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百年汽車行業(yè)正在經歷大變革時代，汽車向電動化、智能化轉化是大勢所趨，根據海思在2021中國汽車半導體產業(yè)大會發(fā)布的數據，預計2027年汽車半導體市場總額將接近1000億美元。而我國作為汽車制造大國，同樣對汽車半導體需求旺盛，預計到2025年市場總額將達到137億美元。
展望未來，功能集中已然成為汽車芯片行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。隨著汽車進入了電動化+智能網聯的時代，新能源、智能化、自動駕駛四個領域趨勢帶來了新的半導體需求，也為國內新進芯片企業(yè)進入汽車領域帶來全新的產業(yè)機遇。
01 何為車規(guī)級芯片
“車規(guī)”的關注度，正變得越來越高，但何為真正意義上的車規(guī)級芯片？市場聲音仍有些嘈雜，有的廠商通過AEC-Q100認證就聲稱達到車規(guī)級，有的認為還需要通過ISO 26262認證。還有廠商宣稱自己通過了相關認證，但實際測試過程中，表現卻不達標，又是什么原因？
相對于其他消費級工業(yè)電子元件，汽車電子元件需要面對更苛刻的外部工作環(huán)境，使用壽命要求更長，可靠性和安全性要求更高。
“車規(guī)認證”即是針對這些使用場景特點，對汽車芯片的生產流程和產品設定了相關認證要求，滿足所有要求，才能通過“車規(guī)認證”。而車規(guī)級芯片，是指完全滿足所有“車規(guī)認證”要求，并通過第三方認證機構認證的汽車芯片。
那么，真正的車規(guī)級芯片到底要經過哪些相應的認證？具體的指標和維度有哪些？目前，業(yè)界較為通用的芯片車規(guī)認證標準主要有可靠性標準AEC-Q系列、功能安全標準ISO 26262。一般通過這兩項標準的認定，才能稱為“車規(guī)級芯片”。
- AEC-Q100：芯片前裝上車的“基本門檻”
AEC-Q系列是主要針對可靠性評估的規(guī)范，詳細規(guī)定了一系列的汽車電子可靠性測試標準
其中，業(yè)內普遍熟知的AEC-Q100是基于失效機理的集成電路應力測試鑒定，是適用于車用芯片的綜合可靠性測試，也是汽車行業(yè)零部件供應商生產的重要指南
通過AEC-Q100測試，能夠保障芯片長期可靠能用，即不損壞
通過AEC-Q100可靠性認證試驗條件，需要多輪驗證且過程中更多側重多方協作（晶圓廠、封測廠等產業(yè)鏈企業(yè)的配合），周期一般比較長
- ISO 26262：汽車供應鏈的“準入門票”
ISO 26262則是全面規(guī)范汽車零部件以及芯片功能安全的基本規(guī)則。功能安全強調的是保障功能正常，不會出現突發(fā)問題，能夠正常報警、安全執(zhí)行，是能力層面的保障
業(yè)內對于功能安全的認證較多使用ISO 26262《道路車輛功能安全》國際標準。所以通過這一標準的認證，也已成為時下汽車供應鏈廠商們的準入規(guī)則
ISO 26262除了關注控制隨機硬件失效外，還關注避免系統性失效的發(fā)生
ISO 26262功能安全認證分為功能安全流程認證和功能安全產品認證
綜合來看，真正的車規(guī)級芯片一般需要通過可靠性測試認證+功能安全流程認證+功能安全產品認證，才能算完全滿足車規(guī)認證中的所有要求，才算是“車規(guī)級芯片”。
車規(guī)芯片和消費芯片有幾個顯著的區(qū)別：
- 設計目標不同：消費類芯片主要考慮性能、功耗和成本（PPA）；車規(guī)芯片還會綜合考慮可靠性、安全性、一致性和長效性
- 工作環(huán)境不同：消費類芯片一般滿足0-70℃環(huán)境溫度，而車規(guī)芯片要滿足-40-105℃的使用溫度要求
- 設計壽命不同：消費類產品一般不超過5年；汽車設計壽命是10-15年，汽車芯片壽命也要按此設計
02 汽車芯片行業(yè)概況
汽車芯片的分類
汽車芯片是指用于車體汽車電子控制裝置和車載汽車電子控制裝置的半導體產品，大致可以分為如下五大類：
詳細參見鏈接：從車芯第一股看中國車規(guī)級芯片版圖
