大众汽车“芯片荒”,折射汽车芯片的漫漫“自主替代”路

汽车芯片供应链到底出了哪些问题?汽车芯片产业的现状和特点是什么?我国在汽车芯片自主替代上面有哪些机会?

2020年,地球在“感冒”,全世界跟着一起发烧。现在新冠疫情所引发的产业震荡的涟漪,再一次烧到了汽车行业,而这一次的问题则是“芯片荒”。12月初,很多人都注意到这样一条消息:上汽大众和一汽大众的部分车型产线面临停产风险,其主要原因就是某些汽车芯片的供应短缺。

大众汽车“芯片荒”,折射汽车芯片的漫漫“自主替代”路

目前,短缺汽车芯片的元件主要是ESP(电子稳定程序系统)和ECU(发动机控制器)这两个模块。没有这些关键零部件,汽车整车就没有办法组装下线,而提供这两大芯片模块的主要是全球两大Tier1供应商的大陆和博世集团,现在为他们供货的汽车半导体芯片上游厂商正在遭遇产能不足的问题。

根据大陆集团的回复,尽管这些半导体厂商已经在大力扩充产能,但新增产能要在接下来6-9个月内才能补上。

最近一年,我们频繁看到关于芯片产业争端的相关新闻,但大多是围绕着手机CPU、显卡GPU这些消费类电子芯片展开,很难预料到汽车产业也会面临这种“缺芯”困境。也许很多人可能会疑惑说:高端手机芯片我们生产不了,难道汽车芯片我们也造不出来吗?

在回答这个问题之前,我们还是得看看这一回汽车芯片供应链到底出了哪些问题?汽车芯片产业的现状和特点是什么?我国在汽车芯片自主替代上面有哪些机会?

计划没赶上变化:“芯片荒”是如何出现的?

想要了解汽车产业“芯片荒”的真相,可能先要回答这一问题:“为什么这些厂商要花6-9个月时间才能追赶上短缺的芯片产能?”

因为造成当前短缺的源头就在于半年多前的新冠疫情在全球爆发之际,生产这些关键模块的汽车半导体芯片厂商根据当时的悲观市场预期做出了相应的减产计划,而因为生产备货周期正好就是半年到一年之间的缘故,所以当时的减产计划现在开始发挥作用,并且短缺将一直延续到明年的一季度。

当时,新冠疫情开始在全球蔓延,汽车芯片行业用了“至暗时刻”来形容整个产业受到的冲击。而此前的2019年,全球包括轻型商用车在内的汽车销售下降5.6%至8140万辆,传递到汽车半导体市场,其业绩增长也下降了2.7%至384亿美元。

汽车市场的不景气,叠加新冠疫情的来势汹汹,造成了第一季度汽车销售的大幅下滑,使得整个汽车产业对于2020年的预期也大幅下调。“与2019年相比,今年有可能下降25%”,这是Strategy Analytics公司一位产业分析师在当时的估计。

紧接着,全球汽车制造厂商的大面积停产,更加坚定了汽车半导体厂商的悲观预期,因此,恩智浦、英飞凌、瑞萨、意法半导体ST等纷纷下调了后半年的车用半导体芯片和元器件的生产计划,同时也放缓了投资扩张的进度。

另外一个意想不到的因素是,因为疫情造成的居家隔离和在线办公,全球的消费电子如电脑、平板和手机的需求大规模增长,从而也抢占了半导体产业更上游的晶圆产能。汽车芯片让出来的晶圆产能自然也就被消费电子的芯片厂商抢了过去,从而导致汽车芯片的交付周期再度被延长。此外,还有新冠感染导致的产线停工、意法半导体的工人罢工等因素叠加,导致一些型号的MCU和传感器等元件供应更为紧张。

大众汽车“芯片荒”,折射汽车芯片的漫漫“自主替代”路

但是这些机构和厂商没有预料到的是,中国不仅很快控制住了疫情,而且汽车销量在下半年开始强势恢复。有数据显示,今年前十一个月,中国汽车销量突破 2200 万台,与去年同期相比仅下滑3个百分点。

由于芯片供货周期的滞后性,现在汽车生产所需要的零部件正是在疫情严重时下的订单,而当时对未来销量悲观的预估,导致订单量不足,半导体厂商也同时下调了生产计划,导致产能不足。而国内众多汽车厂商其实已经早已注意到了芯片产能危机的问题,开始了提前囤货,也导致了如今一些销量庞大的车企“有心造车,无芯可用”的局面。

最近,恩智浦、英飞凌、瑞萨电子以及台湾的MCU厂商都纷纷发布涨价函,宣布提价。而日本一家高端车载芯片厂商AKM在其工厂发生火灾后,其产品线价格都出现大幅上涨,某些紧缺芯片甚至出现60-80倍的涨幅。

因此,原本预期悲观的半导体厂商将成为这次疫情影响下的最终赢家,不仅能够获得更多营收,还带动了二级市场的追捧,市值也迎来了显著增长。

在2020年下半程,中国市场需求的强劲复苏带动了全球半导体产业的复苏,然而因为汽车芯片产业回暖,最终受益的还是这些国外的汽车芯片巨头。

格局稳定、门槛高企:当下的汽车芯片产业现状

为什么我们国内的汽车大厂必须严重依赖这些国外的Tier1供应商和汽车芯片厂商呢?

