2020年在全球范圍內爆發的新冠肺炎直擊汽車行業。汽車需求“蒸發”、全球各車企工廠相繼停工。原以為市場需求、汽車生產都會在2020年下半年復蘇，熟料進入2021年，車載半導體供給不足、汽車廠家再次陷入減產困局。
首先，本田汽車在1月7日宣布，由于用于車輛控制系統的半導體供給不足，1月份減產約4,000輛，包括小轎車“飛度（Fit）”（1月8日日本經濟新聞）。其次，日產汽車在1月8日宣布，由于電子產品（包含半導體構成）的采購出現問題，下調小轎車“NOTE”5,000輛的生產（1月9日日本經濟新聞）。
圖片出自：biz-journal
當日日本經濟新聞還發表文章如下，豐田汽車于1月8日宣布，由于半導體采購問題，下調由美國工廠生產的皮卡——“Tundra”。歷年來，豐田汽車都會在這個時候向零部件供應商說明次年度的生產計劃，而今年卻僅公布了“暫定值”，實屬罕見。
此外，日本經濟新聞的文章還指出，減產的不僅有本田、日產、豐田等日系車企，美國福特、美國通用汽車、美國菲亞特克萊斯勒汽車（Fiat Chrysler Automobiles）、德國大眾等歐美系車企也相繼因半導體供給不足而減產或調整生產。
車載半導體緣何供給不足？
之前有文章提出車載半導體供給不足的原因如下：“由于電動汽車（EV）、無人駕駛汽車的普及，導致車載半導體需求高漲”、“一輛EV的半導體使用量是一輛汽油車的兩倍”、“新冠肺炎帶來的‘宅家’促使了PC、智能手機方向的半導體需求擴大”、“全球最大半導體代工廠臺灣TSMC的尖端產品訂單已經覆蓋到半年以后”等。因此，“需要將近半年的時間才能使車載半導體的供給恢復正?！薄?/p>
但是，以上內容很難成為全球車載半導體供給不足的理由。于是，筆者就在本文中詳細敘述車載半導體供給不足的理由。屆時，筆者還會列舉以下個案（Case Study）：因2011年3月11日發生的東日本大地震，位于茨城縣的車載半導體工廠——瑞薩電子那珂工廠受災的事例。其次，再揭示導致當下車載半導體供給不足的真正原因。最后，再提出筆者的預測，即解決車載半導體供給問題至少需要半年、甚至1-2年的時間。
車載半導體的特殊性
下表1是車載半導體與用于一般數碼家電等消費電子產品的半導體的要求規格的比較表。即，此表雖出自2008年9月1日電裝發布的《第五屆信賴性論壇》（主辦：日經Micro Device），即使在今天也不過時。
表格出自：日經Micro Device第五屆信賴性論壇的資料。2008年9月1日
從表1可以看出，車載半導體在以下環境中可以保證20年的質量：溫度為-40-175（200）度、濕度為95%、50G的激烈震動、15-25Kv的靜電，不良率僅為1ppm（百萬分之一）。且價格被定為“Low”。即，與消費型半導體相比，車載半導體具有極高的可靠性。
然而，據瑞薩那珂工廠的從事車載半導體生產的技術人員透露，汽車廠家豈止是要求一百萬分之一，而是要求“不良率為零”！哪怕一個小小的車載半導體發生作業不良，就可能引起交通事故、導致人員死亡。因此，必須保證“零不良率”！無論是生產100萬個產品、還是生產1,000萬個產品，都要保證100%良率！因此，不存在“不良率ppm”這一定義。必須要“零不良率”。
以上要求是可以理解的，然而卻是無法實現的。因為無法使批量生產的工業產品達到100%良率！因此，理想狀態下可以實現以上要求，但不適用于工業產品。
然而，瑞薩的那珂工廠確實是要求“零不良率”。而且，為了實現“零不良率”，在生產車載半導體時，豐田等汽車廠家針對瑞薩的半導體工廠實行了“產線認定”。
什么是“產線認定”？
