從汽車芯片短缺開始說起

這幾年，隨著中國的制造業(yè)遭遇各種芯片供應(yīng)的危機，使得芯片的供應(yīng)安全成為高科技行業(yè)發(fā)展的重要因素。而從2020年突如其來的新冠肺炎疫情，對汽車產(chǎn)量和預(yù)期的巨幅波動，給全球汽車供應(yīng)鏈帶來很大的擾動。一個突出的問題是，隨著汽車往四化發(fā)展，汽車電子部件越來越重要，在中國的芯片供應(yīng)的長期性和穩(wěn)定性如何保證。

第一部分 汽車芯片供應(yīng)鏈問題汽車的產(chǎn)量波動，是非常大的，如下圖所示，由于年初疫情打斷了整體的生產(chǎn)和銷售節(jié)奏，所以使得主要的汽車企業(yè)都向零部件企業(yè)削減了訂單，隨著年底全球所有地區(qū)的汽車車企的產(chǎn)量增長都快于市場的預(yù)期，汽車半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)周期（交貨期6-9個月）就很難跟上這個需求的節(jié)奏。這就使得全球主要的汽車企業(yè)都面臨了芯片的短缺。

圖1 全球乘用車的生產(chǎn)變化

這個事情在全球范圍內(nèi)存在，大眾汽車在2021年第一季度在歐洲，北美和中國的工廠減少生產(chǎn)10萬臺汽車；日產(chǎn)也將被迫減產(chǎn)從1月份最暢銷的Note轎車，而本田將在未來幾個月內(nèi)削減數(shù)款車型的產(chǎn)量。福特汽車由于半導(dǎo)體芯片的短缺，其位于美國肯塔基州一家工廠的生產(chǎn)線陷入了全面停產(chǎn)的狀態(tài)。雷諾汽車公司，戴姆勒汽車公司和通用汽車公司也都在為迫在眉睫的芯片短缺而努力。

在中國1月中旬，中汽協(xié)會數(shù)據(jù)顯示15家重點企業(yè)汽車產(chǎn)量完成52.3萬輛，同比下降27.4%。其中，乘用車產(chǎn)量完成43.6萬輛，同比下降29.3%；商用車產(chǎn)量完成了8.7萬輛，同比下降16%。在中國，芯片供應(yīng)緊張問題將在影響我國汽車產(chǎn)業(yè)運行的穩(wěn)定性。汽車芯片短缺將會對中國整個汽車行業(yè)產(chǎn)生影響，‘保供’一直是去年乃至之后一段時間的車企熱詞。從這個意義上來看，芯片短缺是一個周期性問題，但是對于中國的汽車行業(yè)來看，隨著波動和長期發(fā)展考慮，在中國考慮供應(yīng)商的延伸安全，是一個很重要的事情。在1月份，國內(nèi)的車企代表上汽通用五菱首先提出，將迅速拉動中心各部門資源，建立TDC芯片國產(chǎn)化工作小組，以保證公司各項目產(chǎn)能不受供應(yīng)商影響。

第二部分 汽車芯片2019年全球汽車芯片市場規(guī)模約為475億美元（約合人民幣3076億元），在這個里面按照用途分類主要包括在微處理器（MCU和SOC）占比達30%，其次是模擬電路，占比為29%，傳感器和邏輯電路占比分別為17%和10%。而中國自產(chǎn)的汽車芯片規(guī)模不到150億元，只占全球產(chǎn)能的4.5%，關(guān)鍵零部件如MCU等進口度超過80%-90%。2018年按照收入來分類，全球前十大汽車芯片企業(yè)都在國外。

我們以汽車電子里面的MCU為例來展開做一些敘述， MCU微控制器是把中央處理器、內(nèi)存、閃存、計數(shù) 器、A/D 轉(zhuǎn)換、串口等周邊接口都整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應(yīng)用場合做不同控制功能。MCU 廣泛應(yīng)用于各類電子設(shè)備中，如手機、PC 外設(shè)、各類家電、 遙控器，至汽車電子、工業(yè)上的步進馬達、機器手臂的控制等，廣泛應(yīng)用于智能家居、消費電子、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。汽車?yán)锩鎽?yīng)用量很大，所以目前MCU的第一大市場應(yīng)用領(lǐng)域是汽車電子方向。

