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目前在汽車半導(dǎo)體的各個(gè)領(lǐng)域,國內(nèi)都已經(jīng)涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀企業(yè),并正伴隨市場(chǎng)的快速發(fā)展,成為業(yè)內(nèi)亮眼的新星。

今年汽車有多缺芯?5月24日,全球汽車咨詢機(jī)構(gòu)AutoForecast Solutions發(fā)布了一份北美各車企和車型減產(chǎn)評(píng)估報(bào)告。其中,底特律三巨頭——通用、福特和Stellantis(包括菲亞特克萊斯勒)“穩(wěn)”居前三,受到重創(chuàng)。

不止如此,作為全球高端汽車品牌標(biāo)桿,奔馳、寶馬、奧迪前段時(shí)間也紛紛針對(duì)缺芯做出反應(yīng):

奧迪對(duì)經(jīng)銷商發(fā)布通知稱,受全球疫情影響,奧迪遙控鑰匙芯片產(chǎn)能不足,自2021年7月5日起,部分國產(chǎn)奧迪車型在交付時(shí),僅提供一把遙控鑰匙和一把機(jī)械鑰匙齒,受影響車輛可通過新裝備號(hào)“SOP”識(shí)別。待到產(chǎn)能恢復(fù)后,奧迪會(huì)及時(shí)發(fā)布通知,由經(jīng)銷商為用戶交付第二把遙控鑰匙。

寶馬則選擇了更為簡單粗暴的減配。在5月份,寶馬表示由于全球芯片短缺,旗下多款車型同時(shí)迎來配置調(diào)整,主要取消了標(biāo)配的手機(jī)無線充電/Wi-Fi熱點(diǎn)/數(shù)字鑰匙等,價(jià)格降幅為0-5千元不等,此外未被提及的部分寶馬車型車鑰匙從金屬材質(zhì)變?yōu)樗芰喜馁|(zhì),一腳踢功能也被移除,涉及的車型包括3系、5系,X3、X4、X5以及X6等車型,其中不乏國內(nèi)市場(chǎng)的主力車型。

奔馳為了提升芯片緊缺情況下的交付效率,采取了先交付減配車型,后加裝配置的舉措。例如不少奔馳E級(jí)車主4月份訂的車需要拖到7月才能提車,并且通訊模塊也要等到芯片問題解決后再進(jìn)行加裝,對(duì)于車主的補(bǔ)償方案則是贈(zèng)送2A+2B保養(yǎng)。

在全球缺芯的大背景下,國際造車巨頭產(chǎn)能不斷減少,國內(nèi)乘用車市場(chǎng)銷量也在不斷下滑。根據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)公布的乘用車最新銷量數(shù)據(jù)顯示,7月乘用車共銷售115．1萬輛,環(huán)比下降1．1%,同比下降7%。值得一提的是,7月份中國品牌乘用車共銷售72萬輛,環(huán)比增長4．1%,同比增長22．2%,占乘用車銷售總量的46．4%,比上年同期提升11．1個(gè)百分點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了逆勢(shì)增長。

盡管我國自主品牌汽車發(fā)展有趁勢(shì)崛起的趨勢(shì),但汽車芯片仍然幾乎完全依賴進(jìn)口。在2021中國汽車論壇上,我國國家新能源汽車技術(shù)創(chuàng)新中心總經(jīng)理原誠寅指出,目前我國在車用芯片領(lǐng)域的進(jìn)口占比達(dá)到90%,其中,汽車運(yùn)行過程中最為關(guān)鍵的系統(tǒng)芯片,其生產(chǎn)技藝幾乎100%被海外廠家掌握。值得一提的是,由于缺芯問題不斷加劇,我國企業(yè)也在加緊入局汽車芯片生產(chǎn)。

國產(chǎn)汽車芯片企業(yè)迎來機(jī)遇期

自上世紀(jì)70年代中期,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)率先采用芯片以后,芯片在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展。

尤其是隨著汽車從最初的機(jī)械產(chǎn)品逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮赢a(chǎn)品,自動(dòng)駕駛對(duì)車輛的感知精度、控制精度和響應(yīng)速度提出了更高的要求,這就需要更多的傳感器(激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)等)、更強(qiáng)大的處理器(自動(dòng)駕駛主控芯片)和更精確的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(線控系統(tǒng))。

按照尺寸分類,目前行業(yè)應(yīng)用的晶圓主要有6英寸、8英寸和12英寸三種,其中8英寸和12英寸的應(yīng)用量最大。關(guān)于晶圓尺寸的演變,比較公認(rèn)的說法是:1980年代是4英寸硅片占主流,1990年代是6英寸占主流,2000年代是8英寸占主流,2008年之后是以12英寸為主流的市場(chǎng)。

