汽車缺芯?背後暗藏一個千載難逢的契機,為你覆盤汽車晶片50年



汽車缺芯話題最近非常火。

據說博世一顆ESP(車身穩定控制)晶片,就從13元漲到了最多4000元,超過300倍。連馬斯克也對供應鏈叫苦不迭:缺芯之後,大家都超額訂購,就像去年屯衛生紙一樣。

這是一次“前無古人,後無來者”的汽車行業大缺芯,註定會記入史冊,從2020年底就開始了。

危中有機,缺芯背後也暗含著契機。作為汽車製造和消費大國的中國,汽車晶片進口率高達95%以上。平常情況下,我們對汽車晶片的價格不敏感,而現在,大陸發展汽車晶片有了一個千載難逢的契機。

缺芯背後的契機

汽車缺芯,最為急缺的是車規級MCU(微控制單元),其實就是一個小而全的晶片級計算機。

每輛汽車都有數十個到上百個不等的ECU(電子控制單元),如上述ESP(車身穩定系統)、IPB(智慧整合制動系統)、VCU(電動汽車整車控制器)、TCU(自動變速箱調節系統)等,其核心都是在MCU上載入上軟體。MCU應用非常廣泛,大到車身控制與動力總成,小到雨刷、車窗、車燈和照明、車門、後備廂、座椅、空調和風扇、車鎖和鑰匙、側視鏡、安全帶、安全氣囊等的控制單元,都離不開它。隨著短缺加劇,MCU價格居高不下,個別熱門MCU晶片的現貨價同比漲幅超過100倍。意法半導體的MCU(微計算單元)因疫情而停產,導致博世中國負責人抓狂。


根據晶片業歷史規律,每逢大缺貨就價格暴漲。一塊電路板上,哪怕只有1%的關鍵晶片無法供應,也可能導致整塊電路板無法工作,這是所謂的“1%”定律。曾建了好幾個群幫助額溫槍晶片供求對接的愛集微王建偉告訴我,2020年3月到6月全球抗疫,額溫槍需求暴漲,用於測溫的紅外熱電堆感測器晶片因為缺貨一度漲價逾百倍,從一塊多人民幣一顆漲到了100多塊一顆,但現在已經恢復正常。

因為汽車涉及人身安全,所以車規級晶片的准入門檻高,研發測試和驗證的投入也很大。目前全球車規級晶片供應商主要有恩智浦、瑞薩電子、英飛凌、意法半導體、博世、德州儀器、安森美、羅姆半導體、東芝、亞德諾、微芯科技等歐美日晶片,當然是和他們的汽車(主要是燃油車)電子發展歷史漫長有關。

對傳統燃油車而言,半導體加起來平均每輛成本在約400美元左右,對電動車而言,則約800美元左右,平均下來約475美元左右。隨著電動車比重加大以及智慧化程度越高,未來可望每輛車達到600到1000美元。一輛車一般用數百顆晶片,但已經有高階電動車用到了1700顆晶片。各種花哨的功能只有想不到沒有做不到,如遠端控制開啟後備廂收快遞、車周身和車內的氛圍燈可隨音樂而變動等。


這僅佔車輛總成本幾個百分點的晶片,看似“微不足道”,卻不可避免地帶來了汽車產量的大幅下降,根據Auto Forecast Solutions(AFS)最新資料,今年汽車減產的預估數值已從7月末的690萬輛提升到了8月末的810萬輛。汽車廠紛紛祭出大招,如整車漲價,降低銷量;兩個遙控鑰匙先給一個;先安裝三個雷達,以後補裝剩下的兩個;紛紛引入國產車規級晶片保證供應等。

為什麼汽車會缺芯?

汽車供應鏈的鏈條很長,在疫情中反應很緩慢。

2020年受疫情影響,全球汽車市場持續低迷,全球汽車產量從19年9217.6萬輛下降到7762.2萬輛。 汽車是大宗商品,受巨集觀經濟影響很大,汽車廠(主機廠)普遍對經濟預測悲觀,於是就給零部件一級供應商(稱Tier 1)砍單,而Tier 1又給更上游的晶片砍單。萬萬沒有想到,2021年疫情一直肆虐,一些西方國家大發特發“零用錢”,在加上人們避免公交出行,所以汽車需求反而大漲!

