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全球半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的“牛鞭效應(yīng)”不會在短期內(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)濟現(xiàn)象對全球經(jīng)濟的負面影響...

什么是“牛鞭效應(yīng)”?

在商學(xué)院讀書時，我第一次從運營管理學(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，因為無法有效地共享信息，使得信息扭曲而逐級放大，從而導(dǎo)致需求信息出現(xiàn)越來越大的波動。這種信息扭曲的放大作用在圖形上很像一個甩起的牛鞭，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)濟學(xué)現(xiàn)象在各個行業(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)”的三個主要原因：

1.需求預(yù)測不準和訂購反應(yīng)過度。當供應(yīng)鏈采購經(jīng)理看到需求增加時，他們可能會試圖“額外訂購”一點，以免出現(xiàn)短缺。他們甚至?xí)酚^地認為需求有不斷上升的趨勢。復(fù)雜的產(chǎn)品都會涉及多級供應(yīng)鏈，而每一級都有可能放大訂單需求。

2.訂單交貨延遲。如果訂單沒有及時交付，采購人員的自然傾向是下次訂購量更大，擔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，采購人員就會下賭注“博弈”，不顧實際需求而拼命搶購，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也算進來，全球PC總市場同比增長高達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認為，首先是2020年初因為疫情原因?qū)е聨缀跛猩唐蜂N售下滑，PC也不例外。當在家辦公或上學(xué)開始大范圍普及時，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，誰都想借此機會增加市場份額，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)測下個季度有可能下降，因為芯片缺貨導(dǎo)致PC交貨期延長，有的長達4個月。

這一統(tǒng)計數(shù)據(jù)反映了“宅家”消費的市場需求增長，同時汽車芯片缺貨又反映出“出行”消費的下降。豐田和通用汽車等整車廠商因為疫情導(dǎo)致銷售下降而降低了汽車半導(dǎo)體器件的采購量，因為汽車行業(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)商正好借此機會將產(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，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)研究機構(gòu)統(tǒng)計，半導(dǎo)體在汽車整體價值中含量現(xiàn)在還不太高。一輛售價3萬美元的電動車，半導(dǎo)體含量約600-700美元。而汽車廠商對車規(guī)級半導(dǎo)體器件的要求又特別嚴格，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”購買麥當勞漢堡和薯條的普通美國人也許認為“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)卻是影響到每個人的大事，難怪拜登總統(tǒng)專門為此召開緊急會議呢。

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”。就是因為“汽車缺芯”，才讓美國上至總統(tǒng)下至普通百姓意識到芯片原來跟薯片一樣重要。

其實半導(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(SIA)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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做出的直接貢獻估計超過3萬億美元，而間接貢獻約有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”，嚴重影響到汽車行業(yè)的制造產(chǎn)能。

臺灣缺水。2020年是中國臺灣地區(qū)56年來首次沒有臺風(fēng)通過的一年，但又出現(xiàn)了缺水的問題，據(jù)稱臺積電花費2億新臺幣從外地預(yù)定上百輛卡車運水。半導(dǎo)體中的雜質(zhì)對電阻率的影響非常大，當半導(dǎo)體摻入微量雜質(zhì)時，雜質(zhì)原子附近的周期勢場受到干擾會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原因，但畢竟是暫時的。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)，會給半導(dǎo)體供應(yīng)鏈造成長期且無法估量的負面影響。

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，甚至不允許臺積電為華為代工生產(chǎn)先進工藝芯片。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)部實體清單的中國企業(yè)都是誠惶誠恐，紛紛提前“囤貨”1個月、3個月甚至6個月的芯片庫存。這些中國企業(yè)在拼命“囤貨”的同時，也開始尋找“國產(chǎn)替代”，這對中國本土IC設(shè)計廠商雖然是好事，但有些核心器件畢竟需要時間來導(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)”達到最大程度的扭曲，凸顯出來就成了嚴重的社會問題。

如何應(yīng)對芯片荒?

英特爾CEO Pat Gelsinger最近在接受媒體采訪時聲稱，該公司正抓緊時間調(diào)整其晶圓廠產(chǎn)線，預(yù)計6-9個月內(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，他認為至少需要2年時間。

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認為，廠商同時向多家供應(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芯片的交貨期是1年時間，他會采取什么措施?十有八九會向可以提供同類芯片的其它供應(yīng)商下訂單，而且訂單額比實際需求要大。臺積電董事長劉德音在最近投資者會議上也證實了客戶超額下單“囤貨”的事實。這些訂單和需求的混亂讓芯片制造廠商更加難以準確判斷實際需求，而晶圓廠的投資動輒幾十億美元(先進工藝的晶圓廠建造成本要遠高于建造一艘航空母艦)，廠商不會輕易投資擴大產(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，因為不同的芯片需要不同的設(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間尋找任何可能的空閑生產(chǎn)線和時間，以擠出一點額外的產(chǎn)能。采用的辦法包括：延遲一些正常的維護保養(yǎng)操作、加速晶圓在生產(chǎn)線上的移動速度，等等。

格芯位于紐約的晶圓廠工程師正在搶時間“擠產(chǎn)能”。(來源：WSJ)