2008年以后,隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā),芯片上下游企業(yè)都在大力投資更為先進(jìn)的12英寸晶圓,并開始逐漸淘汰8英寸晶圓產(chǎn)線。根據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)SEMI的統(tǒng)計(jì),截至2019年,12英寸晶圓硅片已經(jīng)占到了晶圓全部出貨量的67%。

然而,8英寸晶圓恰好是汽車功能芯片的對(duì)口技術(shù),隨著汽車對(duì)芯片需求量增加,從去年開始,產(chǎn)業(yè)鏈又開始重新加大8英寸晶圓產(chǎn)能投入。

圖:汽車半導(dǎo)體主要部件,平安證券研究所

事實(shí)上,在傳統(tǒng)燃油車中,每輛車都要使用幾十至數(shù)百顆芯片。伴隨著新能源汽車和自動(dòng)駕駛的快速發(fā)展,汽車芯片的占比正大幅度提高。在廣泛的應(yīng)用中,汽車半導(dǎo)體主要分為三大類:主控芯片、功能芯片和其他器件。其中,主控芯片主要包括自動(dòng)駕駛芯片和智能座艙芯片,是汽車智能化的核心;功能芯片則包括功率半導(dǎo)體、MCU和傳感器,這些芯片可更好地實(shí)現(xiàn)汽車中特定的功能。

根據(jù)Wind數(shù)據(jù)顯示,目前,國內(nèi)汽車行業(yè)中車用芯片自研率僅占10%,90%汽車芯片都依賴進(jìn)口。在全球汽車半導(dǎo)體銷售額中,只有不到3%來自中國企業(yè),歐洲企業(yè)約占37%,美國企業(yè)約占30%,日本企業(yè)約占25%。

不過,目前在汽車半導(dǎo)體的各個(gè)領(lǐng)域,國內(nèi)都已經(jīng)涌現(xiàn)出一批優(yōu)秀企業(yè),并正伴隨市場(chǎng)的快速發(fā)展,成為業(yè)內(nèi)亮眼的新星。

主控芯片:智能化核心

主控芯片是汽車智能化的核心,主要包含自動(dòng)駕駛芯片和智能座艙芯片兩大類,均具備強(qiáng)大的算力和低功耗,可在滿足大量數(shù)據(jù)計(jì)算的同時(shí),降低功耗以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車較好的續(xù)航里程。

自動(dòng)駕駛芯片

自動(dòng)駕駛芯片,即自動(dòng)駕駛域控制器,是一輛汽車實(shí)現(xiàn)ADAS功能的關(guān)鍵,其核心性能指標(biāo)是算力和能效比。在智能化快速發(fā)展之前,沒有專門的自動(dòng)駕駛芯片,相關(guān)的功能由ABS、ESP的ECU負(fù)責(zé),或者由整車VCU進(jìn)行決策。隨著智能化水平的不斷提高,自動(dòng)駕駛芯片也得到快速發(fā)展。

在芯片種類方面,自動(dòng)駕駛芯片主要包括通用芯片(如CPU、DSP和GPU等)和專用芯片(如FPGA和ASIC等)。其中,通用芯片可進(jìn)行多項(xiàng)不同類型的計(jì)算,適用于不同的算法或需要持續(xù)改進(jìn)的自動(dòng)駕駛算法,因此在目前階段應(yīng)用較為廣泛;而與CPU相比,GPU具有更多的計(jì)算單元,更加適合于做簡單的重復(fù)計(jì)算,因此在做圖像處理時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。專用芯片中,FPGA屬于半定制化芯片,在邏輯計(jì)算中更具有優(yōu)勢(shì),同時(shí)具有低功耗的特點(diǎn)。

一般而言,自動(dòng)輔助駕駛系統(tǒng)會(huì)通過激光雷達(dá)、攝像頭、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)等傳感器采集車輛和環(huán)境信息,然后依據(jù)信息分析結(jié)果替代人類作出駕駛決策,精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)類似加速、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等駕駛動(dòng)作。因此,自動(dòng)輔助駕駛的級(jí)別越高,需要采集的信息精度越高、數(shù)據(jù)量就越多,就越依賴更高的算力支撐。

自動(dòng)駕駛芯片主要的算力單位為TOPS,1 TOPS代表處理器每秒鐘可進(jìn)行一萬億次操作。通常,業(yè)內(nèi)認(rèn)為實(shí)現(xiàn)L2級(jí)自動(dòng)輔助駕駛需要的算力在10 TOPS以下,L3級(jí)需要30-60 TOPS,L4級(jí)需要超過300 TOPS,L5級(jí)需要超過1000 TOPS甚至4000+ TOPS。

