为什么2022年仍将缺芯
撰文 / 马晓蕾
编辑 / 张霖郁
设计 / 师玉超
来源 / Autonews，作者：安德里亚·马兰
2020年，小小的芯片让汽车产量损失了数百万辆，汽车行业收入损失了数十亿美元。而最新的预测显示，到2022年上半年，这个问题仍将挥之不去。
为什么缺芯问题会蔓延至明年？为什么全行业分秒必争地解决缺芯问题却收效甚微？要搞清楚这些问题，首先要弄明白芯片问题为何如此复杂。
意大利与法国合资的意法半导体（STMicroelectronics，简称STM）正在大力解决全球缺芯问题。该公司在欧洲是仅次于德国英飞凌（Infineon）的第二大芯片制造商，它在意大利米兰附近的意大利小城阿格拉泰（Agrate）投资了30亿美元建设一个新的晶圆厂。
芯片工厂一瞥
意法半导体意大利阿格拉泰工厂的关键数据，数据来源：意法半导体公司
3个月：生产一块硅晶圆片的时间长度
18万：任何时候，正在加工的硅晶圆片数量
500： 每个芯片的生产步骤
900： 芯片生产所需的机器
50：每个芯片需要的氧化硅、铝和其他材料的层数
2千：每天生产的8英寸晶圆的数量
1千：每块晶圆的芯片数量
但是半导体工厂的建设速度非常缓慢、成本极高、运转复杂，且与其他汽车制造商熟知的大规模生产线相比产量并不高。阿格拉泰也不例外。
通常情况下，汽车工厂都是一天两班倒，一周工作5天，一共10班。当制造商需要提高产能时，会增加夜班和周末班，将班次增加至21。
而对比之下，如果STM的芯片厂未来顺利完工投入生产，将会是每天24小时，全年无休式的运转，根本没有为提升产能留一点空间。
一个汽车工厂从破土动工到投入生产一般需要2年，之后需要至少6个月的时间达到全负荷运转。而要走完同样的流程，一个芯片厂则需要5年。
一辆汽车的平均生产时间是15至30个小时，而一个芯片需要生产、包装、运输至汽车工厂，最后装到汽车上，整个流程下来却需要5个月。
阿格拉泰工厂将雇佣2400名工厂，每天24小时，全年无休式运转▼
有坏消息，也有好消息。
为了应对全球芯片短缺，芯片制造商已经加快步伐，为了赶上汽车行业的需求，不惜花费重金。
芯片危机的到来促成了芯片制造商与汽车制造商之间的直接对话，并表明了一种态度——晶圆厂应该满足电动车与互联汽车趋势下对于高端芯片的需求。
大举投资
2021年6月，台积电（TSMC）开始在美国亚利桑那州建设芯片厂，计划总投资120亿美元，要等到2024年才能投入生产。
该公司承担着全球芯片市场近四分之一的供应量。据报道，台积电正在考虑在德国新建晶圆厂的可能性。
与此同时，韩国电子巨头三星正计划投资170亿美元在得克萨斯州建厂。美国的英特尔为了扩大产能，已经在9月份的时候投资200亿美元在亚利桑那州破土动工。
为了提升芯片供应能力，STM正在建造12英寸晶圆厂，能够承载更多数量的芯片，产能提升为原来的2.4倍。
STM的生产与质量总监奥里奥（Orio Bellezza）说：“新的晶圆厂将高度自动化，对员工的需求会大幅降低。”
半导体概况介绍
芯片生产高度自动化，将硅晶圆转化为成千上万的半导体芯片。
完工的芯片在技术含量较低的工厂进行测试和封装，主要是手工任务。这些工厂通常位于发展中国家。
芯片尺寸从1平方毫米到4平方厘米不等。
晶片的直径从150到300毫米（6到12英寸）不等。
嵌入在芯片上的内容是以纳米为单位的。一纳米是一毫米的百万分之一（一根人类头发的直径是一毫米的十分之一）。
每个芯片的成本从30美分到50美元或更高。大多数汽车应用处于低端，成本低于1美元。
一辆汽车的芯片数量从1000到4000不等。高级车型有更多的芯片，而且数量随着每一个功能的增加而增加，特别是高级驾驶辅助系统。
该公司最早于2018年开始投资新工厂，当时尚未被卷入芯片危机之中，为了迎合需求增长的预测，以及提升自己的生产效率，STM开始了这项工程。
芯片厂的建设时间很长，而在阿格拉泰会更长。
新工厂的选址所在地需要先将现有的旧厂房迁移，而疫情给工程带来了一些麻烦，工期被延长。
即使在完工之后，新工厂将迎来第一批设备——无尘室，这是将硅晶圆变为芯片的地方。无尘室的面积相当于一个足球场那么大。
