《華商世界雜誌》第49期 - 全球車用晶片荒,恐將延續至明年


發佈日期:2021/04/07
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全球車用晶片荒,恐將延續至明年

華商世界雜誌第49期

 

前言

 

疫情持續延燒,帶動5G通訊、電腦及遊戲機等需求暴增,卻間接讓車用晶片供給不足、在全球造成短缺潮!繼汽車產業因車用晶片叫苦連天,晶片短缺問題蔓延至各行各業,手機、遊戲同樣受累,產品供貨吃緊。智慧手機、個人電腦和車用三大應用互爭產能,供需嚴重失衡,全球晶圓代工產能缺貨問題,不僅今年無法解決,還恐延續至明年。

 

本文

 

缺零件、缺晶片所衍生的就是缺車的問題。全球車用晶片大缺貨導致全球汽車製造廠被迫減產,陸續造成福特、本田(Honda)、奧迪、通用(GM)、豐田、飛雅特克萊斯勒(FCA)、福斯(VW)及日產等國際汽車大廠宣布減產,大眾也以半導體缺貨為由,宣佈在中國、北美、歐洲調整生產。汽車半導體缺貨問題的影響正在全球範圍內擴大。

 

汽車供應鏈的缺貨危機 恐將延續一整年

 

羅蘭貝格管理諮詢公司(Roland Berger)專家貝雷特(Marcus Berret)表示,自從2011年日本東北大地震福島核災以來,汽車供應鏈就沒碰過這麼嚴重的問題。桑福德伯恩斯坦公司(Sanford C. Bernstein)預測,由於晶片供應短缺,今年上半年全球汽車工業將減產450萬輛,德國汽車零件大廠大陸集團(Continental)預估晶片缺貨的情況在6至9個月後才會改善。此情況不僅影響全球汽車銷售,也會衝擊歐美中等汽車產業在GDP吃重經濟體的就業數據,成為全球景氣復甦的絆腳石。

 

顧問業者AlixPartners預估,晶片荒可能拖累全球車廠第一季營收損失逾140億美元,今年預估損失達610億美元。里昂證券釋出報告,以「No chips, no cars」為題,指出汽車所需的半導體晶片只會多不會少,在目前晶圓廠產能滿載下,缺貨將延續2021年全年。

 

IHS Markit:車用晶片荒將延續至第三季

 

IHS Markit(馬基特)的「管理2021年全球車用晶片荒」報告指出,全球車用晶片吃緊,預估衝擊全球今年第一季67.2萬輛輕型車輛的生產。中國大陸將受創最重,估第一季有近25萬輛車的生產受影響,其次為歐洲逾13萬輛車生產受擾,之後為北美的逾10萬輛車。

 

報告指出,車用晶片短缺預料將延續到第三季,屆時產能將完成重新配置,消費電子產品需求也可能稍微降溫。追蹤產業生產計畫的Auto Forecast Solutions預估,半導體短缺今年將影響96.4萬輛車的生產。

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影響全球晶片荒的因素

 

車用晶片客戶去年上半年因為新冠肺炎疫情影響,訂單停了6個月,直到去年第四季才重新下單。但去年下半年,多數半導體產能早已被智慧型手機或筆電業者需求預訂一空,車用晶片下單時間點已經太慢,且今年第一季車用晶片庫存幾乎用完,要解決此一問題挑戰難度很高。

加上,從2020年全球海運運價飆漲,外銷貨櫃又因疫情受困在歐美碼頭有去無回,導致亞洲大缺櫃,航運缺櫃情況持續惡化,不僅衝擊汽車OEM及售後零件(AM)出口,也影響零組件進口。

 

此外,美國前總統特朗普對中國晶片廠的制裁,使車用晶片短缺的問題更加惡化;據悉,在中芯國際被美國商務部,列入禁售受令制裁黑名單之後,便開始有汽車製造商,把訂單轉往台積電,導致台積電「爆單」,產能吃緊。同時,華為為了防範美國擴大制裁而大囤貨,而包括蘋果在內的競爭對手,為了確保產量也跟著搶。

