汽车缺芯,缺到2024年

原创 芯世相 2022-12-06 13:07


本文作者:Kristin Dziczek。芝加哥联邦储备银行研究、政策和公众部门的政策顾问,她的研究重点是向低碳和自动化运输过渡的经济影响。2005-2022年,Dziczek担任非营利性汽车研究中心(CAR)的高级副总裁。在此之前,她是密歇根制造技术中心的副主任,并为美国国会、国际工会和通用汽车公司工作。


根据汽车行业数据预测公司AutoForecast Solutions的最新数据,截至12月4日,由于芯片短缺,今年全球汽车市场累计减产约418.6万辆汽车,预测今年全球汽车市场累计减产量将攀升至439.3万辆,而 2021年,因芯片短缺导致的全球汽车减产量是1050万辆


从数字变化上来看,汽车缺芯和去年相比已经极大缓解,但减产量以及各类缺“芯”停产的新闻也从侧面反映了“结构性缺芯”仍然存在,“汽车缺芯什么时候结束”成为业内人士关心的热点问题。日前,Kristin Dziczek对这一问题进行了解答,她预测汽车缺芯将至少持续至2024年


本篇报告主要包括以下部分:


什么导致了芯片危机?

汽车与芯片间的亲密关系

解析美国对于芯片供应的政策

车企对于芯片危机的思考

汽车芯片危机何时结束?

未来汽车芯片市场的八大趋势

以下是报告的编译全文:


01


多种因素共同导致了芯片危机


经常被提及的芯片危机只是汽车行业面临的供应瓶颈的一部分。

疫情扰乱了许多其他原材料和制造业的全球供应链和物流管道,企业发现在这个劳动力市场紧张的环境下,为其业务配备充足的员工是一大挑战。然而,芯片短缺仍然是头条新闻,普遍的说法是,汽车行业在2020年初疫情爆发时大幅减少了半导体订单——这也是消费电子产品等其他工业部门增加芯片订单的时候,以满足对远程办公和教育设备日益增长的需求。芯片制造商分配了产能以满足这些需求不断增长的行业,而重新分配产能以满足汽车需求还需要一些时间。

虽然这种观点是准确的,但它是不完整的。半导体供应问题的影响要深远得多,而且汽车行业半导体供需失衡的持续时间远比许多行业观察人士最初预期的要长。解决方案不仅仅是重新分配产能。

世界各地的车企仍难以疫情前的速度生产轻型汽车。图1显示了2019年1月-2022年8月美国轻型汽车的月产量。

图1

受疫情影响,汽车产量在2020年3月至6月下降至较低水平,但在当年7月至10月,产量迅速反弹至2019年的“正常”水平。然后,从2020年11月开始,供应链问题开始浮出水面,产量再次低于2019年的水平,并基本上一直维持到2022年7月。2022年8月是自2020年12月以来美国轻型汽车产量首次恢复到2019年水平。

在疫情爆发前的5年里,美国轻型汽车年产量平均为1120万辆,在2020年和2021年徘徊在略低于900万辆的水平;目前预计到2022年底,产量将略低于1,000万辆。生产不足不仅是美国的问题;全球供应链中断导致2020年、2021年和2022年全球汽车产量预计将比疫情前水平减少3500多万辆

除了汽车芯片订单量的急剧变化外,半导体行业还受到了2021年初德克萨斯州异常寒冷的天气、台湾持续干旱、日本地震后一家主要汽车芯片供应商发生火灾,以及中国和其他芯片制造国家与疫情相关的封控影响。俄乌冲突也产生了影响,因为乌克兰是世界上最大的高精炼氖气生产国,俄罗斯是铂族金属的主要生产国,这两种资源都用于半导体制造。

这些因素加在一起,继续使供应足够的产量以满足全球半导体需求变得更加困难。标准普尔全球公司估计,半导体的交货周期已经延长到疫情前的四倍之多——这意味着2022年到达工厂的芯片可能是在2021年的某个时候订购的。尽管汽车制造商报告称,半导体供应开始恢复正常,这意味着他们订购的芯片在他们预期的时间到货,但供需失衡可能会持续到2023年,甚至更久。


02


技术进步推动芯片需求增加


一辆轻型汽车可能有数百种不同的半导体,但新汽车技术的发展——如汽车电气化、先进的驾驶辅助系统(ADAS)、连接(加上网络安全)和附加的汽车自动化,意味着每辆新车都有越来越多的芯片