不過此時,晶片產能已被消費電子所佔據,晶圓交期都簽到一年之後了。手機滿大街,還時不時開新品釋出會,全世界都在買蘋果“十三香”;疫情防控期間全球居家辦公和學習,光我家就新買了三臺膝上型電腦,還添置了麵條機、咖啡機等小家電。

消費電子是產業巨獸,消耗的晶片比汽車多幾十倍。這樣一擠壓,車規級晶片的產能立馬就短缺了。豐田的“JUST IN TIME”模式追求“零庫存”和“虛擬倉庫”,一直是MBA的供應鏈經典理論,卻擋不住這樣極端的黑天鵝事件。

車規級晶片雖然產量不大,但技術要求高,從晶圓到封測都有特殊要求,這決定了產能無法快速切換與擴張。主要的產能缺口其實是在成熟製程上,如MCU採用的是28/40/55/130奈米等成熟工藝,而不是先進製程(16奈米、7/5奈米等)。整個業界都在緊鑼密鼓努力,國內也在拼命建設採用成熟製程的晶圓廠,但緊缺形勢也還需要半年左右才能恢復。

中國發展汽車晶片有什麼偉大契機?

世界上做大了晶片產業的國家其實沒有幾個,發展契機是可遇不可求的。美國晶片產業是因個人電腦而獲得崛起機會,日本和歐洲則都是因為家電和汽車。中國第一波晶片潮是因山寨GSM手機獲得了巨大的成長機會。

作為汽車製造和消費大國的中國,汽車晶片進口率高達95%以上。平常情況下,汽車對晶片的價格不敏感,國產晶片的匯入是很難的,和消費電子不同,價格戰在汽車領域不怎麼適用,汽車廠不會為一顆晶片便宜了幾塊錢,而去勇當“小白鼠”。

現在,大陸發展汽車晶片有了一個千載難逢的契機!

一方面,不要浪費任何一場缺芯危機,有“危”就有“機”。缺芯也帶來了好事,那就是大陸車規級晶片有了不少寶貴的上車驗證機會。

汽車廠紛紛對零部件一級供應商明確提出要求:要有國產晶片的後備方案,保供!大家一起努力,事情就好辦多了。以往需要兩年左右進行驗證,現在緊趕慢趕,8-12個月也可以做到。驗證通過後,上量就是遲早問題了。公開資料顯示,上汽集團在晶片方面已經投資了十幾家國內頭部晶片公司,上汽集團董事長陳虹此前就曾公開表示,晶片短缺的事件也讓汽車廠商和晶片廠商有了直接的聯絡。

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車規級MCU採用成熟製程,大陸是可以生產製造的。傑發科技、興旺微、兆易創新、國民技術、航順、深圳中微、雲途、芯海、琪埔維、賽騰微、國芯、比亞迪等一大堆企業已經扎堆進入市場,還有一些正在路上。從簡單的控制應用開始,一點點進入可靠性要求高的場景,如發動機和車身的控制。

另外一方面,電動汽車和智慧化是一場偉大的技術革命,中國與西方齊頭並進,這給了本土晶片巨大的參與機遇。

9月16日,國務院領導在2021世界新能源汽車大會上表示:當前新能源汽車已進入加速發展新階段,既面臨重大機遇,也面臨技術、市場等諸多挑戰……加快車用晶片、作業系統等關鍵技術研發和產業化。要堅持跨界融合,協同構建新型產業生態,推動網聯化、智慧化與電動化技術齊頭並進……

中國的疫情控制和生產恢復很成功。2020年,我國汽車產業規模超過了全球市場30%,我國汽車產銷量已連續十一年蟬聯全球第一。

與此同時,新能源汽車的滲透率不斷加大,去年約5%,也就是每100輛銷售的車中有5輛是新能源汽車。但這個數字今年8月就已達17.8%,馬上達到20%以上,這實在是很令人驚訝。網約車現在基本都是純電動了,司機們告訴我:快速充電樁到處都是,絲毫不亞於加油站的密度,充電半個小時,上個廁所抽根菸,就可以又跑上百來公里了。

