汽车是半导体领域重要的应用场景之一,随着汽车电动化、智能化的发展,芯片已成为驱动汽车行业创新的重要力量。从当前全球竞争格局来看,欧美日居于主导地位,且在当前“芯片荒”的现实背景下更表现出不断强化自身控制力的趋势。
2020年至今的汽车芯片短缺问题,是地缘政治格局变化和外部冲击下的市场供需失衡、汽车行业运营模式调整、汽车芯片行业自身独特性等偶发因素与行业规律变革等多重因素叠加和发酵的结果。
为应对芯片短缺,美国、欧洲、日本和韩国均采取了不同的策略来强化自身在制造环节的控制力,应对汽车芯片短缺已成为主要国家维系产业链安全、塑造科技和产业领先优势的一个“缩影”,这对于我国本就严峻的汽车芯片短缺问题造成新的压力,但也为我国破解芯片短缺问题提供了新的思路。建议短期内强化汽车与芯片产业的内部协同和外部循环,为汽车制造企业营造良好的发展环境和预期;长期落实集成电路产业发展的支持体系,促进集成电路产业的自主安全可控,提升产业链供应链韧性以保证经济和国家安全。
芯片是驱动汽车行业创新的重要力量,汽车也是芯片的重要应用场景,汽车与芯片的融合不仅代表了制造业数字化转型的新趋势,也是数字技术与传统技术融合促进美好生活的典范。在全球进入百年大变局的现实背景下,汽车芯片竞争不仅反映了传统汽车产业在新技术驱动下的全球格局新变化,也凸显了新技术对传统产业的改造和影响,汽车芯片在地缘政治格局变化、疫情及灾害外部冲击、汽车行业运营模式调整、汽车芯片行业自身独特性等多重因素叠加下表现出严峻的短缺问题。应对汽车芯片短缺,不仅是主要大国维系产业链安全的一个现实范例,也成为各国应对大变局下维系传统产业竞争力、推动新兴产业和传统产业融合、形塑产业链新优势的重要策略。为此,深入剖析当前汽车芯片短缺的深层次原因,分析各国应对汽车芯片短缺所采取的措施,对于我国利用集成电路产业发展机遇实现“后发赶超”和汽车行业的“跨代竞争”具有重要的现实意义。
汽车是第二次工业革命工业的典型产品,随着新技术革命的不断深化,更多的技术要素融入到汽车产品中,其中最为重要的是以芯片为代表的半导体技术融入到汽车的各个系统,驱动着汽车产业在第三次工业革命阶段的不断成长和升级。
作为半导体的重要应用领域,汽车芯片按种类可分为微控制单元(MCU)、系统级芯片(SoC)、功率半导体(IGBT、MOSFET、电源管理芯片、二极管等)、存储芯片(NOR、NAND、DRAM等)、传感器(压力、雷达、电流、图像等)以及互联芯片(射频器件等)等,使用范围涵盖车身、仪表/信息娱乐系统、底盘/安全、动力总成和驾驶辅助系统五大板块。传感器、微控制单元、存储设备、功率器件在各个板块均有需求,而互联芯片主要用于车身及信息系统方面。
从芯片的具体用途来看,汽车类和通讯类芯片在全部应用场景中占比上升,汽车已成为半导体行业快速增长的重要驱动力。根据IC Insights的数据显示(见图1),汽车芯片在集成电路领域的的市场份额从1998年的4.7%提高到2019年的8.7%,受疫情影响消费类电子需求的快速上涨,汽车芯片的市场份额在2020年回落到7.5%。
但是总产值长期保持快速的增长态势,2020年达到380亿美元的规模。进入2021年,受汽车芯片短缺预期的影响,汽车芯片总体需求和产能保持高速增长,2021年1季度相较去年同期增长了23%,与全球集成电路市场的增长率相同。
另据美国半导体行业协会(SIA)2022年4月发布的报告显示,2021年汽车用半导体在全球半导体市场中的份额高达12.4%,成为仅次于计算机(31.5%)和通讯领域(30.7%)的第三大应用场景。
图1 按照用途分集成电路的市场份额占比
图2 2019—2020年汽车半导体行业前五大企业全球市场份额占比变化
作为芯片的重要应用场景,汽车芯片在芯片行业从垂直整合模式(Integrated Design and Manufacture,IDM)向纵向分工模式(例如IP核企业、无晶圆厂的设计企业、晶圆代工企业、专业封测企业)转型过程中也表现出高度全球化特征。
汽车的主要供应商,例如英飞凌、意法半导体、恩智浦等,把附加值比较低的环节布局在封装、测试集中在劳动密集型地区,而将制造环节交于专业的晶圆厂代工,极细的全球分工在面临外部冲击时存在极大的不稳定性。
