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開源的,不再只是軟件

时间:2021-04-08     【转载】

2020年底至今,汽車芯片缺貨風波持續發酵,部分汽車工廠因為芯片短缺出現了停產。另一邊,則是汽車芯片供應商、晶圓代工廠出于原料成本上漲、產品生產周期變長等因素,集體漲價。除了疫情等外力影響和供應鏈因素,缺貨另一個原因是造車規級芯片比民用級難太多,短時間內其他廠商無法快速通過認證,補上缺口……

2020年上半年席卷全球的新冠肺炎疫情,阻斷了多地區物流,不少OEM無法正常備貨,不得不把需求移到了下半年。在消費類終端和汽車行業全面復蘇后,各大廠商因擔心禁運等地緣政治事件影響,普遍采用了激進的備貨方案。

芯片的生產周期通常在10-20周不等,難以靈活增加產量,車載芯片的產能更是要提前12個月做規劃。2020年初在疫情影響下,很多汽車企業對車載芯片需求判斷失誤,導致芯片訂貨不足,晶圓廠也將部分原本屬于車載芯片的產能轉成了消費類芯片。

產能受到排擠影響最顯著的有12英寸廠的車用微控制器(MCU)與CMOS圖像傳感器(CIS),其中28nm、45nm與65nm節點產能最為緊缺。8英寸廠集中在車用MEMS、分立器件、電源管理IC與顯示器驅動IC,0.18um以上的節點產能也受到排擠。

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2020年底至今,汽車芯片缺貨風波持續發酵,部分汽車工廠因為芯片短缺出現了停產。另一邊,則是汽車芯片供應商、晶圓代工廠出于原料成本上漲、產品生產周期變長等因素,集體漲價。這次缺貨漲價的汽車芯片,主要集中在哪幾類上?為什么車規級的芯片,就那么難做呢?

了哪一類汽車芯片?

汽車半導體器件主要包含MCU、功率半導體(IGBT、MOSFET等)、傳感器和各類模擬器件,自動駕駛汽車還會用到如ADAS輔助類芯片、CIS、AI處理器、激光雷達、毫米波雷達和MEMS等一系列產品。未來汽車架構的變革趨勢,是將離散的ECU(Electronic Control Unit,電子控制單元)及軟件功能集成在一個黑匣子中,屆時域控制器和自動駕駛計算平臺用到的芯片會更多。

半導體產品的大量采用,能夠幫助汽車實現動力與傳動、車載網絡、車身舒適性、車載信息娛樂等功能。單一車輛中的車載芯片價值持續提升,也導致全球車用芯片的需求快于整車銷量增速,造成了芯片的供需失衡。

以MLCC(多層陶瓷電容)為例,據村田預計,未來單一車輛MLCC用量有望從1000~3000顆增長到3000~6000顆;在圖像傳感器方面,據悉達到自動駕駛級別L4級時,需要圖像傳感器10個以上;再說MCU,一般燃油車平均每輛大約需要70顆,而一輛新能源汽車大約需要300多顆。

一家汽車零件制造商的負責人在接受媒體采訪時透露,2020年底爆發的汽車零部件短缺潮,就是由于車用MCU短缺,導致ESP(Electronic Stability Program,電子穩定程序系統)和ECU無法生產。這兩種器件是許多高端車型車載電腦模塊的“標配”,一旦缺貨會影響整車制造。

半導體成為汽車產業“命門”

電子穩定程序系統的標準叫法其實是ESC(Electronic Stability Control),ESP是博世(Robert Bosch GmbH)的專利。全球ESP供應商主要有7家,分別是豐田旗下的愛信精機(Aisin Seiki),專供日產的日立(Hitachi),專供本田的日信(Nissin Kogyo),供韓系車型的萬都(Mando)。這4家基本只供應本集團的。另外三家,都是德國廠家,包括博世、大陸集團(Continental AG)和采埃孚(ZF Friedrichshafen AG)。

國內汽車廠商的ESP供貨主要來自博世和大陸集團。博世幾乎壟斷國內市場,特別自主品牌,此外在奔馳、奧迪、卡迪拉克、別克里也比較常見。大陸集團主要供應大眾、寶馬、PSA、奔馳,采埃孚主要供應美系車。

