什么是汽车芯片？汽车主控芯片剖析

百年汽车行业正在经历大变革时代，汽车向电动化、智能化转化是大势所趋，车联网、新能源、智能化、自动驾驶四个领域趋势带来了新的芯片需求，也为国内新进芯片企业进入汽车领域带来全新的产业机遇。  

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什么是汽车芯片？

我们常说的汽车芯片，即“车规级芯片”，指技术标准达到车规级，完全满足汽车电子元件的规格标准与“车规认证”，应用于汽车控制的芯片，相当于现代化汽车的“大脑”。   很多人对芯片重要性的认识或来源于消费级电子产品，一枚小芯片就能实现强大的功能。如今的汽车功能越来越强大，越来越智能，都可以归因于汽车芯片的应用。 从整个芯片行业的等级划分来看，分别有军工级、车规级、工业级和消费级，其中车规级芯片对于可靠性、一致性和稳定性要求更高，仅次于军工级。   车规级芯片与消费级芯片有很大不同，车规级芯片需要面临更恶劣的环境，需要适应-40℃到-150℃的极端温度，高振动、多粉尘、有电磁干扰，湿度要适应0%-100%，一般车规级芯片的设计寿命为15年或20万公里。        

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汽车芯片，现代化汽车的“大脑”

汽车芯片已经广泛应用在动力系统、车身、座舱、底盘和安全等诸多领域。而汽车芯片与计算、消费电子芯片不同的是，汽车芯片很少单独亮相，都是内嵌在各大功能单元中，而且多数场合是核心。   从应用环节上，汽车芯片大致分为以下几类，主控芯片、存储芯片、功率芯片、信号与接口芯片、传感器芯片等。主控芯片，负责计算与控制，包括MCU芯片和SoC芯片等，如发动机、底盘和车身控制，以及中控、辅助驾驶（ADAS）和自动驾驶系统等；负责功率转换的IGBT功率芯片，一般应用于电动车的电源和接口；传感器芯片，主要用于各种雷达、气囊、胎压监测。  

  根据海思在2021中国汽车半导体产业大会发布的数据，汽车智能化+电动化时代开启，带动汽车芯片量价齐升，预计汽车半导体占比汽车总成本在2030年会达到50%。电动化+智能化趋势下，带动主控芯片、存储芯片、功率芯片、通信与接口芯片、传感器等芯片快速发展，芯片单位价值不断提升， 整车芯片总价值量不断攀升。  

  假设传统汽车需要的半导体芯片为500～600颗芯片/辆，新能源汽车需要的半导体芯片为1000～2000颗芯片/辆。  

  以2020年传统汽车销量7276万台测算，新能源汽车324万台测算，整体全球需要的汽车芯片为每年439亿颗。预计2026年传统汽车销量每年6780万台测算，新能源汽车4420万台测算，整体全球需要的汽车芯片增加为每年903亿颗。预计2035年传统汽车销量2400万台测算，新能源汽车9600万台测算，整体全球需要的汽车芯片增加为每年1285亿颗。    

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汽车主控芯片剖析

汽车主控芯片用来生成汽车主要控制信号的计算和生成功能。主控芯片通过接受 各类传感器搜集到的信号，进行计算相对的处理措施，并将驱动信号发送给对应的控制模块。因此主控芯片相当于汽车芯片群的“中枢”。   （1）主控芯片—MCU芯片：汽车电子控制单元ECU的核心部件   MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，也被称为单片机，是将计算机所包含的CPU、存储器、I/O 端口、串行口、定时器、中断系统、特殊功能寄存器等集成在一颗芯片上，将其应用在不同产品里，从而实现对产品的运算和控制。车载MCU是汽车电子控制单元（ECU）的核心部件，负责各种信息的运算处理，主要用于车身控制、驾驶控制、信息娱乐和驾驶辅助系统。  

汽车电子化智能化程度的加速，汽车ECU的数量也在快速上升，驱动MCU市场需求的增长。算力随着智能化提升不断提升从L1（自动驾驶级别）<1TOPS算力到L5（自动驾驶级别）1000+TOPS算力推动主控芯片高速增长。ECU中均需要MCU芯片，通常汽车中一个ECU负责一个单独的功能，配备一颗MCU，也会出现一个ECU配备两颗MCU的情况，而与传统燃油车相比，新能源车丰富功能提高，对MCU性能、功耗、数量的需求都有所提升。传统汽车单车会平均用到70个左右，而新能源汽车则需要用到300多个。     汽车MCU芯片市场规模预测 随着新能源汽车渗透率不断上涨，全球车规级MCU市场规模也随之增长。2020年全球车用MCU市场规模为62亿美元。2021年，汽车MCU需求旺盛，市场规模大幅增长23%，达到76.1亿美元；预计2025年，市场规模预计将达到近120 亿美元，对应2021-2025年复合平均增速为14.1%。    我国车规级MCU市场规模同样保持稳定增长，2021年我国车规级MCU市场规模达30.01亿美元，同比增长13.59%， 预计2025年市场规模将达42.74亿美元。  

 

