全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的“牛鞭效應(yīng)”不會(huì)在短期內(nèi)消失，但美國政府可以與晶圓代工廠商、芯片供應(yīng)商，以及汽車、PC和電子設(shè)備廠商協(xié)作，以減緩這一經(jīng)濟(jì)現(xiàn)象對全球經(jīng)濟(jì)的負(fù)面影響。
什么是“牛鞭效應(yīng)”?
在商學(xué)院讀書時(shí)，我第一次從運(yùn)營管理學(xué)教授那里聽到“牛鞭效應(yīng)(bull whip effect)”這一名詞。這是指供應(yīng)鏈上的一種需求變異放大現(xiàn)象，就是訂單信息流從最終客戶端向上游供應(yīng)鏈傳遞時(shí)，因?yàn)闊o法有效地共享信息，使得信息扭曲而逐級(jí)放大，從而導(dǎo)致需求信息出現(xiàn)越來越大的波動(dòng)。這種信息扭曲的放大作用在圖形上很像一個(gè)甩起的牛鞭，因此被形象地稱為“牛鞭效應(yīng)”。
斯坦福大學(xué)商學(xué)院運(yùn)營管理學(xué)教授Hau L. Lee在1997年《MIT斯隆管理評論》雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)“牛鞭效應(yīng)”的學(xué)術(shù)論文，其中引用寶潔(P&G)公司的尿布例子，說明了這一經(jīng)濟(jì)學(xué)現(xiàn)象在各個(gè)行業(yè)的普遍性。在眼下影響全球的芯片荒中，我們也可以找到“牛鞭效應(yīng)”的痕跡。
哈佛商學(xué)院制造和供應(yīng)鏈管理教授Willy Shih在其《福布斯》專欄里分析了引起“牛鞭效應(yīng)”的三個(gè)主要原因：
1.需求預(yù)測不準(zhǔn)和訂購反應(yīng)過度。當(dāng)供應(yīng)鏈采購經(jīng)理看到需求增加時(shí)，他們可能會(huì)試圖“額外訂購”一點(diǎn)，以免出現(xiàn)短缺。他們甚至?xí)䴓酚^地認(rèn)為需求有不斷上升的趨勢。復(fù)雜的產(chǎn)品都會(huì)涉及多級(jí)供應(yīng)鏈，而每一級(jí)都有可能放大訂單需求。
2.訂單交貨延遲。如果訂單沒有及時(shí)交付，采購人員的自然傾向是下次訂購量更大，擔(dān)心短缺而希望有一些安全庫存。如果已經(jīng)出現(xiàn)短缺，可能會(huì)導(dǎo)致恐慌訂購。
3.短缺博弈。如果某一熱門產(chǎn)品出現(xiàn)供應(yīng)緊張而有訂購限額的情況，采購人員就會(huì)下賭注“博弈”，不顧實(shí)際需求而拼命搶購，這已經(jīng)不是為了自己的產(chǎn)品需要，而是不讓同行搶走配額的心理作怪。
導(dǎo)致芯片荒的市場供需因素
Gartner最新發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2021年第一季度全球PC出貨量同比增長32%(如果將主要面向教育市場的谷歌Chromebooks也算進(jìn)來，全球PC總市場同比增長高達(dá)47%)，這是PC行業(yè)20年來增長最快的一年。究其原因，Gartner研究總監(jiān)Mikako Kitagawa認(rèn)為，首先是2020年初因?yàn)橐咔樵驅(qū)е聨缀跛猩唐蜂N售下滑，PC也不例外。當(dāng)在家辦公或上學(xué)開始大范圍普及時(shí)，下半年P(guān)C及配件出貨量出現(xiàn)明顯上升，從而延續(xù)至今。另一個(gè)不太明顯的原因就是全球半導(dǎo)體芯片短缺。本已成熟的全球PC市場被五大廠商壟斷，誰都想借此機(jī)會(huì)增加市場份額，出現(xiàn)芯片“囤貨”和超額訂購的現(xiàn)象也就不足為奇了。她預(yù)測下個(gè)季度有可能下降，因?yàn)樾酒必泴?dǎo)致PC交貨期延長，有的長達(dá)4個(gè)月。