这就要从整个汽车芯片产业的特点和产业的格局来回答这一问题了。

随着汽车智能化程度的提升,汽车芯片正在从原先占比不到整车成本的1%,上升到如今的35%左右,预计到2030年将增加到50%,一个以智能硬件为基础、软件定义汽车的时代正在到来。

智能汽车的发展推动了汽车芯片全球市场的快速增长。以2019年为例,全球汽车芯片产业中欧洲汽车芯片产值达到150.88亿美元,占比36.79%,位居第一,美国达133.87亿美元,占比32.64%,日本达106.77亿美元,占比26.03%。而中国汽车芯片实现的收入仅为10亿美元左右,占比不到3%,差距可谓相差悬殊。

一个事实就是,中国目前生产了全球三分之一的汽车,但整车制造中95%的前装芯片依赖进口,80%的后装超过依赖进口,其中动力系统、底盘控制和ADAS等关键芯片均被国外巨头垄断。

大众汽车“芯片荒”,折射汽车芯片的漫漫“自主替代”路

目前,在汽车芯片关键元器件上占据优势的厂商,仍然以欧洲的恩智浦、英飞凌、意法半导体,以及日本的瑞萨、美国德州仪器这些传统汽车芯片巨头为主。2019年,恩智浦、英飞凌、瑞萨、德州仪器和意法半导体仍保持在汽车芯片厂商的前5名,这五家占比合计达到全球市场份额50%。

汽车芯片产业的市场规模,与消费电子芯片产业相比,虽然并不是很大,但其进入的门槛却并不低。究其原因在于,相较于消费级电子芯片,汽车芯片对于可靠性和安全性和长效性上的要求更高,我国自主替代的难度也就更大。

第一,相比较消费类芯片,汽车芯片所处的应用环境更加恶劣,汽车芯片所要达到的极端环境要求的性能可靠性要求更高。

第二,因为涉及汽车的驾驶安全,汽车芯片对于运行稳定性要求极高,抗干扰性能也非常高,在运行中不允许出现任何失误。

第三,一辆汽车的设计寿命都在15年或50万公里左右,远远高于消费电子的寿命时长,因此对于汽车芯片的设计使用寿命的要求也更长,故障率更低。其中零公里故障率是考验汽车厂商的核心指标,汽车厂商对于芯片故障率的基本要求是在PPM(百万分之一)级别,大部分要达到PPB(十亿分之一)级别,而消费类芯片故障率要求仅为百万分之两百。

第四,车规级芯片还要在大规模量产时保证产品的一致性,对于良品率控制和产品溯源管理要求都非常高。

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最后,汽车芯片要有长期有效的供货周期,供应链可靠稳定,才能全生命周期地支持整车厂的供应链需求。换句话说,就是整车厂对于芯片厂商的替换成本极高,合作周期长,不会轻易替换传统的汽车芯片供应商。

所以,新进入汽车芯片研发和生产的厂商,既要在技术上跨越车规级芯片标准的要求,也要在良率、成本控制和能耗等因素上做好优化控制,最终还要在供应链稳定性和可量产规模等方面赢得整车厂商的认可。

因此,在汽车的主控芯片(ECU、IGBT等)领域,老牌汽车芯片巨头将在未来持续保持其领先优势。面对汽车芯片产业如此高标准和高进入门槛,以及早已形成的全球产业链结构,汽车芯片的新入场者必须有足够的耐心和充足的资金,以及新的产业机会,才可能冲破这些行业壁垒。

智能汽车时代到来,自主替代的一次追赶机会

虽然现在汽车芯片产业的主要市场掌握在少数这几家老牌半导体厂商手中,但是随着汽车电动化和智能化趋势的出现,越来越多的半导体厂商正在加入到汽车芯片的赛道当中,同时,传统汽车厂商、造成新势力们以及Tier1供应商们也都纷纷开始尝试自研芯片或者与芯片厂商合作联合研制。汽车芯片产业正在迎来一场变革的机会。