自2020年以来,汽车芯片却出现前所未有的短缺局面,尤其是微控制单元(MCU)、系统级芯片(SoC)等极为短缺,制造环节是汽车芯片供应不足的“堵点”。从2020年底开始,福特、通用、大众、宝马、菲亚特-克莱斯勒、本田、丰田、日产、沃尔沃、现代、起亚等汽车厂商相继由于芯片供应不足出现减产、短期停产或者延迟交货,国内汽车厂商蔚来等也宣布减产,甚至部分车企推出“减芯版”产品,大量车企在不公开的渠道反映芯片价格“暴涨”和“一芯难求”。
市场研究机构英国埃信华迈公司预测,2021年全球汽车产业销售额将因“缺芯”减少600亿美元。汽车芯片短缺是地缘政治格局变化和外部冲击下的市场供需失衡、汽车行业运营模式调整、汽车芯片行业自身独特性等偶发性因素与行业规律变革等多重因素叠加发酵的结果。
芯片短缺直接结果是影响汽车的生产和销售,但由于芯片短缺所引发的各国政府和市场的行动将产生更加深远的影响。
首先,短缺将抬升汽车芯片价格,这对于芯片自给率只有2.5%的我国汽车产业来说将造成更大的成本压力,进一步蚕食我国汽车制造产业的利润水平,甚至直接影响汽车产业的创新发展和赶超。
其次,在汽车芯片短缺的大氛围下,大量芯片企业涌入,预期将会出现“低端芯片过剩、高端芯片产能不足”的结构性问题,进一步加剧芯片产业的周期性投资波动问题。根据企查查数据显示,仅2020年和2021年新成立的集成电路企业高达6.46万户和8.54万户,大量资本涌入芯片行业,预期未来这些新企业中部分产能释放后将会一定程度上缓解汽车芯片供应不足的问题,且可能造成低端芯片供给过剩的问题。然而,处于最为短缺的MCU、SoC需要先进制程工艺,高压功率器件所需的SiC、GaN晶圆被美日巨头控制,加之美国的持续打压,短期内技术完全自主难度极大,所以高端芯片领域可能存在长期供给不足的现实问题。
第三,各国政府对汽车芯片短缺问题都高度重视,通过强化本国汽车和芯片产业之间的协同,提高产业链本地化、区域化以提升产业链韧性,“汽车+芯片”将形成一个强大的内部产业联盟,这为正处于起步和追赶阶段的我国芯片和汽车产业来说形成了巨大的挑战,未来利用全球化机遇实现后发赶超的难度更大。
然而,需要看到的是,全球范围内的芯片荒将在未来1-2年内得以解决,但中国的汽车芯片供给尤其是高端芯片供给的自主可控将远超这一判断,预计在未来的5-10年内,通过破解关键设备、材料、EDA软件、IP核、制造工艺等“短板”,才可能在芯片领域形成全产业链领先能力,以降低各国重塑产业链对我国芯片产业和汽车产业的影响。
汽车产业的巨大规模及其对相关产业的强大带动效应,使得各国都十分重视汽车产业发展,在汽车芯片面临短缺危机时,各国通过形式多样的干预方式来缓解本国芯片短缺问题。美国借汽车芯片短缺机会进一步强化对芯片制造环节的全球控制力,欧洲借此强化其在汽车芯片领域的领先优势,日本则由主要车企利用下行生产模式构筑“安全库存”以打造韧性供应链,韩国则凭借其在存储半导体领域的优势与车企合作打造在系统级芯片的新优势。
一是从国家层面构建本国支持芯片产业发展的政策体系。美国在2021年6月发布的《构建有韧性的供应链、振兴美国制造、促进更大范围的经济增长:行政令14017的100天评估》中提出,美国要重建芯片生产和创新能力,构建生产、制造、技能劳动者、多样化中小型供应商组成的具有长期竞争力的产业生态体系,建议通过颁布新的联邦法律、利用《国防生产法案》等方式提升美国芯片制造能力,以及国会提供至少500亿美元的基金支持国内先进芯片制造发展,该报告的发布标志着美国协同推进芯片研发和制造能力提升的战略已成为国家共识。一年后,拜登政府发布了推动供应链安全的评估报告《美国供应链行政命令:一年行动和成就》,国防部、国土安全部、商务部、能源部、农业部、交通部、卫生和公众服务部等七部门也分别发布了6个专项的供应链安全报告(国土安全部和商务部共同负责ICT领域),进一步强化了联邦政府各部门协同推进集成电路产业链供应链安全的国家体系。
