坊间已有很多芯片短缺相关的各种报道和分析,我也读过不少,以为已略知一二。前不久在Vox Media的一档博客Decoder中听到对哈佛商学院的供应链专家Willy Shih的访谈,全方位解读了围绕着芯片问题的各个环节,让我大受裨益,才知之前所知只是冰山一角。这差不多是我目前为止看到对当前芯片问题的最全面和深入的洞察。访谈涉及内容很多很广,因此我会分几期发布访谈的内容。

 

Willy Shih教授

 

 

一. 芯片制造供应链

芯片短缺似乎不会很快结束,而且似乎没人能预测何时会结束。因此,让我们都退一步。可否为我们描述一下到底什么是芯片短缺,到底发生了什么。

 

当我们谈论芯片时,实际上涉及很多种不同的芯片。从笔记本电脑的微处理器芯片,到手机芯片、索尼PS游戏机、电视、汽车,或冰箱里用到的芯片,等等。人们通常认为手机里可能有一到两个芯片。实际上,一部手机里有几十个芯片。而在一辆汽车中,可能要用到100多个不同的芯片来控制很多东西,如发动机、仪表、中控、导航系统或类似的东西。甚至像电动车窗这样的东西也会用到微处理器芯片,是那种很小的控制器芯片,因为用芯片控制比用机械连接成本更低。因此,到处都要用到芯片。

 

一个复杂的产品,比如汽车,需要100多个控制器芯片和各种其他类型的芯片,现在面临的问题是,只要缺少其中一个芯片,这辆车就造不成了。这就是真正的问题所在。并不是所有的芯片都短缺,只是其中一部分。而这些短缺的情况也各有不同,有延迟一天的、也有一周或一个月的,且还取决于其他行业的采购情况。所以这是一个问题,因为某些芯片的短缺,使商品无法顺利造出来。如果你是一个产品制造商,你一定会先思考这个产品是否可以顺利造出来?我有制造所需要的所有部件吗?而这正是我们现在看到的麻烦所在,因为一个芯片或几个芯片的短缺。

 

前几天有人说福特在生产皮卡时少了一些芯片,就把它们停在停车场等着芯片到位后再装上去,因为他们的产线还要继续运转,不能停线。

 

车厂是非常昂贵的资产,牵扯到数以亿计美元。你肯定要尽可能保持它的运转。如果你是一个汽车制造商,比如底特律三巨头,但你却没零件了。这些产线通常每分钟会下线一辆车,现在每辆车平均售价约4万多美元,这就意味着每分钟他们都在损失4万美元的销售额。那是一个很大的数字。所以他们只能把这些车先开出来,停在某个地方,希望芯片到位后再迅速把它们装车。但实际上当芯片到位后,你也必须把车重新开到工厂,甚至可能不得不拆下来一些东西才能把芯片放进去。有时安装芯片的位置可能在发动机舱或仪表盘后面。因此,这是一个很大的额外工作。

 

让我们从更早的时候说起。人们常常在谈论芯片,仿佛芯片变成了一种商品似的。显然,芯片中有很多不同种类,以及来自不同工厂和供应商的不同的工艺节点。但从基础讲起,芯片是如何制造的,它们来自哪里,以及芯片的供应链是怎么回事?

 

因为当我们谈论一辆车时,他们不只是单纯地把微控制器放进发动机舱里,对吗?他们必须先把芯片组装到某种计算产品上,组装到电路板上,然后才把这些东西安装到汽车上。但是,我们怎样才能先得到一个芯片呢?这个过程是怎样的?

 

实际上有两个部分。首先是设计部分。工程师布置一个电路,晶体管和许多其他组件以特定方式连接。目前他们都是在电脑上进行设计工作,他们会用电脑软件设计芯片,然后把文件发送给制造商。

 

设计可以是只有几百或几千个晶体管的相对简单的设计,也有一个芯片中集成20亿个晶体管的非常复杂的设计。因此,当你进入那些更复杂的设计时,也有一个与此相关的供应链。因为如果你要设计一个有20亿个晶体管的芯片,坦率地说,你一次性把每个晶体管连接在正确位置的可能性是零。所以人们在现代芯片设计中常规的做法是,使用现成的IP模块,这些模块已是行业普遍认可的。所以当你决定设计一个控制器芯片,你会从像英国的ARM这样的公司那里购买一个处理单元的设计,也许你还需要USB接口的IP授权。最后,还有软件工具供应商为你提供这些库,允许你用这些授权IP模块来设计你想要定制的芯片。最后你把它送到生产芯片的工厂。所以这实际上也是一个非常复杂的供应链,有工具供应商,有IP授权和类似的东西。这是设计的部分。

 