比如,像英特尔、高通、英伟达等消费类电子芯片领域的巨头,正在纷纷涉足车载芯片以及自动驾驶芯片的开发。英特尔通过收购Mobileye公司,已经进入汽车的自动驾驶芯片市场,其推出的EyeQ芯片已经应用到全球5000万辆汽车上面。英伟达在去年推出的自动驾驶Orin芯片,可以覆盖从L2到L5级的完全自动驾驶汽车的开发,2022年将开始量产。

也许是受到特斯拉自研的高级别自动驾驶FSD芯片的启发和刺激,众多整车厂都在以投资和合作研发的方式进入汽车芯片领域,而国际芯片厂商也愿意主动寻求也主机厂合作的机会。比如宝马投资了AI芯片创业公司Graphcore,奥迪和三星合作,共同研发其自动驾驶所需要的Exynos芯片等。

而作为“中间商”的Tier1供应商,面对上下游厂商这种“眉来眼去”的直接合作态势,也开始向上游智能驾驶芯片及关键元件的研发上。比如,博世研发了自动驾驶所需的包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达等全部的传感器,其中成为全球毫米波雷达最大的供应商。另外,博世在MEMS、功率半导体、碳化硅MOSFET芯片技术领域也有领先布局。

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这一轮汽车智能化的变革,有一个核心特征就是强调“软件定义汽车”,也就是通过少数核心智能驾驶芯片Soc来替代原本的汽车电子电气的芯片架构,尽可能将硬件的控制交由软件来控制。比如,大众此前就宣布,要将每辆大众汽车的ECU数量从原来的70个减少到3个,然后自己开发所有的软件。

这一趋势意味着整车厂对原初汽车供应链的依赖程度将极大降低,而是更为看重高端高性能芯片以及建立其上的软件系统平台所发挥的作用。这对于我国的汽车芯片产业来说,抓住这次汽车智能化变革的契机,从智能驾驶芯片和相关元件发力,做到一定程度的自主化替代,也同样是有机会的。

大众汽车“芯片荒”,折射汽车芯片的漫漫“自主替代”路

在自动驾驶的大趋势下,国内正在涌现出一批智能驾驶汽车芯片的厂商,包括地平线、芯驰科技、黑芝麻、华为等,而且已经陆续有一批国产车规级芯片问世。

比如,去年8月,地平线发布了中国首款车规级AI芯片——征程二代Journey 2,在今年的CES上,地平线正式发布了其Matrix2自动驾驶计算平台,目前已能够支持 L2至L4 等不同级别自动驾驶的解决方案。

今年5月,芯驰科技对外发布三款车规级芯片——X9、V9、G9,提供针对汽车的协同一体化解决方案,包括智能座舱、智能驾驶、中央网关三大应用,预计明年可以正式商用。

黑芝麻科技在6月份推出的华山二号芯片,采用的是台积电16nm制程,支持车规级AEC-Q100标准和支持多项传感器,是国内能够量产满足L3、L4级别自动驾驶的高性能车规级SoC。

华为也在今年9月推出了智能驾驶计算平台MDC 610,作为一款面向L3、L4级别自动驾驶的全新一代MDC,最近刚刚通过ASIL D级功能安全评估,在安全性上能够满足车规级安全要求。

对于中国的整车厂商和汽车芯片企业来说,直接切入到智能驾驶芯片的增量赛道,不用在传统赛道上和老牌巨头进行拼体力、拼时间的死磕,正是我们进行自主研发替代的一次追赶机会。

另外一个特征是在制作工艺上,传统汽车芯片厂商都是采用自家工艺的IDM模式,其工艺较消费类电子落后好几代制程,因此他们在开发先进的自动驾驶芯片上也必须开始采用代工厂Foundry模式。这使得我们在汽车芯片的生产上,不必要过分追求先进制程的工艺要求,在当下美国对我国的芯片禁令的背景下,让我们仍然有机会在芯片的生产制造上,跟这些传统大厂站在同一起跑线上了。

大众汽车“芯片荒”,折射汽车芯片的漫漫“自主替代”路

我们当然也要清醒地认识到,我国在车载芯片上的布局才刚刚开始。除了自动驾驶芯片的弯道超车,我们仍然需要在车规级主控芯片、功率芯片和传感器的制造上长期投入,持续发力,同时在可靠性、安全性、量产交付等整体能力上与整车厂商建立起稳定的合作生态。

所谓“远水解不了近渴”,现在国产芯片自主替代的尝试自然不可能在短期内解决汽车厂商的进口芯片依赖问题。不过,现在由于这一次“芯片荒”的出现,更加印证了我国要在汽车芯片产业上实现自主替代和超越的紧迫性。

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