晶片短缺為什麼會發生？看懂2020～2022年缺貨的機制
2020～2022年的晶片短缺（也常被稱為「缺晶潮」），不是單一原因造成的，而是好幾個原因疊加在一起。新冠疫情讓電子產品的需求突然增加，但工廠的產量沒辦法馬上提高。再加上工廠的事故、天災，以及因為不安而追加的訂單。受害最深的是汽車，因為汽車用了很多並非最先進的便宜晶片。
這篇文章可以了解
- 2020～2022年發生了什麼事（附年份與出處的數字）
- 需求面與供給面各自的原因
- 訂單越往上游、波動越大的「長鞭效應」是怎麼回事
- 為什麼汽車業受害最深
- 短缺如何平息，之後又有哪些改變
先備知識：如果知道設計晶片的公司，和接單製造的公司（晶圓代工廠）有什麼不同，會比較容易閱讀。說明請見「晶圓代工是什麼？」。
生活中的例子：等不到的新車、買不到的遊戲機
2021年前後，「新車遲遲交不了車」「新的遊戲機在店裡買不到」這類新聞接連出現。被提到的原因，幾乎都是「晶片短缺」。
半導體晶片是細細地切換電流的流動，用來計算和控制的零件。不只手機和電腦，汽車、冷氣、熱水器裡也都有。晶片不夠，各種產品就做不出來了。
這篇文章不談當時每天的新聞，而是看短缺發生的「機制」。了解機制之後，下次發生類似的事時，新聞也會比較容易看懂。
發生了什麼事：用數字回顧
受影響最大的是汽車。顧問公司AlixPartners在2021年9月預測，這一年全球約有770萬輛車會做不出來。營收損失為2,100億美元。比同年5月的預測（390萬輛）幾乎多了一倍。請注意，兩者都是預測，不是實際統計的結果。
從訂購晶片到收到貨的時間，稱為交期。根據金融公司Susquehanna Financial Group的調查，2021年4月的平均交期是17週。這是該公司從2017年開始統計以來，當時最長的數值。到了2022年5月，交期達到27.1週，超過半年（根據彭博的報導）。
用來控制汽車和家電的晶片，等待時間更長。把控制機器的小型電腦整合在一顆晶片上，稱為微控制器（MCU）。同一份調查中，2022年2月微控制器的交期是35.7週。
需求面：2020年發生了什麼變化
2020年，因為新冠疫情，居家上班和線上上課一下子普及開來。根據調查公司IDC，2020年全球電腦出貨量約3億台，比前一年增加13.1%。這是2010年以來最大的成長。遊戲機、平板等在家裡使用的產品也賣得很好。
另一方面，車廠的動作正好相反。2020年春天，車廠認為車子會賣不出去，於是讓工廠停工，也減少了晶片的訂單（麥肯錫，2022年）。但汽車的銷量比預期更快回升。
車廠想把訂單加回來時，晶片工廠的產能已經被電腦和手機的訂單占滿。晶片公司把車廠減少的部分，轉給了家電等其他公司（彭博，2021年1月）。一旦讓出的產能，沒辦法馬上搶回來。
美國商務部在2021年，對製造和使用晶片的公司做了調查。結果顯示，2021年的需求比2019年最多高出17%。需求增加了，送到客戶手上的量卻沒有跟著增加那麼多。
供給面：為什麼沒辦法馬上增產
1. 製造需要好幾個月
晶片是在圓形的矽薄板（晶圓）上，重複數百道作業做出來的。這個階段稱為前段製程。根據美國半導體產業協會（SIA）2021年的說明，光是前段製程平均就要約12週。之後還要把晶片切開、組裝、測試，這個後段製程還要再花約6週。即使訂單突然增加，出貨量也要幾個月後才會增加。製程的內容在「半導體晶片是怎麼做出來的？」中有說明。
2. 新工廠要花好幾年和鉅額資金
蓋新工廠需要更長的時間。例如台積電在2021年11月，宣布要在日本熊本蓋工廠。2022年開始興建，2024年底量產。最初的投資據稱約70億美元。為什麼這麼貴，在「晶圓代工是什麼？」中有說明。
3. 「舊世代」的工廠沒有增加
晶片的製造方法有世代之分，以「○奈米」的名稱來稱呼。汽車的微控制器和管理電源的晶片，很多是用比最先進落後好幾個世代的方法製造。這種有實績的舊世代，業界稱為「成熟製程」或「傳統節點」。
