汽车电动化与智能化趋势打开国产汽车芯片企业发展窗口期

电子发烧友网报道（文/程文智）在经历了2018年~2020年，国内汽车市场销量连续3年下降后，从2021年开始，国内汽车产业进入上升阶段，新能源汽车成为了拉动汽车销量增长的重要推手。
 
根据乘联会的统计，2021年，国内新能源汽车的销量达到了350.72万辆，同比增速高达165.11%；今年上半年就已经完成260万辆的销售，是去年同期的1.2倍。最新的数据是，7月份新能源汽车的销量达到了48.6万辆，同比增长117.3%。乘联会预计今年新能源汽车的销量会突破600万辆。

同时，汽车的电动化、智能化和网联化趋势日益明显。这从乘联会与安路勤联合发布的每月乘用车新四化指数可以看得出来。最新的2022年6月乘用车新四化指数是74.3，从近一年的趋势来看，都是在持续上升。分指数来看，电动化指数、智能化指数和网联化指数都在上升趋势当中。

在汽车电动化、智能化和网联化趋势的推动下，单车汽车电子元件价值量得到大幅提升。从一开始的发动机燃油电子控制和电子点火技术，发展到了智能座舱、ADAS，甚至是自动驾驶系统。随着新能源汽车渗透率的逐步提高，预计汽车电子占整车成本的比重业将不断提升。比如每辆传统燃油车上的芯片数量约为300颗，智能电动汽车上的芯片数量将会在2000颗以上。因此，Omdia预计未来五年，全球汽车半导体市场规模将会以10%的年复合增长率持续增长。预计到2025年，全球汽车半导体市场可达804亿美元。
 
就目前来说，车规级半导体主要应用于车体控制装置、车载监测装置和车载电子控制装置，主要分布在车身控制、信息娱乐，电子座舱，车身与舒适系统，汽车网络，以及ADAS和自动驾驶等系统中。汽车架构也在由传统的分布式平面架构向域和区域架构转变。
 
按照功能划分的话，车规级半导体大致可以分为传感器、功率半导体、主控/计算类芯片、车用存储器、无线通信以及被动元器件等。
 
汽车传感器
汽车传感器是信息采集分析的前端系统，将汽车运行中的光、电、温度、压力、时间等信息转换成可供测量的信号，并传送给ECU，进行运算处理后，发送指令给执行单元。
 
目前汽车传感器主要分为两类，一类是传统传感器，一类是智能传感器。
 
传统传感器主要用于车辆感知，存在于动力、底盘、车身、电力电子系统中，包括压力传感器、位置传感器、温度传感器、加速度传感器、流量传感器、液位传感器等；从制造工艺上来看，MEMS传感器在车身中的应用最多。据统计，目前平均每辆汽车中含有24个MEMS传感器，高档汽车中更多，有25~40个。
 
目前汽车MEMS传感器的头部玩家比较稳固，基本上是被欧美日的几个巨头所垄断。根据IHS Markit的数据，前10大供应商占了85%的市场份额。主要的厂商有博世、森萨塔、NXP、Denso（电装）等。国内有些玩家，比如明皜传感、深迪半导体、美新半导体等，但与国外厂商比，还有很大的差距。
 
智能传感器，主要用来进行环境感知，它包括摄像头、毫米波雷达、超声波雷达、激光雷达等。其实智能传感器主要是用来做无人驾驶的“眼睛”的，目前车载摄像头是发展得最为成熟的产品。 
 
比如说车载摄像头，根据Yole的数据，2018年的时候全球一辆车平均用量1.7颗，2022年将会增加到3颗。同时，摄像头数量的上涨，带动了视觉传感器芯片的增长。这包括CMOS图像传感器（CIS）和图像信号处理芯片（ISP）。
 
从玩家来看，CMOS图像传感器芯片主要以索尼、三星、豪威科技、安森美等厂商为主。目前，国内厂商在加速布局，比如格科微、思特微等，他们有望在高像素技术、车载应用、产能扩展等方面实现新的突破。
 
毫米波、超声波、激光雷达赛道，国内近几年涌现出了非常多的初创企业，而且毫米波雷达和超声波雷达这几年在一些L2级别的汽车中有不少应用；激光雷达是今年的热点，不少量产车型比如说小鹏P5、小鹏G9、蔚来ES7、理想L9等等，单车都搭载了1~4颗不等的激光雷达，根据目前车厂发布的消息，接下来长城、广汽、上汽等车企也会陆续推出配备激光雷达的量产车型。
 
