從供需視角下探討汽車“芯片荒”的破局方法

謝林君　羅穎洹　黃守道　廖小平　黃麗華

摘 要：持續(xù)三年多的芯片短缺危機(jī)，給汽車行業(yè)帶來了深刻的影響。本文從芯片分類及其制造過程、市場(chǎng)供需環(huán)境等剖析芯片緊缺原因，得出隨著新能源汽車的高速發(fā)展和汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)，汽車芯片需求將大幅上升，建議從政策層面、企業(yè)層面、政產(chǎn)學(xué)研融合方面，加強(qiáng)對(duì)國(guó)內(nèi)芯片行業(yè)的扶持與政策傾斜、加快政產(chǎn)學(xué)研深度融合，集中優(yōu)勢(shì)資源，全力推進(jìn)芯片國(guó)產(chǎn)化，助力我國(guó)從汽車工業(yè)大國(guó)向汽車工業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車芯片 車規(guī)級(jí)芯片 芯片國(guó)產(chǎn)化 半導(dǎo)體

Discussion of the Breakthrough Method of Automobile "Chip Shortage" from the Perspective of Supply and Demand

Xie Linjun Luo Yinghuan Huang Shoudao Liao Xiaoping Huang Lihua

Abstract：The chip shortage crisis lasting more than three years has had a profound impact on the automobile industry. This paper analyzes the reasons for chip shortage from the perspective of chip classification， manufacturing process and market supply and demand environment， and concludes that with the rapid development of new energy vehicles and the upgrading of automobile industry structure， the demand for automobile chips will rise significantly. The article suggests how to strengthen the support and policy incline of domestic chip industry and accelerate the deep integration of government， industry， university and research from the perspective of policy level， enterprise level and integration of government， industry， university and research. It will concentrate superior resources and fully promote the localization of chip to help our transformation from an automobile industrial power to an automobile industrial power.

Key words：automotive chip， automotive scale chip， chip localization， semiconductor

1 引言

2020年以來，新冠疫情、美國(guó)百年一遇的冰雪極端風(fēng)暴、日本半導(dǎo)體巨頭瑞薩電子發(fā)生重大火災(zāi)等種種因素疊加，全球汽車芯片供需不平衡問題嚴(yán)重凸顯。因芯片短缺，大眾、通用、福特、豐田等全球幾大頭部車企都受到了較大影響，全球的汽車行業(yè)也因此影響巨大。

以2021年為例，根據(jù)汽車行業(yè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)公司Auto Forecast Solutions發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，全球汽車市場(chǎng)因缺“芯”累計(jì)減產(chǎn)量約為1，020萬輛。其中，歐洲地區(qū)減少約300萬輛，北美地區(qū)減少約310萬輛，亞洲地區(qū)影響居首位，減產(chǎn)量超過360萬輛。中國(guó)的減產(chǎn)量約為198萬輛，約占全球汽車減產(chǎn)量的19%。

同時(shí)，汽車行業(yè)正發(fā)生著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)大變革，由傳統(tǒng)燃油發(fā)展方向向電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化和共享化（簡(jiǎn)稱“新四化”）方向快速轉(zhuǎn)型發(fā)展?！靶滤幕钡目焖侔l(fā)展使得每輛車的芯片使用種類及數(shù)量以幾何倍數(shù)迅速增長(zhǎng)，助推了全球車規(guī)級(jí)芯片的需求急速增長(zhǎng)；芯片已成為影響全球汽車產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)健康發(fā)展的關(guān)鍵因素。

2 汽車芯片產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及缺芯原因分析

2.1 汽車芯片分類

芯片，又被稱為微電路、微芯片、集成電路，是半導(dǎo)體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)分類方式可以分為：集成電路、分立器件、傳感器、光電子；按照不同應(yīng)用場(chǎng)景來分類，可以分為：民用級(jí)（消費(fèi)級(jí)），工業(yè)級(jí)，車規(guī)級(jí)，軍工級(jí)等。汽車芯片是指車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的半導(dǎo)體產(chǎn)品，一般可以分為5大類：計(jì)算芯片（大腦）、存儲(chǔ)芯片（腦皮）、感知芯片（五官）、通訊芯片（手腳）、能源芯片（心臟）等。

