深度解讀 | HBS供應鏈專家全方位解讀芯片短缺問題（連載一）

坊間已有很多芯片短缺相關的各種報道和分析，我也讀過不少，以為已略知一二。前不久在Vox Media的一檔博客Decoder中聽到對哈佛商學院的供應鏈專家Willy Shih的訪談，全方位解讀了圍繞著芯片問題的各個環(huán)節(jié)，讓我大受裨益，才知之前所知只是冰山一角。這差不多是我目前為止看到對當前芯片問題的最全面和深入的洞察。訪談涉及內(nèi)容很多很廣，因此我會分幾期發(fā)布訪談的內(nèi)容。

Willy Shih教授

一. 芯片制造供應鏈

芯片短缺似乎不會很快結(jié)束，而且似乎沒人能預測何時會結(jié)束。因此，讓我們都退一步?？煞駷槲覀兠枋鲆幌碌降资裁词切酒倘?，到底發(fā)生了什么。

當我們談論芯片時，實際上涉及很多種不同的芯片。從筆記本電腦的微處理器芯片，到手機芯片、索尼PS游戲機、電視、汽車，或冰箱里用到的芯片，等等。人們通常認為手機里可能有一到兩個芯片。實際上，一部手機里有幾十個芯片。而在一輛汽車中，可能要用到100多個不同的芯片來控制很多東西，如發(fā)動機、儀表、中控、導航系統(tǒng)或類似的東西。甚至像電動車窗這樣的東西也會用到微處理器芯片，是那種很小的控制器芯片，因為用芯片控制比用機械連接成本更低。因此，到處都要用到芯片。

一個復雜的產(chǎn)品，比如汽車，需要100多個控制器芯片和各種其他類型的芯片，現(xiàn)在面臨的問題是，只要缺少其中一個芯片，這輛車就造不成了。這就是真正的問題所在。并不是所有的芯片都短缺，只是其中一部分。而這些短缺的情況也各有不同，有延遲一天的、也有一周或一個月的，且還取決于其他行業(yè)的采購情況。所以這是一個問題，因為某些芯片的短缺，使商品無法順利造出來。如果你是一個產(chǎn)品制造商，你一定會先思考這個產(chǎn)品是否可以順利造出來？我有制造所需要的所有部件嗎？而這正是我們現(xiàn)在看到的麻煩所在，因為一個芯片或幾個芯片的短缺。

前幾天有人說福特在生產(chǎn)皮卡時少了一些芯片，就把它們停在停車場等著芯片到位后再裝上去，因為他們的產(chǎn)線還要繼續(xù)運轉(zhuǎn)，不能停線。

車廠是非常昂貴的資產(chǎn)，牽扯到數(shù)以億計美元。你肯定要盡可能保持它的運轉(zhuǎn)。如果你是一個汽車制造商，比如底特律三巨頭，但你卻沒零件了。這些產(chǎn)線通常每分鐘會下線一輛車，現(xiàn)在每輛車平均售價約4萬多美元，這就意味著每分鐘他們都在損失4萬美元的銷售額。那是一個很大的數(shù)字。所以他們只能把這些車先開出來，停在某個地方，希望芯片到位后再迅速把它們裝車。但實際上當芯片到位后，你也必須把車重新開到工廠，甚至可能不得不拆下來一些東西才能把芯片放進去。有時安裝芯片的位置可能在發(fā)動機艙或儀表盤后面。因此，這是一個很大的額外工作。

讓我們從更早的時候說起。人們常常在談論芯片，仿佛芯片變成了一種商品似的。顯然，芯片中有很多不同種類，以及來自不同工廠和供應商的不同的工藝節(jié)點。但從基礎講起，芯片是如何制造的，它們來自哪里，以及芯片的供應鏈是怎么回事？

因為當我們談論一輛車時，他們不只是單純地把微控制器放進發(fā)動機艙里，對嗎？他們必須先把芯片組裝到某種計算產(chǎn)品上，組裝到電路板上，然后才把這些東西安裝到汽車上。但是，我們怎樣才能先得到一個芯片呢？這個過程是怎樣的？