由于对具有这些先进功能的汽车的需求,即使保持2019年的半导体供应水平,也不足以生产今天相同数量的汽车。在2017年至2021年期间,每辆汽车的平均芯片数量翻了一番,并将继续增长。随着越来越多的汽车配备了更多的安全功能、自动驾驶能力以及混合动力或电池电力推进系统,芯片含量的增长,无论是数量还是价值都将进一步加速。

市场研究和咨询公司Gartner预测,到2030年,全球汽车芯片市场的总价值将从2020年的387亿美元增长到1166亿美元(年复合增长率为11.7%)。

半导体不仅可以实现更广泛的电气化、自动化、ADAS和安全应用,而且对车辆仪表集群、信息娱乐系统、车身和底盘应用、内燃机和传动控制都至关重要。

汽车产生的数据比以往任何时候都多,对内存、数据存储、处理和云存储连接的需求不断增长,推动了汽车芯片的需求。越来越多的汽车制造商开始转向新的汽车架构,比如包含高性能计算的软件定义汽车——Gartner预计,到2030年,该领域的价值将从2020年的0美元增长到138亿美元(Yamaji, 2022)

因此,当软件定义的汽车在未来占据主导地位时,每辆车的芯片绝对数量可能最终会减少,但每辆车芯片的总体价值预计将在本十年结束前增加


03


不同类型的芯片受到
不同竞争力量的影响


汽车半导体有很多品种,汽车需要许多不同类型的芯片来执行特定的功能。半导体主要有三类:

模拟芯片——用于在物理系统上执行某个动作(例如,用于移动挡风玻璃雨刷电机的开关);

微处理器(MPU)和微控制器(MCU)——处理数据和控制系统(如发动机控制或轮胎压力监测);

其他芯片,包括存储器,传感器,数字信号处理器(DSP)和光电芯片。

半导体在汽车上的应用范围很广,从简单的存储系统到复杂的电池管理系统,它能记下你喜欢的座位位置,管理充电、电池寿命和热变化。因此,汽车行业依赖各种不同用途的半导体类型是有道理的。

更重要的是,“车规级”为半导体的性能、可靠性和耐用性设置了很高的标准

在下雨、下雪或炎热的夏天,你不会把智能手机或电脑放在车道上。但是你车上的电子设备不仅要能承受极热和极冷的温度(-40°C到+150°C,根据汽车电子委员会,2014年)、天气事件和湿气,还要承受振动、污垢和环境中的化学物质(特别是石化物质)

此外,目前在运行的车辆的平均寿命超过12年。换句话说,车规级半导体必须比大多数消费电子产品、家用电器或其他通常在室内使用的设备中使用的芯片更坚固、可靠、耐用和强大;此外,考虑到行驶的关键安全性,车规级半导体也必须比大多数芯片更能防止电子干扰和网络安全威胁。

因此,汽车行业倾向于使用“成熟的”半导体技术,这是更经得起考验的。罗兰贝格(Roland Berger)估计,在一辆普通内燃机汽车所使用的1,000多种半导体中,95%被认为是成熟制程芯片,而在一辆先进的纯电动汽车中,这一比例约为一半。

与内燃机汽车相比,纯电动汽车的芯片组成更接近于高端笔记本电脑或医疗MRI(磁共振成像)扫描仪。现代汽车所依赖的成熟制程芯片的产能增长速度赶不上整个芯片行业的增长速度。分析人士说,成熟制程芯片产能每年增长2%,而整体半导体产能每年增长超过10%。

汽车行业的特点还包括开发周期相对较长(特别是相对于半导体行业的产品开发)严格的供应商资格认证流程长时间的生产运行(7到9年)以及需要10年以上的售后支持。在快速发展的半导体行业,这些时间线等同于多代半导体产品。

在汽车工业漫长的产品周期内,半导体制造商可能能够提供性能更强或成本更低的产品,但为了确保零部件不会失效导致事故或死亡,汽车行业必须遵守严格的质量标准、测试和认证流程。

2021年,汽车行业约占全球半导体市场的8.6%;到2030年,Gartner估计这一份额将增长到全球半导体产量的12.5%以上(Yamaji, 2022)

对于某些芯片品类,汽车是一个很小的参与者,几乎没有市场力量,但对于其他品类,尤其是模拟芯片,汽车是最大的终端市场,消耗了这些芯片大部分的全球产出(标准普尔全球移动,2022年)。从经验上看,这种市场主导地位使得汽车行业可以支配芯片供应商的条款。

但随着对芯片的需求不断增加,增加芯片容量的投资成本高昂,以及销售成熟或传统技术芯片的芯片制造商的低回报(这些芯片虽然专业,但主要是低成本产品),汽车制造商需要新的策略来确保未来的芯片供应。