比方說，瑞薩的那珂工廠為生產豐田的發動機控制半導體（Engine Control Unit，ECU），專門研發了一套由500個工序組成的生產制程。基于此制程，瑞薩在半年--一年的時間內連續生產ECU，當瑞薩可以穩定地生產出正常工作的ECU時，豐田汽車對瑞薩的產線進行“認定”。此外，被賦予“產線認定”的由500道工序組成的制程，原則上不可以更改生產設備、制程條件。
就瑞薩而言，即使為了“和諧”地與其他產品共存、調整與其他工廠之間的生產計劃、推進微縮化、提高良率、提高產出等目的，而希望改造產線、更換設備、更改工藝條件，作為客戶的汽車廠家也不會同意的。以此為背景，如果更換了設備和工藝條件，從而導致不良發生，結果又引起了汽車事故問題，“到底是誰的責任”？
在以上種種苛刻的束縛條件下得到汽車廠家的認定、生產具有超高信賴水平的車載半導體，且價格也要做到“Low”，因此曾聽到瑞薩的技術人員吐露真言：“其實我們真不想生產車載半導體”！
因東日本大地震而受災的瑞薩那珂工廠
受到豐田汽車“產線認定”的瑞薩那珂工廠卻在2011年3月11日因東日本大地震而受災，大批生產設備遭到破壞、潔凈室的墻壁上也出現了裂痕，直接導致瑞薩的那珂工廠無法再為豐田生產ECU，且豐田無法生產油電混合汽車“普銳斯（PRIUS）”。
最終，豐田和電裝為了支援瑞薩那珂工廠的復原，派送了約2,500名員工。當時，豐田的ECU在瑞薩那珂工廠的8英寸產線上由0.18um工藝生產。除了那珂工廠，瑞薩的西條工廠、滋賀工廠、川尻工廠、新加坡工廠等都有0.18um的8英寸產線，都可以代替那珂工廠生產。
然而，瑞薩和豐田都不打算由其他工廠代替生產，堅持復原受災的那珂工廠。聽說其理由是“產線認定”。即，如果在那珂工廠以外的其他工廠為豐田生產ECU，需要再次進行“產線認定”，又要花費半年-—一年的時間。因此，他們認為修復那珂工廠受災的產線比新的“產線認定”花費的時間更短。
如此一來，每當要生產信賴性極高的車載半導體時，汽車廠家就規定必須花費半年—一年的時間進行“產線認定”。此外，即使半導體工廠發生問題，也不會輕易地轉移到其他半導體工廠生產。
28納米以后由TSMC代工
45-40納米世代時，由瑞薩自行設計、內部生產。然而，隨著微縮化的發展，研發費用、設備投資方面花費的資金越來越高。于是，瑞薩僅自行設計28納米以后的車載半導體，委托給TSMC代工生產（2018年3月26日日經新聞）。
換言之，采用45-40納米傳統工藝的車載半導體由瑞薩自行生產，28納米以后的需要尖端工藝的車載半導體全部委托給TSMC生產，即瑞薩成為了名為“Fab Lite”的半導體廠家。（如下圖1）
圖1：TSMC的技術節點和瑞薩的外包生產。（圖片出自：筆者從TSMC的2019 Business的圖中匯總了此圖。）
當時，筆者還特意詢問了瑞薩的相關人士：“TSMC的半導體工廠是否也需要‘產線認定' ”。瑞薩的回答是“當然需要，TSMC的車載半導體產線已經獲得了’產線認定‘資格”。
車載半導體的變化
近幾年來，車載半導體發生了巨大的變化，2011年瑞薩那珂工廠因東日本大地震而受災時，豐田的ECU采用的是8英寸的0.18納米工藝（上文已經敘述）。換句話說，十年前的大部分車載半導體都是采用傳統工藝生產的，且很少使用尖端工藝。這是因為就車載半導體的生產而言，傳統工藝可以滿足要求，且由于汽車廠家的嚴格要求、很難開發新的工藝。然而，這幾年來，汽車產業迎來了CASE（Connected、Autonomous、Shared ＆ Services、Electric）大潮，進入了百年一度的大變革時期。就如同本文開頭所述——“一輛EV的半導體使用量是一輛汽油車的兩倍”，車載半導體的使用數量、種類逐年在增加。