 

雪上加霜的是,去年10月及11月,日本延岡Asahi Kasei Microdevices工廠發生火災以及ST(意法半導體)的法國工廠發生罷工都擾亂了晶片交付進程。今年2月,日本東北213強震導致日商主導約八成市場的半導體關鍵耗材光阻液供應告急;同時,強烈暴風雪侵襲美國,作為半

導體生產重鎮的德州,氣溫創下30多年新低,大規模的停電、停水災情,更嚴重衝擊當地產業營運,包括三星電子、恩智浦、英飛凌設於德州的工廠,都被迫暫時停產,引發外界對全球晶片荒,進一步加劇的擔憂。

 

8吋晶圓廠產能早已塞爆

 

車用晶片大部分來自8吋晶圓製造,包括CMOS影像感測元件、電源管理晶片、微控制器(MCU)、射頻元件、微機電(MEMS)、功率分離式元件等,都是汽車和電動車不可或缺的零件。電動車加上自動駕駛應用需求強勁,帶動8吋晶圓投片量大增,8吋晶圓廠產能早已塞爆,加上

美國對中芯國際制裁,更使得以8吋晶圓製造為主的車用晶片大缺。全球主要8吋晶圓廠,台灣有台積電、聯電、世界先進,中國則有中芯國際、華虹半導體、華潤微等。

 

從晶圓應用分布來看,去年車用占全球8吋晶圓需求比重約33%,占12吋晶圓需求比重約5%。晶圓代工廠世界先進董事長方略指出,今年汽車出貨量可望自去年的7200萬輛,增加到7700萬輛,每輛車內含半導體價值也將增加15%,車用半導體將成長約24%,整體半導體需求非常強勁,晶圓代工供不應求。

 

電動車、自駕車推升車用晶片的需求

 

晶片短缺正影響著消費電子、汽車製造和計算機等許多行業的眾多全球製造商。過去20年裡,隨著汽車越來越多地由軟體控制,比如發動機、排放控制、剎車、空調和升降車窗等,越來越多的複雜安全功能也依賴晶片,例如自動車道控制和避免碰撞等。

 

TrendForce旗下半導體研究處表示,隨著自駕等級的提升、5G基礎建設的普及等因素,車用記憶體未來需求將高速增長。以目前自駕程度最高的特斯拉(Tesla)為例,從Tesla Model S/X起,由於同時採用NVIDIA的車用CPU及GPU解決方案,DRAM規格導入當時頻寬最高的GDDR5,全車系搭載8GB DRAM;而Model 3更進一步導入14GB,下一代車款更將直上20GB,其平均用量遠勝目前的PC及智慧型手機,預估近三年車載DRAM用量將以CAGR超過三成的漲勢繼續向上。

 

2024車用半導體將占全球半導體比重約10.8%

 

汽車業者在晶片供應上的話語權一向不高,因為車用晶片約只占全球晶片製造的10%,不是半導體業的大客戶,但汽車業者卻愈來愈依賴這些零組件。晶片對車廠的重要性與日俱增,現在小客車與卡車裡有著數十枚晶片,且隨著更多車輛都具備輔助駕駛功能,這個數量只會繼續往上加。根據Deloitte估算,到2022年時,每輛車將會安裝價值約600美元的晶片,約為2013年時312美元的近兩倍。根據工研院產業科技國際策略發展所資料,去年全球車用半導體市場規模年減12.2%,但先進駕駛輔助系統(ADAS)半導體反而年成長10.5%,電動車用晶片年成長10.6%;預估到2024年,全球車用電子半導體市場規模可到639億美元,占全球半導體市場比重約10.8% ,年複合成長率約9.3%,預估到2024年所有車用半導體產品將呈現正成長。

 

對汽車而言,晶片擁有數十種用途,包括用在輔助轉向系統和煞車的感測器,和車用娛樂資訊系統。汽車製造商擴大生產電動車,也推升這些晶片的需求持續增加。加上電動車趨勢帶動,以及先進駕駛輔助系統(ADAS)的使用,讓車用晶片需求在今年顯著提升。