相對于消費級和工業(yè)級半導體，車規(guī)級半導體對產品的可靠性、一致性、安全性、穩(wěn)定性和長效性等要求都有更嚴格的標準。
我國汽車芯片行業(yè)的發(fā)展歷程
我國的汽車芯片行業(yè)發(fā)展主要分了四個階段：
- 第一階段（1970年以前），主要以傳統車載音響喇叭及點火裝置為主
- 第二階段（1970-1980年），主要以動力及制動系統為主，涉及ABS、EPS等等
- 第三階段（1980-1990年）主要以胎壓監(jiān)測、ESC、道路監(jiān)測等主動安全產品
- 第四階段（2000年-至今），涉及越來越多駕駛輔助、智能座艙、新能源等系統
與國外相比，我國車規(guī)級半導體國產化率較低，為了促進汽車半導體產業(yè)的快速發(fā)展，彌補國內相關產業(yè)的不足，近些年，我國發(fā)布了一系列關于汽車半導體的政策法規(guī)，支持汽車半導體行業(yè)不斷完善產業(yè)鏈，持續(xù)實現技術突破。
在汽車電動化、智能化和網聯化三大趨勢驅動之下，當前汽車內半導體含量大幅提升。汽車的智能化、網聯化帶來的新型器件需求主要在感知層和決策層，包括攝像頭、雷達、IMU/GPS、V2X、ECU等，直接拉動各類傳感器芯片和計算芯片的增長。
汽車電動化對執(zhí)行層中動力、制動、轉向、變速等系統的影響更為直接，其對功率半導體、執(zhí)行器的需求相比傳統燃油車增長明顯。
受益于汽車三化的趨勢，整車芯片的價值量將不斷攀升。根據海思在2021中國汽車半導體產業(yè)大會發(fā)布的數據，預計2030年汽車電子在汽車總成本中的占比會達到50%。
不僅是芯片價值量有所提升，數量同樣有所增加。根據中國汽車工業(yè)協會數據顯示，傳統燃油車所需汽車芯片數量為600-700顆，電動車所需的汽車芯片數量將提升至1600顆/輛，而更高級的智能汽車對芯片的需求量將有望提升至3000顆/輛。
汽車智能化趨勢驅動單車芯片價值提升
智能化程度已經成為消費者心中評判新能源汽車吸引力的核心指標之一。iResearch預計2025年中國智能駕駛汽車產銷量超過2000萬臺，其中L2+/L3數量將超過半數。而自動駕駛級別越高，車輛所需處理與儲存的信息量也越多，從而進一步提升了傳感器、主控芯片、存儲芯片、功率半導體等的搭載量。
電氣化架構推動芯片性能轉變
隨著消費者對汽車經濟性、安全性、舒適性、娛樂性等需求的提升，分布式電子電氣架構已無法滿足未來更高車載計算能力的需求。
不僅如此，電動智能化進一步推動了電子控制器的數量，隨著車內ECU、傳感器數量增加，整車線束成本和布線難度也跟著大幅提升。
因此無論是對更強大的算力部署、更高的信號傳輸效率需求，還是出于車身減重和成本控制的考量，都要求汽車電子電氣的硬件架構從傳統分布式朝著“集中式、輕量精簡、可拓展”的方向轉變。
03 汽車芯片產業(yè)鏈剖析
汽車芯片的產業(yè)鏈中：
- 下游包含了汽車車載系統制造、車用儀表制造以及整車制造環(huán)節(jié)
上游：半導體材料和設備是產業(yè)鏈基石
半導體材料和設備是半導體產業(yè)鏈的基石。在國家鼓勵半導體材料國產化的政策導向下，本土半導體材料廠商不斷提升半導體產品技術水平和研發(fā)能力，逐漸打破了國外半導體廠商的壟斷格局。中國半導體材料市場規(guī)模逐年增長，預計2022年中國半導體材料市場規(guī)模將達127億美元。
而硅晶圓作為制造芯片的基本材料，在產業(yè)中同樣扮演著舉足輕重的地位。預計2022年，我國晶圓制造行業(yè)市場規(guī)模將超3000億元的市場規(guī)模。同時，芯片設計行業(yè)已經成為國內半導體產業(yè)中最具發(fā)展活力的領域之一，預計2022年，市場規(guī)模將達4765.2億元。
中游：汽車芯片制造為重要一環(huán)
從市場規(guī)模來看，在汽車電動化、智能化、網聯化的影響下，汽車芯片市場整體呈現增長趨勢。
根據海思在2021中國汽車半導體產業(yè)大會發(fā)布的數據，2021年全球汽車半導體市場約為505億美元，預計2027年汽車半導體市場總額將接近1000億美元，2022-2027年增速保持在30%以上。
