2023 战略性半导体管理白皮书

技术战略 战略性半导体管理 从应对短缺到创造竞争优势 保时捷管理咨询 谋于思践于行 摘要 本篇白皮书强调了汽车、工业品或消费电子等行业，基于目前所面临的半导体供应链中断而需考虑的范式转变。在过去，原始设备制造商(OEM)和供应商并未充分关注半导体，但这种态度随着COVID-19危机以及其带来的封闭政策已经发生了改变。在所有行业都受到影响的情况下，汽车行业受到的打击尤为严重。在2021年的疫情封闭期间，汽车行业的OEM基于对移动出行需求的减少而取消了供应订单，而消费电子行业则收获了特别高的需求。当疫情好转后，半导体制造商的产品已经被预订一空，汽车行业不断增长的需求也就无法得到满足。 展望未来，可以预测的是，半导体的资源短缺，尤其是对于成熟技术节点的半导体，将持续到2025年以后。这种情况表明各领域的领先企业都有必要重新考虑其半导体相关的商业活动，并建立战略性半导体管理。为此保时捷管理咨询构思了由八个行动领域所组成的战略管，理框架，如下页所述。 透明度和风险管理对于战略性半导体管理至关重要。因此，企业必须开发和实施半导体数据库，囊括所有应用的半导体、对其的长期需求，以及技术规格和供应链信息。基于这些信息，企业才可以持续进行以数据驱动的 风险管理评估，并采取有效的缓解措施。同时，为了预测未来可能出现的供应中断，企业也有必要对全球需求以及产能进行分析。随着技术节点的透明化，企业也可以将市场发展规模和自身需求进行对比。 如此，企业能够进一步利用所获得的透明度来保证长期供应，提高利润率，并获得未来的竞争优势。为了实现这三个目标，复杂性管理是减少变量和进行批量订购的方法，也是全新商业模式和技术优势的基本促成因素。在技术战略合作中，企业在充分考虑未来的产品路线图和创新后，能够得出战略性的半导体组合。与此同时，在半导体生态系统中取得成功的另一个关键是与供应商直接合作，包括持续沟通需求预测，确保供应、技术交流和产品路线图。协作管理加上半导体组合和批量捆绑的方法，还可以帮助企业实现新的采购策略，例如由原始设备制造商直接购买芯片。最终，这些措施都将为采购和产品开发提供新的准则，从而在产品开发过程和产品生命周期中，实现可持续性和战略性的半导体管理 ⸺在陆地、航空和船体运输过程中，抑或是在客户手中。 半导体管理的目的 确保半导体供应 成为整个半导体价值链上可靠的利益相关者与供应商协调，制定产品的半导体路线图 锚定产品开发过程中的半导体管理提高利润并创造竞争优势 01半导体数据库和风险管理05 协作管理 02复杂性管理 06 需求和产能分析 03技术战略 07 技术替代方案 04采购战略 08 产品开发和采购部门的准则 洞察 //01 供应链的透明度和深度的风险管理成为最低标准 //02 对于半导体行业来说，批量捆绑的复杂性管理必不可少 //03 围绕组织建立生态合作系统，是确保供应的决定性因素 //04 直接采购是企业恢复生产和创造利润的关键推动因素之一 //05 往通过半导体设计公产司生必竞须争要优从势确的保方供向应迈，进 保时捷管理咨询战略性半导体管理04 简介 在半导体生态系统中取得成功的挑战和方法 半导体|半导体是一种固体，就导电性而言， 其位于导体和非导体之间，并且半导体的电导 率与温度密切相关。在接近绝对零度时，半导 体就会成为绝缘体。半导体元素有一个很大的 优势：通过引入外来原子，有可能在一个或另 一个方向上改变它们的电性能。例如，通过施 加电压，它们可以导电或完全阻断电流。硅和 锗是半导体常见的材料。 晶体管|最著名的半导体应用案例当属电子开 关（晶体管），它作为复杂部件的基本零件， 如微控制器和处理器，由成千上万的晶体管组 成，在手机或笔记本电脑中很常见。 半导体器件，也称为集成电路(IC)或微芯片（以下简称"半导体"），是任何电子设备的基础。