嚴重的落差之下,多家車企不得不暫時停產或減產。畢竟,汽車業是歐美重工業的核心,停產消息使各國政府為之心悸。因此,據消息指歐美政府紛紛出手向芯片生產商施壓,成功逼使芯片生產商優先考慮汽車芯片。然而,這也打開了“潘朵拉之箱”,把芯片荒波及至使本來供應就十分緊張的其它產業。

芯片荒,宿命難違?

全球產業遇上的芯片荒,真的就是這樣一連串偶然事件所導致嗎?誠然,上述不少偶然事件,往往只能帶來一季左右的短期影響;即便偶然事件嚴重如新冠肺炎疫情,也在歐美政府放寬封鎖、和各種寬鬆的經濟政策,得到很大的舒緩。

既然如此,為什麼不少業界人士都在哭着要芯片?為什麼英特爾新任 CEO 也表示,芯片荒最少要在兩年後才能解決?

危機,早已潛伏於半導體產業之中

誠然,不少半導體產業的分析師早就指出,目前出現芯片荒很大程度上是必然結果。Gartner 研究副總裁盛陵海接受媒體採訪時表示,半導體產業向來每隔兩至三年,就會出現一次周期,而目前正處於一個供不應求階段,所以目前的芯片荒其實是正常現象。而同樣來自 Gartner 的分析師 Koray Köse 也表示:疫情其實只是壓死駱駝的最後一根稻草 (just the last drop in the bucket) 而已。

芯片產業平均每三年,就會遇上一次周期性需求同比激增(紫色折線圖)。圖片來源:Kearney。

芯片產業平均每三年,就會遇上一次周期性需求同比激增(紫色折線圖)。圖片來源:Kearney。

為什麼半導體產業有三年周期之說(上圖)?全球科技企業是否什麼都不能做,只能坐等周期完結?要了解問題的關鍵,我們必須從供應鏈運作的特性入手,探討什麼是半導體周期到底從何而來。

事實上,供應鏈的利潤來自產能,而供應鏈的最大產能,則取決於供應鏈的生產線規模。而供應鏈的生產線規模,則源自企業在機器和廠房等的前期投資。換言之,只要供應鏈願意在前期花更多的錢去投資生產設備,產能就能輕鬆上升了。可是,倘若遇上產品需求銳減,即使半導體產業在這時候減少產能,但已經花費的前期投資不可能回收,這將嚴重影向供應鏈的盈利能力。

上述的現在,在半導體產業就更為更為明顯。畢竟芯片需要高度技術,也必須使用頂尖的生產設備,所以需要巨大的前期投資。以中芯國際為例,他們在半導體產業的地位,遠不如台積電、三星或英特爾;但據報道指出,他們在 2019 年建造一家新的晶圓廠,總投資額仍然高達120 億美元。想象一下,如果中芯國際無法榨光這條生產線的產能,巨額投資可能化為烏有。

可見,產能利用率就是芯片代工廠的生命線:產能利用率過高,無法實現營收最大化;產能利用率過低,則無法實現利潤最大化。因此在最近 10 年,大部分生產芯片的晶圓廠,產能長時間處於 80% 以上,所以芯片代工廠往往缺乏充足的後備產能,能在短時間內增產。倘若遇上了芯片荒,這些芯片代工廠必須再次投入大筆前期資金,建設全新的生產線。

芯片荒,宿命難違?

