編者按：「新變量」是汽車之心推出的分享智能汽車一線從業(yè)者洞察的專欄。以親歷者的視角，帶你預(yù)見智能汽車發(fā)展的關(guān)鍵變量。 

特約作者 / 周彥武（業(yè)內(nèi)資深專家）

編輯 / 汽車之心編輯部

出品 / 汽車之心

過去一周，美國遭遇歷史性冬季風暴。

受空前的北極寒潮影響，美國德克薩斯州當?shù)貧鉁匾欢冉档搅阆?2 華氏度（-19 攝氏度），為 1989 年以來的最低。 

這次極寒天氣帶來的后果是，德州數(shù)百萬家庭和商戶持續(xù)停電，水和天然氣供應(yīng)也受到很大影響。

在供需的極端不平衡下，德州電價瘋狂飆升。

根據(jù)管理當?shù)仉娋W(wǎng)的德州電力可靠性委員會數(shù)據(jù)：德州批發(fā)電價一度突破了 1 萬美元/兆瓦時，相當于每千瓦時超過 10 美元（相當于 65 元人民幣一度電），與平日電價相比增長近 200 倍。

價格只是一方面，更嚴峻的問題是沒有電力可買。 

而極寒天氣導(dǎo)致德州大面積停電，又引發(fā)了多個蝴蝶效應(yīng)：多家半導(dǎo)體工廠停工，由于全球車用芯片供應(yīng)不足，全球主流的汽車生產(chǎn)商也不得不暫停生產(chǎn)。

1、德州極寒大停電，汽車芯片供應(yīng)雪上加霜

位于德州的奧斯汀是全球汽車芯片生產(chǎn)中心之一，包括恩智浦、英飛凌、三星等半導(dǎo)體巨頭都在這里建有制造工廠。 

奧斯汀常年平均氣溫是華氏溫度 63 度（17℃），而這次奧斯汀遭遇極寒，最低溫度僅華氏溫度 8 度（零下 13℃），比常年平均氣溫低了整整 30 度。 

德州另外一座重要城鎮(zhèn)休斯敦，即 NASA 所在地，也創(chuàng)下了 122 年最低氣溫紀錄。

德州一向只有應(yīng)對高溫的準備，從來沒有應(yīng)對極寒的準備。

而這次極寒天氣帶來的，不僅是停電，還有停水（德州供水系統(tǒng)靠電力驅(qū)動）和停氣。

與人們想象中的高科技產(chǎn)業(yè)不同，半導(dǎo)體晶圓廠是超級耗電耗水大戶，遠比煉鋼耗電。

做出一顆芯片，需要經(jīng)過硅純化、拋光、電鍍、光刻、蝕刻等數(shù)個步驟，細分下來有 3000 多步工序。

而在各個步驟中，需要維持超凈、恒溫、高溫高壓、真空、強電磁場等條件。

這些都會消耗巨大的電能。其中的大頭在超凈和恒溫方面。

芯片制造對工藝要求極高，需要在無塵環(huán)境中進行。

所以，在幾十個足球場那么大的工廠里，水和空氣都經(jīng)過多級過濾，比醫(yī)院的手術(shù)臺還要干凈 10 萬倍。 

如此巨大的超凈空間，而且是全年 365 天，全天 24 小時維持著，能不耗電嗎？ 

這還沒完，除了對水和空氣進行多級過濾，你還得讓溫度全年控制在22 度左右。

這也是為什么幾乎沒有人在寒帶建晶圓廠的原因。

2、晶圓廠到底有多耗電？

越先進的半導(dǎo)體工藝，越耗電。

每臺售價超過 1 億美元的 EUV 光刻機（10 納米以下半導(dǎo)體必備的設(shè)備），其光電轉(zhuǎn)換效率僅為 0.02%——那些沒被轉(zhuǎn)換成極紫外光的電能，并不會憑空消失，而是變成了熱能。 

