“芯片短缺”是2021年最引人关注的主题之一，无论是财经媒体的年度总结，或是券商研究所的明年展望，话题均离不开这个在过去一年间内，让所有产业参与者和行业观察家挠破头皮的“人类智慧的结晶”。
不止于宏观叙事，芯片短缺也影响着我们每个人的日常生活。市场研究机构Susquehanna International Group的数据显示，全球芯片交货期从2020年初开始持续上行，最新已达到22.3周。在生活中，我们能感知到的或许是最新款iPhone13推迟发货，因为苹果削减了1000万台产量；又或许是特斯拉新车暂时先不装USB口，原因同样还是买不到对应的芯片。
在见诸报端的分析中，芯片短缺是近两年蔓延全球的供应链乱象的一部分，原因包括“产能短缺”、“需求爆发”、“供应链受阻”等客观因素，也包括各种离奇的火灾、暴风雪、罢工等意外事件。但要抓住重点，我们应回归最传统的“供给-需求”行业分析框架，看看是怎样的供求错配，最终导致全球“缺芯”的局面。
01
看长期：产能结构错配埋下供求失衡伏笔
芯片产业链漫长而复杂，上中下游分别为设备/材料、制造、封装测试。中游的制造环节分为两种模式，IDM模式集各环节于一身，代工+设计模式则讲求专业分工。随着芯片水平的提升，建造新工厂的成本也越来越高，未来一座*的工厂甚至需要投入200亿美元，因此制造环节走向专业分工是行业趋势。目前，晶圆代工产能保持在芯片制造总产能的一半左右，地位十分重要，而本文也将主要以晶圆代工为切入点进行研究。
谈到晶圆代工，离不开“制程”和“硅片尺寸”。芯片制程从1990年的1微米发展至最新的5nm，目前28nm以下是先进制程，应用于对性能要求极高的手机处理器、CPU、GPU等。28nm到90nm是12英寸硅片上的成熟制程，应用于通信、射频、模拟等中端芯片。90nm以上是8英寸及更小硅片上的成熟制程，应用于电源管理、面板驱动、功率器件等中低端芯片。
先进制程是近年来代工产能扩张的主力，由台积电扛起大旗，疯狂砸钱。今年资本开支总计达300亿美元，占行业总开支的八成，三年计划总投入高达恐怖的1000亿美元。但是，传统先进制程的需求——消费电子，却增长乏力，PC+智能手机+平板电脑的三波浪潮已然衰退。之所以需求疲软却扩产迅猛，一方面是服务器、矿机、游戏主机等增量需求，另一方面则是台积电乘胜追击，进一步奠定行业地位的战略布局。
和先进制程相比，近年来，成熟制程的扩产节奏缓慢。2014年以来，成熟制程总产能的年化增速只有3.8%。其中比较有代表性的现象是，导入过猛的28nm赶上了全球半导体市场大衰退，产能利用率快速走低，此后各家厂商都不愿再度扩产。而8英寸的相关制程本身带有“即将淘汰”的属性，因为硅片尺寸的趋势是越大越好，尺寸越大，平均成本越低。2001年推出后，行业重心基本在12英寸之上，同期8英寸工厂关停，设备也不再生产，产能规模停滞并陷入衰退。
成熟制程新增供给有限，但下游应用市场却在近几年迎来快速发展。首先是消费电子的综合升级，虽然总出货量增长乏力，但随着智能手机往多摄、5G、屏幕升级、快充等方向升级，所使用的图像传感芯片、射频芯片、显示驱动芯片、电源管理芯片等均以成熟制程为主，周边配套例如5G基站、无线耳机、充电器等也是如此。以5G手机为例，一方面，其渗透率逐年提升，预计今明两年的出货量增速高于50%；另一方面，相比4G，5G手机需要2倍的电源管理芯片和功率放大器，2.5倍的滤波器，单机所含成熟制程芯片数量也有所上升。
其次是物联网，智能家居、智能视听、可穿戴等丰富的下游应用驱动市场高速发展。综合多家机构的预测，过去五年，物联网连接总数的年化复合增速为23.5%，未来五年则为13.2%。具体看，芯片种类可分为计算、通信、传感三类，较大比例均采用晶圆代工模式，其中既有IDM企业将产品外包代工，例如MCU和MPU芯片，也包括原本就采取设计-代工分工模式的通信和传感芯片，这些芯片对性能要求不是很高，制程范围主要为28nm-0.15μm的成熟制程，且较多使用8英寸生产。
最后是汽车芯片，新能源汽车以及智能汽车的渗透率逐年提高，而单车“含硅量”（芯片价值量占比）预计将在2030年提高至45%，致使汽车芯片的重要性提高。这一过程中带来了很多增量芯片需求，包括功率半导体、SoC、MCU、传感器等，整体仍以IDM模式为主，代工比例约为20%-30%，但分产品看，SoC、MCU、传感器等的代工比例较高，性能要求比消费电子和物联网略低，制程在40nm及以上。