尤其是“C”、“A”，即聯網無人駕駛汽車在逐步普及，這種汽車需要搭載由尖端工藝生產的通信半導體（符合5G通信規格，如美國高通的Base Band Processor、基帶處理器），此外要運行這種無人駕駛汽車，還需要由尖端工藝生產的人工智能（AI）半導體（比方說，美國NVIDIA的GPU）。
總而言之，隨著CASE時代的到來，并不是所有的車載半導體都可以由傳統工藝生產，5G通信、AI半導體必須由TSMC的7納米、5納米等尖端工藝生產。
TSMC的尖端工藝的產能供不應求
TSMC于2018年量產7納米，2019年啟動采用了最尖端曝光設備EUV的7nm+工藝，2020年啟動5納米的量產，今年（2021年）開始3納米的風險量產。3納米的正式量產計劃在2022年，據說目前正在籌備2024年量產的2納米的生產設備、材料。
如上所述，TSMC走在全球尖端微縮化的最前沿，但其產能卻嚴重不足。換句話說，蘋果、高通、AMD、NVIDIA、博通、賽靈思（Xilinx）、聯發科等全球Fabless都希望設計出最先進的半導體，并委托給TSMC生產。（如下圖2）
圖2：Fabless圍繞TSMC的尖端工藝進行“爭奪戰”。
此外，在2015年之前都是英特爾引領著全球最先進的微縮化技術。自2016年十納米啟動失敗后，就一直“原地踏步”。結果，英特爾差點將7納米以后的產品委托給TSMC生產。這也是TSMC尖端工藝產能吃緊的原因之一。
此外，瑞薩等車載半導體廠家也陷入了爭奪TSMC尖端工藝產能的旋渦之中。2020年爆發的新冠肺炎對TSMC的車載半導體生產又造成了什么影響呢？
新冠肺炎對汽車產業的打擊
下圖3是2016年-2020年日本新車銷售數量推移表，每月的新車銷售數量浮動很大，但是在每個財政年度末的3月份都會出現頂峰，這也是可以理解的。2020年受新冠肺炎的沖擊，很多汽車廠家減產、停工。從下圖3可以看出2020年新車銷售數量低迷。
圖3：日本的新車銷售數量（統計）數量（2016年-2020年）
?。▓D片出自：筆者根據一般社團法人日本汽車銷售協會聯合會的統計數字制作了此圖。）
日本的新車銷售數量（萬輛）
此處，比較2016年-2019年每月新車平均銷售數量（以下簡稱為：平均數量）與2020年的銷售數量后，得出下圖4的上半部分。此外，且筆者將二者的差（即2020年每月的平均銷售數量到底下滑至何種程度）制成了下圖4的下半部分。
圖4:2016年-2019年的平均銷售數量與2020年的比較，以及差距。
（圖片出自：筆者根據一般社團法人日本汽車銷售協會聯合會的統計數字制作了此圖。）
結果，2020年3月-4月期間新車銷售數量下滑5萬多輛，5月-6月期間下滑8萬多輛。下滑趨勢在7月份以后得以緩和，10月份超平均銷售數量約2.1萬輛，可以說完全恢復了。
基于以上情況，今年（2021年）各家汽車廠商應該都會按照計劃生產新車。然而，如文章開頭所述，由于車載半導體供給不足，全球汽車廠家被迫減產。那么，車載半導體真的供不應求嗎？
TSMC的各種半導體的出貨金額
下圖5是TSMC的各類半導體的出貨金額。首先，2018年下半年以來，智能手機方向的半導體占據TSMC出貨金額的約50%。其中，包含智能手機應用處理器（AP）、4G&5G通信半導體等。其中最大的客戶就是銷售iPhone的美國蘋果。
圖5：TSMC的各種半導體的出貨金額占比。
?。▓D片出自：Biz-journal）