我國作為汽車制造大國，對汽車半導體需求旺盛，預計到2025年將達到137億美元，年均復合增長率達3.03%。
根據Strategy Analytics數據，在傳統燃油車中，MCU價值占比最高，達到23%；其次為功率半導體，達到21%；傳感器排名第三，占比為13%。
而在純電動車型中，由于動力系統由內燃機過渡為電驅動系統，傳統機械結構的動力系統被電動機和電控系統取代，致使功率半導體使用量大幅提升，占比達到55%，其次為MCU，達到11%；傳感器占比為7%。
下游：新能源車發(fā)展勢頭強勁
2021年以來我國新能源車滲透率持續(xù)走高，2022年1-7月，新能源汽車產銷分別為327.9萬輛和319.4萬輛，同比均增長1.2倍，市場占有率為22.1%。在汽車電動化趨勢日漸明確的背景下，新能源汽車銷量持續(xù)增長，滲透率不斷提高，將持續(xù)打開汽車芯片的增長空間。
MCU：汽車ECU核心
MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，也被稱為單片機，是將計算機所包含的CPU、存儲器、I/O 端口、串行口、定時器、中斷系統、特殊功能寄存器等集成在一顆芯片上，將其應用在不同產品里，從而實現對產品的運算和控制。車載MCU是汽車電子控制單元（ECU）的核心部件，負責各種信息的運算處理，主要用于車身控制、駕駛控制、信息娛樂和駕駛輔助系統。
汽車電子化程度的加速驅動MCU市場需求的增長，汽車端成為全球MCU最大的應用市場。通常汽車中一個ECU負責一個單獨的功能，配備一顆MCU，也會出現一個ECU配備兩顆MCU的情況，而與傳統燃油車相比，新能源車豐富功能提高，對MUC性能、功耗、數量的需求都有所提升。
車載MCU分類及應用
車載MCU可分為8位、16位及32位。車載MCU位數越多對應結構越復雜，處理能力越強，可實現的功能越多。
從不同位數MCU規(guī)模占比來看，32位MCU憑借優(yōu)異的性能及逐步降低的成本占據主導地位，銷售額占比已經從2010年的38.11%提升2021年的65.83%，未來隨著汽車電子電控功能的日趨復雜，疊加電子電氣架構集中化的趨勢，車載MCU中32位占比有望進一步提高，從而帶動行業(yè)整體ASP提升。
04 現狀與趨勢
從全球市場競爭格局來看，國際廠商在車規(guī)級半導體領域中占據領先地位，車規(guī)級半導體國產化率較低。根據Omdia統計，2020年全球前五大廠商包括英飛凌、恩智、瑞薩、德州儀器、意法半導體，前25強中聞泰科技名列第19位，是中國唯一一家上榜的公司。
從國內競爭來看，近年來，外部收購、成熟企業(yè)布局車規(guī)半導體業(yè)務、以及新興領域創(chuàng)業(yè)，成為目前支撐我國汽車半導體發(fā)展的主要路徑。2019年，聞泰科技收購安世半導體一舉成為國內最大的汽車半導體公司。
國內重點龍頭公司
車規(guī)級半導體自主率低
從各細分領域來看，由于設計、生產等方面的技術差距較大，至今我國未形成具備國際競爭力的汽車芯片供應商，不僅在汽車芯片領域的市場份額較低，自主率也普遍較低。
- 一方面由于車規(guī)級半導體對產品的要求高，企業(yè)需要較長時間的技術積累和經驗沉淀實現技術突破，并且認證周期和供貨周期較長，導致車企與芯片廠商在形成穩(wěn)定的合作關系后，就很難在原有車型上再次更換供應商，形成了業(yè)務穩(wěn)定、格局壟斷、關系牢固的三大競爭壁壘
- 另一方面，整車廠在認證車規(guī)級半導體的新供應商時，通常會要求其產品擁有一定規(guī)模的上車數據，國產廠商缺乏應用及試驗平臺，在車規(guī)級半導體正常供給的狀態(tài)下較難尋得突破
未來，我國汽車芯片行業(yè)將呈以下發(fā)展趨勢：
功能集中已經成為行業(yè)發(fā)展趨勢。隨著傳感器數量和種類逐漸增多，將不同功能的計算芯片集成到一塊板子上，對各傳感器的原始感知信息實行后端融合計算成為必然選擇。同時ECU模塊也將逐漸集成合并，形成集中運算的車載計算平臺