根據麥肯錫2022年的分析，車用晶片大多是用90奈米以上的世代製造。而90奈米的產能，預估在2021～2026年每年只會成長約5%。分析認為，這樣跟不上需求的成長。世代名稱的意義，可以在「「2奈米」「3奈米」是什麼的長度？」中讀到。
雪上加霜的事件
需求超過供給，到處都沒有餘裕。這時，讓工廠停工的事件接連發生。沒有餘裕時，只要一個地方停下來，影響就會大範圍擴散。
| 時期 | 事件 | 影響 |
|---|---|---|
| 2021年2月 | 美國德州的寒流與停電 | 依電力公司的指示，三星電子、恩智浦（NXP）、英飛凌（Infineon）在奧斯汀的工廠停工 |
| 2021年3月19日 | 日本瑞薩電子那珂工廠（茨城縣）火災 | 停工的產線約3分之2是車用晶片。生產在6月24日恢復到火災前的水準 |
| 2021年6月～ | 馬來西亞因新冠疫情封城 | 封裝測試工廠的產量下降，汽車生產的預測進一步惡化 |
馬來西亞的事件，是後段製程的問題。承接後段製程的公司稱為OSAT（封裝測試代工廠），很多位於東南亞。根據馬來西亞投資發展局（MIDA），馬來西亞擁有全球約13%的後段製程產能。就算晶圓做好了，不能組裝和測試，就無法當成晶片出貨。
長鞭效應：訂單越往上游，波動越大
讓短缺擴大的另一個原因，在於訂單的傳遞方式。銷量的小變化，往零件、材料的上游一路傳過去，可能變成很大的訂單變化。這稱為長鞭效應。長鞭指的是趕牛用的長鞭子。
用簡單的例子來看。假設做最終產品的成品廠商向零件廠商下單，零件廠商再向半導體廠商下單。兩家公司都規定：庫存要保留「當週收到訂單的2週份」。一開始每週賣出100個，兩家的庫存都是200個。為了簡化，這裡先不考慮交貨所需的時間。
某一週，產品的銷量增加10%，變成110個。成品廠商要補上賣掉的110個，庫存目標也提高到220個。所以要多加20個，訂購130個。從零件廠商來看，訂單增加了30%。
零件廠商也把庫存目標提高到130個的2週份，也就是260個。所以在130個上再加60個，訂購190個。顧客的購買量只增加10%，半導體廠商收到的訂單卻增加了90%。
下一週，銷量維持在110個。成品廠商的訂單回到110個。零件廠商的庫存可以降回220個，所以少訂40個，只訂70個。這次換成上游的訂單大幅減少。
在實際的短缺中，交期拉長，讓各公司連更久以後的份量都先訂下來。根據麥肯錫（2022年），車廠和零件廠商為了防止缺貨，開始比需要的量多訂10～20%左右。
為什麼汽車業受害最深
第1個原因是庫存的方式。很多汽車工廠只在需要的時候，請廠商送來需要數量的零件，盡量減少庫存。這種做法稱為「及時生產」（Just-in-Time）。浪費很少，但零件一送不到，生產馬上就會停下來。
有個數字可以看出庫存有多少。這是美國商務部調查（2022年1月發表）的結果，不限於汽車業。使用晶片的公司的庫存，以排在正中間的公司的值（中位數）來看，從2019年的40天份，在2021年減少到不到5天份。
第2個原因是使用的晶片種類很多。汽車裡有很多小裝置，分別控制引擎、煞車、車窗等。這種裝置稱為ECU（電子控制單元），大多以微控制器為核心。只要缺了1種便宜的晶片，車子就無法完成。
第3個原因是晶片不容易更換。汽車零件要先經過測試，確認能長期承受高溫、低溫和震動，才能使用。代表性的測試標準是AEC-Q100。更換製造的工廠或材料時，常常要重新測試，所以無法馬上改用別的晶片。
短缺是怎麼平息的
到了2022年下半年，電腦、手機等消費性產品的銷量下滑。晶片的交期也在2022年10月開始明顯縮短（彭博，2022年11月）。長鞭效應反方向作用，先前多囤的庫存開始過剩。