目前,第三方自動(dòng)駕駛芯片主要以英偉達(dá)、mobileye為主,國內(nèi)諸如地平線、黑芝麻等也已嶄露頭角。

智能座艙芯片

近年來,隨著整車電子電氣化程度日益提高、架構(gòu)向集中式進(jìn)化,使得傳統(tǒng)的機(jī)械式儀表難以支撐更加智能和便捷的人車交互功能,集成了液晶儀表、抬頭顯示儀、中控屏幕和后座娛樂的多屏融合智能駕駛艙就成了用戶的優(yōu)選。而基于車聯(lián)網(wǎng)等的智能座艙,無疑可以為用戶帶來更智能化、高效、安全的交互體驗(yàn)。

基于AI技術(shù),數(shù)字座艙能夠?qū)崿F(xiàn)駕駛員識(shí)別、疲勞駕駛監(jiān)測(cè)等功能。例如,當(dāng)駕駛員靠近汽車時(shí),車載攝像頭能夠自動(dòng)識(shí)別車主信息。在駕駛員上車后,座艙也能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)更合適的座椅位置、空調(diào)溫度、音樂曲目等。同時(shí),車輛內(nèi)的AI語音助手也能幫助駕駛員解放雙手,還能夠自動(dòng)識(shí)別車內(nèi)不同位置用戶提出的語音需求,比如只打開提出需求的用戶那一側(cè)的車窗,做到精準(zhǔn)服務(wù)。

未來,智能座艙所代表的“車載信息娛樂系統(tǒng)+流媒體后視鏡+抬頭顯示系統(tǒng)+全液晶儀表+車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)+車內(nèi)乘員監(jiān)控系統(tǒng)”等融合體驗(yàn),也更依賴于芯片所代表的計(jì)算能力的提升。

目前,高通是智能座艙芯片的主力軍。截至2021年1月,全球已有超過20家領(lǐng)先的汽車制造商采用第3代驍龍汽車數(shù)字座艙平臺(tái)。與此同時(shí),國內(nèi)也有一批企業(yè)快速崛起。

5月28日,南京芯馳半導(dǎo)體科技有限公司SemiDrive對(duì)外發(fā)布9系列X9、V9、G9三大汽車芯片產(chǎn)品,提供針對(duì)汽車的協(xié)同一體化解決方案,包括智能座艙、智能駕駛、中央網(wǎng)關(guān)三大應(yīng)用。不久之后,華為海思也與比亞迪簽訂合作協(xié)議,首款產(chǎn)品是應(yīng)用在汽車數(shù)字座艙領(lǐng)域的麒麟710A。以這款麒麟芯片為起點(diǎn),海思自研芯片正式開始獨(dú)立探索在汽車數(shù)字座艙領(lǐng)域的應(yīng)用落地。

功能芯片:跟隨行業(yè)快速增長

功能芯片主要包括功率半導(dǎo)體、MCU和傳感器,這些芯片可更好地實(shí)現(xiàn)汽車中特定的功能。在電動(dòng)智能化趨勢(shì)下,汽車對(duì)于功能芯片的需求不但在MCU和毫米波雷達(dá)等方面有數(shù)量上的提升,也有IGBT、激光雷達(dá)等新增部件的產(chǎn)生,會(huì)為汽車帶來全新的功能和體驗(yàn)。

MCU

MCU(Micro Controller Unit)中文名稱為微控制單元,又稱單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer),是汽車電子控制器ECU的核心部件,是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展,將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī),為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制,可實(shí)現(xiàn)終端控制的功能,平均每輛車上搭載有超過70個(gè)MCU。

MCU最早由Intel提出,歷經(jīng)了4位、8位、16位、32位和64位的發(fā)展歷程,目前汽車應(yīng)用主要以8位和32位為主,其中8位主要應(yīng)用在簡單和低速處理速度的ECU中,而32位可處理需要大量信息的功能,此外,8位MCU具有低成本和低功耗的優(yōu)點(diǎn),因此目前市場(chǎng)份額仍較高。

與消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)MCU相比,車規(guī)級(jí)MCU壁壘較高,主要體現(xiàn)在工作的環(huán)境溫度、良品率要求和工作壽命要求等方面。而MCU本身具有較高的技術(shù)壁壘、生產(chǎn)工藝壁壘和成本控制的壁壘,新進(jìn)入者具有較大的難度。

不過,隨著汽車配置越來越豐富,在增加對(duì)MCU進(jìn)行計(jì)算和執(zhí)行控制需求的同時(shí),隨著域控制器的發(fā)展,MCU承擔(dān)的計(jì)算功能將有所減弱,將主要用于進(jìn)行執(zhí)行相關(guān)的控制。因此,MCU的需求量會(huì)有所提升,但壁壘有所降低。在MCU領(lǐng)域,國內(nèi)廠商主要包括士蘭微、兆易創(chuàng)新等。