04


美国对半导体供应中断的
公共政策回应


由于半导体供应紧张导致汽车产量下降,美国国防供应商也高度依赖同样的供应链,因此联邦政府试图干预以解决根本问题也就不足为奇了。

美国政策制定者长期以来一直认为半导体供应是国家安全的一个关键问题,甚至在疫情爆发、芯片供应开始限制汽车产量之前就已经如此。美国在全球半导体制造能力中的份额从1990年的37%下降到2020年的12%。

早在20世纪80年代中期,美国和日本签署了半导体贸易协定,以解决贸易不平衡和解决与日本的反倾销争端 (Baldwin, 1994; and Bown, 2021a)。在2017年至2020年期间,特朗普政府采取了广泛的贸易行动,包括主要针对中国的关税和出口管制,旨在保护美国高科技产业的国家安全,包括半导体行业。中国是半导体和半导体设备的最大消费国,也是美国半导体设备、电子集成电路和微组件的第六大来源国,是全球半导体产业的重要组成部分,而且在不断增长,也是拜登政府和特朗普政府近期半导体出口管制的主要目标。

拜登总统上任后,他的首批行政命令之一是根据14017号行政命令委托进行100天审查,其中包括对美国半导体供应的调查 (White House, 2021)

供应链100天审查报告提出了一系列公共和私营部门战略,以建立一个更“安全和有弹性的半导体供应链 (White House, 2021, p. 74)。这些措施包括促进投资、促进创新、培训半导体劳动力,以及建立国际伙伴关系以实现“友岸”半导体供应,芯片来自日本、韩国和欧盟等美国长期盟友国家和地区的制造商 (White House, 2021; and Bown, 2021b)

该报告还明确支持当时有待表决的《2022年为美国生产半导体(芯片)创造有益激励法案》。2022年8月,拜登总统签署了《芯片法案》,提供520亿美元来激励美国半导体制造业。

虽然《芯片法案》为投资美国芯片制造能力提供了“胡萝卜”,但拜登政府也加大了“大棒”的使用力度,增加执法行动和出口控制,以保护美国认为对国家安全至关重要的半导体技术。

2022年6月,美国工业和安全局(BIS)宣布实施更严格的出口管制,以保护敏感技术。2022年8月,BIS禁止出口美国认定对美国国家安全至关重要的四种技术。2022年10月,美国颁布了额外的出口管制,随着企业努力遵守新规定,中国半导体行业发生了迅速变化。

供应链报告的建议和《芯片法案》的资助解决了许多限制美国汽车制造商芯片供应的问题,但这些政策都不能迅速或彻底地解决当前的供应危机。对新芯片产能的投资可能需要三到五年时间才能投产,而投资美国生产基地的公司更有可能是为了获得更高的收入和尖端技术,而这些技术只能解决美国汽车制造商的部分问题。

《芯片法案》的520亿美元是一笔可观的资金,汽车业对划拨20亿美元用于成熟技术产能扩张表示欢迎。然而,半导体制造投资规模如此之大,这笔资金可能不足以扭转美国芯片大规模生产的局面。


05


汽车行业对
半导体供应中断的反应


汽车产业并没有等待政府解决半导体危机的方案。

鉴于汽车行业在未来汽车技术中对半导体的依赖程度越来越高,汽车制造商和供应商正在采取多种战略,以更好地定位自己的公司。

疫情的市场混乱和汽车技术含量的增加突然使半导体成为与电池原材料同等重要的战略投资。这一转变使得汽车制造商和供应商争相重建缓冲库存,通过合作和合资企业来占用专用产能,并围绕在汽车上使用的不同芯片的数量和类型重新考虑自己的战略。

第一个策略是将不同类型芯片的数量精简和合理化,以减少数量。这一战略使半导体供应商的购买力更大,促进汽车制造商、供应商和半导体生产商之间的伙伴关系,甚至可以促进共同投资,以确保该行业未来的芯片供应。共同投资和合作战略还将提高汽车行业在半导体供应链中的可见度,这可能会改善汽车产量规划。

其次,据几位业内人士透露,汽车制造商和供应商正在通过限定多个供应源,为半导体供应设计提供灵活性。供应商资格认证过程成本高昂,可能需要数月时间,而且不仅每个产品和公司都必须完成,每个制造地点也必须完成。如果一家公司或一个国家面临自然灾害或地缘政治不稳定等挑战,通过预先确定更多的供应商,汽车工业生产商可以更容易地在可用的供应商之间切换。