實際上有兩個部分。首先是設計部分。工程師布置一個電路，晶體管和許多其他組件以特定方式連接。目前他們都是在電腦上進行設計工作，他們會用電腦軟件設計芯片，然后把文件發(fā)送給制造商。

設計可以是只有幾百或幾千個晶體管的相對簡單的設計，也有一個芯片中集成20億個晶體管的非常復雜的設計。因此，當你進入那些更復雜的設計時，也有一個與此相關的供應鏈。因為如果你要設計一個有20億個晶體管的芯片，坦率地說，你一次性把每個晶體管連接在正確位置的可能性是零。所以人們在現(xiàn)代芯片設計中常規(guī)的做法是，使用現(xiàn)成的IP模塊，這些模塊已是行業(yè)普遍認可的。所以當你決定設計一個控制器芯片，你會從像英國的ARM這樣的公司那里購買一個處理單元的設計，也許你還需要USB接口的IP授權(quán)。最后，還有軟件工具供應商為你提供這些庫，允許你用這些授權(quán)IP模塊來設計你想要定制的芯片。最后你把它送到生產(chǎn)芯片的工廠。所以這實際上也是一個非常復雜的供應鏈，有工具供應商，有IP授權(quán)和類似的東西。這是設計的部分。

實際的制造是從硅晶圓開始的。先在一個巨大的硅錠中制造出單晶硅，然后把它切成晶圓，最先進的是300毫米直徑，或大約12英寸。當切割并拋光這些晶圓時，就得到一個完美的晶體。然后要做的是在晶圓上刻出晶體管和連接的圖案。這部分的供應鏈也是相當復雜的。有專門制造硅錠并切割晶圓的公司，然后這些晶圓被送到那些制造芯片的巨型工廠。

在制造工廠，首先會在晶圓上布置晶體管的圖案。需要經(jīng)過光刻、蝕刻和沉積等多個工序。他們使用一系列復雜的步驟來搭建一層又一層的晶體管。然后他們會鋪設一個由小銅線組成的連接網(wǎng)絡，他們會把銅線印在上面連接所有的晶體管。在相對老的技術(shù)中，通常要經(jīng)過350道工序，大概需要45至60天。而目前用在最新的iPhone、筆記本或臺式機的芯片，可能多達700多道工序。

700多道工序，就需要每道工序都達到極高的良品率。如果第一道工序良品率是99%，第二道也是99%，這時一般人可能會想“哇，還不錯啊？”但如果以99%的良品率經(jīng)過700多道工序后，你就什么都不剩了。所以你真的需要在每個工序上都達到99.99%以上的良品率。因為當已經(jīng)走完了第690道工序后，突然出現(xiàn)一個良品率低的工序，你就不得不把之前所有東西都扔掉。因此，這是一個非常嚴格的過程，需要很多工序，需要60天或更長的時間，讓晶圓一路順利通過每個工序。
So，這就是工廠所做的工作?，F(xiàn)在你有了一個晶圓，如果是微處理器，上面可能排布著500個芯片。如果是汽車控制器之類的東西，可能是4000個芯片，因為它們不占那么多空間。然后會把晶圓運到東南亞或中國。封裝和測試工廠會把一些小探頭放在每個芯片上，測試哪些是合格的，將那些合格的錄入電腦。然后他們會進行切割、封裝。所以，這又是另一組專門的公司，很多位于馬來西亞和越南。今早我剛聽說，越南因新一波的疫情進行了嚴格的管控，這勢必會影響到那里的很多封裝工廠。

這些芯片被封裝后，它們會被繼續(xù)送到其他公司，在那里會把它們放在電路板上，或把它們直接組裝成成品。有時會被送到某公司，將它們安裝在電路板上，然后將電路板再送到其他公司。因此，供應鏈中有多個層級，從原始硅，到設計、制造、組裝、測試和封裝，再到電路板，等等。這是一個漫長、連續(xù)的過程，跨越了許多國家。所有當出現(xiàn)像新冠這樣的突發(fā)狀況時，出問題的機率就變得極大。

我想我以前從未想象過硅錠是什么樣的，那是一個巨大的硅塊，然后被切成片？就像字面意思一樣，一塊巨大的石頭從一側(cè)進入工廠，然后被切成片狀后從另一側(cè)出來？