二是进一步提升美国的芯片制造能力以维系其芯片全产业链的安全性。美国通过游说、政治施压等多种方式,吸引台积电到美国兴建5纳米12英寸晶圆厂,总投资金额高达120亿美元;英特尔于2021年3月份宣布计划斥资200亿美元在俄亥俄州新建两家工厂,并向外部客户开放代工业务,以大幅扩大其先进芯片的制造能力,2022年初宣布未来的总投资额可能会增加至1000亿美元,共建设8座工厂。为保证对上述相关芯片制造企业的有效吸引力,参议院于2021年6月通过了《美国创新与竞争法案》,众议院2022年2月通过了《2022年美国竞争法案》,进一步明确了《CHIPS》和《2021财年国防授权法案》对集成电路产业的政府支持,主要内容是在5年里提供527亿美元用于芯片生产、设计和研究,不只要支持美国本土的芯片制造,也要支持外国的芯片制造商都能在美国进行该领域最先进技术的研制。
三是以“救世主名义”再次出手,企图掌控全球汽车制造商的芯片分配量。以应对汽车芯片短缺和维护国家安全为借口,美国商务部于2021年9月23日发出通知,要求全球半导体供应链主要企业在45天之内提供过去三年的相关信息,包括库存、产能、原材料采购、销售、客户信息等,信息征集对象涵盖整个半导体供应链,包括半导体设计和制造企业、材料和设备供应商、中间商以及终端用户,美国商务部长雷蒙多在接受媒体采访时警告,如果企业不做出回应,美方可能会动用《国防生产法》和其他工具迫使企业交出数据信息。在美国政府三番四次召开会议要求共建“资讯分享机制”的压力下,主要半导体企业(包括台积电和三星)都在截止日期(2021年11月8日)前提供了相关信息。
一是强化立法支持芯片从研究到制造以及全球合作。2022年2月8日,欧盟委员会推出《欧洲芯片法案》提案,计划拨款110亿欧元的公共资金用于半导体的研究、设计和制造,目标是到2030年拉动总计430亿欧元的公共和私人投资,旨在提高欧洲的半导体产能,建立先进芯片制造“生态系统”,确保欧洲芯片供应安全,具体包括3个维度:
首先是欧洲半导体研究战略,联合比利时微电子研究中心(IMEC)、法国原子能委员会电子与信息技术实验室(CEA-Leti)和德国弗劳恩霍夫协会等机构,将欧洲的芯片研究推向一个新的水平;
其次是一项提升欧洲产能的集体计划,将支持芯片供应链监测,以及提高在设计、制造、封测、设备及材料的弹性,支持欧洲“大型芯片代工厂”的发展,这些芯片工厂将能够大批量生产最先进的(接近2nm及以下)芯片;
第三是构建国际合作与伙伴关系的框架以推动供应链多样化,进而减少对单一国家或地区的过度依赖,发挥欧洲半导体联盟的作用持续地筹集资金等。
二是推动区域内国家和企业间合作以协同解决汽车芯片短缺问题。2020年底,法国、德国以及其他11个欧洲国家宣布签署一项“欧洲电子芯片和半导体产业联盟计划”,以打破美国对芯片领域的主导,并计划建立安全电子技术的通用标准,目标是“建立先进的欧洲芯片设计和生产能力”。为进一步落实国家合作,2021年6月,欧盟正考虑建立一个囊括意法半导体、恩智浦、英飞凌和阿斯麦等企业在内的芯片联盟。企业层面,2021年11月9日,博世宣布将联合欧洲7个国家的34家公司及大学、研究机构等,在欧洲打造一条覆盖从晶圆到电力电子设备的完整SiC供应链,这一项目被称做“变形金刚(Transform)”,这将成为欧洲在汽车芯片领域重塑领导地位的重要事件,对于保障欧洲汽车芯片供应链安全也具有极强的现实意义。
此外,2021年6月份博世位于德国德累斯顿的12英寸晶圆厂正式建成,主要生产用于电动汽车和自动驾驶汽车的芯片,这是博世130多年历史上最大的一笔投资,初始投资约10亿欧元。此外,欧盟同时在积极寻求拥有先进技术工艺的台积电、三星以及英特尔来欧洲建厂,并且拟为此推出高达数十亿欧元的补贴。
一是重建国内生产体系,保障本土产业安全。2021年6月,日本出台《经济财政运营与改革基本方针2021》,要对半导体等战略物资集中投资,重建国内生产体系。日本电子情报技术产业协会(JEITA)半导体部会2021年报告《实现国际竞争力提升的半导体战略》指出,世界的半导体生产应该从依赖具有地缘政治风险的中国台湾,向由中国台湾、美国和日本构成的三极平衡格局发展。为此,日本政府也积极支持本土芯片制造企业的投资,2021年10月份宣布,计划为台积电和索尼公司拟于日本西部熊本市设立的、造价约达8000亿日元(合70亿美元)的新工厂提供一半的资金。该工厂将于2023年或2024年开始运营,并主要生产用于摄像头传感器的芯片以及用于汽车及其他产品的芯片。
