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什么是芯片？什么是汽車芯片？

芯片，通俗地說，就是一塊小硅片集成了許多微小的電子元件，如晶體管、電阻、電容等元件通過復雜的電路連接在一起，形成一個功能強大的整體。

可以把芯片想象成電子設備的心臟和大腦，它能夠處理信息、控制各種操作。

汽車芯片是指應用于汽車電子系統(tǒng)中的各類集成電路芯片,是實現(xiàn)汽車電子化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化的關鍵組件。

隨著現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展,芯片在汽車中的應用越來越廣泛,從傳統(tǒng)的發(fā)動機控制、安全氣囊、ABS等,到智能座艙、自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)等前沿領域。

芯片無處不在。

汽車芯片按照功能種類劃分，大致可分成以下幾類：

這些芯片在汽車的各個領域發(fā)揮著關鍵作用,構成了汽車電子系統(tǒng)的核心。

隨著汽車智能化、電動化的發(fā)展,芯片的種類與數(shù)量還將進一步增加。

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汽車芯片的發(fā)展歷程

1、汽車電子化進程與芯片需求

20世紀70年代,隨著微電子技術的發(fā)展,汽車開始應用單片機實現(xiàn)電子控制，標志著汽車電子化的開端。

此后，隨著排放法規(guī)日益嚴格、安全需求不斷提升，以及消費者對車輛性能、舒適性、娛樂性的要求越來越高，汽車電子化進程不斷加快,電子控制單元(ECU)的數(shù)量從最初的幾個發(fā)展到現(xiàn)在的上百個，芯片的用量也從幾十顆增加到幾千顆。

2、汽車芯片技術的演進

早期（20世紀末）

主要使用8位和16位MCU（微控制器單元），主要用于發(fā)動機控制等單一功能

21世紀初

32位MCU開始大量應用

DSP（數(shù)字信號處理器）、存儲器和接口芯片開始在汽車中普及

近年來（2010年代以后）

ADAS（高級駕駛輔助系統(tǒng)）、信息娛樂和車聯(lián)網(wǎng)等新興領域崛起

高性能處理器如CPU和GPU開始在汽車中使用

存儲容量更大的閃存和DRAM開始在汽車中使用

3、市場格局與代表廠商

汽車芯片市場高度壟斷,前五大供應商占據(jù)了超過50%的市場份額。

1) 恩智浦(NXP)是全球最大的汽車芯片供應商,在車身與艙內(nèi)電子、汽車雷達等領域處于領先地位;

2) 英飛凌(Infineon)在汽車功率半導體領域全球第一;

3) 德州儀器(TI)在信號鏈與接口芯片等方面表現(xiàn)突出;

4.) 瑞薩電子(Renesas)在車載MCU市場占據(jù)重要地位;

5) 意法半導體(ST)則在車載傳感器芯片領域獨具優(yōu)勢。

6) 此外,博世、英偉達(NVIDIA)、高通、三星等跨行業(yè)巨頭也在積極布局汽車芯片市場。

7) 國內(nèi)廠商如華為海思、地平線、寒武紀、君正等也在不同領域發(fā)力,力圖在新一輪汽車產(chǎn)業(yè)變革中占據(jù)一席之地。

4、當前與未來趨勢

受智能手機市場啟發(fā)，高度集成的SoC（系統(tǒng)級芯片）開始在汽車中嶄露頭角。

這些SoC芯片集成了多個處理器內(nèi)核、硬件加速單元和高速接口，有望大幅簡化汽車電子系統(tǒng)的架構，提升性能和能效

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汽車芯片的關鍵技術

1、車規(guī)級可靠性與測試

汽車芯片的可靠性要求遠高于消費電子產(chǎn)品。

車規(guī)級芯片需要在惡劣的溫度、濕度、振動、電磁干擾等環(huán)境下長時間穩(wěn)定工作，一般要求故障率低于十億分之一(0-1 PPM)。

為了達到這一目標,汽車芯片需要采用特殊的制造工藝、封裝形式與測試方法,如采用寬溫域(-40℃~150℃)的制造工藝,使用陶瓷、金屬等高可靠封裝,進行加速壽命測試(AEC-Q100)等。