这跟激光雷达的价格下降是分不开的。据我们了解，现在激光雷达的价格普遍在800美元左右，这个也是车厂比较能接受的价格。当然，800美元的激光雷达指的是905nm的产品，如果是1550nm的激光雷达，价格会更贵一些，基本需要2000美元起步了。如果是Luminar的话，可能会卖到3000~4000美元。当然，这个价格主要跟规模和产业链成熟度关系很大，随着量产数量的增大，价格会降下来。
 
玩家方面，国际上有Luminar、Innoviz、Ouster、Aeva、Velodyne等，国内有禾赛、速腾聚创、大疆、镭神智能、华为等。据悉，速腾聚创今年要交付20万颗以上的激光雷达。看起来，激光雷达的春天即将来临，不过，激光雷达产业目前也还面临着一些问题，比如可靠性、性能、成本，以及产能等。
 
可以确定的是，未来智能传感器将会是汽车传感器的重要增长点。
 
汽车功率器件
汽车电动化趋势下，“三电系统”的电池、电机、电控系统，取代了汽油发动机、油箱或变速器。汽车新增大量部件，包括DC-DC模块、电机控制系统、电池管理系统、高压电路等。其对功率半导体的需求量大幅提升。
 
目前车规级的功率半导体主要以MOSFET和IGBT为主。供应商主要还是以外资为主，比如英飞凌、ST、NXP、TI、罗姆和东芝等。
 
据市场反馈，目前，应用于高压的超结MOSFET和IGBT需求旺盛，安森美已经停止了车用IGBT的接单，英飞凌、ST等IGBT交期超过了一年。根据富昌电子2022Q2市场行情报告，功率器件（MOSFET，IGBT）多数货期在30~60周，且仍有上升的趋势。
 
在IGBT领域，国内的斯达半导体、中车时代、比亚迪等企业也表现还可以。
 
比亚迪在收购了宁波的晶圆厂之后，就一直致力于IGBT的设计、加工制造和使用。由于比亚迪是IDM厂商，而且在自己的车上大量使用了自己的产品，经过多年的迭代，产品已经做得很好了。当然，比亚迪也同时在大量采购英飞凌、富士电机和斯达等IGBT厂商的产品。
 
斯达则从其工业变频器的成功，依托于汇川、英威腾从变频器转向车用电机电控、电源等产品，带动斯达从江淮、吉利的A00级汽车，往A0级，甚至是A级和B级车渗透。比如，我们可以看到斯达在小鹏汽车内已经有小批量使用了。据其年报显示，2021年斯达配套装车量超过了60万辆，其中A级车及以上车型超过了15万辆。
 
时代电气做车规级IGBT产品的历史不长，以前其产品主要聚焦在高压IGBT模块上，主要用于机车牵引。从去年开始，由于车规级IGBT大规模缺货，时代电气获得了很多新车定点的机会。预测蔚来、小鹏和理想，北汽、广汽等新车大概率会采用其产品。今年时代电气在汽车上的出货量有望达到10万级别。当然，最终表现取决于其产能和上量后的表现。
 
宏微科技IGBT模块产品成功通过客户认证，已进入小批量交付阶段；820A750V车用6单元IGBT模块产品已完成设计定型，客户认证及全自动模块生产线的导入工作，为大批量订单交付做好了准备；
 
士兰微在汽车应用方面有点落后于其他几家厂商，去年他们在一些小众车型上，比如领克上有小批量供货。但从该公司的期望，以及进入新能源汽车领域的企图心上来看，相信今年应该会起量，加上士兰微有自己的晶圆厂，产能是有保证的，今年大概率能冲到大几万，甚至10万级别的出货量。
 
另外，SiC和GaN等第三代半导体也备受关注，随着特斯拉Model3采用了SiC MOSFET器件之后，很多车厂都在考虑SiC器件。目前，SiC MOSFET出现了供不应求的情况，特别是随着蔚来ET5、ET7、小鹏G9等搭载了SiC车型的交付和放量，对SiC MOSFET的需求将会激增，而衬底和晶圆厂技术壁垒高，产能扩张慢，需求将可能难以被满足。毕竟积塔、台湾汉磊、X-Fab等SiC MOSFET晶圆代工厂的产能已经很紧张了，需求增大，只能进一步加剧紧缺。
 
