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是谁导致了全球芯片荒?有解决方案吗?

时间:2022-05-20 08:25:33 作者:Bill Schweber 阅读:
除了等待新的晶圆厂上线,您对于IC短缺的原因和解决方案有什么看法?您认为电路重新设计是一种可行的方法吗?系统或整体的产品重新设计可行吗?使用更少的IC呢?其它方法可行吗?或者我们应该再等等?
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“芯片”(chip)短缺的问题备受全球关注,对此,业界专家、顾问、名嘴和分析师们都在解释可能的原因。如同往常一样,他们既对也错,因为芯片短缺的问题有着多种原因和复杂的解决方案,并非是有哪一方造成的。无疑地,你应该已经听过他们的说法了,而且还加入了自己的评估和观点。

事实上,要增加目前所需求的集成电路(IC)供应,就只能藉由建造新的晶圆厂来实现——但这毕竟是一个非常昂贵的过程,而且要花上两到三年的时间才能完成。另一个方式是藉由将产品组合移植到体积较小或是生产步骤较少的IC。

以模拟为主的IC在晶圆厂生态系统中占据了一个有趣的利基点。有些分析师认为,车用IC短缺的部份原因在于——现实中,许多此类IC利用较大几何工艺在较旧也较小的晶圆上生产的,而且是在产能有限的较旧晶圆厂生产。其他人则声称问题出在对于高阶处理器和高性能数字IC的需求不断地消耗新晶圆厂的产能;此类IC所用之处囊括个人计算机(PC)、智能手机、服务器和数据中心等。

总而言之,模拟和相关的传统IC对汽车制造商和其他厂商的困境负有责任,也可说不用负责,您可以自行决定选边站,或者两者可能都算。

请注意,尽管汽车厂商大声疾呼“求援”,事实上,他们在整体IC市场的实际占有率却只在5%和10%之间而已,这要取决于您是否是按照美元或单位来衡量。当然了,汽车有非常大的乘数效应(Multiplier Effect);如果一辆车子因为没有IC而无法完工,那么就会有很多几近完成的相关产品堆在仓库里。

若干“快速”解决方案

由于新的晶圆厂产能无法快速上线,下一个问题是:那该怎么办?我读过大部份是属于轶事的报导,内容关于有若干厂商重新设计其产品,以便能使用取用性较高的IC,但我对此抱持怀疑态度。首先,如何保证此类IC仍然可以取用?其次,要重新设计或移植甚至是一个简单的设计(即使理论上如此),在实践上也并非微不足道。几乎所有的设计都存在布局的问题,以及电磁干扰(EMI)、封装、质量认证和其它令人不悦的意外,即便是简单的“重做”(re-do)也是如此。

为了解决这个问题,一家汽车制造厂声称将改用机械式的模拟里程计来代替数字读取(Digital Readout)。同样地,我也质疑这样的行动,因为如此一来对于物料清单(BOM)变更、相关控制面板零件和配件、组装程序等等的“涟漪效应”(The Ripple Effect)必定是非常显著的。

关于电子产品业者如何应付短缺的问题,也有一些立足点相互矛盾的故事。一篇知名的文章描述家用电器制造商正把重心放在其较为低端的机器,因为此类产品所需的IC比较少。因此,他们可以快速完工并出售产品。另一篇文章则声称,汽车厂商正为较高阶且昂贵的车辆保留有限的IC供货。我想这两个报导都可能都是事实,因为电器和车子是非常不同的产品,而且有各自不同的客户情况。

有其它替代方案吗?

既然几乎每个人似乎都有自己的答案,那么我分享我设想的解决方案:也许在设计时不要把低阶IC放到其实不需要它们的产品中,藉以释放晶圆厂的部份产能。在很多情况下,通常添加电子组件,尤其是加入IC的话,即能让设计人员增加功能和特性,然而成品实际上对于客户而言并没有更大的用处,只是多了些附加功能而已。

这方面的例子很多,包括从小型到中型产品:其中有一个1小时的基本的发条式定时器(8美元)。它使用起来非常简单,完全不需要电池,而且对于大部份的家用而言就够准确了(图1)。

图1:这款简单、机械式弹簧驱动的1小时定时器只有一种功能,这在许多情况下是件好事。(来源:Wayfair)

还有这个配备发条定时器的基本非电子式小烤箱也仍然受到广泛的使用,其标价为35美元(图2)。

图2:这款Black & Decker小烤箱已经生产了几十年,几乎没什么变化;它直接且完全地从交流(AC)电源线供电,而不使用任何电子产品。(来源:Target)

另一个例子是1970年代经典的Maytag A608洗衣机。一些洗衣机爱好者将它视为同类产品中最可靠的机器(图3)。它使用了开关和继电器、没有电子产品,典型使用寿命为25年。大部份此类洗衣机所需的维修是每7年到10年更换一次马达和滚筒之间的传动皮带(使用维修服务需要花100美元,如果您自己动手的话,则只要花15美元和30分钟的时间),而且它其中有许多零件或配件仍然还可以用。

图3:Maytag A608洗衣机的控制面板显示其功能上的简易性,可比拟其机电设计的方法。(来源:https://www.automaticwasher.org)

当然了,并非所有的小型非电子产品都比电子产品好。出于基本的精确度、便利性、功能和可重复性等原因,我并不打算丢弃我的电子卡尺,而换用我也留着的全机械式光标卡尺(图4)。更有趣的是,高质量光标卡尺的成本相当于基本的电子光标卡尺(20到50美元)。

图4:电子卡尺(左图)和机械式光标卡尺(右图)以大致相同的成本执行同样的基本测量功能。然而,电子卡尺更容易使用,使用者出错的可能性较低,而且还提供其它实用的功能,例如重新归零、可选择的英制/公制读数等等。(来源:Mitutoyo Corp.)

除了等待新的晶圆厂上线,您对于IC短缺的原因和解决方案有什么看法?您认为电路重新设计是一种可行的方法吗?系统或整体的产品重新设计可行吗?使用更少的IC呢?其它方法可行吗?或者我们应该再等等?

作者注:我不喜欢那些分辨不出IC和塑料块的人使用“芯片”(chip)一词来表示IC。虽然读者们知道什么是“集成电路”,很多随意使用“芯片”一词的人却不知道。这些称其IC芯片的人贬低了我们现在全都当作理所当然的这些微奇迹,并使IC听起来与薯条、木片和油漆片同等。虽然我并未低估在工厂环境中制造这些产品的时间与资源—我看过它们在工厂量产的影片,确实令人印象深刻—但是它们在设计或制造的复杂性方面根本比不上IC。

(参考原文:The IC shortage: Many causes and some solutions,by Bill Schweber)

责编:Luffy
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Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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