2.2 汽車芯片產(chǎn)業(yè)格局現(xiàn)狀

以歐、美、日、韓等為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家半導(dǎo)體前十大供應(yīng)商：恩智浦、瑞薩電子、英飛凌、意法半導(dǎo)體、博世、德州電子、安森美、羅姆半導(dǎo)體、東芝、亞德諾等，占據(jù)了全球汽車芯片市場(chǎng)的80%以上市場(chǎng)份額。其中，排名前三的荷蘭恩智浦（NXP）、德國(guó)英飛凌（Infineon）和日本瑞薩（Renesas）分別占14%、11%和10%的市場(chǎng)份額。而我國(guó)自主汽車芯片產(chǎn)業(yè)規(guī)模僅約4.5%，進(jìn)口率達(dá)90%以上。

根據(jù)IHS Markit的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年全球汽車芯片市場(chǎng)規(guī)模為374.3億美元，2021年達(dá)到了442億美元，汽車芯片在半導(dǎo)體細(xì)分領(lǐng)域中已成為增速最快的部分，預(yù)計(jì)2030年全球汽車芯片市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到1123億美元。

2.3 汽車芯片需求端分析

根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的2018～2022年產(chǎn)銷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（如下圖1），國(guó)內(nèi)汽車銷量2021年再次同比穩(wěn)步增長(zhǎng)，結(jié)束了自2018年以來的連續(xù)三年下降趨勢(shì)。2022年，國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)銷分別完成2702.1萬輛和2686.4萬輛，同比增長(zhǎng)3.4%和2.1%，保持了恢復(fù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，對(duì)應(yīng)車規(guī)級(jí)芯片需求也穩(wěn)步上升。

汽車的零部件結(jié)構(gòu)在近幾年也發(fā)生了重大變化。隨著智能網(wǎng)聯(lián)、新能源汽車的快速發(fā)展，汽車的自動(dòng)化、智能化程度不斷提高，就這要求汽車需要用到更多規(guī)格高、算力強(qiáng)的車規(guī)級(jí)芯片，汽車芯片的使用數(shù)量及種類也相應(yīng)地快速上升。根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)分析，在2017年傳統(tǒng)燃油汽車芯片平均使用數(shù)量是580顆，新能源汽車芯片平均使用數(shù)量是813顆。而2022年，傳統(tǒng)燃油汽車和新能源汽車的芯片平均使用數(shù)量提升至934顆和1459顆，分別增長(zhǎng)了61%及79%。

在新能源汽車細(xì)分領(lǐng)域，根據(jù)中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年至2022年呈現(xiàn)了指數(shù)級(jí)產(chǎn)銷數(shù)量增長(zhǎng)（如圖3），2020年國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)銷分別為136.6萬輛和136.7萬輛。到2022年，國(guó)內(nèi)新能源產(chǎn)銷分別為705.8萬輛和688.7萬輛，同比2021年增長(zhǎng)96.9%和93.4%，市場(chǎng)占有率達(dá)到25.6%，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)汽車芯片的需求連續(xù)三年“飛躍式”增長(zhǎng)。

此外，汽車整車制造企業(yè)以往采用JIT（Just in time）生產(chǎn)方式訂購(gòu)，盡可能地減少庫(kù)存壓力。缺芯問題爆發(fā)后，整車企業(yè)大量囤貨，將安全庫(kù)存線提升到3-6個(gè)月，由此導(dǎo)致長(zhǎng)鞭效應(yīng)（Bullwhip Effect指供應(yīng)鏈上的需求扭曲放大的現(xiàn)象）下過量下單，進(jìn)一步抬高了需求。由于汽車的供應(yīng)鏈比較成熟，芯片的全球產(chǎn)能也一直比較穩(wěn)定，對(duì)比下芯片廠商無法滿足車企臨時(shí)性的大量訂單需求，從而也拉大了芯片供需差距線。

2.4 汽車芯片供給端分析

全球芯片出貨量接近一半來自中國(guó)臺(tái)灣和韓國(guó)，臺(tái)積電和三星的高端芯片制造更是占據(jù)全球的70%，其中臺(tái)積電占據(jù)50%左右的市場(chǎng)份額。

芯片生產(chǎn)、制造工藝復(fù)雜，周期長(zhǎng)，是一個(gè)點(diǎn)“沙”成金的制造過程。完整的芯片產(chǎn)業(yè)鏈主要包括芯片的設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)、測(cè)試四個(gè)主要環(huán)節(jié)。芯片產(chǎn)業(yè)鏈中的一個(gè)重要瓶頸是芯片制造，不僅技術(shù)門檻高、投資周期長(zhǎng)，且投資規(guī)模大、至少以百億起步。