傳統燃油車的發動機、變速箱,西方很強,中國傳統汽車產業“大而不強”,很難超越西方了。純電動汽車並沒有傳統的燃油發動機和變速箱,給了中國汽車供應鏈彎道超車的全新機遇。

為什麼特斯拉電動車能異軍突起,本質上是在上海臨港建廠,和中國供應鏈戰略合作的結果,重複了蘋果手機的成功故事。

同濟大學汽車學院朱西產教授(清華大學汽車博士)講了一個“美夢”:我們看到了4G通訊給手機行業帶來的革命,智慧手機一樣可以打電話,但打電話是它最Low的一個功能,實際上智慧手機的潛力到現在還沒有被完全釋放。汽車產業裡,舊的價值體系已經在崩潰,圍繞未來汽車的全新價值體系正在重新構建。自動駕駛可以說是“詩和遠方”,如果真的可以實現,那我們就要重新思考:汽車是不是還只是一個交通工具?!

朱老師的潛臺詞是:世界是否因此而“性情大變”?就像智慧手機顛覆了傳統生活方式一樣。

敲黑板劃重點:電動化和智慧化的大方向,以及“缺芯”事件,大陸本土汽車晶片產業迎來了一個偉大的發展契機。

上海是中國積體電路設計和製造的熱土,愛集微將與張江高科、上海經信委、上汽合作於11月19日在浦東陸家嘴舉行首屆“集微汽車半導體生態峰會”。

汽車半導體企業有很多,我和愛集微團隊走訪了一些代表性的公司,如芯擎(智慧座艙SoC)、傑發(MCU、SoC)、聚辰(儲存)、韋爾(影象感測器等)、禾賽(鐳射收發晶片)、景略(乙太網)、琻捷(胎壓監測等)、聚芯微(3D感測等)等。


圖注:最早國產高階轎車紅旗CA72,攝於上海汽車博物館

形勢喜人:中國車規級晶片“群體崛起”,應用生態也日趨成熟,“備胎”們已經蔚然成型了,未必勢必在全球汽車半導體中佔一席之地!

覆盤汽車晶片50年

汽車是人類文明的結晶。汽車電子是過去幾十年全世界最聰明的腦袋一起開發出來的,汲取了眾多慘痛的交通事故的教訓。

汽車晶片發展有四個階段:第一個階段是電子管。二戰之中,汽車(包括坦克)及飛機用無線對講機協同作戰,採用的是巨大的電子管。這是車聯網的原始形態了。


圖注:二戰電影《狂怒》中雙方坦克廣泛裝備無線對講

第二個階段是電晶體。1947年美國貝爾實驗室發明了電晶體,體積和功耗都大大小於傳統的電子管。上個世紀60年代以前,汽車電子有了第一個大規模的發展,主要生產技術起點較低的交流發電機、電壓調節器、電子閃光器、電子喇叭、間歇刮水裝置、電子點火裝置等。電晶體收音機給漫長枯燥的駕駛帶來了極大的樂趣。


圖注:汽車儀表盤故障燈詳解

第三個階段是微處理器為代表的積體電路。英特爾在1971年推出了世界上首個商用微處理系統,其中的CPU便是大名鼎鼎的4004。在英特爾的帶動下,微處理器單元(MCU)將 CPU、儲存器、模數轉換、液晶螢幕控制、多種 I/O 介面等整合在一片晶片上,形成了晶片級的計算機,早期叫單片(單板)機。用於發動機的電子點火和多點噴射技術,以及用於車身控制的防抱死制動(ABS)技術就是這個階段的典型技術應用,都採用了MCU作為計算機系統。汽車零部件一級供應商(Tier 1)也是在這個節點堂而皇之走上歷史舞臺的,文首提到的總部在德國的博世是標杆企業,其汽車電子業務發展軌跡中可以看到電子點火、電噴、感測器、CAN匯流排、ESP、預測性制動系統等影響汽車發展的重大關鍵詞。