通过在一块印刷电路板上组合几个半导体器件，可以在最小的可用空间内完成广泛的复杂任务，例如，智能手表对心率和血氧的检测。在过去的70年里，半导体的发展使得电子设备体积更小、速度更快、效率更高。 半导体的复杂性不断增加 在汽车领域，我们可以看到半导体对创新的重要性。 1978年，在保时捷911G系列中首次应用的电控单元(ECU)，使得每辆车大约配备了八个半导体。ECU的任务是控制内燃机的喷射时间，而目前的车型有50-90个ECU，分别包含多达5,000-7,000个半导体，如图1所示。这些ECU的功能各不相同，分别负责了从调整座椅位置到高度自动驾驶等一系列功能。 保时捷911(1978年)电动汽车（2021年） 1 电控单元 8 半导体 50-90 电控单元 5,000-7,000 半导体 大多数创新和特性只有通过半导体才能实现 ©保时捷管理咨询公司版权所有 图1:半导体是汽车行业的创新驱动力 由于分散的电子结构与大量的传感器、执行器相结合，汽车中的控制单元数量正在增加。此外，汽车行业面临着高度个性化的汽车配置，这也提升了应用电控单元和半导体的变异性。 如果将智能手机与汽车进行比较，那么我们可以更清晰地说明复杂性的不同。智能手机是高度集成的计算机，每部手机大约需要60个半导体，而每辆汽车则需要5,000-7,000个半导体。 此外，在各个领域所应用的半导体都有着明显差异。例如智能手机具有高集成度、高能源效率和低电压水平的特点，因此应用的是技术节点小于45纳米的半导体。而如果在汽车和工业领域，需要处理高达900V的高电压，则会应用来自大于45纳米成熟技术节点的电力电子器件，通常大于等于250纳米。值得一提的是，一个Covid-19病毒的直径为80-140纳米。 当前市场形势和预测 Covid-19带来的封闭政策和由此产生的需求波动等造成 了半导体的供应短缺。如果对2022年第一季度半导体短缺引起的汽车生产损失进行深入分析，结果显示出异质 技术节点｜技术节点（也称为工艺节点、工艺技 术或简称节点）指的是半导体制造工艺及其设计 规则。不同的节点意味着不同的生成电路和架构。 一般来说，技术节点越小，硅片上的形体尺寸就 越小，从而就会产生更小的晶体管，速度更快， 功率更高。 x31 3m 93m 边缘节点(2022) 3nm Covid-1980–140nm 性的分布，如图2。高产量的品牌，如丰田或斯坦利特，受短缺的影响明显强于高端品牌（如宝马）和电动车品牌（如特斯拉）。 主机厂 主流品牌高端品牌 电动汽车品牌 平均相对生产损失Q1/2022 2022年第一季度危机前的百分比预测（2021 2 年月预测） 10 6% 0,9% 0,3% 节点 >90nm 汽车产品 CAN接口、电压调节器、电源开关、 2022 2025 趋势投资力度20251 无进一步投资 LED驱动器 ≤45–90nm ≤28–45nm ≤16–28nm ≤10–16nm <10nm 通信系统、应答器、显微控制器高 显微处理器、显微控制器、音频DSP中等 显微处理器、显微控制器低 显微处理器、显微控制器中等 用于ADAS的显微处理器高 omdiaQ1/20222；世界市场概览参考了特定的半导体市场专家访谈 1)基资于料V来L源SI：Re保sea时rc捷h对管2理02咨5年询C，APEX分配的预测（不包括美国的芯片法）2)数据库来自IHSMarkit,Bloomberg和保时捷管理咨询的分析覆盖范围需求~供给短缺|按覆盖范围/短缺程度显示圆圈体积大小 图2:基于数据的汽车比容量和需求预算显示，短缺情况将持续至2025年 ©保时捷管理咨询公司版权所有 由于产品型号较多，电子结转率低，短缺的具体风险上升。此外，量产部分较高的成本压力促进了成熟技术节点的应用。 电动车制造商使用集中的电子架构，具有较低的总半导体变异性。他们进一步受益于可管理的模型数量，以及随之而来的ECU的高结转率。 