奥里奥说新工厂2022年第一季度末将生产出第一片晶圆，批量生产将于2022年末开始。芯片是在硅晶圆上批量产生的，单个晶圆片能承载1000个芯片。
但是，汽车客户所需的半导体质量鉴定时间更长，到2023年底才能出厂。
从2024年开始，STM将对新晶圆厂进行扩建，根据未来的需求量，工厂面积将由8454平方米扩大近一倍至1.49万平方米。该公司预期扩建工作在2025或2026年完成。
STM新晶圆厂从2018年开始建设▼
奥里奥表示，到2024年，阿格拉泰工厂的一期工厂完工后，工厂的总投资将达到20亿美元。随着产能的扩大，后续还会根据市场需求追加投资。
新工厂全面自动化，一期将雇佣700-800名操作员，随着无尘室的增加也会相应的增加员工数量。
相比之下，STM现有晶圆厂雇佣了1400名操作员，总员工数2400名，包括质量、物流、维护和生产等工种。
升级到12英寸并不意味着该公司放弃了8英寸的市场。STM现有8英寸晶圆厂将继续供应气囊、导航系统和无钥匙进入系统的芯片。
新工厂的产品将包括汽车模拟和射频产品所需的芯片，缓解因芯片短缺而积压的订单。
微型化
芯片制造商扩大产能还存在一个障碍，那就是客户需求两极化。
对于消费电子和PC行业，提升芯片产能的关键因素是微型化，并提升生产效率。而对于汽车行业来说，关键因素则变为了在极端环境下的抵抗力和耐久力。
这在一定程度上解释了为什么欧洲的汽车芯片产量高于其他地方，因为欧洲没有微芯片厂。微芯片指的是10纳米以下的，这个数字越小越好，CPU晶体管之间的距离越短，运行速度越快。
STM最先进的工厂是一家生产28纳米芯片的晶圆厂，位于法国克罗尔市。主要供应汽车应用程序，包括Mobileye的视觉处理器和下一代微控制器。
STM的汽车客户不要求它建生产10纳米以下芯片的工厂，可这类芯片的需求却依然存在。目前，STM的欧洲本土市场还没有。
高风险
国际咨询公司科尔尼（Kearney）在一份市场展望报告中提到：“今天基于成熟节点技术的半导体会随着时间的推移，向更先进的节点技术发展。因为更先进的节点技术可以为所有应用程序带来优势。比如，耗电更低，能力密度更高等等。”
据科尔尼称，STM在2015年左右决定放弃内部生产微芯片，主要原因前期投资成本太大。一个5纳米晶圆厂每月可以生产35000块晶圆，前期投资成本高达200亿美元。
事实上，在美国、以色列、韩国和中国台湾，有10家左右这样的工厂在运转。这些地区也同时拥有10纳米及以下的晶圆厂。
投资的高风险成为了一个阻碍。
行业协会数码欧洲（Digital Europe）表示，1998年，全球22%的半导体产自欧洲，到了2019年，这个数字降为8%。
据科尔尼称，在欧洲建造一家5纳米晶圆厂的长期费用比韩国高出了33%，比中国台湾高出了43%。造成这一差距的主要原因是亚洲国家的补贴力度更大。
9月份，欧洲委员会（European Commission）介入，提出了“芯片法案”（Chips Act），以提升研发能力，提高本地产能，目标是让欧盟的半导体份额重回20%的水平。
但他们可能遇到一个这样的障碍：欧盟的竞争条例禁止在芯片生产阶段接受国家资助，只有研发和试验生产激励是允许的。
2022年将会提出一项正式指令，但要修改条例需要欧盟27国的批准。
新路线
STM公司的CEO马尔科·蒙蒂（Marco Monti）透露，与此同时，行业中很多人在想各种办法解决产能危机。
越来越多的汽车制造商和一级供应商开始对汽车芯片重新设计，包括电子控制单元。以寻求更多灵活的解决方案，使它们能够在12英寸晶圆厂进行生产。
汽车制造商开始从芯片制造商手里直接购买芯片。这是一个大的转变。在过去，芯片制造商被严格定义为2级供应商，向1级供应商，如博世、法雷奥（Valeo）供货。1级供应商为汽车制造商生产更大的组件。
戴姆勒采购总监马库斯·谢弗（Markus Schäfer）说：“梅赛德斯-奔驰的母公司正在与芯片供应商直接对话，包括台积电。”大众集团CEO赫伯特·迪斯（Herbert Diess）说：“现在公司与亚洲的芯片制造商达成了战略伙伴关系。”
新的一年即将到来，采购、技术、芯片生产等发生的一系列变化，需要多久才能让整个行业松一口气？这是问题的关键。