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高规格芯片—汽车行业未来的主战场

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尽管在2021年下半年,便有车企指出2022年的芯片短缺问题将得到改善,不过整车厂加大采购及彼此之间的博弈心态,再加上拥有成熟车规级芯片生产能力的供应商仍处于扩充产能阶段,目前全球市场受到缺芯影响的态势依旧严重。

 

同时,随着汽车产业向着电动化、智能化方向的加速转型,芯片供应的产业链也将随之产生剧变。

 

1.  缺芯下的MCU之痛

 

如今回头去看2020年底开始的缺芯潮,疫情爆发无疑是影响汽车芯片供需不平衡的主因。虽然粗略分析全球MCU(微控制器)芯片的应用结构,从2019年到2020年,MCU在汽车电子应用的分配都占据着下游应用市场33%的分配,但相较于可以远程线上办公的上游芯片设计人员而言,芯片的代工厂与封测企业却受到了疫情停工等问题的严重影响。

 

隶属于劳动密集型产业的芯片制造厂在2020年呈现出严重的人手不足、资金周转不力状况,上游芯片设计在转化车企需求后,迟迟无法全面排产,致使了芯片最终难以交付至整车厂手中,进而导致整车产能不足的状况出现。

 

去年8月,意法半导体马来西亚麻坡Muar工厂受新冠疫情影响,被迫关停部分工厂,而停工直接导致了博世ESP/IPB、VCU、TCU等系统的芯片供应处于较长时间断供状态。

 

此外,2021年,地震、火灾等自然灾害的伴发也导致部分厂商在短期内无法进行生产。去年2月,地震导致全球主要芯片供应商之一日本瑞萨电子造成重创,而在3月,刚刚复工的Naka工厂又因为火灾停工超过一个月之久。

 

车企对于车载芯片需求的判断失误,再加上上游晶圆厂为了保证材料的成本消费保障将车载芯片产能转换成了消费类芯片,导致车用芯片与主流电子产品重合度最高的MCU与CIS (CMOS图像传感器)出现严重紧缺。

 

从技术角度看,传统汽车半导体器件至少有40种以上,单车使用总量在500-600个,其中主要包含MCU、功率半导体(IGBT、MOSFET等)、传感器和各类模拟器件,自动驾驶汽车还会用到如ADAS辅助类芯片、CIS、AI处理器、激光雷达、毫米波雷达和MEMS等一系列产品。

 

根据整车需求数量划分,本次缺芯危机中受到影响最大的,便是一辆传统汽车需要用到70颗以上的MCU芯片,而车用MCU正是ESP(电子稳定程序系统)与ECU(车用主控芯片)的主要元件。以去年开始长城多次给出的哈弗H6下滑主因为例,长城表示H6多个月份的严重销量下滑正是因为其采用的博世ESP供货不足。此前热销的欧拉黑猫和白猫也同样因为ESP断供、芯片涨价影响等问题,于今年3月宣布暂时停产。

 

尴尬的是,虽然汽车芯片厂在2021年纷纷建设并启用新晶圆生产线,并试图将汽车芯片的制程转移到旧有产线以及未来新的12寸产线,以提高产能并获得规模效应,但是半导体设备交付周期动辄半年以上,再加上产线调整、产品验证和产能提升都需要较长的时间,这使得新建产能恐将在2023-2024年才能有效帮助缓解现阶段车企的MCU需求。

 

值得一提的是,虽然所受压力时间较长,但车企们仍对市场报以乐观的态度。而且新建的芯片产能注定将在未来解决目前最大的芯片产能危机。

 

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2.  电动智能化下的新战场

 

只不过,对于汽车行业而言,眼前芯片危机的化解,或许只是解决了当下市场供需不对等燃眉之急。面对行业电动化与智能化的转型,车用芯片的供应压力,只会在未来成倍增长。

 

随着电动化产品对于车辆集成化控制需求的升高,且在FOTA升级和自动驾驶不断攀升的当下,新能源车的芯片数量从燃油车时代的500-600个升级至1000到1200个,芯片种类数量也从40种上升至150种。

 