至于ECU,已經是汽車上最為常見的部件之一,依據功能的不同,最常見的有EMS(Engine Management System)發動機管理系統、TCU(Transmission Control Unit)自動變速箱控制單元、BCM(Body Control Module)車身控制模塊、BMS(Battery Management System)電池管理系統以及VCU(Vehicle Control Unit)整車控制器等幾種。

國內外比較知名的ECU供應商包括博世、大陸集團、電裝(DENSO)、聯合汽車電子(UAES)和聯創汽車電子(DIAS)等。傳統的汽車每一個功能都需要單一或者多個ECU模塊進行控制,所以ECU廣泛存在于車輛的發動機、變速箱等底層零部件之中,來實現整車信息的轉化和處理。

ESP和ECU這類特定汽車電子元件越來越依賴于芯片,大陸集團和博世集團都是通過采購芯片,再組裝成相關模塊向車企供應。這次汽車芯片短缺問題主要出現在上游企業,由于疫情大流行打擊了全球芯片產能,令大陸和博世等廠商面臨生產難題。

以前的汽車以硬件為主導,整車智能化程度很低,半導體(芯片、傳感器等等)占不到整車成本的1%。而近年隨著汽車智能化速度加快,汽車已經由硬件主導變為了硬件打基礎,軟件來賦能。如今半導體器件越來越多地出現在汽車工業應用中,智能汽車上甚至已經占到了整車成本的35%左右,并且預計到2030年將增加到50%,芯片未來將代替發動機成為汽車產業的“生死命門”。

芯片要符合認證多難?

汽車電子產業鏈由三大部分組成:上游為汽車電子元器件設計公司(Tier2,如恩智浦和英飛凌)和晶圓制造/封測等后段廠商(Tier3,如臺積電和日月光),主要負責提供汽車電子的相關核心芯片及其他分立器件;中游則是汽車電子生產和制造商(Tier1,如博世和大陸),主要進行汽車電子模塊化功能的系統集成設計、生產及銷售;下游是傳統的整車廠(OEM,如特斯拉和大眾汽車)。

我們熟知的老牌汽車半導體廠商很多,包括恩智浦(NXP)、英飛凌(Infineon)、意法半導體 (STMicroelectronics)、瑞薩(Renesas)、安森美 (On Semiconductor)、博通 (Broadcom)、德州儀器 (TI)等,其中前四位都是車用MCU大廠,但為什么仍然擋不住缺貨潮?除了上面談到的疫情外力影響和供應鏈因素,另一個原因是造車規級芯片比民用級難太多。

首先,汽車對芯片和元器件的工作溫度要求更寬,根據不同的安裝位置等有不同的需求。比如發動機艙要求-40℃-150℃;車身控制要求-40℃-125℃,遠高于民用產品對消費類芯片和元器件0℃-70℃的要求。

第二,汽車電子元件對運行性穩定要求極高。無論是在濕度、發霉、粉塵、鹽堿自然環境、EMC以及有害氣體侵蝕等環境下,還是在高低溫交變、震動風擊、高速移動等各類變化中,車規級半導體穩定性要求都高于消費類芯片。

第三,汽車對器件的抗干擾性能要求極高。包括抗ESD靜電、EFT群脈沖、RS傳導輻射、EMC、EMI等,芯片在這些干擾下既不能失控的影響工作,也不能干擾車內別的設備。

第四,一般汽車的設計壽命都在15年50萬公里左右,遠大于消費電子產品壽命要求,所以對應的汽車芯片使用壽命要更長,故障率更低。半導體是汽車廠商導致故障排名中的首要問題,因此車廠對故障率基本要求是個位數PPM(百萬分之一)量級,大部分車廠要求到PPB(十億分之一)量級,相比之下,工業級芯片的故障率要求為小于百萬分之一,而消費類芯片的故障率要求僅為小于千分之三?梢哉f車規級半導體對故障率要求是零容忍。

第五,長期有效的供貨周期(Longevity)。汽車廠商對芯片的需求遠不及消費電子動輒上億顆芯片的量,在更新換代上,也是一顆料號用到十年以上,不像手機芯片一年一換。所以汽車OEM和Tier1廠商,大多通過Tier2的零部件供應商完成產品供應。從整個汽車行業來看,目前除了特斯拉采取了自研芯片的方式外,大部分車企的芯片主要還是購買自國際老牌半導體廠商。