這些熱能你必須找辦法給散掉，不然幾秒鐘內(nèi)，就能將價值上億美元的 EUV 光刻機給燒掉。 

這也是為什么 EUV 光刻機體積巨大的原因——因為一大半都是冷卻系統(tǒng)。

目前先進的能輸出 250 瓦功率的 EUV 機臺，需要輸入 0.125 萬千瓦的電力才能達到，這個耗電量是傳統(tǒng)氬氟雷射的 10 倍以上。

換句話來說，就是一臺輸出功率 250W 的 EUV 機器工作一天，將會消耗 3 萬度電，這個數(shù)字確實嚇人。

2019 年，包括中國臺灣廠區(qū)、WaferTech、臺積電（中國）、臺積電（南京）、采鈺公司，臺積電全球能源消耗量為 143.3 億度。

這是什么概念？ 

2019 年，常住人口 1343.88 萬人的深圳市，全年居民用電才 146.64 億度。 

資料顯示，過去五年，全臺灣增長的電量，其中三分之一都被臺積電給消耗了。

根據(jù) 2020 年 7 月臺灣媒體的報道：隨著臺積電 5nm 的大規(guī)模量產(chǎn)，臺積電 2020 年的單位產(chǎn)品用電量相比 2019 年上升了 17.9%。 

臺積電 3nm 半導(dǎo)體制造廠開啟后，預(yù)計年耗電量將達到 70 億度。

而等到 2nm 制程 Fab 的量產(chǎn)，其耗電量必然將再度上升到一個新的臺階。

未來臺積電的用電量將有可能超過臺灣總電量的 15%。 

除了耗電，還有耗水。

典型的8 寸晶圓制造每小時耗水 250 立方米。

12 英寸晶圓則可以達到 500 立方米。

而晶圓廠的產(chǎn)能通常是每月數(shù)萬片甚至數(shù)十萬片。

大家可以計算下每月到底需要消耗多少水。 

即便是循環(huán)率達到了 90%，晶圓廠對供水的要求還是非常高的。 

英特爾在亞利桑那的沙漠里做晶圓廠，將水循環(huán)利用提到到 95%。但也帶來高昂成本以及工藝難題。 

奧斯汀是德州高科技聚居區(qū)，晶圓廠眾多。

以德州目前的態(tài)勢，德州電力可靠性委員會（ERCOT）不得不關(guān)掉晶圓廠供電來保居民用電。

與此同時，奧斯汀的電價飆漲，官方報價漲了 100 倍，實際漲幅 270 倍。 

這么高的電價，晶圓廠不得不暫時關(guān)停工廠。

這也是為什么在這次極寒天氣之后，恩智浦、英飛凌、三星先后宣布其位于德州奧斯汀的工廠停產(chǎn)。

這對供應(yīng)已經(jīng)比較緊張的汽車芯片來說，無疑是雪上加霜。

3、2021 年度車用芯片缺度將繼續(xù)增加 

奧斯汀主要的晶圓廠有三星、NXP、英飛凌，德州儀器的主力工廠也都在德州。

此外，全球最大的半導(dǎo)體設(shè)備公司應(yīng)用材料以及部分工廠，也在德州。

目前，三星在德州的奧斯汀晶圓廠的邏輯芯片主要工藝技術(shù)為 14nm、28nm、32nm 等，約占三星邏輯芯片總產(chǎn)能的 28%。 

NXP 有兩座 8 英寸晶圓廠位于奧斯汀，主要生產(chǎn) MCU，就是目前最緊缺的 MCU，也是 NXP MCU 的最主力工廠。 

目前 NXP 在德州工廠已全面停產(chǎn)，何時重啟未知。大眾、PSA、FCA 和日產(chǎn)是其主要的間接客戶。

NXP 主要合作伙伴是聯(lián)電，其次是臺積電。而聯(lián)電產(chǎn)能吃緊，因此 NXP 的產(chǎn)品已經(jīng)全線漲價。

英飛凌在奧斯汀的 8 寸廠是 2019 年收購賽普拉斯 Cypress 而來，該座 8 寸晶圓廠單月產(chǎn)能約 3 萬片。

當中，2 萬片產(chǎn)能是生產(chǎn) MCU 等產(chǎn)品，1 萬片是生產(chǎn) NOR Flash 芯片，約占全球 NOR Flash 芯片約 5% ，且這些 NOR Flash 芯片主要是車用和網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用。

