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，帶你預見智能汽車發(fā)展的關鍵變量。 

特約作者 / 周彥武（業(yè)內資深專家）

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，美國德克薩斯州當地氣溫一度降到零下 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，德州數百萬家庭和商戶持續(xù)停電，水和天然氣供應也受到很大影響。

在供需的極端不平衡下，德州電價瘋狂飆升。

根據管理當地電網的德州電力可靠性委員會數據：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。 

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

1、德州極寒大停電，汽車芯片供應雪上加霜

位于德州的奧斯汀是全球汽車芯片生產中心之一，包括恩智浦、英飛凌、三星等半導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。

德州一向只有應對高溫的準備，從來沒有應對極寒的準備。

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)靠電力驅動）和停氣。

與人們想象中的高科技產業(yè)不同，半導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，需要經過硅純化、拋光、電鍍、光刻、蝕刻等數個步驟，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，水和空氣都經過多級過濾，比醫(yī)院的手術臺還要干凈 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 納米以下半導體必備的設備），其光電轉換效率僅為 0.02%——那些沒被轉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，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 2020 年 7 月臺灣媒體的報道：隨著臺積電 5nm 的大規(guī)模量產，臺積電 2020 年的單位產品用電量相比 2019 年上升了 17.9%。 

臺積電 3nm 半導體制造廠開啟后，預計年耗電量將達到 70 億度。

而等到 2nm 制程 Fab 的量產，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。

而晶圓廠的產能通常是每月數萬片甚至數十萬片。

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。

這對供應已經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，全球最大的半導體設備公司應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為 14nm、28nm、32nm 等，約占三星邏輯芯片總產能的 28%。 

NXP 有兩座 8 英寸晶圓廠位于奧斯汀，主要生產 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，何時重啟未知。大眾、PSA、FCA 和日產是其主要的間接客戶。

NXP 主要合作伙伴是聯電，其次是臺積電。而聯電產能吃緊，因此 NXP 的產品已經全線漲價。

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 寸晶圓廠單月產能約 3 萬片。

當中，2 萬片產能是生產 MCU 等產品，1 萬片是生產 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絡通信應用。

為了獲得更多的車用芯片產能，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，希望能在產能如此緊缺的當下，獲得臺積電在代工產能上的大力支持，魏哲家也同意全力支援。

德州儀器，在電源管理領域占據霸主地位，汽車領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，投產時間為 1989 年，晶圓尺寸 200 毫米，主要代工生產電源，射頻模擬類產品。

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，已經使得多個半導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、富士通等半導體工廠受創(chuàng)。

美國暴雪+日本地震，更是導致汽車行業(yè)面臨前所未有的「芯片荒」。 

2 月 17 日，數據分析機構 IHS Markit 發(fā)布的報告顯示，芯片短缺可能導致 2021 年第一季度全球減產近 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、推遲部分產品線生產，甚至出現停工。

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困難。

全球最大手機芯片供應商高通 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、汽車等聯網芯片訂單井噴，半導體行業(yè)芯片短缺已成為常態(tài)?！?nbsp;

另外，半導體制造工廠的產線通常是 24 小時連軸轉——有些大型設備單啟動就需要十幾個小時。

這些精密設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生產。

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

這意味著，即使位于德州的半導體工廠恢復生產，也無法彌補這數十天的停產缺口。

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。

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