 

隨著汽車電動化、智能化、網聯化程度不斷提高,晶片在汽車中已有廣泛應用。車用晶片比其他晶片要求更嚴格安全規程半導體廠商大多不自主生產,而是下單給半導體代工企業。透過改變設備的條件及組合等來生產多種半導體需要一定的時間,且難以同時製造不同的半導體。此外,車用半導體與其他產業使用的半導體需求不同,車用晶片須經過嚴格的安全規程,供應鏈也相對較長。

 

目前車用記憶體市場,產品線的維持以及耐用度的要求遠較一般商規產品高,主因是汽車使用年限動輒10年起跳,故需保證車用記憶體產品生命周期至少7至10年,作為後續後勤維修的考量。此外,因應各國不同的極端氣候,車用記憶體在溫度容忍度上需有更高的臨界值,以避免行駛過程有突發故障。最後,比較同規格和容量的車規產品與一般商規,兩者至少有3成以上的溢價,且價格也會隨著規格與細緻度上升而有倍數上漲的可能。

 

由於車用IC一般需要高溫高壓的操作環境,以及較長的產品生命週期,故需要高度要求其產品可靠度(Reliability)與長期供貨(Longevity)等特性,因此通常並不輕易地轉換產線與供應鏈。在全球晶圓代工產能不足的情況下,車用半導體受產能排擠影響顯著。TrendForce表示,目前車用半導體以12吋廠在28nm、45nm與65nm的產線最為緊缺;同時,8吋廠在0.18um以上的節點亦受到產能排擠。

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汽車產業需要重新考慮供應鏈運作方式

 

車用半導體市場主要以垂直整合製造(IDM)或Fablite(即IDM企業將部分製造業務轉由協力廠商代工,是資產輕量化的一種策略)生產為主,例如恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)、意法半導體(STMicro)、瑞薩(Renesas)、安森美(On Semiconductor)、博通(Broadcom)、德州儀器(TI)等。這些供應商常外包晶片設計和製造給專注發展車用半導體的製造商。

 

隨著電動車與自駕車日漸普及,汽車產業將愈來愈依賴晶片,將導致汽車製造商直接與半導體業者下單,而非透過供應商下單。IHS Markit指出,雖然電動車與自駕車的銷售量僅占全球汽車總銷量的3%,但電動車所用的晶片數量卻大約是傳統汽車的三倍。汽車科技發生本質性的改變,可能使汽車業者與晶片廠之間的關係重新洗牌,並可能迫使半導體大廠重新思考,如何將一些製造業務外包給亞洲的晶片供應廠。

 

全球最大半導體製造商之一,德國英飛凌(Infineon)執行長普洛斯(Reinhard Ploss)表示,

儘管汽車產業需要重新考慮整個供應鏈的運作方式,但晶片在庫存中的儲存期限也是有限的。普洛斯說,半導體是有有效期限的,考慮到它的品質,時間到了就不能繼續使用。

 

晶圓製造廠建置耗時費財 是否值得投資全球晶圓代工龍頭台積電在1月法說會公布,車用晶

片只貢獻去年第4季營收3%,遠低於智慧型手機晶片的51%、高效能運算晶片的31%。殘酷的現實是車用晶片必須和其他報酬率高許多的產品競爭生產空間。晶圓製造廠建置通常耗時超過2年,加上建造與裝備成本飆升,使得愈來愈多半導體廠商大舉委外生產。瑞薩(Renesas)、恩智浦(NXP)與英飛凌-賽普拉斯(Infineon-Cypress)合計車用晶片市占率近80%,3家廠商全都委由台積電代工。

 

車輛普遍使用的微控制器單價則在1美元以下。由於單價低廉,車用晶片市場其他領域仰賴老舊製程與設備。許多車用晶片仍採用先進製程10多年前就逐步淘汰的200毫米(8吋)晶圓。半導體顧問公司(Semiconductor Advisors)總裁麥爾(RobertMaire)說,次級市場的舊型

