什么是汽車芯片？汽車主控芯片剖析

百年汽車行業(yè)正在經(jīng)歷大變革時(shí)代，汽車向電動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)化是大勢(shì)所趨，車聯(lián)網(wǎng)、新能源、智能化、自動(dòng)駕駛四個(gè)領(lǐng)域趨勢(shì)帶來了新的芯片需求，也為國內(nèi)新進(jìn)芯片企業(yè)進(jìn)入汽車領(lǐng)域帶來全新的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。 ?

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什么是汽車芯片？

我們常說的汽車芯片，即“車規(guī)級(jí)芯片”，指技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到車規(guī)級(jí)，完全滿足汽車電子元件的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)與“車規(guī)認(rèn)證”，應(yīng)用于汽車控制的芯片，相當(dāng)于現(xiàn)代化汽車的“大腦”。 ? 很多人對(duì)芯片重要性的認(rèn)識(shí)或來源于消費(fèi)級(jí)電子產(chǎn)品，一枚小芯片就能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能。如今的汽車功能越來越強(qiáng)大，越來越智能，都可以歸因于汽車芯片的應(yīng)用。 從整個(gè)芯片行業(yè)的等級(jí)劃分來看，分別有軍工級(jí)、車規(guī)級(jí)、工業(yè)級(jí)和消費(fèi)級(jí)，其中車規(guī)級(jí)芯片對(duì)于可靠性、一致性和穩(wěn)定性要求更高，僅次于軍工級(jí)。 ? 車規(guī)級(jí)芯片與消費(fèi)級(jí)芯片有很大不同，車規(guī)級(jí)芯片需要面臨更惡劣的環(huán)境，需要適應(yīng)-40℃到-150℃的極端溫度，高振動(dòng)、多粉塵、有電磁干擾，濕度要適應(yīng)0%-100%，一般車規(guī)級(jí)芯片的設(shè)計(jì)壽命為15年或20萬公里。 ? ? ? ?

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汽車芯片，現(xiàn)代化汽車的“大腦”

汽車芯片已經(jīng)廣泛應(yīng)用在動(dòng)力系統(tǒng)、車身、座艙、底盤和安全等諸多領(lǐng)域。而汽車芯片與計(jì)算、消費(fèi)電子芯片不同的是，汽車芯片很少單獨(dú)亮相，都是內(nèi)嵌在各大功能單元中，而且多數(shù)場(chǎng)合是核心。 ? 從應(yīng)用環(huán)節(jié)上，汽車芯片大致分為以下幾類，主控芯片、存儲(chǔ)芯片、功率芯片、信號(hào)與接口芯片、傳感器芯片等。主控芯片，負(fù)責(zé)計(jì)算與控制，包括MCU芯片和SoC芯片等，如發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤和車身控制，以及中控、輔助駕駛（ADAS）和自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等；負(fù)責(zé)功率轉(zhuǎn)換的IGBT功率芯片，一般應(yīng)用于電動(dòng)車的電源和接口；傳感器芯片，主要用于各種雷達(dá)、氣囊、胎壓監(jiān)測(cè)。 ?

? 根據(jù)海思在2021中國汽車半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)大會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)，汽車智能化+電動(dòng)化時(shí)代開啟，帶動(dòng)汽車芯片量價(jià)齊升，預(yù)計(jì)汽車半導(dǎo)體占比汽車總成本在2030年會(huì)達(dá)到50%。電動(dòng)化+智能化趨勢(shì)下，帶動(dòng)主控芯片、存儲(chǔ)芯片、功率芯片、通信與接口芯片、傳感器等芯片快速發(fā)展，芯片單位價(jià)值不斷提升， 整車芯片總價(jià)值量不斷攀升。 ?

? 假設(shè)傳統(tǒng)汽車需要的半導(dǎo)體芯片為500～600顆芯片/輛，新能源汽車需要的半導(dǎo)體芯片為1000～2000顆芯片/輛。 ?

? 以2020年傳統(tǒng)汽車銷量7276萬臺(tái)測(cè)算，新能源汽車324萬臺(tái)測(cè)算，整體全球需要的汽車芯片為每年439億顆。預(yù)計(jì)2026年傳統(tǒng)汽車銷量每年6780萬臺(tái)測(cè)算，新能源汽車4420萬臺(tái)測(cè)算，整體全球需要的汽車芯片增加為每年903億顆。預(yù)計(jì)2035年傳統(tǒng)汽車銷量2400萬臺(tái)測(cè)算，新能源汽車9600萬臺(tái)測(cè)算，整體全球需要的汽車芯片增加為每年1285億顆。 ? ?

03?

汽車主控芯片剖析

汽車主控芯片用來生成汽車主要控制信號(hào)的計(jì)算和生成功能。主控芯片通過接受 各類傳感器搜集到的信號(hào)，進(jìn)行計(jì)算相對(duì)的處理措施，并將驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)送給對(duì)應(yīng)的控制模塊。因此主控芯片相當(dāng)于汽車芯片群的“中樞”。 ? （1）主控芯片—MCU芯片：汽車電子控制單元ECU的核心部件 ? MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，也被稱為單片機(jī)，是將計(jì)算機(jī)所包含的CPU、存儲(chǔ)器、I/O 端口、串行口、定時(shí)器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器等集成在一顆芯片上，將其應(yīng)用在不同產(chǎn)品里，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)算和控制。車載MCU是汽車電子控制單元（ECU）的核心部件，負(fù)責(zé)各種信息的運(yùn)算處理，主要用于車身控制、駕駛控制、信息娛樂和駕駛輔助系統(tǒng)。 ?