使用基于数据的全球生产能力和全球半导体需求的方法，我们可以确认和预测明显的市场状况。就汽车行业而言，取决于技术节点和应用的供应短缺的现状如图2所示。 现状表明，在2025年之前，大于28纳米的技术节点存在结构性短缺。这些技术节点主要应用于电压调节器、电源开关、通信、LED驱动器和成熟的微处理器。提升产能的投资只用在小于90纳米的节点。因此，基于电动汽车数量的增加，大于90纳米的节点将可能出现供应短缺或需求增加，全球半导体市场的增长也证实了这一点。虽然整体市场正以8.2%的复合年增长率(CAGR)发展，但半导体市场中的汽车行业正经历着高于平均水平的增长，从2020年到2025年的复合年增长率为16.3%。 计划中的28至90纳米节点的产能增长将被汽车行业不断增长的需求所中和。可以预计，小于28纳米的节点供应会出现松弛。在这一点上，有必要提及的是，通过收缩而导致的芯片从成熟节点向前沿节点的转变，主要与新的芯片开发有关。然而，芯片开发和工业化可能需要三到五年的时间，并不足以解决当下的问题。尤其是对于处理高电压的器件类型，由于物理限制，芯片收缩通常不可能实现。 用于提升半导体产能的资助计划，例如美国CHIP法案将有助于该行业在长期内恢复原有的状态。然而，一个新工厂的建设通常需要三年时间，机器制造商之间也存在瓶颈，交货时间将长达24个月。此外，这些资助计划将只优先考虑当地的短缺问题。整个行业必须确保他们的供应，不仅仅是在操作上，而且要对自己的电子产品有深刻的理解，并采取相应措施，带领公司度过未来几年的艰难时期。 走出危机的战略途径 作为整个框架的节选，这些基本行动领域被突出强调，并在本文中详细描述。 /为/0最1低供标应准链透明度和深度的风险管理成 创建产品中应用半导体的透明度是强制性的。各个半导体的订单代码、技术规格、长期需求以及供应链信息都必须存储在一个中央数据库中。数据的透明度是所有战略杠杆的要求。 业//0的2关批键量订购的复杂性管理是半导体行 随着对内置半导体和技术规格的更好理解，复杂性管理将减少变体，并将数量捆绑在战略半导体组合中。大批量订单是控制自身供应链，从而实现全新商业模式和竞争优势的关键。 /越/0同3行围的绕表组现织建立合作生态系统，以超 根据半导体组合、数量、元件的战略重要性以及短缺情况的严重性，寻求不同的合作方式。对于小批量的采购，通过中介或分销商是一个明智的做法，而对于大批量组件的战略采购，则必须直接从半导体制造商处引进。 /关/0键4因直素接采购是恢复生产和创造利润的 领先的公司直接从半导体制造商那里采购其战略所需的半导体组合，以实现长期的供应安全和成本优势。 //05从确保充足供应，到产生竞争优势 联合开发新的半导体产品被认为是在半导体生态系统中产生竞争优势的一个未来手段。 对这些基本行动领域的详细描述，包括消费电子和汽车行业内的代表性案例，将在下面的篇幅中进行介绍，而这些跨行业的方法应用，将有助于产品开发过程中的战略半导体管理和组织框架建设。 保时捷管理咨询战略性半导体管理08 StrategicSemiconductorManagement09 01 供应链透明度和风险管理 在过去几年中，许多行业充分暴露了目前在半导体和其供应链透明度以及风险管理方法方面的缺陷，特别是在其他因素的干扰下，汽车行业所暴露的缺陷尤为明显。 01 晶圆生产厂 02 前端工厂 03 后端工厂 04 零件制造商 05 车辆原始设备 (OEM) 产品 未加工晶圆 预制晶圆 半导体 电子控制单元(ECU) 车辆 位置当前 日本 意大利 马来西亚 新加坡 德国 未来 制造商 供应链不透明供应链透明化程度有限供应链全透明化 图3:汽车半导体生产过程和供应链的简化 ©保时捷管理咨询公司版权所有 大多数OEM喜欢直接从组件制造商处购买大型功能组件（如完整的控制单元），所以大多数组件制造商控制半导体的选择、安装以及材料清单内的半导体透明度，却不与OEM共享信息。此外