機械價格已「飆翻天」。

 

歐洲半導體業落後窘境

 

車用晶片荒暴露出歐洲半導體業落後美國和亞洲的結構性問題。歐洲有德國英飛凌(Infineon)、荷蘭恩智浦(NXP)、瑞士意法半導體(ST Microelectronics)三大半導體業者,但歐洲半導體的產值僅占全球的10%,少有獨特的利基型產品。2019年,歐洲半導體業營業額400億美元,僅占全球的10%,與歐盟在全球的經濟地位不相稱;同一年美國高達47%,韓國19%,台灣也有6%。

 

歐盟去年12月重新啟動IPCEI計畫。IPCEI是「歐洲共同利益重要計畫」(Important

Project of Common European Interest)的縮寫,指的是為打造對歐盟經濟有戰略重要性的未

來產業,各成員國可集中資源,避開政府補貼規定的限制。目前除了車用電池、雲端平

台、通信科技和氫能經濟,半導體生態系也在規劃之中,法國、荷蘭、義大利等17國已

同意參與。此外,歐盟的「技術主權」產業策略,計劃運用上看300億歐元經費(360億美元)於政府與民間聯合投資,力圖將目前少於10%的全球晶片歐盟製造市占率,提高到20%,確切目標日期還沒訂定。歐盟正考慮在歐洲興建一座先進半導體廠,以降低重要產業核心技術對美國、亞洲的依賴。

 

根據麥肯錫顧問公司(McKinsey)報告,歐洲半導體業僅有感測器領先世界,處理器、記憶體、人工智慧晶片等領域至少落後美國和亞洲10年,晶圓代工落後亞洲5到15年。不過,美國繪圖晶片大廠輝達(NVIDIA)日前才決定收購英國的安謀(ARM),隨後台灣的環球晶也宣布將併購德國的Siltronic,可見歐洲的半導體業規模其實正在萎縮。

 

美國對晶片供應鏈的重新審視

 

因應全球晶片短缺,美國國會希望在自己本土重建半導體製造。美國英特爾與高通等半導體執行長聯名呼籲總統拜登支持在國內生產晶片,美國半導體協會(SIA)在寄給拜登的信函指出,美國在全球半導體製造業所占比重,已由1990年的37%降至目前的12%。為了降低對亞洲晶片的依賴、並掌握未來產業發展的命脈,美國與歐盟都正力圖「晶片自製」。

 

2月,拜登簽署一項行政命令,由國家經濟委員會及國家安全委員會主導,在100天內完成,聚焦於半導體製造、先進封裝技術、關鍵礦源、醫療供給及用於電動車等領域的高效能電池。拜登政府預料也將在一年內將完成另一項供應鏈評估,聚焦於材料、科技及基礎設施,以及與國防、公衛、電訊、能源與運輸等領域相關的其他原料。

 

美國在晶片設計上仍領先全球,但晶片製造大多交給海外代工。供應鏈行政命令和國會通過促進半導體生產的撥款方案,不會對短缺現況產生太大的效果。興建晶圓廠成本相當高,且需要持續的投資。據專家指出,最先進的晶圓廠光是建廠就要花上長達三年,每座耗資100億美元。依據美國半導體工業協會(SIA)的數據,未來蓋一座引進尖端設備的晶圓廠,要花費高達200億美元,成本比造一艘航空母艦或核電廠還高!比較快的方法還是要靠台灣的台積電和其他國外晶圓廠分配產能給美國電子製造商。

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中國汽車企業力拼自主供應鏈

 

中國是世界最大的汽車生產國,2020年共生產2522.5萬輛,占全球產量的32%。近期全球爆出汽車晶片荒,中國也受衝擊,產量下跌。

 

