美国极寒天气引发蝴蝶效应：电价飙升200倍，汽车芯片供应雪上加霜

编者按：「新变量」是汽车之心推出的分享智能汽车一线从业者洞察的专栏。以亲历者的视角，带你预见智能汽车发展的关键变量。 

特约作者 / 周彦武（业内资深专家）

编辑 / 汽车之心编辑部

出品 / 汽车之心

过去一周，美国遭遇历史性冬季风暴。

受空前的北极寒潮影响，美国德克萨斯州当地气温一度降到零下 2 华氏度（-19 摄氏度），为 1989 年以来的最低。 

这次极寒天气带来的后果是，德州数百万家庭和商户持续停电，水和天然气供应也受到很大影响。

在供需的极端不平衡下，德州电价疯狂飙升。

根据管理当地电网的德州电力可靠性委员会数据：德州批发电价一度突破了 1 万美元/兆瓦时，相当于每千瓦时超过 10 美元（相当于 65 元人民币一度电），与平日电价相比增长近 200 倍。

价格只是一方面，更严峻的问题是没有电力可买。 

而极寒天气导致德州大面积停电，又引发了多个蝴蝶效应：多家半导体工厂停工，由于全球车用芯片供应不足，全球主流的汽车生产商也不得不暂停生产。

1、德州极寒大停电，汽车芯片供应雪上加霜

位于德州的奥斯汀是全球汽车芯片生产中心之一，包括恩智浦、英飞凌、三星等半导体巨头都在这里建有制造工厂。 

奥斯汀常年平均气温是华氏温度 63 度（17℃），而这次奥斯汀遭遇极寒，最低温度仅华氏温度 8 度（零下 13℃），比常年平均气温低了整整 30 度。 

德州另外一座重要城镇休斯敦，即 NASA 所在地，也创下了 122 年最低气温纪录。

德州一向只有应对高温的准备，从来没有应对极寒的准备。

而这次极寒天气带来的，不仅是停电，还有停水（德州供水系统靠电力驱动）和停气。

与人们想象中的高科技产业不同，半导体晶圆厂是超级耗电耗水大户，远比炼钢耗电。

做出一颗芯片，需要经过硅纯化、抛光、电镀、光刻、蚀刻等数个步骤，细分下来有 3000 多步工序。

而在各个步骤中，需要维持超净、恒温、高温高压、真空、强电磁场等条件。

这些都会消耗巨大的电能。其中的大头在超净和恒温方面。

芯片制造对工艺要求极高，需要在无尘环境中进行。

所以，在几十个足球场那么大的工厂里，水和空气都经过多级过滤，比医院的手术台还要干净 10 万倍。 

如此巨大的超净空间，而且是全年 365 天，全天 24 小时维持着，能不耗电吗？ 

这还没完，除了对水和空气进行多级过滤，你还得让温度全年控制在22 度左右。

这也是为什么几乎没有人在寒带建晶圆厂的原因。

2、晶圆厂到底有多耗电？

越先进的半导体工艺，越耗电。

每台售价超过 1 亿美元的 EUV 光刻机（10 纳米以下半导体必备的设备），其光电转换效率仅为 0.02%——那些没被转换成极紫外光的电能，并不会凭空消失，而是变成了热能。 

