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导 读
目前在汽车半导体的各个领域,国内都已经涌现出一批优秀企业,并正伴随市场的快速发展,成为业内亮眼的新星。
今年汽车有多缺芯?5月24日,全球汽车咨询机构AutoForecast Solutions发布了一份北美各车企和车型减产评估报告。其中,底特律三巨头——通用、福特和Stellantis(包括菲亚特克莱斯勒)“稳”居前三,受到重创。
不止如此,作为全球高端汽车品牌标杆,奔驰、宝马、奥迪前段时间也纷纷针对缺芯做出反应:
奥迪对经销商发布通知称,受全球疫情影响,奥迪遥控钥匙芯片产能不足,自2021年7月5日起,部分国产奥迪车型在交付时,仅提供一把遥控钥匙和一把机械钥匙齿,受影响车辆可通过新装备号“SOP”识别。待到产能恢复后,奥迪会及时发布通知,由经销商为用户交付第二把遥控钥匙。
宝马则选择了更为简单粗暴的减配。在5月份,宝马表示由于全球芯片短缺,旗下多款车型同时迎来配置调整,主要取消了标配的手机无线充电/Wi-Fi热点/数字钥匙等,价格降幅为0-5千元不等,此外未被提及的部分宝马车型车钥匙从金属材质变为塑料材质,一脚踢功能也被移除,涉及的车型包括3系、5系,X3、X4、X5以及X6等车型,其中不乏国内市场的主力车型。
奔驰为了提升芯片紧缺情况下的交付效率,采取了先交付减配车型,后加装配置的举措。例如不少奔驰E级车主4月份订的车需要拖到7月才能提车,并且通讯模块也要等到芯片问题解决后再进行加装,对于车主的补偿方案则是赠送2A+2B保养。
在全球缺芯的大背景下,国际造车巨头产能不断减少,国内乘用车市场销量也在不断下滑。根据中国汽车工业协会公布的乘用车最新销量数据显示,7月乘用车共销售115．1万辆,环比下降1．1%,同比下降7%。值得一提的是,7月份中国品牌乘用车共销售72万辆,环比增长4．1%,同比增长22．2%,占乘用车销售总量的46．4%,比上年同期提升11．1个百分点,实现了逆势增长。
尽管我国自主品牌汽车发展有趁势崛起的趋势,但汽车芯片仍然几乎完全依赖进口。在2021中国汽车论坛上,我国国家新能源汽车技术创新中心总经理原诚寅指出,目前我国在车用芯片领域的进口占比达到90%,其中,汽车运行过程中最为关键的系统芯片,其生产技艺几乎100%被海外厂家掌握。值得一提的是,由于缺芯问题不断加剧,我国企业也在加紧入局汽车芯片生产。
国产汽车芯片企业迎来机遇期
自上世纪70年代中期,汽车发动机系统率先采用芯片以后,芯片在汽车电子领域的应用不断拓展。
尤其是随着汽车从最初的机械产品逐渐转变为电子产品,自动驾驶对车辆的感知精度、控制精度和响应速度提出了更高的要求,这就需要更多的传感器(激光雷达、摄像头、毫米波雷达等)、更强大的处理器(自动驾驶主控芯片)和更精确的执行机构(线控系统)。
按照尺寸分类,目前行业应用的晶圆主要有6英寸、8英寸和12英寸三种,其中8英寸和12英寸的应用量最大。关于晶圆尺寸的演变,比较公认的说法是: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英寸为主流的市场。
2008年以后,随着移动互联网爆发,芯片上下游企业都在大力投资更为先进的12英寸晶圆,并开始逐渐淘汰8英寸晶圆产线。根据国际半导体产业协会SEMI的统计,截至2019年,12英寸晶圆硅片已经占到了晶圆全部出货量的67%。
然而,8英寸晶圆恰好是汽车功能芯片的对口技术,随着汽车对芯片需求量增加,从去年开始,产业链又开始重新加大8英寸晶圆产能投入。
图:汽车半导体主要部件,平安证券研究所
事实上,在传统燃油车中,每辆车都要使用几十至数百颗芯片。伴随着新能源汽车和自动驾驶的快速发展,汽车芯片的占比正大幅度提高。在广泛的应用中,汽车半导体主要分为三大类:主控芯片、功能芯片和其他器件。其中,主控芯片主要包括自动驾驶芯片和智能座舱芯片,是汽车智能化的核心;功能芯片则包括功率半导体、MCU和传感器,这些芯片可更好地实现汽车中特定的功能。
根据Wind数据显示,目前,国内汽车行业中车用芯片自研率仅占10%,90%汽车芯片都依赖进口。在全球汽车半导体销售额中,只有不到3%来自中国企业,欧洲企业约占37%,美国企业约占30%,日本企业约占25%。