問題是芯片生產線高度技術密集,所以要重新建設這樣的一條生產線,仍然需要耗費不少時間。據中國半導體行業協會指出,建造一個大型晶圓廠,需要一到兩年的時間,絕不可能在短時間內,滿足突然出現的芯片需求。

由於晶圓從決定增產到付運芯片之間,有着相當大的時間差;科技產業也不可能按着當下的經營環境,實時調整芯片需求;他們只能預測未來的市場趨勢,並提早大約一年,向半導體產業提出需求。但人類畢竟無法準確預知未來,當產業預測錯誤芯片供應變得緊張,他們就會趕緊追加訂單;但追加的訂單並不能立即滿足需求,反而在一至兩年後才付運之時,芯片產能卻會諷刺地變得過剩。

這就是半導體產業所謂的“三年周期”的由來。

問題的真正根源:芯片需求越來越難預測

既然半導體產業每隔三年,就會有一次芯片過剩/不足的現象,那為什麼這次芯片荒卻導致全球產業鬼哭神嚎,就連供應鏈大師蘋果也不能倖免?問題的關鍵,在於全球科技產業的發展,日益變得更難以捉摸,產業再也無法準確預測未來的需求。

剛才 Odin 就曾提到,科技產業只能通過未來科技趨勢,預測未來數年的芯片需求。而這個預測的準確程度,將會決定未來數年的芯片供應水平。在過去的十年,就連傻子也知道移動計算是全球科技的大趨勢;所以科技產業只要跟着摩爾定律的路線,追求最先進的製程,開發更高性能、更低功耗的芯片,整個產業都會搶着購買,這時即使躺着也能賺錢。

但在 2019 年開始,形勢卻完全不同了。關鍵在於 5G 開始普及后,帶來了由人工智能、大數據、雲計算、物聯網等新式智能技術,構成出全新的數字化社會 。

芯片荒,宿命難違?

以往只有手機和電腦需要芯片,但當我們進入數字化社會之後,不但汽車需要芯片、智能工廠需要芯片、農場也需要芯片,所以整個產業預期數字化社會必然帶動更多的芯片需求。但產業沒想到的是,數字化社會遲遲未有到來:AR/VR 依舊是畫餅,智能工廠發展緩慢,智能家居更被視為偽需求。有業界人士更表示,到現在全球物聯網裝置數,就只有 110 億個,僅達到原來預期的 22% 而已。

可是,儘管數字化社會遲遲未有來臨,但產業卻不得不跟進全新的發展趨勢。

明明消費者老是說對 5G 沒啥用,但畢竟根據信通院數據,中國的 5G 手機銷量佔比已高達 70%;可見 5G 手機再沒用,消費者卻只願意買 5G 手機。同樣地,明明消費者老是憂慮電動車的續航力不足,但據消息指出,電動車在 2021 年上半年賣得樂呵呵似的,在頂級汽車市場同比增長 160%,佔全球汽車市場銷售額的 26%。

儘管汽車芯片銷量因缺芯問題遠低於預期,但其它芯片銷量仍高出疫情前預計。圖片來源:McKinsey,翻譯:虎嗅。

  儘管汽車芯片銷量因缺芯問題遠低於預期,但其它芯片銷量仍高出疫情前預計。圖片來源:McKinsey,翻譯:虎嗅。

整個科技產業,都知道數字化社會就是未來,但無奈這些技術也實在太新鮮,產業沒有足夠經驗和數據,因而無法準確預測這些新技術的發展速度;再加上新冠疫情的干擾,估算時就更容易出現誤差。

結果,去年絕大部分的科技產業,通通低估了相關芯片的需求增長(上圖)。

以個人電腦為例,聯想全球供應鏈首席轉型官徐赫曾透露,最初在疫情爆發后,大眾對市場仍然悲觀,但他們後來發現零碎的需求不斷湧現,所以他們不得不快速調整供應鏈。事實上,當時的科技產業低估遠程辦公和線上教學的潛力,沒想到個人電腦在疫情期間發揮了重要作用,銷量因而不跌反增,更錄得同比 10.4% 以及 32% 的高速增長(Gartner 數據),遠遠超出電腦產業原來的預計。

可是,半導體產業所面對的真正的困難,是數字化社會竟然逼使他們集體開倒車。

數字化社會,打亂了半導體產業的部署

今天媒體提到芯片戰爭,往往以為就是各種高大上的 5nm、EUV、FinFET 等頂尖先進製程技術的戰爭;產業之間爭相開發比新冠肺炎病毒還要小的納米級工藝。可是,我們目前面對的芯片荒,卻不是這麼高大上的工藝。事實上,目前芯片荒的真正重災區,卻是那些 90nm 以上、製程工藝相對落後的基礎芯片;而生產這些基礎芯片的生產線,用的也同樣是相對落後的 8 寸晶圓生產設備。

芯片荒,宿命難違?