他們先會進行融化。所以他們有一個用來熔化硅的大桶，然后從這個容器中取出晶體，形狀有點像魚雷。但這是一個巨大的硅錠，直徑約為一英尺，或300毫米。在這個過程中會涉及許多科技含量很高的制造工藝，大部分人很少了解。

如果你想了解一些真正瘋狂的東西，就像你和我現(xiàn)在正在通過平板顯示器面對面，這些屏幕是用半毫米厚的玻璃片制成的，通常有一張大床那么大。而這些都是在單一的、光學上完美的板材中鑄造的?？祵幘陀幸粋€類似的工藝，這種熔化的玻璃從一個槽的兩邊流出，在槽的下面熔合，然后冷卻成一個半毫米厚的光學上完美的薄片，相當于一張大床的寬度，然后機器人在它冷卻的時候抓住它，用鉆石切割器把它切下來。這就更瘋狂了，但確實也存在著這些瘋狂的制造工序。

在芯片制造過程中，一個芯片生產(chǎn)廠通常有數(shù)百個非常先進的工具。事實上，在一個大型工廠中，比如臺積電，會有成千上萬個這樣的工具。這些工具就是處理這些晶圓和進行各種生產(chǎn)過程的大型設備。大多數(shù)工具的成本，最低有幾百萬美元的，最昂貴的工具超過1.5億歐元。比如用于在晶圓上印刷圖案的光刻機，比如iPhone中的芯片，它就要用到臺積電最先進的工藝，即所謂的極紫外光光刻（extreme ultraviolet light lithography）系統(tǒng)。

為了獲得極紫外光，他們會用激光氣化金屬錫。當汽化后的錫滴落時，他們用另一束激光器擊中錫滴，產(chǎn)生等離子體，從而發(fā)出這種極紫外光。這很瘋狂。然后它穿過這個鏡子系統(tǒng)，因為你不能使用極紫外光鏡片，你必須使用鏡子將其聚焦到這些狹窄的小圖案中。我曾去過制造這些鏡子的工廠，鏡子的表面光滑到一個原子的水平。所以當我看著這些鏡子時，產(chǎn)線的人對我說：“你知道，如果我們把這個系統(tǒng)對準月球，當那束光到達月球時，它就會像（我忘記確切的數(shù)字了）20厘米寬或類似的東西。”

二. 接二連三的黑天鵝事件

你剛描述的是一個異常復雜的系統(tǒng)，其中涉及許多非常復雜的技術(shù)。我在節(jié)目中曾訪談過很多消費類電子產(chǎn)品行業(yè)的CEO，也和很多軟件人員交談過。我們往往會忽視，是背后這些極其復雜的制造技術(shù)，在支撐著所有的互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字世界?，F(xiàn)在問題聚焦在了芯片短缺問題上。

當我們談論芯片短缺時，更多在說是新冠的影響。這僅僅是因為工廠停產(chǎn)后重啟需要很長時間嗎？是消費者對PS5的需求猛增嗎？芯片短缺的誘發(fā)事件是什么？

當新冠來襲時，發(fā)生了幾件事。讓我們從汽車行業(yè)說起，因為汽車行業(yè)的芯片問題已經(jīng)嚴重影響到了生產(chǎn)。此外，汽車行業(yè)的問題還會讓你知道一個更廣泛的事實。

當我們談到汽車行業(yè)時，我們應知道中國是全球最大的汽車市場。中國每年的汽車產(chǎn)銷量通常約為2500萬輛，而美國通常為1150萬輛左右，而且美國還會大量進口。因此，中國市場比美國大得多。2020年1月，中國汽車市場剛剛經(jīng)歷了連續(xù)兩年的銷量下滑。2018年銷量下降了8%，而2019年也不理想。2020年1月，中國汽車工業(yè)協(xié)會預測銷量將下降2%，而這是在新冠爆發(fā)之前。