汽車電子化智能化程度的加速，汽車ECU的數(shù)量也在快速上升，驅(qū)動(dòng)MCU市場(chǎng)需求的增長。算力隨著智能化提升不斷提升從L1（自動(dòng)駕駛級(jí)別）<1TOPS算力到L5（自動(dòng)駕駛級(jí)別）1000+TOPS算力推動(dòng)主控芯片高速增長。ECU中均需要MCU芯片，通常汽車中一個(gè)ECU負(fù)責(zé)一個(gè)單獨(dú)的功能，配備一顆MCU，也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)ECU配備兩顆MCU的情況，而與傳統(tǒng)燃油車相比，新能源車豐富功能提高，對(duì)MCU性能、功耗、數(shù)量的需求都有所提升。傳統(tǒng)汽車單車會(huì)平均用到70個(gè)左右，而新能源汽車則需要用到300多個(gè)。 ? ? 汽車MCU芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè) 隨著新能源汽車滲透率不斷上漲，全球車規(guī)級(jí)MCU市場(chǎng)規(guī)模也隨之增長。2020年全球車用MCU市場(chǎng)規(guī)模為62億美元。2021年，汽車MCU需求旺盛，市場(chǎng)規(guī)模大幅增長23%，達(dá)到76.1億美元；預(yù)計(jì)2025年，市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到近120 億美元，對(duì)應(yīng)2021-2025年復(fù)合平均增速為14.1%。? ? 我國車規(guī)級(jí)MCU市場(chǎng)規(guī)模同樣保持穩(wěn)定增長，2021年我國車規(guī)級(jí)MCU市場(chǎng)規(guī)模達(dá)30.01億美元，同比增長13.59%， 預(yù)計(jì)2025年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)42.74億美元。 ?

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? （2）主控芯片—SoC：集合AI加速器的系統(tǒng)級(jí)芯片，應(yīng)用于汽車智能座艙與自動(dòng)駕駛 ? SoC芯片的全稱叫做：System-on-a-Chip，中文的的意思就是“把系統(tǒng)都做在一個(gè)芯片上”。汽車電子功能依賴于車載芯片實(shí)現(xiàn)，隨著ADAS的落地和L3及以上級(jí)別自動(dòng)駕駛的成熟，傳統(tǒng)中央計(jì)算CPU無法滿足智能汽車的算力需求，將CPU與GPU、FPGA、ASIC等通用/專用芯片異構(gòu)融合、集合AI加速器的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）應(yīng)運(yùn)而生，主要分為智能座艙芯片與自動(dòng)駕駛芯片。? ? 根據(jù)IHS數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2025年全球汽車SoC市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到82億美元，并且L3級(jí)別以上自動(dòng)駕駛預(yù)計(jì)2025年之后開 始大規(guī)模進(jìn)入市場(chǎng)，配套高算力、高性能SoC芯片將會(huì)帶來極高附加值，有望帶動(dòng)主控芯片市場(chǎng)快速擴(kuò)容。 ?

? 智能座艙芯片：未來“一芯多屏”技術(shù)的強(qiáng)支撐

據(jù)分析報(bào)告指出，預(yù)計(jì)全球智能座艙市場(chǎng)在2022年將達(dá)到438億美元。隨著智能座艙從電子座艙逐步演化為第三生活空間，“一芯多屏”的座艙方案成為未來趨勢(shì)。 ? 順應(yīng)智能座艙多傳感器融合、多模交互及多場(chǎng)景化模式發(fā)展的演進(jìn)趨勢(shì)，作為處理中樞的座艙SoC需要不斷發(fā)展突破。因此，座艙SoC的算力將不斷提升，據(jù)IHS Markit，預(yù)計(jì)2024年座艙NPU算力需求將是2021年的十倍， CPU算力需求是2022年的3.5倍。同時(shí)，芯片本身也將朝小型化、集成化、高性能化的方向發(fā)展。 ?