同時,還需要進行功能安全(ISO 26262)、信息安全等方面的設計和驗證,以確保芯片在系統(tǒng)層面的可靠性和安全性。

2、高算力SoC芯片

隨著自動駕駛、智能座艙等新興應用的崛起,汽車對芯片的算力需求急劇上升

目前L2+級別自動駕駛所需的算力已達到10-20TOPS(每秒萬億次運算)，而L4級以上自動駕駛則需要數(shù)百TOPS甚至更高的算力。

為了滿足這一需求,業(yè)界開始開發(fā)專用的汽車高算力SoC芯片。

這類芯片集成多個高性能CPU、GPU、NPU、DSP等異構計算單元，搭配高帶寬存儲器和高速接口，可在一顆芯片上實現(xiàn)數(shù)百TOPS的算力，同時兼顧低功耗與車規(guī)可靠性。

代表產(chǎn)品如英偉達的Xavier、Orin系列,地平線的征程系列等。

3、功率半導體與電源管理

電動汽車和智能汽車的興起,對車載電源系統(tǒng)提出了更高的要求。

功率半導體如IGBT、MOSFET、SiC、GaN器件在新能源汽車的電機驅動、DC/DC轉換、OBC等領域發(fā)揮著關鍵作用，直接影響著電動汽車的續(xù)航里程、充電速度等關鍵性能指標。

同時，隨著汽車電子系統(tǒng)的復雜度不斷提高,高效、可靠、集成度高的電源管理芯片也變得越來越重要。

多相控制器、智能功率模塊(IPM)、PMIC等產(chǎn)品可有效簡化汽車電源系統(tǒng)的設計，提高能源利用效率。

4、汽車網(wǎng)絡通信技術

汽車內(nèi)部各個子系統(tǒng)之間需要實時、可靠地交換大量數(shù)據(jù)，這就需要高速、高帶寬、高可靠的汽車網(wǎng)絡通信技術。

目前,主流的汽車網(wǎng)絡如CAN、LIN、FlexRay等已經(jīng)無法完全滿足日益增長的數(shù)據(jù)傳輸需求，新一代車載以太網(wǎng)技術如100BASE-T1、1000BASE-T1開始嶄露頭角。

同時,基于以太網(wǎng)的音視頻傳輸協(xié)議如AVB/TSN也在汽車中得到應用。下一代車載網(wǎng)絡還將支持多Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，并引入基于以太網(wǎng)的車載服務框架(Some/IP)，以支撐更加智能、高效的車載信息服務。

5、傳感器與數(shù)據(jù)融合

傳感器是汽車感知內(nèi)外部環(huán)境的"眼睛"和"耳朵"。

當前,汽車已廣泛使用了各種成像傳感器(可見光、紅外、夜視等)、雷達傳感器(毫米波、超寬帶等)、激光雷達(LiDAR)、超聲波傳感器等。

隨著自動駕駛的發(fā)展,對環(huán)境感知的需求將進一步提高,多傳感器融合技術受到越來越多的關注。

通過將不同傳感器采集的數(shù)據(jù)進行時空配準、特征提取、目標識別與跟蹤等，可以獲得對車輛周邊環(huán)境更加全面、精確的認知，為自動駕駛決策與控制提供可靠輸入。

傳感器融合芯片通常集成高性能DSP、硬件加速器、片上存儲等資源,可支持高達每秒數(shù)萬幀的多傳感器數(shù)據(jù)并行處理。

6、軟件定義汽車趨勢下的芯片需求

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展,軟件在汽車中的作用日益凸顯。

"軟件定義汽車"理念開始崛起,通過軟硬件解耦、中央計算平臺、車載操作系統(tǒng)、OTA升級等技術，可以實現(xiàn)汽車功能的快速迭代與按需定制，極大提升用戶體驗。

在此趨勢下,對汽車芯片的需求也發(fā)生了變化。軟件定義汽車需要支持多個虛擬機同時運行的高性能SOC，需要存儲大量代碼與數(shù)據(jù)的高容量存儲芯片，需要多合一的車身域控制器，以及支持實時操作系統(tǒng)(RTOS)、AUTOSAR等軟件標準的芯片平臺。

同時，為了確保OTA升級的安全性和可靠性，還需要專用的安全加密芯片,以及高可靠的啟動加載、故障診斷與回滾機制。

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汽車芯片面臨的機遇與挑戰(zhàn)

1、電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢帶來的市場機遇

在全球"雙碳"目標、汽車智能化浪潮的推動下，汽車產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷新一輪變革。