二是以企业为主体构建“安全库存”以应对产业链外部冲击。2011年福岛地震后,丰田推出名为“业务连续性计划(business continuity plan,BCP)”的供应链管理新举措,其中囊括可能会受到影响的1200多种零件和材料,并拟定了500项未来需要予以高度安全关注的优先项目清单,其中包括日本主要芯片供应商瑞萨电子制造的半导体,该计划要求供应商储备价值2~6个月的芯片,这也导致此次芯片短缺中丰田汽车成为受影响最小的汽车企业。此外,丰田通过零部件供应商电装公司获取芯片制造商瑞萨电子5%的股份,以形成对上游汽车芯片的有效影响。
汽车芯片短缺问题表面上是外部冲击所引发的供需失衡、行业运营模式调整以及汽车行业自身规律所导致的,但从深层次来看,其映射了我国在整个集成电路产业的竞争力和话语权不足问题。因此,在采取措施帮助汽车企业解决短期芯片短缺问题的同时,要着眼于长期落实集成电路产业发展的支持体系,真正提升中国在集成电路产业的全球话语权,形成具备领先优势和制约竞争对手的核心竞争力。具体有如下几点建议:
一是利用汽车芯片制程相对较低和迭代周期较长的特点,发挥我国在制造业的优势,从全产业链和全要素的角度加快布局,补齐我国在设备、材料、软件等方面的基础短板,也为未来在更高制程上的突破和提升创造条件。尤其是要进一步强化我国在汽车芯片制造环节的力量,引导汽车产业建立“安全库存”模型,确保在极端压力条件下的安全和备份能力。
二是把握汽车芯片新兴细分领域的发展机遇,例如激光雷达、第三代半导体、射频芯片等,这些领域的国外巨头市场占有率相对较低且成长快速,加快培育和推进相关细分领域的快速成长和积累,有利于形成差异化优势。
三是进一步深化半导体领域的对内对外开放,强化半导体领域内的互动和交流,鼓励行业内企业与国内外同行的交流,鼓励汽车企业和芯片企业协同发展,强化行业内企业知识的共享,迅速积累行业内的学习经验,提升芯片制造良率和可靠性。
四是优化产业支持政策,可考虑以整车企业为牵引,通过共建共享、保险制度、优先采购制度等,鼓励其在特定领域和场景中优先采用国产汽车芯片,以需求拉动国产汽车芯片企业的创新和迭代发展。
一是发挥国有企业尤其是机械制造、电子信息、军工企业等国有企业实力雄厚、容错能力强的优势,鼓励其后向一体化延伸至汽车芯片产业中,也可利用当前国资国企改革的机会充当风险投资者和战略性投资者的角色。例如进一步提升中车在IGBT的技术和全球竞争地位。此外,还可考虑在资本运营过程中以一定比例的资本支持基础研究(作为对集成电路大基金二期的补充),保证对汽车芯片基础研究的长效支持。
二是发挥汽车和芯片行业内领军企业的专业优势和用户优势,加大对产业链上下游企业的支持和整合,协同推进对关键核心技术的共同研发与突破,形成产业发展的合力。
三是发挥好产业联盟、技术联盟的优势,以龙头企业为牵引,加大汽车芯片共性技术研发,为技术创新和产业发展提供底层和公共技术供给。
四是把握汽车电动化和智能化发展机遇,创新通用型汽车芯片架构。利用我国智能汽车、电动汽车快速发展带来的海量应用场景和技术变革机会,推动汽车设计与芯片设计的协同,设计形成多系列、多规格、适用未来多种场景的通用型的MCU和SoC芯片。鼓励芯片制造企业加大在MCU和SoC方面的投入,形成与三星聚焦存储芯片制造、台积电聚焦逻辑芯片制造类似的在汽车芯片制造方面的细分优势。
一是要发挥政府、行业团体或者龙头企业的引导作用,构建产业上下游和横向企业之间的社会协同网络。
二是要利用好“首台套”“首版次”等相关优惠政策机会,不仅要给予创新突破企业以支持,同时要给予用户以支持,例如确实落实新产品保险机制,降低用户使用国产替代设备、材料所造成的机会成本和风险损失补偿。
三是注重发挥资本市场优势,发挥政府引导基金和民间资本在前沿技术、初创企业的融资功能,同时鼓励行业整合、跨国并购等,形成资本对实体经济和关键领域突破的有效支持。