有汽车行业专家表示,在未来高端智能电动车领域,单车芯片搭载量将数倍增加,达到3000片以上,汽车半导体占整车物料成本比重,将从2019年的4%提升至2025年的12%,并或将在2030年提升至20%。这不仅意味着电动智能化时代,车辆对于芯片的需求量升高,其也侧面反映出车辆所需的芯片技术难度与成本快速攀升。

 

与传统整车厂所需的燃油车芯片制程70%为40-45nm、25%为45nm以上的低规格芯片不同,目前市面上主流及高端电动车在40-45nm制程的芯片占比已经下降至45%,而45nm制程以上的芯片占比则仅为5%。从技术角度来看,40nm以下的成熟高阶制程芯片以及更先进的10nm、7nm制程芯片无疑是汽车行业新时代下的全新竞争领域。

 

根据2019年湖杉资本发布的调查报告显示,功率半导体在整车中的占比从燃油车时代的21%快速提升至55%,而MCU芯片则从23%下滑至11%。

 

但目前各厂商透露的正在扩建的芯片产能,仍多局限在当下负责发动机/底盘/车身控制的传统MCU芯片。

 

对于电动智能化汽车而言,负责自动驾驶感知和融合的AI芯片;负责功率转换的IGBT(绝缘栅双晶体管)等功率模块;用于自动驾驶雷达监测的传感类芯片大幅增加的需求量,将有极大可能成为车企在下阶段所要面临的新一轮“缺芯”难题。

 

只不过,在新阶段下,为车企带来阻碍的或将不是外界因素干扰的产能问题,而是受到技术端制约的芯片“卡脖子”。

 

以智能化带来的AI芯片需求为例,自动驾驶软件计算量早已达到两位数TOPS(万亿次操作每秒)量级,传统汽车MCU的算力几乎无法满足自动驾驶汽车的计算要求,GPU、FPGA、ASIC等AI芯片进入汽车市场。

 

去年上半年,地平线官宣其第三代车规级产品——征程5系列芯片正式发售,根据官方公布的数据,征程5系列芯片算力为96TOPS,功耗为20W,能效比4.8TOPS/W。相较特斯拉在2019年发布的FSD(完全自动驾驶功能)芯片的16nm制程工艺,单颗算力72TOPS,功耗36W,能效比为2TOPS/W的参数有着大幅的提升。而这一成果也获得了包括上汽集团、比亚迪、长城汽车、奇瑞、理想等多家汽车企业的青睐与合作。

 

在智能化的推动下,行业的内卷极其迅速,从特斯拉FSD开始,AI主控芯片的研发就像是被打开了潘多拉魔盒,继征程5之后不久,英伟达快速发布Orin芯片将单颗算力提升至254TOPS,在技术储备上,英伟达甚至在去年还为公众预览了一块单颗算力高达1000TOPS的Atlan SoC芯片。目前,英伟达牢牢占据着汽车主控芯片的GPU市场的垄断地位,常年保持70%的市占率。

 

尽管手机业巨头华为在汽车行业的入场,掀起了汽车芯片行业竞争的波澜,但众所周知,在外界因素干扰下,华为空有一身7nm制程SoC的丰富设计经验,却无法在顶级芯片厂商的帮助下实现市场化推广。

 

研究机构推测,AI芯片单车价值正从2019年的100美元快速向上至2025年前达到1000+美元提升;同时,国内汽车AI芯片市场规模也会从2019年的9亿美元提升到2025年的91亿美元。高速增长的市场需求与高规格芯片的技术垄断,无疑令车企未来的智能化发展难上加难。

 

与AI芯片市场的需求相似,IGBT作为新能源车中成本占比高达8-10%的重要半导体部件(含芯片、绝缘基板、端子等材料),同样对于未来汽车行业发展有着深远的影响。尽管国内已经有比亚迪、斯达半导、士兰微等企业开始为国内车企供货IGBT,但就目前而言,上述企业的IGBT产能仍受企业规模限制,难以覆盖国内快速上升的新能源市场增量。

 

好消息在于,面对下一阶段SiC对于IGBT的取代,中国企业在布局上并未落后太多,而尽快在IGBT的研发能力基础上扩产SiC设计与生产能力,则有望为车企与技术厂商们在下阶段的竞争中赢得优势。

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3.  云意半导体,核心智造

 

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