芯片制造中比較關(guān)鍵的一環(huán)為晶圓制備。目前行業(yè)上主要的晶圓分為6英寸（150mm）、8英寸（200mm）和12英寸（300mm）三種，分別對(duì)應(yīng)生產(chǎn)不同制程的芯片。汽車芯片主要使用的是8英寸晶圓，消費(fèi)電子類芯片如智能手機(jī)、PC、平板電腦等主要使用的是12英寸晶圓。8英寸晶圓對(duì)應(yīng)的成熟制程芯片，晶圓代工廠建廠比較早，大多超10年以上，且部分設(shè)備相對(duì)老舊，產(chǎn)能提升空間有限。消費(fèi)電子類的芯片對(duì)應(yīng)12英寸晶圓因需求量大，長(zhǎng)期占據(jù)晶圓廠及晶圓設(shè)備廠的大量生產(chǎn)投入等資源。

以臺(tái)積電為例，2020年臺(tái)積電最大的營(yíng)業(yè)收入是手機(jī)業(yè)務(wù)，占比48%，第二大業(yè)務(wù)是HPC（高性能計(jì)算機(jī)群），占比33%，然后是loT（物聯(lián)網(wǎng)）8%、DCE（數(shù)字通信設(shè)備）和汽車芯片3%。

2020年以前，資本市場(chǎng)上80%的投資集中在28nm以下的先進(jìn)制程上，對(duì)應(yīng)12英寸晶圓為主。而8英寸晶圓的設(shè)備生產(chǎn)等投入及預(yù)期積極性則不高，擴(kuò)產(chǎn)謹(jǐn)慎，但80%以上的汽車芯片需求在55nm制程（對(duì)應(yīng)8英寸晶圓為主）以上。因此，就汽車芯片產(chǎn)業(yè)而言，投資與市場(chǎng)需求出現(xiàn)了嚴(yán)重錯(cuò)配。

2020年始，受疫情及自然災(zāi)害等影響，主要芯片廠商恩智浦、英飛凌、瑞薩等供應(yīng)商的生產(chǎn)制造、封裝測(cè)試廠等陸續(xù)出現(xiàn)產(chǎn)量下降、工廠關(guān)停等情況，芯片產(chǎn)出受限。同樣受疫情的影響，居家辦公等因素推動(dòng)了計(jì)算機(jī)類、消費(fèi)電子類芯片的需求快速增長(zhǎng)，各類芯片廠商將部分芯片產(chǎn)能傾斜給了消費(fèi)類等非車規(guī)級(jí)芯片。疫情等因素的疊加影響下，加大了芯片供給端的產(chǎn)能缺口。

3 應(yīng)對(duì)策略探討

3.1 政策層面

3.1.1 政策引導(dǎo)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)且廣：上游包括EDA軟件/IP模塊、半導(dǎo)體設(shè)備和材料，中游是芯片設(shè)計(jì)、制造、封裝和測(cè)試，下游是各類電子產(chǎn)品，涉及大量材料、設(shè)備和配件、軟件和IP模塊。

汽車芯片短缺，表面上看是供需失衡、汽車行業(yè)結(jié)構(gòu)性調(diào)整等因素導(dǎo)致；深層次來看，也反映出了我國(guó)在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、影響力、話語(yǔ)權(quán)等不足。且汽車芯片種類繁多，單靠企業(yè)層面“單打獨(dú)斗”，不利于形成強(qiáng)有力的本地化供應(yīng)鏈體系的產(chǎn)業(yè)集群，需從政策層面上給予引導(dǎo)與扶持，逐步推進(jìn)形成強(qiáng)有競(jìng)爭(zhēng)力的本地化半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈及產(chǎn)業(yè)集群。

3.1.2 人才培養(yǎng)

人才是強(qiáng)國(guó)之本、競(jìng)爭(zhēng)之基、轉(zhuǎn)型之要。芯片全產(chǎn)業(yè)鏈包含了設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試等環(huán)節(jié)，加強(qiáng)芯片半導(dǎo)體專業(yè)人才隊(duì)伍建設(shè)及培養(yǎng)，補(bǔ)齊各環(huán)節(jié)體系的人才短板。各環(huán)節(jié)中的專業(yè)化人才是推動(dòng)國(guó)內(nèi)芯片行業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展的最大動(dòng)力。