与*性能相比，这些应用需求总量大，更追求性价比，因此仍然选择成熟制程，而不转向先进制程。28nm之后芯片设计成本增幅明显扩大，设计厂商负担更重；同时，建造晶圆厂的成本也迅速增加，例如前文提到的200亿美元/座的3nm晶圆厂，这部分成本也会转嫁到设计商头上。因此，成熟制程处于良好的性价比平衡点。此外，大部分成熟制程工厂已建立多年，折旧基本完成，进一步降低生产成本；同时，部分不单纯以性能衡量，主要应用于复杂场景的特种工艺，例如IGBT、DMOS、BiCMOS、BCD等，也集中于历史悠久的成熟制程平台之上。
综上所述，成熟制程供给端近年来长期以缓慢节奏扩产，但需求端的5G、物联网、汽车等下游新兴市场却强势增长，性价比因素导致这些需求选择使用成熟制程，而不转向先进制程，最终导致供求不匹配，这是本轮芯片短缺的根本原因。虽然先进制程供求关系宽松，但是，由于终端产品里各品种芯片缺一不可，iPhone离不开电源管理芯片，特斯拉也少不了USB芯片，部分成熟制程芯片供不应求，导致全行业呈现出严重的芯片短缺情况。
02
看短期：多项扰动因素放大供求失衡形式
长期的产能错配为何在此时爆发，导火索离不开大洋彼岸曾经的“懂王”，和已肆虐全球两年的新冠病毒。随之产生的三项主要扰动因素，放大了供求错配，点燃了缺芯狂潮。
扰动因素一是车企应对疫情的举措。2020年上半年，新冠肺炎疫情自局部向全球蔓延，车企过度悲观，从而大幅缩减芯片订单。需特别指出，汽车芯片本身在晶圆代工企业中优先级偏后，例如在台积电营收中仅占5%，主要因为其利润空间不大但生产标准严苛。于是，这部分空缺产能很快被其他爆发性增长的需求填满。随后，下半年汽车市场超预期恢复，车企尝试追加之前砍掉的订单，但代工厂已没有多余产能。一出一进，车企便挠破了头。
扰动因素二是设计厂商的多重下单和囤积库存行为。多重下单指设计厂商在不同的代工厂地方下订单，后续可以选择毁约砍单或囤积库存，这就扭曲了市场的真实需求情况。在多次业绩说明会上，多家代工厂商均明确指出这种行为的普遍性。
扰动因素三是大陆企业在政治打压之下的提前备货行为。大陆的半导体终端市场大，但本土代工产能有限，华为、小米、OV等终端大厂均高度依赖海外代工产业。然而，贸易摩擦背景下，国产厂商受打压，委外代工受限，例如美国曾对华为先后三次加码制裁，限制其获得芯片产品，这就导致去年华为为保证后续生产，提前向台积电等企业投下大量订单，其他厂商也担心自己受制裁，同样提前备货。这和之前提到的两大扰动因素相互交织，进一步放大了供应链的波动性。
03
看未来：扩产才能根本解决供求失衡问题
短期看，台积电、联电等各主要代工厂商已经开始涨价，这有助于迫使原来囤货的厂商部分缩减订单水平，从而得到下游真实需求。此外，代工厂也正积极协调，优先满足车企订单，同时中国和美国关系也出现局部缓和，这些都将有望缓解短期的扰动因素。但是，短期内新增代工产能供给较少，根本的供求关系没有改变，因此芯片短缺局面短期还不会全面缓解。
解决芯片短缺，根本还是要看产能扩充。据不完全统计，目前全球范围内的的代工扩产计划占现有产能的约1/4，可谓力度惊人。然而，新增产能毕竟需要时间，在现有厂房里增加新产线需要至少半年，而从零开始建造新厂，更是需要两年时间。这就意味着，直到2022年上半年，我们也很难等到成规模的新产能一解“燃眉之急”。即使乐观测算，扩充产能也将主要2022年下半年至2023年开出，芯片短缺局面或许届时才有望得以全面缓解。
伴随着本轮扩产潮，全球半导体产能的地域分布也可能发生重塑。扩产计划中，中国大陆+台湾占*多数，而大陆更是占比过半。其中，中芯国际同时在北京和上海临港新建工厂，并且继续推进中芯深圳的扩产计划。台积电在南京工厂扩建28nm产能。而华虹、上海积塔、晶合集成等厂商的计划也正在稳步推进之中。晶圆代工产能集中于东亚地区，原本以中国台湾和韩国为主力，而随着海峡对岸的大陆拍马赶上，不仅进一步强化中国在全球半导体产业链中的地位，自身也将日益成为举足轻重的行业参与者，推动“国产替代”的愿景进一步落地生根。
当然，本文仅是简单的分析。本轮芯片短缺成因十分复杂，不仅包括芯片制造环节，设备、材料、封装测试等环节也是重要影响因素。另一方面，即使仅考虑芯片制造环节，晶圆代工产能也仅占芯片制造总产能的一半，台积电固然举足轻重，但英特尔、三星、英飞凌、意法半导体等IDM厂商的情况同样也十分重要。为了把问题讲清讲透，本文立足于小的切入点，难免有错漏和缺失。此外，晶圆代工厂商还可能继续推出扩产或新建产能的计划，或许局势能更早得到缓解，那当然皆大欢喜。
芯片短缺之下，众生气象万千。代工厂盆满钵满，华虹快速摆脱亏损，格罗方德则成功赶着东风在美股上市；渠道商炒芯发财，一颗小芯片价格暴涨几十上百倍；终端厂愁云密布，盘算着是减配还是减产；消费者稀里糊涂，嘀咕着价格咋又涨了或是发货咋又延期了；投资人眼观八方，抠着每一项产业高频指标，耐心计算景气何时反转。
但相同的是，每个人都希望行业秩序早日恢复，芯片不再短缺。毕竟，谁不想再回到疫情前呢。