? 現(xiàn)在軟件定義汽車，特別是座艙系統(tǒng)日益開放之后，移動(dòng)端應(yīng)用大批量向座艙進(jìn)行遷移，所以在單個(gè)芯片上的操作系統(tǒng)數(shù)量會(huì)是以前的3~5倍。同時(shí)，由于以前一個(gè)中控可能只運(yùn)行一個(gè)系統(tǒng)，支持一塊屏幕，而現(xiàn)在的座艙需要支持多個(gè)操作系統(tǒng)、多塊屏幕，好處是整個(gè)應(yīng)用程序會(huì)是傳統(tǒng)汽車的50~100倍，但也導(dǎo)致了整個(gè)軟件定義汽車的復(fù)雜度呈幾何級(jí)提升。 ? 未來智能科技座艙場(chǎng)景，包括傳統(tǒng)的中控娛樂導(dǎo)航、液晶儀表盤、行車記錄儀、獨(dú)立后排娛樂，還有抬頭顯示、360度環(huán)視+自動(dòng)泊車輔助，語音助手也必不可少，同時(shí)也會(huì)有駕駛員監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及乘客監(jiān)視系統(tǒng)、虛擬空調(diào)面板等等。 ? ? ? 自動(dòng)駕駛芯片：算力基礎(chǔ)決定自動(dòng)駕駛的等級(jí)高度

? 自動(dòng)駕駛芯片一方面需要滿足更高的安全等級(jí)，另一方面隨著自動(dòng)駕駛等級(jí)的提升，對(duì)自動(dòng)駕駛芯片運(yùn)算能力的要求也不斷提升。只具備CPU處理器的芯片難以滿足算力需要，自動(dòng)駕駛芯片會(huì)往集成CPU+XPU的異構(gòu)式SoC方向發(fā)展，XPU包括GPU/FPGA/ASIC等。 ? GPU、FPGA、ASIC各有所長，GPU適合數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用進(jìn)行計(jì)算和處理，F(xiàn)PGA通過冗余晶體管和連線實(shí)現(xiàn)邏輯可編輯，而ASIC是面向特定用戶的算法需求設(shè)計(jì)的專用芯片。NPU作為ASIC的一種，在電路層模擬神經(jīng)元，通過突觸權(quán)重實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和計(jì)算一體化。一條指令即可完成GPU上百條指令的功能，提高運(yùn)行效率。NPU目前已經(jīng)被多家廠商廣泛采用，若未來自動(dòng)駕駛算法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，ASIC/NPU有望 成為最高效的自動(dòng)駕駛芯片解決方案。 ?

? 當(dāng)前多家頭部企業(yè)實(shí)現(xiàn)L2-L5全覆蓋，英偉達(dá)在算力方面更加領(lǐng)先，超過1000tops。國內(nèi)能耗比更好（地平線、黑芝麻等）。SoC廠商方面，晶晨股份、瑞芯微、富瀚微加速布局汽車芯片。 ? ? ? ?

04?

中國汽車芯片行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與前景

中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)處于蓬勃發(fā)展期，從中國上市公司的公開信息可以看到，目前參與到汽車芯片的中國公司有：主控芯片，包括了晶晨股份、瑞芯微、富瀚微、兆易創(chuàng)新、中穎電子、全志科技、復(fù)旦微電、紫光國微、安路科技等； 功率半導(dǎo)體的公司則有：聞泰科技、東微半導(dǎo)、斯達(dá)半導(dǎo)、士蘭微、時(shí)代電氣、華潤微、宏微科技、新潔能、揚(yáng)杰科技、中芯國際、華虹半導(dǎo)體等； 模擬芯片的公司有：圣邦股份、思瑞浦、納芯微、艾為電子、上海貝嶺、力芯微等； 傳感器芯片的公司有韋爾股份、格科微等；存儲(chǔ)芯片的有北京君正、兆易創(chuàng)新、復(fù)旦微電、普冉股份、聚辰股份等。 ? ? ? 國行標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)出臺(tái)，指導(dǎo)行業(yè)發(fā)展 2021年6月，中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)工作組發(fā)布了《汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究成果》，2022年7月份完成了《汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)研究成果》。根據(jù)工信部的要求，工作組研究制定了《國家汽車芯片標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（草案）》，目前已經(jīng)提交給工信部，預(yù)計(jì)該指南的征求意見稿將擇機(jī)向行業(yè)公開來征求意見，汽車芯片國行標(biāo)準(zhǔn)有望在十四五期間會(huì)陸續(xù)得到落地、研制和應(yīng)用。 ?

國產(chǎn)逐漸替代進(jìn)口加速

在電動(dòng)化，智能化的市場(chǎng)趨勢(shì)下，中國廠商通過收購國外廠商，積極布局汽車半導(dǎo)體新能源，智能汽車領(lǐng)域，國內(nèi)本土品牌具有渠道優(yōu)勢(shì)和較高的性價(jià)比，逐漸打開市場(chǎng)。未來，我國在高端供應(yīng)鏈中不斷突破并掌握核心技術(shù)，使中國制造業(yè)向高端供應(yīng)鏈攀爬，加速進(jìn)口替代，從而促進(jìn)行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。 ?

中國新能源汽車大發(fā)展為汽車芯片提供廣闊市場(chǎng) 從市場(chǎng)層面來看，下游市場(chǎng)帶來強(qiáng)勁需求。新能源汽車的推廣勢(shì)在必行，未來也將繼續(xù)大力發(fā)展。與龐大的機(jī)動(dòng)車保有量相比，新能源汽車占比仍有很大的發(fā)展空間，隨著新購、更換等需求推動(dòng)，新能源汽車的保有量也將進(jìn)一步提升，這將為汽車芯片帶來帶來巨大的市場(chǎng)需求，推動(dòng)行業(yè)發(fā)展。

編輯：黃飛

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