这些热能你必须找办法给散掉，不然几秒钟内，就能将价值上亿美元的 EUV 光刻机给烧掉。 

这也是为什么 EUV 光刻机体积巨大的原因——因为一大半都是冷却系统。

目前先进的能输出 250 瓦功率的 EUV 机台，需要输入 0.125 万千瓦的电力才能达到，这个耗电量是传统氩氟雷射的 10 倍以上。

换句话来说，就是一台输出功率 250W 的 EUV 机器工作一天，将会消耗 3 万度电，这个数字确实吓人。

2019 年，包括中国台湾厂区、WaferTech、台积电（中国）、台积电（南京）、采钰公司，台积电全球能源消耗量为 143.3 亿度。

这是什么概念？ 

2019 年，常住人口 1343.88 万人的深圳市，全年居民用电才 146.64 亿度。 

资料显示，过去五年，全台湾增长的电量，其中三分之一都被台积电给消耗了。

根据 2020 年 7 月台湾媒体的报道：随着台积电 5nm 的大规模量产，台积电 2020 年的单位产品用电量相比 2019 年上升了 17.9%。 

台积电 3nm 半导体制造厂开启后，预计年耗电量将达到 70 亿度。

而等到 2nm 制程 Fab 的量产，其耗电量必然将再度上升到一个新的台阶。

未来台积电的用电量将有可能超过台湾总电量的 15%。 

除了耗电，还有耗水。

典型的8 寸晶圆制造每小时耗水 250 立方米。

12 英寸晶圆则可以达到 500 立方米。

而晶圆厂的产能通常是每月数万片甚至数十万片。

大家可以计算下每月到底需要消耗多少水。 

即便是循环率达到了 90%，晶圆厂对供水的要求还是非常高的。 

英特尔在亚利桑那的沙漠里做晶圆厂，将水循环利用提到到 95%。但也带来高昂成本以及工艺难题。 

奥斯汀是德州高科技聚居区，晶圆厂众多。

以德州目前的态势，德州电力可靠性委员会（ERCOT）不得不关掉晶圆厂供电来保居民用电。

与此同时，奥斯汀的电价飙涨，官方报价涨了 100 倍，实际涨幅 270 倍。 

这么高的电价，晶圆厂不得不暂时关停工厂。

这也是为什么在这次极寒天气之后，恩智浦、英飞凌、三星先后宣布其位于德州奥斯汀的工厂停产。

这对供应已经比较紧张的汽车芯片来说，无疑是雪上加霜。

3、2021 年度车用芯片缺度将继续增加 

奥斯汀主要的晶圆厂有三星、NXP、英飞凌，德州仪器的主力工厂也都在德州。

此外，全球最大的半导体设备公司应用材料以及部分工厂，也在德州。

目前，三星在德州的奥斯汀晶圆厂的逻辑芯片主要工艺技术为 14nm、28nm、32nm 等，约占三星逻辑芯片总产能的 28%。 

NXP 有两座 8 英寸晶圆厂位于奥斯汀，主要生产 MCU，就是目前最紧缺的 MCU，也是 NXP MCU 的最主力工厂。 

目前 NXP 在德州工厂已全面停产，何时重启未知。大众、PSA、FCA 和日产是其主要的间接客户。

NXP 主要合作伙伴是联电，其次是台积电。而联电产能吃紧，因此 NXP 的产品已经全线涨价。

英飞凌在奥斯汀的 8 寸厂是 2019 年收购赛普拉斯 Cypress 而来，该座 8 寸晶圆厂单月产能约 3 万片。

当中，2 万片产能是生产 MCU 等产品，1 万片是生产 NOR Flash 芯片，约占全球 NOR Flash 芯片约 5% ，且这些 NOR Flash 芯片主要是车用和网络通信应用。

为了获得更多的车用芯片产能，日前英飞凌首席执行官 Reinhard Ploss 亲自致电给台积电总裁魏哲家，希望能在产能如此紧缺的当下，获得台积电在代工产能上的大力支持，魏哲家也同意全力支援。

德州仪器，在电源管理领域占据霸主地位，汽车领域更是几乎垄断地位。

另外，德州仪器在解串行、 TDA 系列和 J6 系列在 ADAS 和座舱领域也有一席之地。  

除了上述几家大厂外，德州还有一些小厂：

X-FAB：工厂位于德克萨斯州拉伯克，投产时间为 1977 年，晶圆尺寸 150 毫米，是全球最主要的 MEMS 晶圆代工厂。

TowerJazz：工厂位于德克萨斯州圣安东尼奥，投产时间为 1989 年，晶圆尺寸 200 毫米，主要代工生产电源，射频模拟类产品。

Qorvo：在德州有三座工厂，位于达拉斯北部的理查森市，主要生产射频功率放大芯片。

这次美国德州罕见暴风雪致大面积停电，已经使得多个半导体制造商纷纷暂停运营，而此前日本遭遇 7.3 级大地震，也让瑞萨、东芝、富士通等半导体工厂受创。

美国暴雪+日本地震，更是导致汽车行业面临前所未有的「芯片荒」。 

2 月 17 日，数据分析机构 IHS Markit 发布的报告显示，芯片短缺可能导致 2021 年第一季度全球减产近 100 万辆汽车。

去年 12 月，全球汽车芯片告急，众多汽车品牌生产进度受到影响。

奥迪、大众、福特、戴姆勒、丰田、菲亚特克莱斯勒等汽车厂商减产、推迟部分产品线生产，甚至出现停工。

今年 1 月，特斯拉财报披露，芯片短缺造成特斯拉部分车型生产困难。

全球最大手机芯片供应商高通 CEO 安蒙（Cristiano Amon）在不久前高通的电话会议上表示：

「高通芯片恐怕不能满足行业需求，PC、汽车等联网芯片订单井喷，半导体行业芯片短缺已成为常态。」 

另外，半导体制造工厂的产线通常是 24 小时连轴转——有些大型设备单启动就需要十几个小时。

这些精密设备在每次开启前都需要检查受损情况，还要将车间的温度、湿度调适到标准值。

而遇到某些事故或停电，则至少需要花费一周的时间才能恢复生产。

加上瑞萨因为日本地震关停了部分晶圆厂，目前整个汽车半导体晶圆厂都处于产能全开甚至超负荷运转状态。

这意味着，即使位于德州的半导体工厂恢复生产，也无法弥补这数十天的停产缺口。

因此，整个 2021 年度，车用芯片紧缺度恐怕还将继续增加，即使到今年年底都不能好转。