圖注:車載MCU的應用場景

第四個階段是域控制系統和智慧化系統級晶片(SoC)。目前汽車上有幾十個甚至上百個的ECU(電子控制單元),未來可望統一到3-5個“域”控制系統,如自動駕駛域、智慧座艙域、車身控制域等。至少三大類晶片將進入市場:用於智慧座艙域的系統級晶片、用於自動駕駛域的人工智慧系統級晶片,以及作為寬頻連線車載乙太網晶片等。

到如今,汽車裡面用的電子裝置簡直包羅永珍,已經非常龐大了。不得不慨嘆,現代汽車太依賴晶片技術的發展了。

現在很多入門級的家用轎車也裝備了ABS、ESP、AEB等汽車電子安全裝置,拯救了很多生命。

一個是防抱死制動系統(ABS),替代了老司機的“點剎”。ABS可以讓輪胎邊滾邊滑,還可以用大的剎車力度讓車停下來。因此,在帶ABS車輛上急剎車,就是一腳踩死就好。

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第一臺防抱死制動系統ABS在1950年問世,首先被應用在航空領域的飛機上,1968年開始研究在汽車上應用。70年代,由於歐美七國生產的新型轎車的前輪或前後輪開始採用盤式制動器,促使了ABS在汽車上的應用。

一個是車身電子穩定系統(ESP),大大減少側滑。ESP是駕駛安全領域革命性的進步,繼安全帶之後拯救了最多生命的發明。“ESP之父” Frank Werner Mohn就是在1989年1月在瑞典發生了一次嚴重側滑事故之後有這個偉大主意的。他開車在一個高速彎上因為地滑突然失去抓地力,一頭扎進了雪堆之中。大難未死,於是有了這個偉大的發明。


“ESP之父” Frank Werner Mohn1989年的事故現場

還有一個是自動緊急制動(AEB),可大量減少交通事故。汽車通過攝像頭、毫米波雷達、鐳射雷達等感測器來感知外部情況,通過MCU進行計算,決定是否啟動緊急制動。歐盟和日本等 40個國家強制匯入AEB,要求乘用車和輕型商用車必須安裝自動緊急制動系統,有統計表示可以降低27%的事故。中國也在迅速普及,連上汽通用五菱旗下八萬多元的新寶駿RS-3上也可以看到AEB和自動跟車功能了。

電動汽車的動力部分需要進行大電流(如幾百安培)的整流或者逆變,要消耗很多功率半導體晶片,外圍的充電樁也還要不少功率半導體晶片。這顆晶片在傳統燃油車裡面用不著。

“909”工程中誕生的上海華虹在IGBT等電動車上大量使用的功率半導體上就很有特色。SiC(碳化矽)功率半導體產業也在蓬勃發展。兩者均可在大陸生產。


圖注:作者戴輝於華虹巨集力大門外

中國汽車晶片的群體湧現

國慶前,上海的晶片投資人聚在一起探討國產汽車晶片的輝煌未來。中國半導體投資聯盟祕書長王豔輝說:光有錢不一定能做好晶片,但若沒有錢,則是萬萬不能的!

汲取了“缺芯”教訓,借鑑手機業成功經驗,汽車大廠的產業投資部門現在也赤膊上陣,越過一級供應商,直接和國產晶片來“勾搭”了。

商業晶片按照應用場景分為三個等級:消費級、工業級、汽車級。車規級晶片要求高很多,在研發、生產製造、測試的全流程中,都有特殊的要求,比如封裝中,就要採用明銳理想等的自動視覺檢測(AOI)裝置做全檢,確保無不良,而消費電子晶片就沒有強制要求。

車規級晶片主要有計算、儲存、感測、傳輸、功率等門類,我們在上海調研了一些代表性企業。

一、智慧化帶動感測器爆炸式發展

在20世紀60年代,汽車上僅有機油壓力感測器、油量感測器和水溫感測器,它們與儀表或指示燈連線,現在則有五花八門的感測器。 智慧化發展,更是帶來了影象感測器、雷達(超聲、毫米波、鐳射)等技術的蓬勃發展。