根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)預(yù)測(cè)，中國(guó)芯片專業(yè)人已超過25萬人，到2025年的人才缺口將達(dá)到30萬人。堅(jiān)持產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向，從政策層面上引導(dǎo)建立更加完善的產(chǎn)教融合人才培養(yǎng)方案，探索產(chǎn)教融合機(jī)制，雙向賦能、協(xié)同育人、協(xié)同創(chuàng)新；構(gòu)推進(jìn)產(chǎn)教融合，產(chǎn)業(yè)界、科研界、教育界協(xié)同合作，打通產(chǎn)業(yè)與高校的人才傳輸壁壘，實(shí)現(xiàn)人才鏈、創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的緊密耦合。

3.2 企業(yè)層面

3.2.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)，推進(jìn)芯片破黑

汽車整車企業(yè)應(yīng)當(dāng)建立其芯片應(yīng)用方案的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)芯片供應(yīng)情況制定芯片的破黑替代或國(guó)產(chǎn)化替代策略。深入挖掘芯片破黑替代及國(guó)產(chǎn)替代方案，打破集成陷阱，從零件功能分解出發(fā)，基于用戶使用場(chǎng)景，逐一分析實(shí)現(xiàn)該功能的芯片原理，通過功能拆分、硬件冗余、軟件備份、芯片降維、芯片分立方案替代等技術(shù)手段逐一尋求可國(guó)產(chǎn)替代的芯片和工程策略，進(jìn)一步推進(jìn)芯片破黑替代或國(guó)產(chǎn)化替代，降低對(duì)進(jìn)口芯片的依賴及其供應(yīng)緊缺對(duì)整車制造的影響。

3.2.2 聯(lián)合協(xié)同開發(fā)

早在2013年，特斯拉早與Mobileye合作，研發(fā)了L2級(jí)別的芯片產(chǎn)品，而其第一款自研的AP芯片Autopilot HW3.0是從2015年到2019年歷經(jīng)歷了五年時(shí)間。國(guó)內(nèi)汽車主機(jī)廠進(jìn)行芯片領(lǐng)域研發(fā)比較領(lǐng)先的比亞迪半導(dǎo)體，其自研的國(guó)產(chǎn)芯片也是經(jīng)歷了比較長(zhǎng)的技術(shù)研發(fā)及驗(yàn)證。汽車制造企業(yè)與產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)進(jìn)行縱向資本合作，也是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)車企完善自身芯片供應(yīng)鏈的選擇方式之一。

此外，打破芯片原有開發(fā)模式，強(qiáng)化與國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)開展深度戰(zhàn)略合作，結(jié)合汽車產(chǎn)品架構(gòu)，零部件模塊化、平臺(tái)化進(jìn)行橫向的應(yīng)用設(shè)計(jì)開發(fā)，破除原來各類汽車功能模塊搭載使用“五花八門”的不同芯片型號(hào)的局面，也是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)車企推進(jìn)芯片國(guó)產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用的較優(yōu)方案。

構(gòu)建基于國(guó)產(chǎn)芯片的方案，攜手國(guó)內(nèi)芯片企業(yè)，面向車用場(chǎng)景并結(jié)合國(guó)產(chǎn)芯片方案重新定義芯片，協(xié)同定制開發(fā)，加強(qiáng)協(xié)同與整合，形成基于用戶場(chǎng)景和體驗(yàn)需求進(jìn)行芯片選型及定制化開發(fā)的新模式，進(jìn)一步解決汽車企業(yè)受限進(jìn)口芯片的困擾。

4 結(jié)語(yǔ)

全球汽車產(chǎn)業(yè)已進(jìn)入了百年大變局的狀態(tài)，特斯拉等新勢(shì)力崛起，互聯(lián)網(wǎng)、半導(dǎo)體等科技巨頭跨界強(qiáng)勢(shì)進(jìn)軍汽車產(chǎn)業(yè)，汽車產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局重塑、核心價(jià)值鏈重構(gòu)。面對(duì)全球汽車芯片出現(xiàn)的“芯片荒”局面，大力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)汽車芯片發(fā)展，建設(shè)本地化半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈及產(chǎn)業(yè)集群，促進(jìn)我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，努力實(shí)現(xiàn)“后發(fā)趕超”，對(duì)我國(guó)自主汽車的“跨代競(jìng)爭(zhēng)”具有重要的戰(zhàn)略意義。

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