為了獲得更多的車用芯片產(chǎn)能，日前英飛凌首席執(zhí)行官 Reinhard Ploss 親自致電給臺積電總裁魏哲家，希望能在產(chǎn)能如此緊缺的當下，獲得臺積電在代工產(chǎn)能上的大力支持，魏哲家也同意全力支援。

德州儀器，在電源管理領(lǐng)域占據(jù)霸主地位，汽車領(lǐng)域更是幾乎壟斷地位。

另外，德州儀器在解串行、 TDA 系列和 J6 系列在 ADAS 和座艙領(lǐng)域也有一席之地。  

除了上述幾家大廠外，德州還有一些小廠：

X-FAB：工廠位于德克薩斯州拉伯克，投產(chǎn)時間為 1977 年，晶圓尺寸 150 毫米，是全球最主要的 MEMS 晶圓代工廠。

TowerJazz：工廠位于德克薩斯州圣安東尼奧，投產(chǎn)時間為 1989 年，晶圓尺寸 200 毫米，主要代工生產(chǎn)電源，射頻模擬類產(chǎn)品。

Qorvo：在德州有三座工廠，位于達拉斯北部的理查森市，主要生產(chǎn)射頻功率放大芯片。

這次美國德州罕見暴風雪致大面積停電，已經(jīng)使得多個半導(dǎo)體制造商紛紛暫停運營，而此前日本遭遇 7.3 級大地震，也讓瑞薩、東芝、富士通等半導(dǎo)體工廠受創(chuàng)。

美國暴雪+日本地震，更是導(dǎo)致汽車行業(yè)面臨前所未有的「芯片荒」。 

2 月 17 日，數(shù)據(jù)分析機構(gòu) IHS Markit 發(fā)布的報告顯示，芯片短缺可能導(dǎo)致 2021 年第一季度全球減產(chǎn)近 100 萬輛汽車。

去年 12 月，全球汽車芯片告急，眾多汽車品牌生產(chǎn)進度受到影響。

奧迪、大眾、福特、戴姆勒、豐田、菲亞特克萊斯勒等汽車廠商減產(chǎn)、推遲部分產(chǎn)品線生產(chǎn)，甚至出現(xiàn)停工。

今年 1 月，特斯拉財報披露，芯片短缺造成特斯拉部分車型生產(chǎn)困難。

全球最大手機芯片供應(yīng)商高通 CEO 安蒙（Cristiano Amon）在不久前高通的電話會議上表示：

「高通芯片恐怕不能滿足行業(yè)需求，PC、汽車等聯(lián)網(wǎng)芯片訂單井噴，半導(dǎo)體行業(yè)芯片短缺已成為常態(tài)?！?nbsp;

另外，半導(dǎo)體制造工廠的產(chǎn)線通常是 24 小時連軸轉(zhuǎn)——有些大型設(shè)備單啟動就需要十幾個小時。

這些精密設(shè)備在每次開啟前都需要檢查受損情況，還要將車間的溫度、濕度調(diào)適到標準值。

而遇到某些事故或停電，則至少需要花費一周的時間才能恢復(fù)生產(chǎn)。

加上瑞薩因為日本地震關(guān)停了部分晶圓廠，目前整個汽車半導(dǎo)體晶圓廠都處于產(chǎn)能全開甚至超負荷運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

這意味著，即使位于德州的半導(dǎo)體工廠恢復(fù)生產(chǎn)，也無法彌補這數(shù)十天的停產(chǎn)缺口。

因此，整個 2021 年度，車用芯片緊缺度恐怕還將繼續(xù)增加，即使到今年年底都不能好轉(zhuǎn)。

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