在厂商方面，车用SiC MOSFET主要以ST的为主。国内厂商也都在积极布局，2021年，斯达半导体新增了多个使用全SiC MOSFET模块的800V系统的主电机控制器项目定点。斯达半导体的SiC模块采用的是罗姆的芯片，目前在给小鹏P9和宇通客车供货，且与蔚来、理想、红旗也在谈合作，现在主要在测试阶段。
 
此外，新洁能的1200V新能源车用SiC MOSFET产品首次流片验证完成；时代电气已经开发出1200V SiC六单元模块和基于该模块的电机控制器，有望在年内开始获得小批量定单；士兰微的SiC单管和主驱模块也已经在给客户送样过程中；宏微科技1500A/1200VSiC模块产品已完成设计开发并通过客户端测试验证。还有天科合达、三安集成等都在跑马圈地。
 
随着800V高压平台在新能源汽车领域的采用，SiC等第三代半导体器件的应用也将会水涨船高，目前SiC还没有大规模装车的原因，一是成本，现在SiC成本是IGBT成本的3~5倍；另一个是技术难度，目前很多电控厂商还没有研究到位，电驱不好控制，另外模块厂在封装上也要继续研究。总的来说，SiC应用是一个系统性问题。
 
车规级MCU
传统汽车有40个左右的ECU模块，每一个模块至少需要1颗MCU。随着汽车电气化和智能化程度的不断提高，业内人士预计到2025年，单车MCU的用量会提升到55~80颗，甚至超过100颗。
 
目前车规级MCU主要分为8位、16位和32位三种类型的MCU，8位MCU主要用于风扇、空调、雨刷、天窗、座椅，以及门窗的控制；16位MCU主要用于动力传动系统，比如引擎、离合器、刹车等；32位MCU主要用于仪表盘、车身、娱乐、ADAS、自动泊车等应用场景。
 
主流的车规级MCU厂商中，瑞萨电子、英飞凌、恩智浦、ST、TI、Microchip这6家就占据了90%以上的市场份额，国内MCU厂商目前的占比在2%~3%之间。
 
其中8位MCU供应商主要是英飞凌、恩智浦和Microchip，Microchip的量最大；16位MCU供应商主要是被恩智浦收购了飞思卡尔，由于16位比较尴尬，不是未来的发展趋势，现在大家基本都放弃了，停止了新产品的开发；32位MCU的供应商主要有瑞萨、恩智浦、英飞凌和ST四家。
 
而国内MCU厂商针对汽车市场的产品几乎都集中在32位。目前已经进入前装市场的有芯旺微、杰发科技和小华半导体等，另外还有不少在MCU厂商已经推出，或即将推出车规级MCU产品，比如兆易创新、复旦微电子、中颖电子、航顺、中微、芯海科技、国民技术等。
 
车内MCU其实还可以划分为具有功能安全的MCU和不具备功能安全的质量管控类MCU两大类。质量管控类MCU一般用在没有功能安全目标，不会影响到整车行为和人身安全的场景；带有功能安全的MCU更多地用在底盘、动力总成（包括发动机控制、ABS刹车制动等）、安全气囊控制、车身稳定系统等场景。
 
国内汽车芯片产业发展相对来说比较晚，很多都是从2019年才开始进入。因此，目前国内MCU厂商主要专注在不涉及功能安全的控制器类MCU，也就是管控类等级的MCU。
 
在底盘动力方面，需要功能等级安全的MCU，目前国内MCU厂商很少有厂商推出相关产品，其市场缺口也是最大的，国产化替代目前几乎为0，未来机会很大。
 
在车身控制方面，现在已经开始国产替代了。目前国产MCU的技术性能已经可以满足汽车需求了，因此，整体需求的增长速度很快。
 
智能座舱SoC
智能座舱是由不同的座舱电子组合成为一个完整的体系，可以实现语音控制、手势操作等智能化交互方式，未来还有可能将人工智能、AR、VR等技术融入其中。
 
智能座舱将会涵盖四大方面，一是丰富的娱乐信息，高清的屏幕体验；二是电子化产品应用，比如电动座椅、智能空调、智能灯光等等；三是社交的引入，通过车联网和智能交通的融入，汽车将会加入更多的社交元素；四是交互体验，5G、生物识别和AI的融入，会不断刷新智能座舱的交互体验。
 