不过,目前在汽车半导体的各个领域,国内都已经涌现出一批优秀企业,并正伴随市场的快速发展,成为业内亮眼的新星。
主控芯片:智能化核心
主控芯片是汽车智能化的核心,主要包含自动驾驶芯片和智能座舱芯片两大类,均具备强大的算力和低功耗,可在满足大量数据计算的同时,降低功耗以实现电动车较好的续航里程。
自动驾驶芯片
自动驾驶芯片,即自动驾驶域控制器,是一辆汽车实现ADAS功能的关键,其核心性能指标是算力和能效比。在智能化快速发展之前,没有专门的自动驾驶芯片,相关的功能由ABS、ESP的ECU负责,或者由整车VCU进行决策。随着智能化水平的不断提高,自动驾驶芯片也得到快速发展。
在芯片种类方面,自动驾驶芯片主要包括通用芯片(如CPU、DSP和GPU等)和专用芯片(如FPGA和ASIC等)。其中,通用芯片可进行多项不同类型的计算,适用于不同的算法或需要持续改进的自动驾驶算法,因此在目前阶段应用较为广泛;而与CPU相比,GPU具有更多的计算单元,更加适合于做简单的重复计算,因此在做图像处理时更具优势。专用芯片中,FPGA属于半定制化芯片,在逻辑计算中更具有优势,同时具有低功耗的特点。
一般而言,自动辅助驾驶系统会通过激光雷达、摄像头、毫米波雷达、超声波雷达等传感器采集车辆和环境信息,然后依据信息分析结果替代人类作出驾驶决策,精准实现类似加速、制动和转向等驾驶动作。因此,自动辅助驾驶的级别越高,需要采集的信息精度越高、数据量就越多,就越依赖更高的算力支撑。
自动驾驶芯片主要的算力单位为TOPS,1 TOPS代表处理器每秒钟可进行一万亿次操作。通常,业内认为实现L2级自动辅助驾驶需要的算力在10 TOPS以下,L3级需要30-60 TOPS,L4级需要超过300 TOPS,L5级需要超过1000 TOPS甚至4000+ TOPS。
目前,第三方自动驾驶芯片主要以英伟达、mobileye为主,国内诸如地平线、黑芝麻等也已崭露头角。
智能座舱芯片
近年来,随着整车电子电气化程度日益提高、架构向集中式进化,使得传统的机械式仪表难以支撑更加智能和便捷的人车交互功能,集成了液晶仪表、抬头显示仪、中控屏幕和后座娱乐的多屏融合智能驾驶舱就成了用户的优选。而基于车联网等的智能座舱,无疑可以为用户带来更智能化、高效、安全的交互体验。
基于AI技术,数字座舱能够实现驾驶员识别、疲劳驾驶监测等功能。例如,当驾驶员靠近汽车时,车载摄像头能够自动识别车主信息。在驾驶员上车后,座舱也能够自动调节更合适的座椅位置、空调温度、音乐曲目等。同时,车辆内的AI语音助手也能帮助驾驶员解放双手,还能够自动识别车内不同位置用户提出的语音需求,比如只打开提出需求的用户那一侧的车窗,做到精准服务。
未来,智能座舱所代表的“车载信息娱乐系统+流媒体后视镜+抬头显示系统+全液晶仪表+车联网系统+车内乘员监控系统”等融合体验,也更依赖于芯片所代表的计算能力的提升。
目前,高通是智能座舱芯片的主力军。截至2021年1月,全球已有超过20家领先的汽车制造商采用第3代骁龙汽车数字座舱平台。与此同时,国内也有一批企业快速崛起。
5月28日,南京芯驰半导体科技有限公司SemiDrive对外发布9系列X9、V9、G9三大汽车芯片产品,提供针对汽车的协同一体化解决方案,包括智能座舱、智能驾驶、中央网关三大应用。不久之后,华为海思也与比亚迪签订合作协议,首款产品是应用在汽车数字座舱领域的麒麟710A。以这款麒麟芯片为起点,海思自研芯片正式开始独立探索在汽车数字座舱领域的应用落地。
功能芯片:跟随行业快速增长
功能芯片主要包括功率半导体、MCU和传感器,这些芯片可更好地实现汽车中特定的功能。在电动智能化趋势下,汽车对于功能芯片的需求不但在MCU和毫米波雷达等方面有数量上的提升,也有IGBT、激光雷达等新增部件的产生,会为汽车带来全新的功能和体验。
MCU
MCU(Micro Controller Unit)中文名称为微控制单元,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer),是汽车电子控制器ECU的核心部件,是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制,可实现终端控制的功能,平均每辆车上搭载有超过70个MCU。