第六,極高的產品一致性要求,導致不能隨便換產線。汽車本身的組成極為復雜,一致性差的半導體元器件容易導致整車出現安全隱患,因此需要嚴格的良品率控制以及完整的產品追溯性系統管理,甚至需要實現對半導體產品封裝原材料的追溯。這也是為什么車用芯片不輕易轉換產線,以往車用半導體廠商主要以IDM或Fab-lite模式自產自銷為主,直到近些年才將部分產能外包給晶圓代工代廠,還要做產線認定。(EETC編按:“產線認定”是指為了實現“零不良率”, 汽車廠家在半導體工廠生產汽車芯片時,針對產線實行的檢查稽核。只有在半年乃至一年的時間內連續生產某種汽車芯片,并且可以穩定地生產出正常工作的產品時,汽車企業才會對芯片產線進行“認定”。 被“認定”的產線工藝由固定工序組成,原則上不可以更改生產設備、工藝條件。)

達到汽車標準需獲得可靠性標準AEC-Q系列、質量管理標準ISO/TS16949認證其中之一,此外需要通過功能安全標準ISO26262 ASILB(D),基本只有符合上述各種硬性條件的半導體器件,才能通過車規級認證。

ISO26262安全是汽車電子元件穩定性優劣的評判依據之一,主要包括ASIL A/B/C/D四個等級,通過各等級代表其產品穩定性合格、耐用,但不代表算力、能效比高。A級普遍用于天窗等,B級普遍用于儀表盤,C級普遍用于引擎等,D級則主要用于自動駕駛和EPS(電子助力轉向)等,認證等級越高的芯片可獲得整車廠越多的青睞度。

汽車缺芯,加速國產化進程

嚴格的生產和認證要求,以及遠不及消費電子的用量,導致晶圓代工廠義無反顧地將產能分給了消費類芯片。雖然在汽車大國政府的游說下,“臺積電們”后來也承諾協調產能,但成本的提升,也讓一些車企開始把目光投向冉冉升起的國內汽車芯片廠商。

2019年,全球汽車芯片的市場規模是475億美元,折合人民幣約3080億元,預計2020年將下降至460億美元。目前歐洲汽車半導體2019年產值達到150.88億美元,占到全球汽車半導體總產值的36.79%,為全球第一。美國貢獻了全球第二大汽車芯片收入規模,達到133.87億美元,占全球32.64%。日本汽車半導體2019年產值達到106.77億美元,占比在26.03%。

2019年全球汽車芯片市場份額,60%以上的市場被前8大半導體廠商牢牢把控(資料來源:ICVTank、前瞻產業研究院)

雖然全球汽車芯片30%的市場都在中國,但我國自主汽車芯片產業規模僅占全球的4.5%,約20多億美元。根據Wind數據顯示,目前國內汽車行業中車用芯片自研率僅占10%,90%的汽車芯片都必須依賴從國外進口。其中前裝芯片95%是進口的,后裝超過80%是進口,國內芯片企業在汽車產業鏈中缺失話語權。

雖然汽車零部件需要很長的產品研發和驗證周期,想要在短期內找到合適的替代供應商并不容易,但在芯片缺貨、價格上漲以及代工產能均供不應求的背景下,一些汽車廠商或Tier 1供應商,已經開始挑選替代供應商,中國本土廠商有望迎來轉單。

傳統車企中,比亞迪和中車采用自研的方式,比亞迪自2005年便開始組建IGBT研發團隊,并且在加碼對第三代半導體材料碳化硅(SiC)的研究。而北汽、上汽、吉利等都采用與半導體廠商成立新公司的合作方式入局。

在非傳統車企中,華為是布局汽車領域比較早的,其主要通過自研和外部投資兩條腿走路。自研最早可以追溯到2009年對車載模塊的開發,而華為投資的企業山東天岳、深思考、鯤游光電、好達電子以及裕太車通等企業,也大多與汽車行業的芯片和材料有關。 

此外,安世半導體的汽車功率器件,兆易創新的車規級閃存,斯達半導體的車規級IGBT,全志科技的車規級前裝SoC,杰發和芯旺微的車規級MCU,加特蘭微電子的CMOS工藝毫米波雷達芯片,韋爾股份的CMOS圖像傳感器,DJI大疆子公司覽沃科技的激光雷達傳感器,地平線的智能駕駛處理器等,也都是國產車規級半導體的代表作品。

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