近年,全球科技產業均向移動化發展,追求更低功耗、但更高性能的手機和電腦芯片;芯片生產商為了追求更高的利潤,紛紛發展直徑更大的晶圓生產技術。因此,至今大多數最頂尖的先進製程芯片,均採用最先進的 12 寸晶圓生產線,並紛紛淘汰這些舊式的 8 寸晶圓生產線;還未淘汰的 8 寸晶圓廠,只用來生產相對落後的成熟製程芯片。

沒想到數字化社會概念興起,卻為不斷追求先進製程的芯片產業,重重踩了一腳剎車;偏偏芯片產業卻來不及剎車,直接被這個時代甩開了。

芯片荒,宿命難違?

雖然雲計算服務器需要高度計算能力的芯片,但卻對終端設備的性能要求卻大為減少。儘管智能家居讓全屋家電也變得更智能,但家電所用的芯片往往就是模擬芯片、傳感器芯片、相機感光元件等對製程要求不高的基礎芯片。在這時候,科技產業才發現數字化社會的確帶動了芯片需求,但這些芯片並不需要太高的性能,也用不上最頂尖的先進製程,用舊式的 8 寸晶圓生產就能滿足需求(上圖)。

然而,一切已經太遲了。

當整個產業發現 8 寸晶圓需求暴增之時,頓時手足無措,因為他們早就把這些舊式生產線淘汰了。自 2016 年開始,整個半導體產業就一直研究如何增加 8 寸晶圓的產能;但直到新冠疫情爆發前夕,舊式的 8 寸晶圓產能仍未能解決。畢竟根據東方證券的研究指出,市場上已經沒有多少台能生產 8 寸晶圓的二手設備,增產的空間十分有限。

結果,目前在芯片荒里哭得最慘的汽車產業,絕大多數就是缺少 8 寸晶圓生產的芯片;即使最先進的蘋果的 iPhone 供應鏈,也不能倖免。事實上 iPhone 就是因為改用了 5G,而 5G 手機比 4G 手機需要更多的電源管理芯片,而這些電源管理芯片偏偏也是來自 8 寸晶圓,所以他們也遭到 8 寸晶圓產能不足的威脅。

長遠來看,各家企業最終也得把舊式芯片,往更先進的 12 寸晶圓轉移;但儘管 8 寸晶圓絕不再是科技產業的未來,在目前而言, 8 寸晶圓有着巨大的成本優勢,仍然是物聯網芯片的“現在”。可見,儘管新的科技帶來了新的芯片需求,但這個詭異的需求,完全超出整個半導體產業的預料,更打亂了他們持續二十年的部署。

一紙禁令,摧毀了產業的自我調節機制

雖然,半導體產業一直苦於 8 寸晶圓的產能不足,但多年來他們通過不斷調節生產計劃,仍然勉強應付下來。沒想到美國前總統特朗普的一紙禁令,不但使中國的半導體產業陷於困難局面,也同時擾亂了產業的自我調節機制。

美國著名諮詢機構科爾尼 (Kearney),先前曾在報告上發出警告:

半導體價值鏈是世界上最複雜和最分散的價值鏈……但在目前東西方的緊張局面下,我們的全球化格局正在消失。產業在未來要準確計算供需關係,必須考慮以下的複雜關係:

全球半導體需求的分化和孤立:目前,中國市場消耗了 50% 以上的半導體產品,但當全球局勢變得緊張,許多半導體製造商可能將會失去中國市場。跨地域的平滑效應不復存在(註:指中國市場會消化過剩的芯片產能),未來產業在需求上將更容易受到衝擊。

各國的自給自足的策略,將導致半導體供應鏈斷裂:目前地緣政治局勢,逼使半導體產業從全球合作,改為追求自給自足……這不僅使產業難以利用不同國家的比較優勢,追求更佳的生產效率和成本效益,當遇上需求上行周期時,供應短缺情況也會更為嚴重。

無疑美國在半導體產業上有着絕對領先的地位,儘管中國在短時間內也無法實現自給自足;但這不代表美國的科技產業,就不需要中國的支持。雖然每個國家均希望可以在半導體上實現自研自給,無需依賴別人;但半導體是一個過於龐大的產業,沒有一個參與其中的國家,能夠獨善其身。

芯片荒,宿命難違?

事實上,由於美國限制中國取得最先進的芯片生產設備,中國半導體製造商近年只能苦苦經營,選購其它產業不要的二手 8 寸晶圓設備。偏偏由於中國近年大力發展半導體產業,據日經新聞消息,目前接近 90% 的廢舊設備已被運往中國,二手 8 寸晶圓生產設備價格已經大幅飆升,導致其它國家想為 8 寸晶圓增產,也相當不容易。

正如 Odin 先前提到,目前芯片荒的重災區就在 8 寸晶圓;但即使各國正加緊增加  8 寸晶圓產能,由於市場能生產 8 寸晶圓生產線不多,增產的空間十分有限。沒想到中國的半導體產業相對落後,反而保留了大量舊式的 8 寸晶圓產能。

中國是近年唯一一個在 8 寸晶圓產能上快速增長的地區。圖片來源:SEMI via Applied Materials。

中國是近年唯一一個在 8 寸晶圓產能上快速增長的地區。圖片來源:SEMI via Applied Materials。

據國際半導體產業協會 (SEMI) 的報告指出,中國內地的 8 寸晶圓產能將在 2021 年底,將佔全球 8 寸晶圓市場的 18% 份額,成為全球最大的 8 寸晶圓生產國。當然,佔全球18% 的產能,並不足以控制整個市場,更何況目前全球最大的 8 寸晶圓生產商,仍然是中國台灣的台積電。

可是,中國目前的 8 寸晶圓產能,卻對於宣洩目前的芯片荒有巨大的作用。路透社早前報道,一家汽車製造商因為美國的制裁關係,嘗試將芯片生產從中芯國際轉移到台積電,結果導致台積電爆單。有供應商高管曾對路透社表示,他們找到可以使我們不依賴台積電的替代方案,但最終卻發現替代晶圓製造商,卻沒有可用的產能。

對制裁的恐懼,擴大半導體周期的波幅

諷刺的是,本來美國各種制裁的目的,是要保持美國半導體產業的領導地位,但沒想到這樣的制裁,卻破壞了半導體產業賴以調節產能的合作機制,導致供應端的自我調節機制無法運作。

但更諷刺的是,中國對芯片的需求,本來也可以調節半導體需求的周期性波幅,但美國的制裁反而卻放大了半導體周期的波幅,進一步使整個產業陷入不穩定性的狀態。

事實上,近年中國的科技產業快速發展,對半導體的需求也快速增加。據統計指出,中國在 2019 年已佔據了全球 53% 的購買量(下圖);可見即使半導體產業真的出現產能過剩,快速增長中的中國的科技產業,也能過剩的產能通通吃下來。

全球半導體購買量佔比。中國(紅色)在 2019 年已佔全球一半以上的份額。圖片來源:Semiconductor Digest。

  全球半導體購買量佔比。中國(紅色)在 2019 年已佔全球一半以上的份額。圖片來源:Semiconductor Digest。

事實上,近年中國的科技產業高速發展,對半導體的需求也飛快地上升。據統計指出,中國在 2019 年已佔據了全球 53% 的購買量(上圖);即使半導體產業真的出現產能過剩,進入快速增長期的中國的科技產業,也能消化過剩的產能,將半導體的價格穩定下來。

