1. 引言
集成電路(Integrated Circuit，IC)產業(yè)是信息技術產業(yè)的核心，是國家重要的基礎性、先導性和戰(zhàn)略性產業(yè)，IC 技術也是當前智能制造亟需突破的關鍵共性技術。從千億基金扶持計劃到《中國制造 2025》，中國 IC 產業(yè)面臨前所未有的發(fā)展機遇。目前全球 IC 產業(yè)進入深度調整的轉折期，傳統個人電腦業(yè)務進一步萎縮，智能終端市場增速放緩，智能汽車等新興應用成為驅動 IC 發(fā)展的重要力量。
智能汽車是車聯網、自動駕駛、新能源技術融合的綜合系統，集環(huán)境感知、智能決策、控制執(zhí)行等功能于一體，集中運用了傳感、通信、導航、處理、控制以及新能源等技術。多功能的實現需要借助多種類多數量的芯片，預計 2020 年每輛車將使用 1000 顆芯片，因此汽車芯片也是汽車產業(yè)轉型升級的關鍵。
2. 汽車芯片產業(yè)整體情況
2.1 產業(yè)規(guī)模
汽車芯片引領全球半導體芯片市場增長。Gartner 數據顯示，汽車芯片 2016 年全球產業(yè)規(guī)模達到 323 億美元，占全球芯片產業(yè)的 9.5%，2010 年以來增速一直優(yōu)于同期全球芯片市場的表現。與消費類電子、工業(yè)電子和軍事/民用航空電子等領域相比，汽車電子是半導體芯片市場成長最快的應用領域。汽車芯片產業(yè)發(fā)展態(tài)勢相對強勁和平穩(wěn)，一方面由于汽車日益增加的智能化、網聯化功能，平均每輛汽車的芯片成本達到 350 美元;另一方面是汽車芯片產品研發(fā)設計與量產供貨周期較長，汽車產業(yè)對芯片需求相比其他產業(yè)較為穩(wěn)定。
我國汽車芯片嚴重依賴進口，汽車芯片需求仍將持續(xù)增長。我國汽車芯片市場規(guī)模約占全球的 20%，但是國產汽車芯片在全球占比不到 1%，汽車芯片產業(yè)長期被恩智浦、英飛凌、瑞薩、意法半導體、德州儀器等國外廠商壟斷。國內汽車芯片產業(yè)規(guī)模小、技術水平低，發(fā)展嚴重滯后于整車產業(yè)。目前我國汽車芯片需求持續(xù)增長，汽車產量和汽車半導體成分是兩個主要因素：
汽車產量方面，中國汽車工業(yè)協會數據顯示 2016 年我國汽車產量超 2800 萬輛，全球占比穩(wěn)步升高;
汽車半導體成分方面，IHS 數據顯示，我國目前每輛汽車半導體成分約為 235 美元，遠低于日本、美國、歐洲水平。
隨著國內汽車產量的增長，汽車智能化網聯化功能的增加以及新能源汽車的普及，我國汽車芯片需求仍將持續(xù)增長。
2.2 產業(yè)特征
汽車芯片產業(yè)有兩個主要特征：一是與汽車電子產業(yè)鏈上下游間耦合程度高，二是產業(yè)呈現集成器件制造(IDM：Integrated Device Manufacturers)集中化發(fā)展態(tài)勢。
汽車芯片與汽車電子產業(yè)鏈上下游間耦合度高。整車是汽車電子零部件的終端，整車的競爭力主要取決于汽車電子零部件。雖然汽車核心技術更多掌握在上游汽車芯片廠商手中，但是汽車芯片技術落地需要中下游汽車電子廠商、整車廠的支持。汽車芯片需要通過嚴苛的車規(guī)級認證標準(可靠性標準 AEC-Q100，質量管理標準 ISO/TS 16949 和功能安全標準 ISO 26262)方能打入整車廠供應鏈。高安全與可靠性標準、十年以上的供貨周期、與中下游零部件廠商和整車廠長久的合作關系是目前汽車芯片形成壟斷的主要原因。
汽車芯片產業(yè)呈現 IDM 集中化發(fā)展態(tài)勢。全球前 25 大汽車芯片廠商有 23 家采用 IDM 模式(除邁來芯和英偉達)。汽車芯片偏重安全性，對溫度、質量、使用壽命和可靠性要求較高，行業(yè)標準嚴苛，其專用工藝通常難以外包，分工模式難以替代。