实际的制造是从硅晶圆开始的。先在一个巨大的硅锭中制造出单晶硅,然后把它切成晶圆,最先进的是300毫米直径,或大约12英寸。当切割并抛光这些晶圆时,就得到一个完美的晶体。然后要做的是在晶圆上刻出晶体管和连接的图案。这部分的供应链也是相当复杂的。有专门制造硅锭并切割晶圆的公司,然后这些晶圆被送到那些制造芯片的巨型工厂。

 

在制造工厂,首先会在晶圆上布置晶体管的图案。需要经过光刻、蚀刻和沉积等多个工序。他们使用一系列复杂的步骤来搭建一层又一层的晶体管。然后他们会铺设一个由小铜线组成的连接网络,他们会把铜线印在上面连接所有的晶体管。在相对老的技术中,通常要经过350道工序,大概需要45至60天。而目前用在最新的iPhone、笔记本或台式机的芯片,可能多达700多道工序。

 

700多道工序,就需要每道工序都达到极高的良品率。如果第一道工序良品率是99%,第二道也是99%,这时一般人可能会想“哇,还不错啊?”但如果以99%的良品率经过700多道工序后,你就什么都不剩了。所以你真的需要在每个工序上都达到99.99%以上的良品率。因为当已经走完了第690道工序后,突然出现一个良品率低的工序,你就不得不把之前所有东西都扔掉。因此,这是一个非常严格的过程,需要很多工序,需要60天或更长的时间,让晶圆一路顺利通过每个工序。
So,这就是工厂所做的工作。现在你有了一个晶圆,如果是微处理器,上面可能排布着500个芯片。如果是汽车控制器之类的东西,可能是4000个芯片,因为它们不占那么多空间。然后会把晶圆运到东南亚或中国。封装和测试工厂会把一些小探头放在每个芯片上,测试哪些是合格的,将那些合格的录入电脑。然后他们会进行切割、封装。所以,这又是另一组专门的公司,很多位于马来西亚和越南。今早我刚听说,越南因新一波的疫情进行了严格的管控,这势必会影响到那里的很多封装工厂。

 

这些芯片被封装后,它们会被继续送到其他公司,在那里会把它们放在电路板上,或把它们直接组装成成品。有时会被送到某公司,将它们安装在电路板上,然后将电路板再送到其他公司。因此,供应链中有多个层级,从原始硅,到设计、制造、组装、测试和封装,再到电路板,等等。这是一个漫长、连续的过程,跨越了许多国家。所有当出现像新冠这样的突发状况时,出问题的机率就变得极大。

 

我想我以前从未想象过硅锭是什么样的,那是一个巨大的硅块,然后被切成片?就像字面意思一样,一块巨大的石头从一侧进入工厂,然后被切成片状后从另一侧出来?

 

他们先会进行融化。所以他们有一个用来熔化硅的大桶,然后从这个容器中取出晶体,形状有点像鱼雷。但这是一个巨大的硅锭,直径约为一英尺,或300毫米。在这个过程中会涉及许多科技含量很高的制造工艺,大部分人很少了解。

 

如果你想了解一些真正疯狂的东西,就像你和我现在正在通过平板显示器面对面,这些屏幕是用半毫米厚的玻璃片制成的,通常有一张大床那么大。而这些都是在单一的、光学上完美的板材中铸造的。康宁就有一个类似的工艺,这种熔化的玻璃从一个槽的两边流出,在槽的下面熔合,然后冷却成一个半毫米厚的光学上完美的薄片,相当于一张大床的宽度,然后机器人在它冷却的时候抓住它,用钻石切割器把它切下来。这就更疯狂了,但确实也存在着这些疯狂的制造工序。

 

在芯片制造过程中,一个芯片生产厂通常有数百个非常先进的工具。事实上,在一个大型工厂中,比如台积电,会有成千上万个这样的工具。这些工具就是处理这些晶圆和进行各种生产过程的大型设备。大多数工具的成本,最低有几百万美元的,最昂贵的工具超过1.5亿欧元。比如用于在晶圆上印刷图案的光刻机,比如iPhone中的芯片,它就要用到台积电最先进的工艺,即所谓的极紫外光光刻(extreme ultraviolet light lithography)系统。

 

为了获得极紫外光,他们会用激光气化金属锡。当汽化后的锡滴落时,他们用另一束激光器击中锡滴,产生等离子体,从而发出这种极紫外光。这很疯狂。然后它穿过这个镜子系统,因为你不能使用极紫外光镜片,你必须使用镜子将其聚焦到这些狭窄的小图案中。我曾去过制造这些镜子的工厂,镜子的表面光滑到一个原子的水平。所以当我看着这些镜子时,产线的人对我说:“你知道,如果我们把这个系统对准月球,当那束光到达月球时,它就会像(我忘记确切的数字了)20厘米宽或类似的东西。”

 

二. 接二连三的黑天鹅事件

你刚描述的是一个异常复杂的系统,其中涉及许多非常复杂的技术。我在节目中曾访谈过很多消费类电子产品行业的CEO,也和很多软件人员交谈过。我们往往会忽视,是背后这些极其复杂的制造技术,在支撑着所有的互联网和数字世界。现在问题聚焦在了芯片短缺问题上。

 

当我们谈论芯片短缺时,更多在说是新冠的影响。这仅仅是因为工厂停产后重启需要很长时间吗?是消费者对PS5的需求猛增吗?芯片短缺的诱发事件是什么?