這一統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)反映了“宅家”消費(fèi)的市場需求增長，同時(shí)汽車芯片缺貨又反映出“出行”消費(fèi)的下降。豐田和通用汽車等整車廠商因?yàn)橐咔閷?dǎo)致銷售下降而降低了汽車半導(dǎo)體器件的采購量，因?yàn)槠囆袠I(yè)大都采用豐田始創(chuàng)的“JIT(Just-in-Time)”生產(chǎn)模式，不敢像手機(jī)行業(yè)那樣囤積很多庫存和占用寶貴的現(xiàn)金流。汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商正好借此機(jī)會(huì)將產(chǎn)能轉(zhuǎn)移到PC和其它需求旺盛的電子產(chǎn)品上。等市場復(fù)蘇，汽車銷售開始回升時(shí)，汽車廠商卻發(fā)現(xiàn)無法繼續(xù)從半導(dǎo)體供應(yīng)商那里獲得充足的供應(yīng)。于是，出現(xiàn)了汽車芯片荒。
據(jù)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，半導(dǎo)體在汽車整體價(jià)值中含量現(xiàn)在還不太高。一輛售價(jià)3萬美元的電動(dòng)車，半導(dǎo)體含量約600-700美元。而汽車廠商對車規(guī)級(jí)半導(dǎo)體器件的要求又特別嚴(yán)格，因此汽車半導(dǎo)體廠商大都采用比較成熟的制造工藝，在這類晶圓生產(chǎn)線上的投資也不像先進(jìn)的數(shù)字芯片工藝那樣大。多年來，汽車廠商很少遇到過芯片缺貨的現(xiàn)象，自然對這類零部件的采購沒有那么重視，也沒有相應(yīng)的積極預(yù)防和應(yīng)對措施。
習(xí)慣于“Drive-through”購買麥當(dāng)勞漢堡和薯?xiàng)l的普通美國人也許認(rèn)為“chip”就是薯片，從來不知道他們駕駛的車也需要很多“chip(芯片)”。而汽車裝配廠停產(chǎn)卻是影響到每個(gè)人的大事，難怪拜登總統(tǒng)專門為此召開緊急會(huì)議呢。
跟中國一樣，“芯片”現(xiàn)在也成了美國普通老百姓的熱門話題。半導(dǎo)體市場調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights總裁Bill McLean感慨道，這是他在半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)41年來首次聽到人們清早起來就開始議論，“原來沒有半導(dǎo)體芯片所有的電子設(shè)備都無法工作”。就是因?yàn)?ldquo;汽車缺芯”，才讓美國上至總統(tǒng)下至普通百姓意識(shí)到芯片原來跟薯片一樣重要。
其實(shí)半導(dǎo)體已經(jīng)成為世界第四大貿(mào)易商品，僅次于原油、成品油和汽車。據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，過去30年來(1990-2020年)，全球半導(dǎo)體市場的年復(fù)合增長率為7.5%，高于同期的全球GDP的5%增長率。從1995年到2015年，半導(dǎo)體創(chuàng)新為全球GDP做出的直接貢獻(xiàn)估計(jì)超過3萬億美元，而間接貢獻(xiàn)約有11萬億美元。
給芯片荒“雪上加霜”的天災(zāi)人禍因素
2月份，德州奧斯汀大雪導(dǎo)致汽車芯片最大制造商之一的恩智浦半導(dǎo)體(NXP)被迫關(guān)閉兩座8吋晶圓廠，主要生產(chǎn)微控制器(MCU)和微處理器(MPU)、電源管理器件、RF收發(fā)器和放大器以及各類傳感器。三星也短暫關(guān)閉了兩座晶圓廠，雖然影響不是特別大。另外，TI、英飛凌、X-FAB、Skorpios、TowerJazz和Qorvo在德州都設(shè)有晶圓廠，也受到了不同程度的影響。
3月份，日本瑞薩一座以車用半導(dǎo)體為主的12吋晶圓廠起火，這無疑對車用芯片的供應(yīng)短缺是“雪上加霜”，嚴(yán)重影響到汽車行業(yè)的制造產(chǎn)能。
臺(tái)灣缺水。2020年是中國臺(tái)灣地區(qū)56年來首次沒有臺(tái)風(fēng)通過的一年，但又出現(xiàn)了缺水的問題，據(jù)稱臺(tái)積電花費(fèi)2億新臺(tái)幣從外地預(yù)定上百輛卡車運(yùn)水。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大，當(dāng)半導(dǎo)體摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾會(huì)形成附加的束縛狀態(tài)。因此，在半導(dǎo)體的生產(chǎn)加工過程中，需要用超純水進(jìn)行清洗，對水質(zhì)的要求也很高。為了保證生產(chǎn)出超大規(guī)模的集成電路，除高純原材料、高純氣體、高純化學(xué)藥品外，超純水也是其中關(guān)鍵元素之一。