但自 2019 年開始,美國多次制裁中國科技企業,使各家公司也成為驚弓之鳥。華為輪值董事長徐直軍就曾表示,儘管中國企業原來一直在追求零庫存,但在制裁的恐慌之下,多家中國的科技公司不得不大幅增加芯片庫存,部分公司的庫存量達到半年以上。

目前中國的半導體需求,佔了全球市場的一半以上;但根據中國海關數據顯示,去年中國半導體進口量,在制裁的壓力之下飆升 15%。美國的制裁到底為目前的半導體產業增加了多少負擔?可想而知。

當然,如果說中國企業增加芯片庫存,導致芯片價格飛漲;這對半導體產業來說,不一定就是壞事。畢竟據報道指出,由於芯片短缺導致價格激增的關係,台積電、三星等半導體產業在今年創下了銷售額新紀錄。問題是在芯片庫存增加的相反方面,卻也代表了未來的芯片需求,可能因為中國企業需要清庫存而急劇減少,半導體產業很可能不得不面對芯片產能過剩的困境。

畢竟芯片屬於高科技產品,具高度時效性,中國科技產業總不可能長期囤着不用。因此,這一大批的庫存芯片,在短期內最終還是要消化掉;這將使未來一至兩年內,中國的芯片需求大幅下滑。但與此同時,各國的半導體產業卻在歐美政府的壓力下不斷增加產能,但新增的產能卻只能在一年後才推出市場,這時很可能遇上中國企業清庫存,導致芯片產能過剩,對半導體價格構成巨大的下行壓力。

芯片荒,宿命難違?

因此,儘管目前全球芯片荒仍然十分嚴重,但根據 EE Times 報道,目前多家分析機構卻是對半導體產能過剩而憂心忡忡。美國著名投行摩根士丹利,早前更發表《冬天即將來臨》(Winter is coming) 的報告,指出芯片行業正在進入周期的後期階段,明年將面臨艱難的定價環境。此報告一出,美國半導體公司股價應聲大幅下跌。

由此可見,本來能作為半導體產業調製機制的中國市場,卻在地緣政治的干擾下,將半導體產業的波幅擴大,不但導致今天爆發嚴重的芯片荒,更可能導致未來爆發嚴重的產能過剩。

半導體產業的未來,越來越難以預測

既然說半導體產業將要面對產能過剩,那到底目前全球範圍內的芯片荒,要到什麼時候才能完結呢?

沒有人能夠知道。

在 2021 年 8 月,包括 NVIDIA 的黃仁勛、英特爾的 Pat Gelsinger 等產業大佬,也樂觀地認為芯片荒將在 2022 年獲得解決;但到了 10 月,產業開始轉為悲觀,Pat Gelsinger 就改了口風,認為芯片荒最少要到 2023 年才獲得解決,而 IBM 的 Arvind Krishna,更表示可能要持續至 2024 年。

為什麼產業會從樂觀變成悲觀?因為半導體產業的未來,已經變得越來越難以預測。

新冠病毒在多次變種后,依舊在全球各國里肆虛,8 寸產能在短期內也不見得能被解決,全球各地也出現不同程度的能源問題。但上述的問題也僅僅屬於偶然事件。歸根到底,數字化社會是科技發展的大趨勢,但這個大趨勢卻完全打亂了全球半導體產業的部署。科技對人類生活的影響越深遠,難免導致中美兩大科技勢力的關係變得緊張,並進一步破壞科技產業的調節機制。

如果中美之間不能互相合作,讓科技產業適應數字化社會的新需求;半導體亂局將不可能得到改善,半導體產業的未來,也將會越來越難以看透。