同時國際巨頭兼并重組正在加速，汽車芯片產業(yè)集中度進一步提高。汽車芯片廠商通過并購形成規(guī)模效應降低運營成本(如微芯收購 Atmel 改變 MCU 市場競爭格局)，迅速獲取技術和產品實現互補(如恩智浦并購飛思卡爾增強處理和控制芯片技術能力)。汽車芯片的強大需求也促使高通、英特爾等傳統芯片巨頭加快布局。高通 2016 年 10 月宣布以 470 億美元收購全球最大汽車芯片制造商恩智浦，這是半導體史上規(guī)模最大的并購案例，奠定高通在汽車電子領域的地位。
3. 智能汽車關鍵芯片技術
目前，對智能汽車的研究主要致力于提高汽車的互聯互通、安全性和能效。車聯網和自動駕駛正在加速傳感、通信、導航、處理、控制等汽車芯片在通訊娛樂系統和高級駕駛輔助系統(ADAS)中的廣泛應用。
此外，面對環(huán)境保護以及石化燃料不可再生的壓力，新能源將是汽車產業(yè)發(fā)展的趨勢，電源管理芯片和功率器件技術將直接影響汽車的行駛性能，續(xù)航能力和安全系數。
智能汽車主要通過環(huán)境感知、定位測繪、認知規(guī)劃和控制執(zhí)行等模塊實現智能化：
環(huán)境感知主要采用攝像頭以及超聲波、毫米波、激光雷達等多種傳感器技術;
定位測繪采用 V2X 通信和導航芯片進行定位和地圖構建;
認知規(guī)劃的核心是算法和處理芯片;
控制執(zhí)行主要采用電源管理芯片和功率器件技術提高電氣化程度。
下面重點分析傳感、通信、導航、處理、控制、電源管理芯片和功率器件技術產業(yè)發(fā)展趨勢。
3.1 傳感器技術
汽車電子創(chuàng)新應用帶動傳感器技術發(fā)展和融合。自適應巡航、車道保持、自動泊車、自動駕駛等汽車電子的創(chuàng)新發(fā)展對傳感器的需求十分巨大，推動攝像頭以及超聲波、激光、毫米波雷達等傳感器技術產業(yè)的發(fā)展：
攝像頭主要應用于單目、立體、環(huán)視等，成本適中，但受視野范圍影響;
超聲波受天氣影響大，探測距離短，多用于倒車保護;
毫米波雷達具有體積小、分辨率高和穿透煙霧的能力強等優(yōu)點，但探測距離受波長制約，無法感知行人，探測精度低;
激光雷達探測范圍廣，探測精度高，但在雨雪霧天氣下性能較差，價格昂貴。
不同傳感器相互協作和補充，未來的趨勢將是多傳感器技術的融合。
汽車傳感器產業(yè)集中度高，我國與國外差距較大。目前全球汽車傳感器 90% 市場份額被大陸、博世、德爾福、電裝等廠商壟斷，Velodyne、Quanergy 和 Ibeo 在激光雷達技術上優(yōu)勢顯著。
我國汽車傳感器整體技術水平較低，普遍存在準確度低、分解能力差、信號精度不高、抗干擾性弱等問題。近年來，一些傳統軍工傳感器廠商開始進入民用市場，納雷科技、廈門意行、沈陽承泰、行易道等企業(yè)的毫米波雷達技術逐漸成熟，北科天繪、中海達、巨星科技、大族激光正逐步進入激光雷達行業(yè)。我國汽車傳感器與國外同類產品相比，技術水平相差較大，高端產品嚴重依賴進口，廠商缺乏與整車廠和科研機構的合作。
3.2 通信芯片
車聯網推動汽車通信芯片向 5G 演進，LTE-V 技術后發(fā)優(yōu)勢顯著。隨著汽車通信娛樂和高質量視頻傳輸需求的提升，汽車通信芯片開始向 5G 演進。目前車聯網 V2X 通信技術有 DSRC 與 LTE-V兩大路線：
DSRC 發(fā)展較早技術較成熟，缺點是路邊設施投入大，技術演進不明;
LTE-V 包括集中式和分布式兩種技術，可共用 4G 網絡覆蓋不同應用場景，信道寬，同步性好，缺點是標準未定，市場驗證不足。
不同技術陣營的芯片廠商相互競爭。恩智浦主推 DSRC 技術，目前已量產有 V2V 和 V2I 功能的 RoadLINK 芯片組并向德爾福供貨。高通主推 LTEV 和 5G 標準，目前已推出千兆級調制解調器，在 470 億美元收購恩智浦后，高通成為車聯網通信芯片技術的龍頭。