全球汽車晶片供不應求,讓汽車產銷大國的中國大陸感受深刻。中國汽車芯片產業創新戰略聯盟指出,中國大陸車用晶片進口率超過九成。中國新能源汽車技術創新中心總經理原誠寅更指出,中國大陸汽車晶片短缺可能會持續長達十年之久。

 

中國汽車芯片產業創新戰略聯盟的數據顯示,2019年中國大陸自主汽車晶片產業規模僅占全球4.5%,中國大陸車用晶片自研率僅約一成,車用晶片進口率超過九成,中國大陸汽車晶片市場基本上已被國外企業壟斷。

 

為提升關鍵汽車晶片自主供給能力,去年九月,大陸科技部、工信部、新能源汽車技術創新中心聯合七十多家企、事業單位,共同成立「中國汽車芯片產業創新戰略聯盟」,努力實現中國汽車晶片產業的自主安全可控和全面快速發展。中國大陸去年10月發表的五年計畫(至2025年),將資助包括半導體產業在內的科技業1.4兆美元。

 

中國國務院辦公廳去年十一月發布「新能源汽車產業發展規劃」也明確提出,將著力推動車控操作系統及計算平台、車規級晶片等自動駕駛技術和裝備研製。中國工信部也將積極引導和支持汽車半導體產業發展,同時,透過汽車半導體供需對接平台等方式加強供應鏈建設,加大產能調配力度,為產業平穩健康發展提供有力支撐。

 

日本希望招攬台積電、英特爾到日本設廠

 

日本欠缺大型半導體製造商,若具國際競爭力的設備材料廠出走海外,將面臨產業空洞化危機。日本經產省2019年度預算編列「後5G資訊通訊系統加強研發」1100億日圓,包含「研發先進半導體製造技術」。日本也希望招攬台積電、英特爾(Intel)到日本設廠或設研發據點,帶動日本半導體設備、材料廠商「返鄉」,強化與台積電分工合作的關係。

 

日本2020年投注於半導體研發的經費已有1,100億日圓(10億美元),今年準備再追加900億日圓,彭博說,其中有一部分可能會用於台積電將與日本合作的研發機構之上。

 

各國推動亞洲供應商前來投資設廠

 

30多年前,美國和歐洲主宰半導體生產,全球超過3/4半導體在美歐製造,剩下1/4左右則在亞洲製造,甚至英國也有強大的製造基地。如今,這個比例產生180度大翻轉,前4強依序是台灣、韓國、中國和日本,全都超越美國和歐洲。台灣已成為全球的微晶片工廠,也是最大的半導體生產地,無論iPhone、汽車和電信網路都需要使用這些晶片。

 

因此,各國追求晶片自主的同時,也希望促成亞洲廠商直接到本國來投資設廠,帶進相關技術與生態系。最受矚目的是台積電去年已經宣布的赴美國亞利桑那州120億美元設廠投資案,南韓的三星電子也將斥資100億美元到德州奧斯汀建立設施。

 

歐盟也鼓勵台商增加到歐盟的投資,現在進行中的台灣環球晶要併德國世創(Siltronic)案,

就是一例。

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晶片大缺貨的「完美風暴」

 

全球晶片短缺問題嚴重,不只車廠缺晶片,其他高度依賴晶片的產業也都面臨相同問題,熱門電玩主機如任天堂、Sony和微軟的Switch、Play station和Xbox也頻缺貨。專家認為,供應短缺情況會延續到下半年,這意味Sony和微軟的遊戲主機今年供貨都可能吃緊,甚至可能影響到下一個耶誕購物季。

 

策略分析公司(Strategy Analytics)執行董事莫斯頓(Neil Mawston)指出,美中貿易戰的影響、新冠肺炎造成的混亂,以及遠距工作設備需求大增等因素,共同形塑出一場導致晶片大缺貨的「完美風暴」(perfect storm)。

 

莫斯頓預估,這場「完美風暴」將影響包括汽車、智慧型手機、遊戲機、平板電腦,以及筆記型電腦等裝有晶片的產品,「2021年,電子裝置和汽車的供給,恐進一步短缺,且價格可能會更高。」

 

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