然后新冠襲來，結(jié)果2月汽車銷量下降了82%，3月下降了46%。而歐洲和美國的反應是滯后于中國的。歐洲3月的汽車銷量下降46%，4月下降了80%。美國3月份下降了39%，4月下降52%。現(xiàn)在，我們必須回想一下當時的情況。汽車制造商，特別是底特律三巨頭，都在盤算著“我們可不想破產(chǎn)”。銷量下降，他們一定會試圖節(jié)省現(xiàn)金開支。所以他們進行裁員，關閉工廠，甚至停止了采購。因為他們試圖節(jié)省現(xiàn)金流，不想破產(chǎn)，這并不是不合理的。

與此同時，隨著人們開始居家辦公，隨之出現(xiàn)了一波巨大的消費高峰：筆記本電腦、游戲機、平板電視、運動器材、家用電器……我那時想買一臺冰柜，經(jīng)銷商說：“你在開玩笑嗎？你沒留意現(xiàn)在是什么情況嗎？”他就像在說“我們已經(jīng)好幾個月沒有冰柜的庫存了”。而這是因為冰柜也用到芯片。

剛才說到車廠取消了訂單，因為他們覺得不會需要所有這些芯片。回到2020年5月，當時波士頓咨詢提出了這樣的預測，總體而言，2020年全球汽車銷量將下降14%-22%，最樂觀的預測是下降12%。

問題是從夏天開始的，因為世界開始重啟，特別是美國。車廠們猛然開始意識到，“Wow，我們需要采購更多的芯片。”但芯片的產(chǎn)能卻已經(jīng)被其他行業(yè)搶去了。所以，這是一個原因。

另一個原因是，美國制裁了一些中國公司，如華為。所以，中國公司在2020年夏天向芯片工廠下了大量訂單，因為要囤積芯片。中國公司當時非常依賴美國的芯片。所以他們開始囤積大量的芯片，只有這樣才能維持正常的經(jīng)營業(yè)務。

制裁將在六個月后生效，屆時就不能采購像英特爾的芯片了。

嗯，確實存在著這樣的擔憂。所以他們購買了很多其他芯片。

所以他們只是想趕在最后期限之前。

最后期限的威脅，或任何制裁的威脅。所以他們非常擔心，因為你制裁他們，你切斷了供應，他們就不能制造任何產(chǎn)品。
因此，那時中國的芯片需求激增，其他公司生產(chǎn)其他產(chǎn)品的需求也很旺盛。

然后，第三件事是我們遇到了一些真正的破壞性原因。早在2020年10月，日本半導體公司旭化成微系統(tǒng)（AKM），他們的工廠發(fā)生了火災。他們是一家專業(yè)的芯片制造商，制造模擬和數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及類似的東西，用于許多許多產(chǎn)品。所以，那里的火災造成了很大麻煩。然后是德州的極寒天氣，恩智浦和三星的奧斯汀工廠都停產(chǎn)了。當你切斷電力并關閉這樣的工廠時（它們消耗大量的電力），你不可能用簡單的發(fā)電機讓它們繼續(xù)運轉(zhuǎn)，重啟需要幾個月的時間。然后在今年3月，日本瑞薩的工廠發(fā)生火災，該工廠生產(chǎn)40%的車載微控制器。因此，在所有這些供需轉(zhuǎn)變的基礎上，你實際上是在幾個小公司中占用了很多產(chǎn)能。同樣，如果你沒有這些特定的芯片，就有麻煩了。

火災發(fā)生的頻率是多少？我覺得因為當前的芯片短缺問題，每一次供應鏈中斷的消息都異常讓人敏感。在一個正常的年份，會發(fā)生多少這樣的意外？

這是相對不尋常的。瑞薩現(xiàn)在的那家工廠就是在2011年日本東北部地震和海嘯期間遭受大規(guī)模破壞的工廠。實際上，在那次停產(chǎn)的幾個月后我拜訪過那個工廠。2011年當時瑞薩工廠發(fā)生那樣的突發(fā)狀況時，豐田、日產(chǎn)和本田，通用的幾條生產(chǎn)線，甚至歐洲PSA生產(chǎn)線都受到了波及。他們召集了數(shù)萬人來修復工廠。但是，像豐田這樣的公司就會說：”哦，我們要從中吸取教訓。“他們就從此就開始保有更多的芯片庫存。因此，直到最近，豐田也沒有像美國車廠那樣遭受重創(chuàng)。但一般來說，這類事是相對罕見的。