MCU最早由Intel提出,历经了4位、8位、16位、32位和64位的发展历程,目前汽车应用主要以8位和32位为主,其中8位主要应用在简单和低速处理速度的ECU中,而32位可处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优点,因此目前市场份额仍较高。
与消费级和工业级MCU相比,车规级MCU壁垒较高,主要体现在工作的环境温度、良品率要求和工作寿命要求等方面。而MCU本身具有较高的技术壁垒、生产工艺壁垒和成本控制的壁垒,新进入者具有较大的难度。
不过,随着汽车配置越来越丰富,在增加对MCU进行计算和执行控制需求的同时,随着域控制器的发展,MCU承担的计算功能将有所减弱,将主要用于进行执行相关的控制。因此,MCU的需求量会有所提升,但壁垒有所降低。在MCU领域,国内厂商主要包括士兰微、兆易创新等。
IGBT
IGBT(绝缘栅双极型晶体管),是由BJT(双极结型晶体三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。简单讲,是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点,如驱动功率小和饱和压降低等。
IGBT模块在电动汽车中发挥着至关重要的作用,是电动汽车及充电桩等设备的核心技术部件。由于车辆行驶过程中容易受到较大的震动和冲击,新能源汽车对IGBT强度要求较高。此外,由于汽车频繁启停会引起 IGBT 结温上升,也因此对散热提出了更高的要求。
IGBT主要应用于新能源汽车的电动控制系统、车载空调控制系统和充电桩中。据介绍,IGBT模块占电动汽车成本将近10%,占充电桩成本约20%。
目前,英飞凌在IGBT芯片和模组的市占率最高,在IPM封装领域,日本三菱的市占率最高。国内自主企业中,比亚迪具有较强的技术优势,有望成为行业的龙头企业。比亚迪半导体目前是中国唯一拥有IGBT完整产业链的车企,其采用的是IDM的模式,链条包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装等部分,还有仿真测试以及整车测试。
除了比亚迪半导体,国内厂商斯达半导、士兰微、中车电气也陆续入局IGBT领域。
传感器
据平安证券介绍,汽车传感器可分为车辆状态传感器和环境感知类传感器。车辆状传感器是传统的感知器件,应用在动力(发动机温度传感器、进气传感器、曲轴位置传感器等)、底盘(TPMS传感器、ESP加速度传感器等)和车身(雨量传感器、温度传感器等)中;环境感知类传感器是自动驾驶中新增的传感器,主要有激光雷达、毫米波雷达、摄像头等。
从感知原理来看,车辆状态传感器可分为磁传感器、MEMS传感器、化学类传感器和温度传感器。在新能源汽车中,传统动力传动系统的传感器数量正逐渐减少,新增主要为电流和温度两大类传感器。
使用激光雷达的车辆在进行自动驾驶测试
与之相比,环境感知类传感器近些年发展迅猛,其中毫米波雷达、摄像头和超声波雷达均已发展成熟。目前,毫米波雷达已经从24GHz发展至77GHz,甚至具有4D成像的高性能产品,可实现障碍检测、远距离探测、路径规划等功能。激光雷达则可分为面向无人驾驶出租车和面向乘用车两大类,处于大规模应用的前期。
写在最后
疫情对经济格局产生的深远影响已经成为共识。无疑,当下的国产自主汽车品牌迎来发展关键机遇。同时,对于汽车而言,芯片将在未来发展过程中扮演越来越重要的角色,这也就意味着国产汽车芯片企业将有更为蓬勃的发展动力。事实上,我国自主芯片综合性能已经在一些领域不输国外巨头,相信随着时间的发展,其也将成为全球汽车芯片领域不容忽视的关键力量。
参考资料:
1．《从瓦特到比特:汽车半导体扬帆起航》,平安证券
2．《2021年全球车企“缺芯”停产、减产最新情况跟踪》,感知芯视界
3．《车企缺芯有多难?奥迪交车只配一把钥匙,宝马多款新车减配》,懂车
4．《比亚迪半导体分拆上市,摆脱母公司依赖是关键》,财经十一人
5．《什么是汽车芯片?一文科普》,赛博汽车
6．《自动驾驶抢夺的又一高地:智能座舱芯片》,传感器专家网