IGBT

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管),是由BJT(雙極結(jié)型晶體三極管)和MOS(絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型-電壓驅(qū)動(dòng)式-功率半導(dǎo)體器件,其具有自關(guān)斷的特征。簡單講,是一個(gè)非通即斷的開關(guān),IGBT沒有放大電壓的功能,導(dǎo)通時(shí)可以看做導(dǎo)線,斷開時(shí)當(dāng)做開路。IGBT融合了BJT和MOSFET的兩種器件的優(yōu)點(diǎn),如驅(qū)動(dòng)功率小和飽和壓降低等。

IGBT模塊在電動(dòng)汽車中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,是電動(dòng)汽車及充電樁等設(shè)備的核心技術(shù)部件。由于車輛行駛過程中容易受到較大的震動(dòng)和沖擊,新能源汽車對(duì)IGBT強(qiáng)度要求較高。此外,由于汽車頻繁啟停會(huì)引起 IGBT 結(jié)溫上升,也因此對(duì)散熱提出了更高的要求。

IGBT主要應(yīng)用于新能源汽車的電動(dòng)控制系統(tǒng)、車載空調(diào)控制系統(tǒng)和充電樁中。據(jù)介紹,IGBT模塊占電動(dòng)汽車成本將近10%,占充電樁成本約20%。

目前,英飛凌在IGBT芯片和模組的市占率最高,在IPM封裝領(lǐng)域,日本三菱的市占率最高。國內(nèi)自主企業(yè)中,比亞迪具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),有望成為行業(yè)的龍頭企業(yè)。比亞迪半導(dǎo)體目前是中國唯一擁有IGBT完整產(chǎn)業(yè)鏈的車企,其采用的是IDM的模式,鏈條包括IGBT芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、模塊封裝等部分,還有仿真測(cè)試以及整車測(cè)試。

除了比亞迪半導(dǎo)體,國內(nèi)廠商斯達(dá)半導(dǎo)、士蘭微、中車電氣也陸續(xù)入局IGBT領(lǐng)域。

傳感器

據(jù)平安證券介紹,汽車傳感器可分為車輛狀態(tài)傳感器和環(huán)境感知類傳感器。車輛狀傳感器是傳統(tǒng)的感知器件,應(yīng)用在動(dòng)力(發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器、進(jìn)氣傳感器、曲軸位置傳感器等)、底盤(TPMS傳感器、ESP加速度傳感器等)和車身(雨量傳感器、溫度傳感器等)中;環(huán)境感知類傳感器是自動(dòng)駕駛中新增的傳感器,主要有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、攝像頭等。

從感知原理來看,車輛狀態(tài)傳感器可分為磁傳感器、MEMS傳感器、化學(xué)類傳感器和溫度傳感器。在新能源汽車中,傳統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的傳感器數(shù)量正逐漸減少,新增主要為電流和溫度兩大類傳感器。

使用激光雷達(dá)的車輛在進(jìn)行自動(dòng)駕駛測(cè)試

與之相比,環(huán)境感知類傳感器近些年發(fā)展迅猛,其中毫米波雷達(dá)、攝像頭和超聲波雷達(dá)均已發(fā)展成熟。目前,毫米波雷達(dá)已經(jīng)從24GHz發(fā)展至77GHz,甚至具有4D成像的高性能產(chǎn)品,可實(shí)現(xiàn)障礙檢測(cè)、遠(yuǎn)距離探測(cè)、路徑規(guī)劃等功能。激光雷達(dá)則可分為面向無人駕駛出租車和面向乘用車兩大類,處于大規(guī)模應(yīng)用的前期。

寫在最后

疫情對(duì)經(jīng)濟(jì)格局產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響已經(jīng)成為共識(shí)。無疑,當(dāng)下的國產(chǎn)自主汽車品牌迎來發(fā)展關(guān)鍵機(jī)遇。同時(shí),對(duì)于汽車而言,芯片將在未來發(fā)展過程中扮演越來越重要的角色,這也就意味著國產(chǎn)汽車芯片企業(yè)將有更為蓬勃的發(fā)展動(dòng)力。事實(shí)上,我國自主芯片綜合性能已經(jīng)在一些領(lǐng)域不輸國外巨頭,相信隨著時(shí)間的發(fā)展,其也將成為全球汽車芯片領(lǐng)域不容忽視的關(guān)鍵力量。

參考資料:

1．《從瓦特到比特:汽車半導(dǎo)體揚(yáng)帆起航》,平安證券

2．《2021年全球車企“缺芯”停產(chǎn)、減產(chǎn)最新情況跟蹤》,感知芯視界

3．《車企缺芯有多難?奧迪交車只配一把鑰匙,寶馬多款新車減配》,懂車

4．《比亞迪半導(dǎo)體分拆上市,擺脫母公司依賴是關(guān)鍵》,財(cái)經(jīng)十一人

5．《什么是汽車芯片?一文科普》,賽博汽車

6．《自動(dòng)駕駛搶奪的又一高地:智能座艙芯片》,傳感器專家網(wǎng)