我國華為、大唐等企業(yè)通過參與 LTE-V 標準制定積極布局汽車通信芯片。華為海思 2015 年擊敗高通獨家中標奔馳第二代車載通信模塊全球項目。大唐聯芯 2016 年推出業(yè)界首款芯片級 LTE-V 預商用產品。目前，國內汽車通信芯片主要面臨產業(yè)、技術和發(fā)展模式三種層面的挑戰(zhàn)：
產業(yè)層面，通信芯片廠商與整車廠、零部件廠商之間未形成完整的產業(yè)鏈;
技術層面，國內企業(yè)技術積累不足，技術標準滯后且不統一，關鍵技術研發(fā)滯后;
發(fā)展模式上，車企各自為政相互封閉，汽車通信芯片很難實現規(guī)模效應。
3.3 導航芯片
導航芯片向單芯片化、多?；l(fā)展，與無線、傳感等技術融合創(chuàng)新。集成射頻和基帶的單芯片可以提高導航產品的性能和可靠性，降低體積、功耗和成本，多模導航芯片可提高導航定位精度和抗干擾能力。此外導航芯片還與無線、傳感芯片廣泛集成，不僅降低功耗和成本，還可改善定位速度，提升用戶體驗。ABI 數據顯示，高通、博通(已被 Avago 收購)、u-blox、聯發(fā)科和意法半導體五家企業(yè)約占導航芯片市場份額的 90%，其中高通和博通處于第一梯隊，兩家公司分別提供定位技術平臺 Izat 和 HULA，在各種應用場景下實現精準定位。
國產導航芯片已掌握核心技術自主知識產權，部分產品通過車規(guī)級可靠性認證。和芯星通的蜂鳥 UC220 芯片采用完全自主知識產權技術，兼容多模導航系統，是國內首個符合 AEC-Q100 測試驗證的車載芯片。北伽導航的航芯一號是國內首顆 40 nm 工藝射頻基帶一體化的 SoC 芯片，集成度高成本低。
我國導航芯片發(fā)展目前仍面臨北斗芯片技術優(yōu)勢未見發(fā)揮，應用市場發(fā)展不均衡等挑戰(zhàn)：
一方面北斗雙向通信成本高便攜難，而單向通信成本優(yōu)勢不明顯;
另一方面北斗導航基帶、射頻芯片主要應用于移動終端，車載市場占比較低。
3.4 處理芯片
自動駕駛推動處理芯片計算和安全性能不斷提升，異構計算和人工智能技術日趨成熟。處理芯片是汽車信息通信、管理和控制的核心。在自動駕駛最高級別下，處理芯片需要實時處理 360 度傳感和高精度環(huán)境數據，達到最為嚴格的車規(guī)安全等級。Mobileye 處理芯片從 EyeQ1 發(fā)展到 EyeQ4，計算性能提高 384 倍，安全等級不斷提升。
目前異構多核并行處理和人工智能等技術應用有助于提升汽車處理芯片性能。恩智浦 S32V 芯片和德州儀器 TDA2x/3x 處理器均采用異構多核技術加速處理傳感器的數據融合。而基于人工智能的機器視覺技術目前在自動駕駛領域發(fā)展迅速，面向通用計算的 GPU 已成為加速并行應用的重要手段，目前英偉達、AMD 等公司都在不斷推進對 GPU 大規(guī)模并行架構的支持。
國內算法類公司在 ADAS 算法方面競爭力較強，有望實現處理芯片本土化。百度、地平線等公司機器視覺算法技術可基本實現 ADAS 功能，在車道線識別率、車輛識別率等指標上與 Mobileye 差距不大。地平線 ADAS 技術的硬件系統已安裝在智車優(yōu)行的奇點汽車中。國內在智能汽車研發(fā)產業(yè)鏈中，主要集中于頂層控制算法的設計，核心芯片開發(fā)能力缺失，多是直接采購 Mobileye 等公司的芯片，這種研發(fā)模式助長了國內核心芯片技術空心化的危險。
3.5 控制芯片
智能汽車多樣化應用需求推動控制芯片(MCU)的數據寬度、計算能力、接口能力、安全性能不斷提升：
數據寬度方面，隨著工藝技術的進步和汽車電子功能的擴展，32 位 MCU 被大量應用于動力傳動、車身控制等領域，約占 60% 市場份額;
計算能力方面，MCU 近十年計算性能提升 20 倍;
接口能力方面，汽車電子新的功能應用如啟停、燃油直噴等，要求 MCU 有更多接口支持不同通信方式如以太網、CAN 等;