在用完過剩的庫存之前減少訂單的做法，擴散開來。這稱為庫存調整。部分受此影響，根據SIA，2023年全球半導體營收為5,268億美元，比前一年減少8.2%。這種景氣好壞交替出現的現象，稱為矽循環。
不過，並不是所有晶片都同時過剩。麥肯錫在2022年10月分析指出，車用晶片的供需落差可能會持續。因為成熟製程的產能成長很小。
之後的改變：各國的政策
晶片短缺也成為契機之一，許多國家和地區推動了提高在地晶片製造能力的政策。以下依年份整理主要的政策。
| 地區 | 內容 |
|---|---|
| 美國 | 2022年8月9日《晶片與科學法》（CHIPS and Science Act）立法。527億美元中的390億美元，用於補助工廠興建等 |
| 歐盟 | 2023年9月21日《歐洲晶片法》生效。預估公私部門將投資超過430億歐元，目標是在2030年達到全球市場20%的占有率 |
| 日本 | 2022年3月施行的修正法，建立了補助工廠興建的制度。台積電熊本子公司JASM的第1座工廠，最多補助4,760億日圓（2022年6月核定） |
靠這些政策蓋的工廠，大多在短缺平息之後才開始運作。也就是說，政策並不是用來解決那次短缺，而是為了下一次短缺做準備。
企業的想法也改變了。麥肯錫在2022年建議車廠，把自家車子使用的晶片列成清單，加以掌握。也提議車廠、零件廠商、半導體廠商這3方，緊密共享需求的預測。目的是讓長鞭效應的波動變小。
常見的誤解
誤解：短缺的是最先進的高效能晶片
實際上，最先進的晶片也曾缺貨。不過，短缺特別久的，是微控制器、電源用晶片等，用成熟製程製造的便宜晶片。新聞常報導最先進工廠的話題，所以大家容易以為短缺也發生在那裡。即使不是昂貴的最先進晶片，只要缺了1種，車子就無法完成。
誤解：工廠火災等單一事故，是短缺的原因
實際上，短缺在火災之前的2020年就已經開始了。瑞薩火災（2021年3月）的工廠，大約3個月就恢復到火災前的產量。需求暴增、無法增產的工廠、偏少的庫存、追加的訂單疊加在一起，事故只是雪上加霜。
誤解：只要多蓋工廠，短缺馬上就能解決
實際上，新工廠從宣布計畫到量產，要花好幾年。熊本的工廠也花了約3年。而且蓋太多的話，需求下滑時就會大量過剩。增加工廠不是為了眼前的短缺，而是為好幾年後做準備。
從數字來看
| 項目 | 數字 |
|---|---|
| 2020年全球電腦出貨量（IDC） | 約3億台（比前一年增加13.1%） |
| 2021年做不出來的汽車數量預測（AlixPartners，2021年9月） | 約770萬輛（營收損失2,100億美元） |
| 晶片的平均交期（Susquehanna） | 2021年4月 17週 → 2022年5月 27.1週 |
| 微控制器的交期（Susquehanna，2022年2月） | 35.7週 |
| 使用晶片的公司的庫存中位數（美國商務部） | 2019年 40天份 → 2021年 不到5天份 |
| 前段製程平均所需時間（SIA，2021年） | 約12週（後段製程再約6週） |
| 2023年全球半導體營收（SIA、WSTS） | 5,268億美元（比前一年減少8.2%） |
其中，AlixPartners的汽車數量，是2021年9月時的預測。交期是單一公司的統計，調查的公司不同，數值也會不同。
進一步學習
- 製造公司與設計公司的分工：「晶圓代工是什麼？」，以及用表格比較的「IDM、無晶圓廠、晶圓代工的差異」。
- 前段製程與後段製程：「半導體前段製程與後段製程的差異」整理了製程內容和負責的公司。
- 汽車和家電裡的電腦：「CPU是什麼？」和「MCU與MPU的差異」說明了微控制器的角色。
- 景氣好壞的反覆：在名詞解釋的矽循環頁面，可以讀到週期產生的原因。
- 車用晶片的可靠度：在名詞解釋中查看AEC-Q100，以及消除不良品的思考方式零缺陷。