最终,汽车制造商将在前面提到的软件定义的汽车中实现更大程度的软件和硬件集成。这些更灵活的架构的出现意味着用更多高性能的计算模块取代多种半导体。虽然这一策略改变了所用半导体的类型,但它可能不会减少每辆汽车的半导体总价值。

在高性能计算所需的先进半导体市场中,汽车所占的份额要小得多,由于其他行业的芯片需求,汽车行业将继续面临价格和配置压力。然而,汽车制造商和零部件供应商可能会意识到在软件定义车辆中使用更少的线束和更少的铜含量的效率。虽然一些汽车制造商现在已经在市场上销售这类汽车,但这种汽车架构要想在美国市场占据主导地位还需要10年甚至更长时间。


06


前    景


汽车半导体短缺何时结束?

不幸的是,这很难说,因为供需动态都在持续变化,而一系列公共政策和行业应对措施将需要时间才能发挥作用。

总体而言,随着生产和需求更加平衡,订单更准时地到达工厂,半导体供应中断正开始缓解,但交货期继续延长。大多数行业预测人士认为,半导体供应将在2024年底恢复“更正常”。然而,半导体供应链很长,容易受到多种因素影响,包括疫情及其应对措施的持续不可预测性。

全球半导体产业正处于快速扩张时期。公司正在世界各地进行投资,几家大型国际公司最近宣布了在美国建立半导体制造能力的计划。例如,台积电正在亚利桑那州菲尼克斯市外建造一座价值120亿美元的制造设施——fab 21,计划在这里建造多达六家工厂。英特尔最近也宣布在俄亥俄州哥伦布市附近投资200亿美元。其他许多公司也在考虑在美国扩大芯片制造能力的投资。

这些投资有一个共同点,那就是它们都是为了尖端的先进半导体生产。汽车工业依赖于使用这些先进设计架构和流程生产的一些芯片。

然而,正如前面所解释的,更多的汽车芯片是使用成熟工艺制造的。在新芯片制造工厂的成本可达100亿美元以上的半导体行业,相对而言,更多的投资将投向先进工艺芯片的产能扩张,而非成熟工艺,因为较低成本半导体产品的前期投资更难摊销。

半导体行业的理性投资优先顺序意味着,汽车行业可能需要更快地转向更先进、更昂贵的芯片品类,或者共同投资扩大成熟或传统技术芯片的生产能力。对于某些应用,只有成熟技术芯片才可以。

以下是一些可能影响未来汽车半导体市场和汽车供应状况的其他趋势:

芯片以外的干扰

尽管2021年全球产量下降主要是由于半导体短缺,但2022年的短缺涉及更广泛的零部件。随着一系列天灾人祸的发生,汽车工业复杂的全球供应链似乎总是受到某种东西的困扰。这样的供应链中,在疫情之前,管理中断是很常见的。现在,这些干扰更加频繁和持久,因此,企业调整以维持其生产水平变得更具挑战性。

贸易紧张

美国的关税和出口限制,以及其他国家的贸易行动,都可能扰乱半导体生产。很难预测下一个影响半导体产业生产能力的贸易争端会在哪里发生。

地缘政治紧张局势

俄乌冲突导致欧洲资源和能源供应中断,可能会影响汽车零部件生产。

跨行业竞争持续

这场危机的起源可以追溯到电脑和手机等其他行业的需求上升,这导致芯片制造商重新分配产能。在各种现代化产品中,芯片需求的起伏将继续影响汽车半导体的价格和供应。

没有足够的芯片来制造芯片

即使是制造半导体制造设备的公司也发现很难找到足够的芯片来满足他们的需求。随着产能扩张和投资增加,这些关键产品生产商的芯片短缺可能会阻碍该行业满足未来生产需求的能力。

不均匀的投资

半导体投资经常吹捧新的晶圆制造或代工工厂,但随着对这些高利润生产商的投资增加,并非芯片供应链的所有部分都在以相同的速度扩张。从事封装、测试和其他业务的利润较低的公司目前可能没有分配足够的资本来抵挡未来的下游生产瓶颈。

美国制造业劳动力面临挑战

制造商报告说,在寻找足够的工人进行生产方面面临挑战,半导体工厂也不例外。制造业劳动力市场的持续紧张和限制移民的政策可能会进一步挑战美国半导体行业快速扩张产能的计划。

繁荣和萧条

目前半导体行业前所未有的投资水平和政策关注度很可能超出预期,导致供应过剩和价格下跌。尽管充足的供应和低廉的价格将有利于汽车等芯片消费行业,但市场低迷可能会限制芯片制造商的投资能力,让他们在下一次供应中断之前做好准备。




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