導(dǎo)致芯片荒的“短缺博弈”
自然災(zāi)害和失火等不可控因素雖然是導(dǎo)致全球芯片荒的一個(gè)原因，但畢竟是暫時(shí)的。如果半導(dǎo)體廠商與客戶協(xié)作溝通好，是可以采取應(yīng)急措施讓損失降到最低的。但是，人為干預(yù)的因素，特別是政府的行政干預(yù)，會(huì)給半導(dǎo)體供應(yīng)鏈造成長期且無法估量的負(fù)面影響。
特朗普政府對部分中國半導(dǎo)體和電子設(shè)備企業(yè)的限制，特別是對華為的“圍堵”，影響的不單單是華為和幾家中國公司，而是全球供應(yīng)鏈的正常市場供需。
1.限制先進(jìn)半導(dǎo)體制造設(shè)備出口給中芯國際等中國芯片制造廠商，導(dǎo)致全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的新增產(chǎn)能延遲或受阻。這不但影響到美國半導(dǎo)體設(shè)備供應(yīng)商，也涉及歐洲和日本的供應(yīng)商。
2.限制美國芯片廠商供貨給華為，甚至不允許臺(tái)積電為華為代工生產(chǎn)先進(jìn)工藝芯片。華為輪值董事長徐直軍坦言，美國政府的出口管制迫使華為提前超額預(yù)訂關(guān)鍵芯片和元器件，以做好美國政府和公司完全斷供的打算。
3.抓緊“囤貨”的不止華為一家公司，所有被列入美國商務(wù)部實(shí)體清單的中國企業(yè)都是誠惶誠恐，紛紛提前“囤貨”1個(gè)月、3個(gè)月甚至6個(gè)月的芯片庫存。這些中國企業(yè)在拼命“囤貨”的同時(shí)，也開始尋找“國產(chǎn)替代”，這對中國本土IC設(shè)計(jì)廠商雖然是好事，但有些核心器件畢竟需要時(shí)間來導(dǎo)入和磨合。晶圓制造的復(fù)雜性、交貨期延長和盲目“囤貨”導(dǎo)致了“短缺博弈”。很多中小IC設(shè)計(jì)公司一方面面臨客戶需求暴漲的壓力，另一方面又不得不面對晶圓代工廠的產(chǎn)能吃緊局面。
在緊急情況下，人們會(huì)失去理性而瘋狂搶購某些被視為“救命稻草”的商品。2003年“非典”期間的醋，去年新冠疫情早期的口罩和酒精，都短期成了“緊缺物資”。這些日常消費(fèi)品的生產(chǎn)和供應(yīng)可以很快調(diào)整，但半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)卻沒那么容易。交期延長更進(jìn)一步加劇了廠商采購人員的“短缺博弈”心理，從而讓“牛鞭效應(yīng)”達(dá)到最大程度的扭曲，凸顯出來就成了嚴(yán)重的社會(huì)問題。
如何應(yīng)對芯片荒?
英特爾CEO Pat Gelsinger最近在接受媒體采訪時(shí)聲稱，該公司正抓緊時(shí)間調(diào)整其晶圓廠產(chǎn)線，預(yù)計(jì)6-9個(gè)月內(nèi)可以為汽車和醫(yī)療設(shè)備廠商提供芯片生產(chǎn)。但要徹底解決芯片荒問題，他認(rèn)為至少需要2年時(shí)間。
晶圓廠產(chǎn)能是芯片荒的供應(yīng)一面，在需求一面仍然十分混亂。哈佛商學(xué)院制造管理教授Willy Shih認(rèn)為，廠商同時(shí)向多家供應(yīng)商訂購讓局面更加復(fù)雜化。他舉例說，假如一家汽車廠商的采購人員被告知某個(gè)芯片的交貨期是1年時(shí)間，他會(huì)采取什么措施?十有八九會(huì)向可以提供同類芯片的其它供應(yīng)商下訂單，而且訂單額比實(shí)際需求要大。臺(tái)積電董事長劉德音在最近投資者會(huì)議上也證實(shí)了客戶超額下單“囤貨”的事實(shí)。這些訂單和需求的混亂讓芯片制造廠商更加難以準(zhǔn)確判斷實(shí)際需求，而晶圓廠的投資動(dòng)輒幾十億美元(先進(jìn)工藝的晶圓廠建造成本要遠(yuǎn)高于建造一艘航空母艦)，廠商不會(huì)輕易投資擴(kuò)大產(chǎn)能。