從全行業(yè)來看，在 MCU 芯片技術(shù)領(lǐng)域，低端 MCU 產(chǎn)品如 4 位、8 位、16 位 MCU 國內(nèi)自給率較高，中高端 MCU 市場則主要被意法半導(dǎo)體、恩智浦、瑞薩、英飛凌、微芯科技等國外大廠壟斷。國際領(lǐng)先MCU 產(chǎn)品能滿足汽車類、工控類、消費類的產(chǎn)品性能 技術(shù)指標(biāo)要求。與進口品牌相比，本土 MCU 廠商體量仍小，目前在一些要求較低的門類里面比較多。

第三部分 國產(chǎn)汽車類MCU的滲透難點  

在汽車電子芯片領(lǐng)域，MCU的應(yīng)用范圍從車身動力總成，到車身控制、信息娛樂、輔助駕駛，從發(fā)動機控制單元，到雨刷、車窗、電動座椅、空調(diào)等控制單元，汽車電子是無法離開MCU存在的，MCU也是汽車軟件的載體，每輛車至少需要使用70顆以上的MCU芯片。

1）車規(guī)級MCU的基本要求汽車領(lǐng)域產(chǎn)品高可靠、高安全的特性，車規(guī)級MCU本身的可靠性、一致性、穩(wěn)定性、工作溫度范圍等有近乎嚴(yán)苛的要求，以保障汽車在不同工況下的運行安全。產(chǎn)品必須滿足一系列的汽車電子標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范才能推向市場。為此，國際汽車電子協(xié)會對車規(guī)MCU推出以下三種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以確保汽車電子產(chǎn)品的安全運行。AEC-Q100可靠性標(biāo)準(zhǔn)；符合零失效(Zero Defect)的供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)IATF 16949規(guī)范；符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的ASIL功能安全保證級別。

2）汽車MCU的開發(fā)環(huán)境目前汽車電子里面普遍導(dǎo)入了功能安全要求和軟件管理的內(nèi)容，這就使得MCU一方面需要具有很好的汽車軟件工具，幫助Tier1和Tier2供應(yīng)商簡化和縮短構(gòu)建ECU所需的時間，這些包括運行時嵌入式軟件、與MATLAB/Simulink®兼容的工具箱、各種驅(qū)動程序、庫、堆棧和啟動程序軟件， 還包括MCU初始化工具，支持AUTOSAR微控制器抽象層（MCAL）和操作系統(tǒng)（OS）自動生成代碼。更重要的是，由于現(xiàn)有的汽車企業(yè)和國際Tier1具備全球統(tǒng)一的需求和部署，先天就排除了不少后來者的門路。國內(nèi)的MCU企業(yè)只能從國內(nèi)Tier1或者Tier2入手，從對ECU控制約束較少的自主品牌開始。從目前來看，類似五菱這樣的企業(yè)推行芯片國產(chǎn)化是一個很大的契機。

第四部分 國內(nèi)汽車MCU企業(yè)成長路徑從目前的切入點來看，國內(nèi)企業(yè)在MCU的切入情況，主要分為兩類，一類是基于汽車電子市場8位MCU的導(dǎo)入，8位MCU作為較為簡單的微控制器，在汽車ECU部件上通常作為末端控制存在；例如，車燈，雨刷，門窗，開關(guān)，空調(diào)面板/電源；啟停器，調(diào)壓器，以及座椅控制等末端控制ECU；在這些ECU中，目前在大量使用的是Mircochip和NXP的產(chǎn)品，由于很多簡單的控制器，所需要的MCU本身資源并不大，也沒有太強的符合ASIL的功能安全等級；只是符合AEC-Q100的認證；在汽車領(lǐng)域能夠廣泛使用更多的是品牌影響力和長時間的量產(chǎn)驗證并獲得了行業(yè)的認可。

ChipON于2009年推出的第一代產(chǎn)品就定義成“汽車級”；從2012年起進入汽車后裝市場并實現(xiàn)量產(chǎn)，是國內(nèi)率先推出8位的車規(guī)MCU，當(dāng)然這個領(lǐng)域企業(yè)關(guān)注并不多。

32位MCU在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，更多的應(yīng)用在節(jié)點控制及功能稍微復(fù)雜或者功能安全有強要求的ECU；隨著部分功能的需求提升，部分使用8位MCU的末端ECU為了提升用戶的體驗感和豐富功能，也進行了MCU的處理性能升級，升級到了32位MCU；例如座椅；如果單純的3電機6相控制，單純實現(xiàn)功能8位就可以滿足，但是為了增加體驗感，例如增加記憶、通風(fēng)加熱、增加診斷和bootloader功能，原來的8位不夠了，進而升級到32位MCU；如果從是否需要功能安全劃分則可以分為非功能安全和ASIL-B及ASIL-D三種應(yīng)用類別。