車載攝像頭作為汽車上重要的感測入口,在智慧汽車中的地位越來越重要,以特斯拉目前交付量最高的Model 3為例,全車內外搭載了8個攝像頭。隨著自動駕駛能力的提高,車載攝像頭將會增加到十幾個。在車載攝像頭的感光器市場,目前韋爾旗下的豪威還排在安森美之後,未來可望成為第一名。

作為鐳射雷達的全球領軍企業之一,禾賽科技早在2017年底就投入了相關晶片的開發,尤其是核心的鐳射發射器和探測器晶片,依託晶片製造的成熟製程以降低成本。在不久的未來,鐳射雷達的成本可望大幅降低,並可望在量產車上廣泛採用。


圖注:矽谷臥室裡熱火朝天的創業場景

MARVELL元老何潤生博士在上海建立了景略電子專注研發工業和車載乙太網晶片。CMO鄭聯群介紹:景略和影象感測巨頭豪威成立了合資公司,攜手為下一代智慧汽車提供端到端高速影象資料的傳輸、處理和網路通訊解決方案。

溫立介紹,琻捷起家產品是TPMS(胎壓監測)晶片,於2017年底通過了車規測試認證後量產出貨,此舉打破了國外晶片巨頭英飛凌和恩智浦的壟斷市場,從此出發,進入了更多與安全有關的功能感測晶片。

孔繁曉介紹,聚芯微電子未來將持續圍繞著3D光學和智慧音訊兩大領域進行戰略佈局,不僅服務手機,也服務汽車。


圖注:景略工程師在頗有矽谷氛圍的實驗室工作

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二、智慧化帶動計算和儲存晶片蓬勃發展

汽車上的處理器大概分三類:智慧座艙處理器、自動駕駛處理器、MCU。前兩者一般採用高階製程,MCU則一般採用成熟製程。

國產智慧座艙處理器有兩大派系。一是芯馳、芯擎這樣的飛思卡爾創業系,直接幹前裝。二是傑發(源自聯發科)、全志科技這樣消費電子轉戰過來的體系,會從後裝放量之後再進前裝。高通、華為和展銳也都是從手機轉到汽車的。

再來講講自動駕駛晶片,也有兩類。一類是算力派,國內有黑芝麻和寒武紀;一類是演算法派,國內有百度創業系的地平線。國內自動駕駛軟體生態發展很快,有了上海魔視智慧、大小眼等一批成熟的深度學習軟體企業,也有了艾拉比這樣的OTA遠端軟體升級解決方案廠家,汽車可以象手機一樣軟體升級。

芯擎科技CEO汪凱博士曾任恩智浦副總裁兼亞洲區總經理。 芯擎科技有吉利汽車和ARM中國的聯合背書,背靠大樹好乘涼。芯擎將釋出首款基於國內最先進製程(7nm工藝)的高效能智慧座艙車規級主控晶片,可以解決整個智慧座艙的整體需求。


馬偉華告訴我們,2018年的最後一天,傑發科技出品的MCU晶片成為國內首顆通過車規認證的32位MCU。2021年,傑發科技智慧座艙SoC晶片正式裝車量產,正式殺入了前裝領域。

聚辰半導體李強介紹,聚辰有矽谷ISSI公司的基因,已經有超過20年的儲存晶片設計經驗,是全球EEPROM領域的領先企業,其產品在全球汽車產業中也大量使用。聚辰也官宣進入NOR FLASH領域。

結束語

親身經歷了幾次中國科技產業的“群體崛起”,包括程控交換機、行動通訊基站、手機(功能機、智慧手機)、手機晶片等。今天,中國汽車晶片也迎來了自己的時代。

晚風裡站在黃浦江邊,看著對面浦東的高樓大廈和閃耀的霓虹燈,耳邊迴盪起歌曲《滄海一聲笑》:

滄海笑,滔滔兩岸潮,浮沉隨浪記今朝;

蒼天笑,紛紛世上潮,誰負誰勝,天知曉!

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