此外，從上圖可知，進入2020年，High Performance Computing的占比大幅度提升。主要原因在于，新冠肺炎引起全球范圍內遠程辦公的普及，且人們不得已宅在家中，導致網購大幅度發展、高性能游戲機暢銷。比方說，隨著遠程辦公的普及，PC需求擴大，推動了美國的處理器廠家AMD（將委托給TSMC代工）的業務擴大。此外，由于全球范圍內通信數據的大幅度增長，亞馬遜、微軟、谷歌等云服務企業也開始踴躍建設數據中心，他們的數據中心都需要大量的服務器，這些服務器又都需要搭載高性能的處理器。因此，High Performance Computing的占比大幅度提升。
TSMC的車載半導體占比
另一方面，車載半導體（Automotive）在TSMC的出貨金額中的占比本來就不是很高，2020年第一四半期、第二四半期分別為4%，第三四半期下滑至2%。主要原因如下：汽車廠家受到新冠肺炎的沖擊，尤其是在2020年5月-6月期間，汽車廠家大幅度下調新車生產（如圖4），因此大幅度削減了對TSMC下發的車載半導體訂單。
以豐田為代表的汽車廠家采用“Just In Time”的經營手法，盡力減少庫存水準。此外，就半導體的生產而言，從晶圓入廠到經歷500道工序（尖端產品需要約1,000道工序），約需要2-3個月左右的時間。比方說，如果事先了解到每年三月份新車銷售數量會倍增，至少在半年之前就要下發所需的車載半導體訂單。
然而，由于突然襲來的新冠肺炎，汽車廠家無法按照計劃生產新車，也就大幅度削減了向TSMC下發訂單。因此，TSMC的車載半導體出貨金額占比在2020年第三四半期下滑了一半，下滑至2%。對此，TSMC采取了什么行動呢？
車載半導體緣何供給不足？
2020年下半年，TSMC的車載半導體工廠的稼動率應該遠遠低于正常水平。但是，先進Fabless廠家對TSMC的代工要求卻源源不絕。作為TSMC，應該不會讓那些稼動率低下的工廠閑置，而是會把Fabless要求的5G、AI半導體安排在這些工廠中生產。
因此，可以推測出原本車載半導體的專用工廠瞬間轉換為生產“其他尖端半導體”。而且，“其他尖端半導體”的生產需要花費2-3個月時間，這期間，無法再轉回車載半導體。這是車載半導體供給不足的第一個理由。
其次，即使“其他尖端半導體”的生產在2020年內得以完成、并再次轉回車載半導體的生產，僅完成晶圓工藝也需要2-3個月的時間。因此，這期間汽車廠家無法采購車載半導體。這是車載半導體供給不足的第二個理由。
車載半導體供給不足何時可以解決？
此外，已經生產了“其他尖端半導體”的工廠很有可能無法迅速轉回生產車載半導體。其理由有二。
首先，“其他尖端半導體”（比方說用于5G、High Performance Computing等方向的半導體）需求極大，且利潤率很高（至少不需要像車載半導一樣具有超高的信賴性、也不需要“產線認定”），因此，TSMC很可能會優先考慮經濟效益、暫時不在那些工廠里生產車載半導體。這種情況下，TSMC就需要在其他地方建設車載半導體專用工廠，從零開始“產線認定”，至少需要花費1-2年的時間。
其次，在生產完“其他尖端半導體”后，轉回生產車載半導體的情況下，也很可能無法馬上生產出完成品。生產“其他尖端半導體”時，雖然不需要更換設備，但會大幅度調整工藝條件。就擁有真空腔的設備（如干蝕設備、CVD設備、濺射設備等）而言，其內部很有可能會發生變化。
因此，即使花費2-3個月試做了車載半導體，但還需要確認能否滿足上表1中的規格。此時，如果無法生產出符合要求的車載半導體的話，需要重新研發500-1,000道工序。于是，要再次獲得“產線認定”，至少要花費半年--一年的時間。
綜上所述，要解決車載半導體供給不足的問題，可以預測至少需要半年-一年的時間（甚至會花費1-2年的時間）。可以說日本經濟新聞的文章《恢復車載半導體的供給需要花費半年時間》也是較樂觀的看法。對于很多汽車廠家來說，事態不容樂觀。