眼下能夠做的就是在現(xiàn)有產(chǎn)能上“擠牙膏”，這正是美國最大晶圓代工廠商格芯(GlobalFoundries)在做的。該公司CEO Thomas Caulfield表示，在現(xiàn)有生產(chǎn)線上切換芯片類型可不太容易，因?yàn)椴煌男酒枰煌脑O(shè)備和原材料，工藝流程也不盡相同。然而，格芯正派遣其位于美國、新加坡和德國工廠的工程師抓緊時(shí)間尋找任何可能的空閑生產(chǎn)線和時(shí)間，以擠出一點(diǎn)額外的產(chǎn)能。采用的辦法包括：延遲一些正常的維護(hù)保養(yǎng)操作、加速晶圓在生產(chǎn)線上的移動(dòng)速度，等等。
格芯位于紐約的晶圓廠工程師正在搶時(shí)間“擠產(chǎn)能”。(來源：WSJ)
無論汽車廠商、PC廠商還是醫(yī)療設(shè)備廠商，如果大家愿意共享信息，讓訂單信息公開透明，芯片荒的問題也許可以理出個(gè)頭緒來。但是，各家都有自己的小算盤，誰愿意共享其真實(shí)數(shù)據(jù)呢?整機(jī)廠商不愿意，芯片供應(yīng)商也不愿意公開其實(shí)際產(chǎn)能數(shù)據(jù)。政府能夠強(qiáng)制大家公開信息嗎?顯然在美國不大可能。
既然短期應(yīng)急措施沒有太多能做的，那就談?wù)勯L期戰(zhàn)略吧，這是美國政客喜歡談?wù)摰脑掝}。拜登政府拿出了500億美元的晶圓制造投資預(yù)算，用于補(bǔ)貼美國半導(dǎo)體廠商的晶圓產(chǎn)能擴(kuò)增。雖然這個(gè)項(xiàng)目預(yù)算獲得了民主和共和兩黨一致通過，但短期也無法緩解汽車芯片短期的局面。長期價(jià)值呢?恐怕也難以讓美國實(shí)現(xiàn)晶圓制造的自給自足。據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)的研究預(yù)測，美國要實(shí)現(xiàn)芯片制造的自給，在接下來的10年內(nèi)需要政府和企業(yè)投資1.4萬億美元。
其實(shí)全球最大的三家晶圓廠都在計(jì)劃投資擴(kuò)展，英特爾宣布投資200億美元在亞利桑那州新建兩座晶圓廠;臺(tái)積電將其2021年投資預(yù)算提升至300億美元，幾乎是2020年的兩倍;而三星也正計(jì)劃增資170億美元在德州建造一座新的晶圓廠。然而，這些巨額投資大都用于先進(jìn)的晶圓制造工藝，目的是為了滿足需求強(qiáng)勁且利潤豐厚的高性能數(shù)字芯片的需要，比如5G手機(jī)和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器所用的芯片。
對于汽車廠商來說，除了高級(jí)別ADAS和自動(dòng)駕駛車輛外，大部分燃油車和新能源車所需要的半導(dǎo)體器件還是28nm及以上這些已經(jīng)成熟的制造工藝。全球汽車半導(dǎo)體三巨頭英飛凌、恩智浦和瑞薩在投資擴(kuò)建晶圓制造產(chǎn)能方面卻沒有聽到太響的聲音�，F(xiàn)在最為短缺的芯片種類是電源管理器件和微控制器(MCU)芯片，因?yàn)樗须娮赢a(chǎn)品都需要MCU這樣的“大腦”來處理計(jì)算任務(wù)，同時(shí)需要電源管理芯片和功率器件來為各部分功能模塊的正常工作供電。
結(jié)語
像尿布和紙巾這類需求相對平穩(wěn)且生產(chǎn)供應(yīng)可以靈活調(diào)整的商品，出現(xiàn)“牛鞭效應(yīng)”現(xiàn)象也可以通過市場調(diào)節(jié)和人為積極應(yīng)對措施來快速緩解。然而，半導(dǎo)體芯片產(chǎn)品的制造涉及全球供應(yīng)鏈，不但需要供應(yīng)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)，而且需要政府的干預(yù)和政府之間的協(xié)商談判。盡管美國、中國大陸/臺(tái)灣和其它國家地區(qū)都在積極應(yīng)對這樣的“芯片荒”，但短期內(nèi)恐怕難以消除“牛鞭效應(yīng)”�？磥碇辽僖鹊�2022年才能看到牛鞭的消失，眼下政府可以做的就是撥款以安撫民心;晶圓廠能夠做的就是“擠牙膏”;汽車廠商和其它設(shè)備廠商應(yīng)該做的是不要再盲目下單;而我們普通老百姓能夠做的就是暫時(shí)不要買車、手機(jī)、PC和各種電子產(chǎn)品。