  （2）主控芯片—SoC：集合AI加速器的系统级芯片，应用于汽车智能座舱与自动驾驶   SoC芯片的全称叫做：System-on-a-Chip，中文的的意思就是“把系统都做在一个芯片上”。汽车电子功能依赖于车载芯片实现，随着ADAS的落地和L3及以上级别自动驾驶的成熟，传统中央计算CPU无法满足智能汽车的算力需求，将CPU与GPU、FPGA、ASIC等通用/专用芯片异构融合、集合AI加速器的系统级芯片（SoC）应运而生，主要分为智能座舱芯片与自动驾驶芯片。    根据IHS数据，预计2025年全球汽车SoC市场规模将达到82亿美元，并且L3级别以上自动驾驶预计2025年之后开 始大规模进入市场，配套高算力、高性能SoC芯片将会带来极高附加值，有望带动主控芯片市场快速扩容。  

  智能座舱芯片：未来“一芯多屏”技术的强支撑

据分析报告指出，预计全球智能座舱市场在2022年将达到438亿美元。随着智能座舱从电子座舱逐步演化为第三生活空间，“一芯多屏”的座舱方案成为未来趋势。   顺应智能座舱多传感器融合、多模交互及多场景化模式发展的演进趋势，作为处理中枢的座舱SoC需要不断发展突破。因此，座舱SoC的算力将不断提升，据IHS Markit，预计2024年座舱NPU算力需求将是2021年的十倍， CPU算力需求是2022年的3.5倍。同时，芯片本身也将朝小型化、集成化、高性能化的方向发展。  

  现在软件定义汽车，特别是座舱系统日益开放之后，移动端应用大批量向座舱进行迁移，所以在单个芯片上的操作系统数量会是以前的3~5倍。同时，由于以前一个中控可能只运行一个系统，支持一块屏幕，而现在的座舱需要支持多个操作系统、多块屏幕，好处是整个应用程序会是传统汽车的50~100倍，但也导致了整个软件定义汽车的复杂度呈几何级提升。   未来智能科技座舱场景，包括传统的中控娱乐导航、液晶仪表盘、行车记录仪、独立后排娱乐，还有抬头显示、360度环视+自动泊车辅助，语音助手也必不可少，同时也会有驾驶员监测系统以及乘客监视系统、虚拟空调面板等等。       自动驾驶芯片：算力基础决定自动驾驶的等级高度

  自动驾驶芯片一方面需要满足更高的安全等级，另一方面随着自动驾驶等级的提升，对自动驾驶芯片运算能力的要求也不断提升。只具备CPU处理器的芯片难以满足算力需要，自动驾驶芯片会往集成CPU+XPU的异构式SoC方向发展，XPU包括GPU/FPGA/ASIC等。   GPU、FPGA、ASIC各有所长，GPU适合数据密集型应用进行计算和处理，FPGA通过冗余晶体管和连线实现逻辑可编辑，而ASIC是面向特定用户的算法需求设计的专用芯片。NPU作为ASIC的一种，在电路层模拟神经元，通过突触权重实现存储和计算一体化。一条指令即可完成GPU上百条指令的功能，提高运行效率。NPU目前已经被多家厂商广泛采用，若未来自动驾驶算法实现统一，ASIC/NPU有望 成为最高效的自动驾驶芯片解决方案。  

  当前多家头部企业实现L2-L5全覆盖，英伟达在算力方面更加领先，超过1000tops。国内能耗比更好（地平线、黑芝麻等）。SoC厂商方面，晶晨股份、瑞芯微、富瀚微加速布局汽车芯片。        

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中国汽车芯片行业发展现状与前景

中国汽车芯片产业处于蓬勃发展期，从中国上市公司的公开信息可以看到，目前参与到汽车芯片的中国公司有：主控芯片，包括了晶晨股份、瑞芯微、富瀚微、兆易创新、中颖电子、全志科技、复旦微电、紫光国微、安路科技等； 功率半导体的公司则有：闻泰科技、东微半导、斯达半导、士兰微、时代电气、华润微、宏微科技、新洁能、扬杰科技、中芯国际、华虹半导体等； 模拟芯片的公司有：圣邦股份、思瑞浦、纳芯微、艾为电子、上海贝岭、力芯微等； 传感器芯片的公司有韦尔股份、格科微等；存储芯片的有北京君正、兆易创新、复旦微电、普冉股份、聚辰股份等。       国行标准陆续出台，指导行业发展 2021年6月，中国汽车芯片产业创新战略联盟标准工作组发布了《汽车芯片标准体系建设研究成果》，2022年7月份完成了《汽车芯片标准体系建设研究成果》。根据工信部的要求，工作组研究制定了《国家汽车芯片标准体系建设指南（草案）》，目前已经提交给工信部，预计该指南的征求意见稿将择机向行业公开来征求意见，汽车芯片国行标准有望在十四五期间会陆续得到落地、研制和应用。  

国产逐渐替代进口加速

在电动化，智能化的市场趋势下，中国厂商通过收购国外厂商，积极布局汽车半导体新能源，智能汽车领域，国内本土品牌具有渠道优势和较高的性价比，逐渐打开市场。未来，我国在高端供应链中不断突破并掌握核心技术，使中国制造业向高端供应链攀爬，加速进口替代，从而促进行业进一步发展。  

中国新能源汽车大发展为汽车芯片提供广阔市场 从市场层面来看，下游市场带来强劲需求。新能源汽车的推广势在必行，未来也将继续大力发展。与庞大的机动车保有量相比，新能源汽车占比仍有很大的发展空间，随着新购、更换等需求推动，新能源汽车的保有量也将进一步提升，这将为汽车芯片带来带来巨大的市场需求，推动行业发展。

编辑：黄飞