我们可以看到，越来越多的厂商在智能座舱领域投入很多的资金和精力，探索智能座舱更多的新玩法。比如高通、TI、NXP、瑞萨、英伟达、英特尔、地平线、杰发科技、华为、芯擎科技等都众多厂商都在积极探索中。
 
ADAS和自动驾驶芯片
按照SAE的分级，将自动驾驶分为了5级。其中L0~L2也可归结为ADAS系统，主要是用来辅助驾驶员驾驶。L3以上就具有自动驾驶功能了。不过在L3启动时，驾驶员还需要时刻准备进行人工干预。L4级别后，驾驶员基本就可以不用干预了。
 
在芯片结构方面，目前主要以“CPU+GPU+NPU”的SoC异构方案为主。比如英伟达的自动驾驶芯片Orin系列就包含了控制单元、计算单元和AI加速单元三大模块。
 
玩家方面，目前有两大阵营，一是提供软硬一体解决方案，一是开放式解决方案。
 
提供软硬一体解决方案的厂商有英特尔和华为，他们将传感器、芯片、算法都绑定一起销售。
 
只提供硬件的开放式解决方案主要代表是英伟达，目前很多新势力厂商和自主品牌厂商都在采用，比如小鹏、理想、蔚来等新势力品牌，上海智己等自主品牌；国内的地平线也有一些客户，比如理想ONE。
 
这两种方案各有好处，一般研发能力比较弱的车厂倾向于采用软硬一体的解决方案，头部的OEM厂商自己有一定的算法开发能力，更倾向于采用开放的计算平台，在完善的开发工具链上结合场景自研算法，以满足差异化需求。
 
车规级模拟芯片
模拟芯片在整车应用很多，像是车身、仪表盘、底盘、ADAS（高级辅助驾驶系统）、动力总成（如发送机、变速器、离合器、动力系统相关零部件等等，主动是将动力从汽车传递到路面）等等。而在这些不同的应用中，模拟芯片主要可以分为信号链芯片和电源管理芯片两大板块。
 
BMS系统中的模拟前端芯片就是信号链芯片的一种。PMIC则是属于电源管理芯片，目前主要的供应商有TI、英飞凌、ADI、ST、NXP、安森美、瑞萨、Microchip、罗姆等；国内思瑞浦、润石科技、纳芯微等有车规级模拟芯片，上海贝岭、力芯微等有在研的车规模拟芯片。
 
圣邦微于2021年正式启动电压基准芯片AEC-Q100车规标准升级，首款支持AEC-Q100车规标准的电压基准芯片LM431BQ已经正式规模交付用户。润石科技今年有多颗模拟芯片通过了AEC-Q100认证。
 
目前在电动汽车当中，40%的成本来自电池，一辆电动汽车中，往往有100个，甚至更多的锂离子电池通过串并联的方式连接后，来满足汽车电机的负载要求，驱动汽车行驶。那么该使用什么技术来保证电池组的安全可靠，以及性能呢？答案就是BMS解决方案。
 
电池管理系统（BMS），能够密切监视、控制和分配整个电池系统在使用寿命期间的可靠充电和放电，保证电池的安全性、耐久性和动力性。
 
电池组组一般都多个电池模块组成，每个电池模块又包括多种传感器、AFE(模拟前端)、主控/MCU、电流测量、以及充电/不充电开关等部分。其中，AFE专指电池采样芯片，用来采集电芯电压和温度等信息。同时，它还要支持电池的均衡功能，通常来说芯片会集成被动均衡功能。MCU主要是用来处理AFE收集来的信息，计算SOC、SOH等参数，并将这些信息传送给上一级VCU。充电/不充电开关由MCU控制，这个切换开关一般使用继电器，很少使用MOS管。

在汽车BMS方案中，可供我们选择的AFE并不多。其实目前市面上可以接触到的AFE内部结构基本都大同小异，最主要的不同点在于采样通道数、内部ADC的数量、类型和架构。
 