非功能安全的部件更多來源于車身控制和車載ECU，例如座椅，空調(diào)面板，照明燈控，Tbox,OBC，車載無線充，車載顯示屏協(xié)控制器等。這部分有的KEA系列32位MCU，瑞薩傳統(tǒng)系列的MCU，也有采用S32K1系列的具備ASIL-B功能安全等級的MCU。ASIL-B等級的功能安全應(yīng)用更多的是汽車車身控制，例如，BCM、空調(diào)電源、電源管理等；有時候非功能安全和ASIL-B的應(yīng)用場景會稍微有交叉，主要看主機廠是如何做的規(guī)定。目前可以提供真正ASIL-B等級的MCU品牌廠家不多，主要是NXP的MCU。ASIL-D功能安全的應(yīng)用就屬于強功能安全應(yīng)用；從汽車安全氣囊、剎車制動ABS;ESP；電驅(qū)動；電池包BMS、變速箱和三電系統(tǒng)（VCU，MCU，BMS）；能夠提供D等級的MCU廠家主要有英飛凌和瑞薩及NXP；在國內(nèi)真正能可靠導(dǎo)入的，主要落實在按照ASIL-B等級的要求進行設(shè)計，還需要時間通過功能安全認證，在這個領(lǐng)域是需要依靠比較長的時間積累的。ChipON作為國內(nèi)較早布局汽車芯片的供應(yīng)商，已向難度更大的32位車規(guī)級MCU 躍進，經(jīng)過多年的積累，基于KungFu32內(nèi)核的32位MCU于2019年實現(xiàn)量產(chǎn)，目前已經(jīng)實現(xiàn)KF32A140、KF32A141、KF32A150、KF32A151、KF32A152、KF32A250等多種型號汽車級MCU推向市場。KF32A系列汽車級MCU主要有以下的特性。滿足AEC-Q100汽車質(zhì)量認證標(biāo)準(zhǔn) ：Grade 1級溫度范圍（-40~125℃）；可靠性：ECC Flash/RAM；雙看門狗設(shè)計ESD:8KV(HBM)高性能：UP TO 120Mhz主頻；150DMIPS運算能力， UP TO 512KB ECC Flash；高集成度：6路CAN2.0接口，速率可達1Mbit/S; 4路LIN接口；集成ADC/DAC/PWM/ECCP/PGA/CMP/ USB/LCD/Touch等外設(shè)資源。芯片安全性:Flash可編程權(quán)限操作;內(nèi)置AES128硬件加解密;內(nèi)置硬件可變位數(shù)的CRC32校驗單元。

2021年 3月 10日，芯旺微公告完成 B 輪融資，交易金額 3億元，由老股東中芯聚源、上汽恒旭、超越摩爾、硅港資本繼續(xù)投資，同時引入汽車產(chǎn)業(yè)鏈公司萬向錢潮和三花，整合汽車上下游產(chǎn)業(yè)鏈資源，提高市場競爭力。資金將主要用于車規(guī)芯片的研發(fā)，包括滿足ASIL-D等級應(yīng)用于汽車發(fā)動機和域控制器的多核MCU產(chǎn)品，以及射頻、以太網(wǎng)和總線類車規(guī)產(chǎn)品。

近日，芯旺微電子在廣州國際汽車技術(shù)展上重磅推出了應(yīng)用于車身控制的32位MCU KF32A156，擁有512KB Flash、64KB RAM，最重要的是支持2路CANFD，同時工作范圍達到了Grade 1（-40～+125℃）車規(guī)等級，KF32A156量產(chǎn)后將使芯旺微的產(chǎn)品從現(xiàn)有MCU覆蓋30%車身控制單元模塊擴展到70%的范圍。今年下半年還將繼續(xù)發(fā)布多款更高資源的汽車級32位MCU，以全面對標(biāo)國際品牌，真正解決汽車電子關(guān)鍵應(yīng)用、需要更高功能安全等級的應(yīng)用場景的缺芯少芯問題。

小結(jié)：MCU市場本身是橫跨多個應(yīng)用場景的產(chǎn)品，在中國車用MCU市場，由于時間比較短，延續(xù)之前Tier 1的慣性，加上門檻高、周期長、安全性強、中國芯片廠商入局晚等特點，所以缺乏中國半導(dǎo)體廠商的身影。隨著汽車電子供應(yīng)鏈的安全考慮，車用也給了中國MCU廠商的入局的機會。