朱玉龙

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2021-12-21

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为什么汽车半导体芯片在未来 1-2 年还会短缺?

  1. 芯片
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罗兰贝格最近写的这篇文章《Steering through the semiconductor crisis A sustained structural disruption requires strategic responses by the automotive industry》,确实挺有意思。文中描述的和我们当前看到的情况有点相似。

罗兰贝格的观点主要有:

●预计全球半导体短缺将持续到 2022 年以后,汽车行业和许多其他行业的芯片危机将持续数年 - 2019 年的汽车销量下跌使得芯片供给显得充分,但 2020 年上半年剧烈收缩和后期报复性反弹,清空了整体的芯片库存,预测带来的影响会延续 1-2 年。

●从 2020 年到 2022 年,芯片需求是按照每年 17% 的速度增长(这里主要指从 2020 年 Q4 开始的),而芯片供应量每年增长只有 6%。

●汽车芯片的短缺最主要的原因:最大的短缺出现在老一代芯片上(分布式架构下的 ECU 里面的 MCU、电源芯片),以及传统内燃机汽车所依赖的传统半导体。但目前新增的产能,主要是面向新一代集中式架构(Domain 甚至是 Zone 架构)中建立起来的,从实际结果来看,新增的投资将不会给原本的短缺带来缓解。

▲图 1. 芯片供应情况(需求和供给的匹配)

芯片供需的错配

从技术来看,当前大部分整车企业的分布式汽车架构依赖于 ECU 技术,这套系统由许许多多的微控制器(MCU)所构成,每个 MCU 都只有有限的计算能力,汽车行业大概占了 MCU 的 40% 的需求。

也就是说,这几年汽车行业增加的购买 MCU 的需求,和其他行业的需求并不同步,芯片制造企业并没有动力去扩充这些旧工艺的产能。

根据罗兰贝格的调研来看,目前在消费电子设备,同样也需要越来越多地采用较老技术(40-90nm 工艺)的芯片,当然这些产能并不是用来制造 MCU 的,而是为了 3D 音频、快充和 5G 等,需要电源芯片、射频和音频半导体。

因此,在产能有限,不得不靠抢占资源的过程中,消费电子厂家,由于付钱爽快,压价低(具有更高的购买力和议价能力),会进一步放大汽车和工业芯片的短缺。

▲图 2. 不同产品的半导体制程工艺

展望未来,汽车芯片企业还发现一个最为实际的问题:汽车行业正在发生面向智能汽车的转变,过渡到新的电子架构,如 Domain 和 Zone 架构。对芯片的新增需求主要是高算力的异构计算平台取代原有的 ECU。汽车芯片厂家,会非常敏锐地关注这种转移和变化,围绕自动辅助驾驶技术,信息娱乐系统和动力系统管理,OEM 会直接找芯片供应商去谈未来的合作,自然搞得清楚哪些是暂时的需求,哪些是长期的需求。

这种内卷,最主要是新造车企业,从开始就和分布式架构的设计理念保持了一定的距离,所以可以快速往集中式架构迁移(最主要是组织形态问题),由于在分布式架构的坑里时间比较短,所以相对受芯片供应影响较小,这也使得传统 OEM 不得不拿出额外的动力向集中式架构的过渡。

备注:目前来看 2022 年 Q3 左右,三电跨域架构就出现了,2023 年年底到 2024 年初第一代具备中央计算平台的架构就能 SOP,真的很卷。

▲图 3. 不同的电子电气架构

当所有人开始从「just-in-time」切换到「just-in-case」的方式去采购芯片的时候,客观上造成了订单的拥挤,也让订单的市场化调节机制失效了,这必然会造成潜在需求巨幅波动和将来的需求低迷。

我觉得整个逻辑是这样的:
整个芯片产业,由于消费电子和 IT 技术的不断进步,使得芯片制造的产能的投资通常重点拓展前沿制造能力,从台积电和三星这样的巨头来看(还有身后的弟弟们),投资先进半导体工艺产能可以最大限度地延长资产的使用寿命,保护数十亿美元的投资,并优化降低长期制造成本。

2020-2022 年先进制造工艺的年复合增长为 26%,而汽车电子需要的工艺产能每年只有 2% 左右,这在客观上也打了汽车行业的脸 - 坚持自己的缓慢节奏,从而在芯片业不受待见。

▲图 4. 芯片整体的工艺变化

还有各种奇怪的突发事情,使半导体供应链的中断变得越来越频繁。比如各种各样的气候变化(半导体制造中心东南亚更危险热带风暴,台湾严重干旱对水密集型半成品的影响)和疫情的因素,还有政治不确定性上升等因素,这些的对半导体制造的影响越来越大。

▲图 5. 这个世界并不是风调雨顺的

中国汽车的芯片替代方案

和全世界的汽车产业问题相似的,中国也新涌现出来很多很多芯片汽车,可以用千帆竞渡来形容。

很多的公司的模式,都是从单品类开始拓展,而且围绕汽车芯片的可靠性和稳定性要求,很多都是依靠 40nm 以上的工艺来做的,这些汽车芯片的产能是有限的。甚至更为残酷的是,中国新造车企业和合资企业更内卷,除了少数底盘、安全气囊的 MCU 和安全件,好多的功能正在被快速集成。

我们可以算一算下面这些数据:

●哪些 ECU 是短期内不可替代的?他们的数量有多少,可替代的空间有多少?

●通往 Zonal 架构的 OEM 动作有多快,幅度有多深,随着一两家快速跑起来,后面的有多快?

▲图 6. 小鹏的 G9 后续的 EEA3.0 2022 年 Q3 就开始交付了
▲图 7. 传统汽车企业 EEA 架构变化也很快

小结:所以说到底,这把所有的汽车企业都在憋着做智能汽车,憋着新架构做新的东西出来,反正再怎么跑量,芯片的供应还是存在缺口的。

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