AFE的主要供应商有ADI、TI、ST、松下、NXP和瑞萨。其中ADI的产品线主要来自收购的凌力尔特和美信，瑞萨的产品主要来自收购来的Intersil。AFE产品的供应商主要是国外的企业，国内目前没看到有哪家厂商提供AFE芯片。
 
从MCU方面来看，供应商主要有TI、ST、NXP、英飞凌、瑞萨等。目前国内也有不少MCU厂商都在积极布局车规级产品，比如兆易创新、芯旺微、比亚迪、杰发科等等。
 
在ADC方面，目前主要的供应商有TI、ADI、ST、瑞萨等，多数是美国厂商，ST虽然有，但产品系列比较少。国内可以提供车规级ADC的企业目前还没发现。
 
在数字隔离方面，主要用在高低压之间的数字通信，比如在BMS主控板上的高压采样与MCU之间的SPI通信，以及采样板AFE与MCU的SPI通信。主要供应商有ADI、TI、SiliconLabs等。国内的纳芯微最近表现也非常抢眼。当然，除了使用数字隔离器外，也可以使用光耦、或者变压器隔离方案。
 
车规级存储
Counterpoint预计，未来十年内，汽车单车的存储容量将会达到2TB左右。目前车内存储主要用在智能座舱和中控系统，且燃油车以32GB为主，电动汽车一般使用64GB，或128GB，相对于2TB来说，还有一个巨大的提升空间。
 
国内玩家中，存储芯片技术难度高，项目资金投入大，开发周期长，国内有兆易创新、东芯半导体、普冉半导体、北京君正等。在DRAM、NAND领域，国家重点支持的3大存储项目：长江存储、合肥长鑫、福建晋华，正致力于实现国产替代。
 
在存储产品方面，有西部数据、美光、东芝、江波龙等。
 
中国半导体企业的机会
 
虽然这两年国内的汽车销量总量并没有大的增长，甚至有小幅下滑，但是汽车的“新四化”进程趋势越来越明显，汽车电子电气架构在不断升级，加上新能源汽车的占比在迅速提升，对汽车芯片的需求在增加。比如全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树更是预测今年新能源乘用车销量突破600万辆。
 
加上各个国家和地区纷纷出台碳达峰和碳中和时间表，汽车厂商不得不转向新能源汽车，也就是说未来新能源汽车的销量占比将会更大。而新能源汽车对汽车芯片的需求量更大。
 
近年来，在新的国际贸易形势和缺芯的环境下，国内终端厂商都开始考虑多供应商策略，比如有芯片厂商透露说，在2018年下半年以前，国内芯片企业要是说自己是做汽车芯片的，去找主机厂，或者汽车厂商，90%以上的客户都是不愿意见这些芯片厂商的。但现在，主机厂和车厂都在导入国产芯片，即使是工业级的芯片，他们也愿意先进行测试。可以说国产芯片玩家迎来了国产替代的重要窗口期。
 
另外，根据中国汽车工业协会的调查，在汽车芯片方面，我们的自主率不足5%，这也从另外一个方面说明了中国企业的发展潜力巨大。

目前汽车芯片可分为感知、计算/控制、通讯、存储、功率，被动元器件，以及安全和其他芯片。而这些芯片的供应商基本都是欧美日的企业。在我们看来，传感器领域里面，传统的汽车MEMS传感器研发难度大、制造工艺复杂，进入门槛高，基本是海外供应商为主，这一块国内企业进入的机会不大。但是在智能传感器方面，比如摄像头、毫米波雷达、激光雷达等产品国内企业的机会还是挺大的，特别是激光雷达，大家几乎都处于同一起跑线上，突围的机会比较大。
 
在计算控制领域，国内的地平线就已经表现还不错了，到目前为止他们出货量已经到40万片了；后面还有芯驰、黑芝麻、芯擎科技、云途半导体等公司。
 
MCU方面，国内已经有厂商打入了前装市场，这些玩家主要集中在车身域，包括汽车灯、车窗、雨刮器等。比如芯旺微等。
 
另外，电源和功率，以及被动元件和接口芯片也都是国产半导体芯片企业的机会所在。
 
总结
总的来说，新能源汽车的兴起，将重塑汽车产业供应链。会有更多消费电子厂商，和工业类企业将进入汽车产业链。加上国际贸易环境和缺芯环境的出现，打开了国产替代的窗口期，国内半导体企业抓住这个窗口期，就有机会脱颖而出。