到2035年，全球電動車滲透率有望達到50%以上，高度自動駕駛汽車的滲透率也將超過35%。

與傳統(tǒng)汽車相比,電動智能汽車對芯片的需求更大，從數(shù)量上看，電動汽車所需芯片數(shù)量約為傳統(tǒng)汽車的2倍，而L4級以上自動駕駛汽車所需芯片數(shù)量更是傳統(tǒng)汽車的10倍以上。

從價值量來看，2021年汽車芯片市場規(guī)模約為500億美元，占全球芯片市場的11%，預計到2030年將突破1300億美元,年復合增長率達10%以上。

對標傳統(tǒng)燃油車，電動智能汽車的單車芯片成本將提升數(shù)倍,其中自動駕駛相關芯片的價值量最為顯著。

可以預見，伴隨電動化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化趨勢加速，汽車芯片市場仍將保持較高速度增長。

2、全球芯片供應短缺風險

2020年下半年以來,受新冠肺炎疫情、貿(mào)易摩擦等因素影響,全球芯片產(chǎn)能供應緊張,汽車行業(yè)首當其沖受到?jīng)_擊。

受制于芯片短缺,全球多家整車廠不得不減產(chǎn)停工,造成數(shù)百億美元的經(jīng)濟損失。這也暴露出汽車供應鏈的脆弱性。

從芯片供應的角度來看,目前汽車芯片產(chǎn)能主要集中在中國臺灣、韓國、日本等亞洲地區(qū)，歐美整車廠對亞洲供應鏈的依賴度較高。

而且汽車用芯片所需的8英寸、12英寸等特殊生產(chǎn)線投資較大、工藝迭代較慢，產(chǎn)能擴張周期長達數(shù)年，短期內(nèi)難以滿足快速增長的需求。

根據(jù)各方預測，全球汽車芯片短缺問題有可能持續(xù)到2023年以后。

未來，汽車產(chǎn)業(yè)鏈如何提高供應鏈韌性確，保芯片供應安全將成為重要課題。

3、國產(chǎn)替代與自主可控

當前，我國已成為全球最大的汽車產(chǎn)銷國，但在關鍵汽車芯片領域，仍主要依賴國外供應。

以車規(guī)級MCU為例，2021年中國大陸廠商的市場份額不足5%，而恩智浦、英飛凌、瑞薩電子、意法半導體等國外廠商合計占據(jù)超過90%的市場份額。

在智能座艙、自動駕駛等新興領域，國外廠商的先發(fā)優(yōu)勢更為明顯。

可以預見,隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的轉型升級,國產(chǎn)汽車芯片替代將成為必然趨勢。

當前,在政策引導下,我國汽車芯片全產(chǎn)業(yè)鏈布局已初步形成,涌現(xiàn)出一批創(chuàng)新型企業(yè)，在MCU、電源管理、車載以太網(wǎng)、毫米波雷達等細分領域取得了一定突破。

未來，還需在關鍵IP、EDA工具、制造工藝、封測等基礎領域加大投入,推動關鍵材料、裝備、工藝的國產(chǎn)化,建立自主可控的汽車芯片供應體系，從而從根本上保障我國汽車產(chǎn)業(yè)安全。

4、跨界競爭與生態(tài)重塑

隨著軟件定義汽車時代的到來，汽車產(chǎn)業(yè)競爭格局正發(fā)生深刻變化。

一方面，英特爾、高通、英偉達等科技巨頭憑借在芯片、軟件、算法等方面的優(yōu)勢，紛紛跨界進入汽車領域，搶占新興賽道制高點；

另一方面，特斯拉、蔚來等造車新勢力則主打軟硬件垂直整合路線，力圖通過自研芯片、操作系統(tǒng)等核心部件，提升產(chǎn)品溢價與客戶粘性。

在雙重壓力下，傳統(tǒng)車企與Tier1供應商也在積極求變，紛紛成立芯片事業(yè)部，加大芯片投入，謀求在價值鏈中占據(jù)更多主導權。

可以預見，隨著軟硬件架構重塑、產(chǎn)業(yè)邊界重構，汽車行業(yè)將形成傳統(tǒng)車企、Tier1、科技巨頭、造車新勢力等多方混戰(zhàn)的新生態(tài)，跨界合作與生態(tài)競爭并存，資源整合能力將成為決定企業(yè)成敗的關鍵因素。