安全性能方面，MCU 通常采用硬件安全模塊不斷提升汽車安全性。
汽車 MCU 市場目前主要為歐美日廠商壟斷，前五家供應商瑞薩、恩智浦、德州儀器、意法半導體、英飛凌市場占比達到 85%。
專有架構和 ARM 通用架構共同推進我國汽車 MCU 的發(fā)展：
一方面，國外廠商逐漸放棄 8/16 位 MCU 市場，我國可借助專有架構 MCU 發(fā)展低端市場。中穎、芯旺微電子等廠商的 8 位 MCU 主要用于汽車防盜、車燈安定器等領域。
另一方面，本土廠商可借助 ARM 開發(fā)平臺和生態(tài)環(huán)境，快速切入主流 32 位 MCU 市場。兆易創(chuàng)新和靈動微電子已推出多款基于 ARM 內核 32 位 MCU。
目前國產汽車 MCU 主要面臨兩方面挑戰(zhàn)：
一是國產 32 位 MCU嚴重缺失，市場規(guī)模較小，自身優(yōu)勢不明顯，產品差異性不足;
二是國產 MCU 可靠和安全性不足，無法面向汽車領域應用。
3.6 電源管理芯片
電源管理芯片向更高的精度和安全性發(fā)展。電源管理芯片主要是對電能進行變換、分配、檢測或對電池進行管理，精度和安全性是其重要指標。
汽車電池管理系統中每節(jié)電池的電荷狀態(tài)必須精確地測量和控制，這要求電池數據采集盡可能提高準確度，同時消除環(huán)境噪聲影響。ADI 推出的電源管理芯片電池電壓采樣精度達到 1.6 mV。此外汽車電源管理芯片需要滿足可靠性和安全性標準，包括在 -40 ℃ ~ 125 ℃ 溫度范圍內、長達十年以上使用期限中確保一致的性能。凌力爾特的電源管理芯片加入內置自測試功能以確保不發(fā)生故障。
目前國內電源管理芯片廠商主要面向中低端市場，技術短板明顯。國內圣邦微電子、華潤微電子等企業(yè)，電源管理芯片基本限定在低壓差穩(wěn)壓器、AC-DC 和 DC-DC 等種類，很少面向汽車應用。目前我國正通過并購和合作積極布局。建廣資產聯合收購恩智浦模擬和電源管理芯片業(yè)務，中芯國際收購意大利代工廠 LFoundry 70% 股份打入電源管理市場，大唐與恩智浦成立合資公司設計汽車電源管理芯片，通富微電為特斯拉提供電源管理芯片封裝。
盡管部分散點實現突破，國內電源管理芯片廠商無法對歐美廠商形成威脅，無論在產品線完整性還是技術方面都明顯落后，芯片制造和封測環(huán)節(jié)依然薄弱。
3.7 功率器件
功率器件向低損耗、低成本、新材料發(fā)展。IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是目前新能源汽車電控系統和直流充電樁的核心功率器件，主要用于電能變換和控制。
降低損耗方面，功率器件采用襯底減薄技術，減小功率器件導通電阻。
降低成本方面，主要通過提高晶圓尺寸降低成本，英飛凌是全球首家采用 12 寸薄晶圓技術制造汽車功率器件的廠商。
新材料方面，由于硅工藝在九百伏左右就遭遇天花板，基于 GaN 和 SiC 等寬禁帶材料的功率器件逐漸實現實用化，功率轉換性能大幅提高。
英飛凌、三菱等功率器件主流廠商通常采用從芯片到模塊系統垂直整合模式，競爭優(yōu)勢顯著。
我國在功率器件關鍵產品國產化和產業(yè)鏈協同方面實現重大突破。在關鍵產品國產化方面，中車與上海先進聯合推出國內首個具有完全知識產權的高鐵機車 IGBT 芯片。華潤上華和華虹基于 8 英寸 IGBT 芯片進入量產階段。在產業(yè)鏈協同方面，上海先進與比亞迪等企業(yè)成立產業(yè)聯盟，共同研發(fā)新能源汽車功率器件。
然而我國功率器件在技術、資金和市場方面仍存在壁壘。技術方面，國內外功率器件技術差距至少 5 年以上。資金方面，功率器件開發(fā)周期較長，生產設備投資巨大。市場方面，國內功率器件難以獲得汽車電子產品認證，汽車功率器件仍依賴國外進口。
2017-12-27 科米羅新能源