 

当新冠来袭时,发生了几件事。让我们从汽车行业说起,因为汽车行业的芯片问题已经严重影响到了生产。此外,汽车行业的问题还会让你知道一个更广泛的事实。

 

当我们谈到汽车行业时,我们应知道中国是全球最大的汽车市场。中国每年的汽车产销量通常约为2500万辆,而美国通常为1150万辆左右,而且美国还会大量进口。因此,中国市场比美国大得多。2020年1月,中国汽车市场刚刚经历了连续两年的销量下滑。2018年销量下降了8%,而2019年也不理想。2020年1月,中国汽车工业协会预测销量将下降2%,而这是在新冠爆发之前。

 

然后新冠袭来,结果2月汽车销量下降了82%,3月下降了46%。而欧洲和美国的反应是滞后于中国的。欧洲3月的汽车销量下降46%,4月下降了80%。美国3月份下降了39%,4月下降52%。现在,我们必须回想一下当时的情况。汽车制造商,特别是底特律三巨头,都在盘算着“我们可不想破产”。销量下降,他们一定会试图节省现金开支。所以他们进行裁员,关闭工厂,甚至停止了采购。因为他们试图节省现金流,不想破产,这并不是不合理的。

 

与此同时,随着人们开始居家办公,随之出现了一波巨大的消费高峰:笔记本电脑、游戏机、平板电视、运动器材、家用电器……我那时想买一台冰柜,经销商说:“你在开玩笑吗?你没留意现在是什么情况吗?”他就像在说“我们已经好几个月没有冰柜的库存了”。而这是因为冰柜也用到芯片。

 

刚才说到车厂取消了订单,因为他们觉得不会需要所有这些芯片。回到2020年5月,当时波士顿咨询提出了这样的预测,总体而言,2020年全球汽车销量将下降14%-22%,最乐观的预测是下降12%。

 

问题是从夏天开始的,因为世界开始重启,特别是美国。车厂们猛然开始意识到,“Wow,我们需要采购更多的芯片。”但芯片的产能却已经被其他行业抢去了。所以,这是一个原因。

 

另一个原因是,美国制裁了一些中国公司,如华为。所以,中国公司在2020年夏天向芯片工厂下了大量订单,因为要囤积芯片。中国公司当时非常依赖美国的芯片。所以他们开始囤积大量的芯片,只有这样才能维持正常的经营业务。

 

制裁将在六个月后生效,届时就不能采购像英特尔的芯片了。

 

嗯,确实存在着这样的担忧。所以他们购买了很多其他芯片。

 

所以他们只是想赶在最后期限之前。

 

最后期限的威胁,或任何制裁的威胁。所以他们非常担心,因为你制裁他们,你切断了供应,他们就不能制造任何产品。
因此,那时中国的芯片需求激增,其他公司生产其他产品的需求也很旺盛。

 

然后,第三件事是我们遇到了一些真正的破坏性原因。早在2020年10月,日本半导体公司旭化成微系统(AKM),他们的工厂发生了火灾。他们是一家专业的芯片制造商,制造模拟和数字转换器以及类似的东西,用于许多许多产品。所以,那里的火灾造成了很大麻烦。然后是德州的极寒天气,恩智浦和三星的奥斯汀工厂都停产了。当你切断电力并关闭这样的工厂时(它们消耗大量的电力),你不可能用简单的发电机让它们继续运转,重启需要几个月的时间。然后在今年3月,日本瑞萨的工厂发生火灾,该工厂生产40%的车载微控制器。因此,在所有这些供需转变的基础上,你实际上是在几个小公司中占用了很多产能。同样,如果你没有这些特定的芯片,就有麻烦了。

 

火灾发生的频率是多少?我觉得因为当前的芯片短缺问题,每一次供应链中断的消息都异常让人敏感。在一个正常的年份,会发生多少这样的意外?

 

这是相对不寻常的。瑞萨现在的那家工厂就是在2011年日本东北部地震和海啸期间遭受大规模破坏的工厂。实际上,在那次停产的几个月后我拜访过那个工厂。2011年当时瑞萨工厂发生那样的突发状况时,丰田、日产和本田,通用的几条生产线,甚至欧洲PSA生产线都受到了波及。他们召集了数万人来修复工厂。但是,像丰田这样的公司就会说:”哦,我们要从中吸取教训。“他们就从此就开始保有更多的芯片库存。因此,直到最近,丰田也没有像美国车厂那样遭受重创。但一般来说,这类事是相对罕见的。