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未來展望

1、汽車芯片技術發(fā)展方向

展望未來,汽車芯片技術將向高算力、高集成、高功能安全、高能效等方向發(fā)展。

1）隨著自動駕駛、智能座艙等場景滲透率提升,車載芯片算力需求將持續(xù)高增長,高達百TOPS甚至更高算力的車規(guī)AI芯片將成為主流。

2）與此同時,SOC集成度進一步提高,通過先進封裝工藝實現(xiàn)異構計算單元、高密度存儲、多芯片互連,支持軟件定義汽車靈活配置。

3）在功能安全與網(wǎng)絡安全方面,新一代汽車芯片將內(nèi)建硬件隔離、冗余容錯、故障診斷等機制,并支持域控制器安全網(wǎng)關、車外通信安全等新需求。

4）在能效方面,先進半導體材料如GaN、SiC等在車用功率器件中滲透率將大幅提升,芯片制程也將升級至7nm及以下,單位算力能耗不斷降低。

5）與此同時,汽車芯片的生態(tài)也將發(fā)生重大變化,開放式芯片平臺、標準化軟件框架有望打破傳統(tǒng)封閉開發(fā)模式,加速軟硬件創(chuàng)新與迭代。

2、行業(yè)格局演變預測

從競爭格局來看,頭部企業(yè)有望進一步強化優(yōu)勢地位。

從全球市場來看：

1）恩智浦、英飛凌、瑞薩電子等傳統(tǒng)汽車芯片巨頭將依托先發(fā)優(yōu)勢,保持市場份額領先;

2）英偉達、高通、英特爾等科技巨頭將發(fā)揮軟硬件、生態(tài)資源優(yōu)勢,搶占智能座艙、自動駕駛等新興賽道；

3）博世、法雷奧、大陸等Tier1企業(yè)也將憑借系統(tǒng)集成能力,在芯片領域分羹一杯羹。

從國內(nèi)市場來看：

1）在政策扶持與市場需求雙輪驅動下,有望涌現(xiàn)一批具備核心競爭力的本土頭部企業(yè),滿足國內(nèi)智能汽車發(fā)展需求。

2）同時,伴隨電動化、軟件定義趨勢,具備跨界整合能力的企業(yè)(華為、小米、比迪)有望異軍突起,搶占新的制高點。

3、政策與產(chǎn)業(yè)推動預測

面對汽車芯片的重大機遇與挑戰(zhàn)，政府和產(chǎn)業(yè)界應攜手合作,系統(tǒng)推進相關政策與產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設。

一是加大頂層設計，將汽車芯片列為國家科技重大專項，鼓勵基礎研究、關鍵共性技術攻關、產(chǎn)學研用協(xié)同創(chuàng)新，提升汽車芯片供應鏈自主可控水平。

二是完善產(chǎn)業(yè)政策,在財稅、融資、人才等方面給予政策傾斜,支持汽車芯片企業(yè)做大做強,培育具有全球競爭力的本土龍頭企業(yè)。

三是推動跨界協(xié)同，搭建汽車、半導體、互聯(lián)網(wǎng)、通信等多行業(yè)合作平臺，促進技術創(chuàng)新與融合應用，鼓勵軟硬件協(xié)同設計、車路協(xié)同等新模式探索。

四是加強標準引領，積極參與汽車電子、車聯(lián)網(wǎng)等國際標準制定，推動車規(guī)級芯片、車載操作系統(tǒng)、信息安全等關鍵領域國家標準建設,搶占新賽道競爭制高點。

五是優(yōu)化創(chuàng)新環(huán)境，加快建設國家汽車芯片創(chuàng)新中心，聚焦前瞻性、顛覆性技術研發(fā),完善開源芯片、開放實驗室等創(chuàng)新基礎設施，營造開放包容、鼓勵創(chuàng)新的良好氛圍。

汽車芯片既是汽車產(chǎn)業(yè)轉型升級的關鍵支撐，也是國家科技自立自強的重要抓手。

站在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革疊加的歷史交匯點，唯有協(xié)同各方力量，加快構建自主可控、安全可信的汽車芯片能力，才能抓住智能汽車發(fā)展的歷史性機遇，推動我國從汽車大國向汽車強國邁進，在全球汽車產(chǎn)業(yè)新格局中贏得主動、贏得優(yōu)勢、贏得未來。

參考資料

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[15]《未來汽車產(chǎn)業(yè)鏈全景圖譜》,艾瑞咨詢,2022年5月

[16] 其他互聯(lián)網(wǎng)資料：知乎、微信公眾號等。