進口替代已經逐步實現。雖然在汽車級半導體仍處于弱勢地位，但隨著國內上市公司收購整合全球主要半導體企業(yè)，比如聞泰科技收購安世半導，韋爾股份收購豪威科技。通過并購疊加內生發(fā)展，中國汽車級半導體有望獲得大的突破，逐步實現進口替代
汽車智能化+電動化推動產業(yè)鏈重構。隨著汽車進入了電動化+智能網聯的時代，帶來了新的半導體需求，也為國內新進芯片企業(yè)進入汽車領域帶來全新的產業(yè)機遇。OEM+Tier1+Tier2原有金字塔格局有望被打破，智能車軟件會逐步走向平臺+生態(tài)模式，形成新一代汽車生態(tài)體系
軟硬結合、服務能力將成為廠商比拼關鍵。綜合考慮整車項目開發(fā)流程與芯片設計開發(fā)流程，未來汽車芯片廠商在產業(yè)合作中，將與主機廠建立更多前端溝通，挖掘市場真實需求，提高產品定義與設計前瞻性，芯片廠商將進一步提升自身的算法與軟件技術積累與理解，優(yōu)秀的服務能力將成為面對主機場差異化需求時的關鍵競爭優(yōu)勢
車規(guī)級MCU市場規(guī)模預測
全球車規(guī)級MCU市場規(guī)模也隨之增長：
- 2020年全球車用MCU市場規(guī)模為62億美元
- 2021年，汽車MCU需求旺盛，市場規(guī)模大幅增長23%，達到76.1億美元
- 預計2025年，市場規(guī)模預計將達到近120億美元，對應2021-2025年復合平均增速為14.1%
我國車規(guī)級MCU市場規(guī)模同樣保持穩(wěn)定增長：
- 2021年我國車規(guī)級MCU市場規(guī)模達30.01億美元，同比增長13.59%
- 預計2025年市場規(guī)模將達42.74億美元
SoC：異構集成揚帆起航
隨著ADAS的落地和L3及以上級別自動駕駛的成熟，傳統中央計算CPU無法滿足智能汽車的算力需求，將CPU與GPU、FPGA、ASIC等通用/專用芯片異構融合、集合AI加速器的系統級芯片（SoC）應運而生，主要分為智能座艙及自動駕駛芯片。
根據IHS數據，預計2025年全球汽車SoC市場規(guī)模將達到82億美元，并且L3級別以上自動駕駛預計2025年之后開始大規(guī)模進入市場，配套高算力、高性能SoC芯片將會帶來極高附加值，有望帶動主控芯片市場快速擴容。
智能座艙芯片：未來“一芯多屏”技術的強支撐
- 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。據國際電子商情，預計全球智能座艙市場在2022年將達到438億美元
- 智能座艙朝著多傳感器融合、多模交互及多場景化模式不斷演進，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IHS Markit，預計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
- 芯片本身也將朝小型化、集成化、高性能化的方向發(fā)展
自動駕駛芯片：算力基礎決定自動駕駛高度
自動駕駛芯片一方面需要滿足更高的安全等級，另一方面隨著自動駕駛等級的提升，對自動駕駛芯片運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，自動駕駛芯片會往集成CPU+XPU的異構式SoC方向發(fā)展，XPU包括GPU/FPGA/ASIC等。
GPU、FPGA、ASIC各有所長，GPU適合數據密集型應用進行計算和處理，FPGA通過冗余晶體管和連線實現邏輯可編輯，而ASIC是面向特定用戶的算法需求設計的專用芯片。
NPU作為ASIC的一種，在電路層模擬神經元，通過突觸權重實現存儲和計算一體化。一條指令即可完成GPU上百條指令的功能，提高運行效率。NPU目前已經被多家廠商廣泛采用，若未來自動駕駛算法實現統一，ASIC/NPU有望成為最高效的自動駕駛芯片解決方案。
05 寫在最后
中國汽車電子市場不斷增長，但車規(guī)級芯片國產化的自主率很低，很依賴進口，目前進口芯片率是90%，關鍵系統芯片全部為國外壟斷，其他車身電子簡單系統上的自主化率剛剛超過10%。
國家新能源汽車技術創(chuàng)新中心總經理原誠寅指出，芯片行業(yè)是一個強綁定的供應鏈體系，行業(yè)壁壘比較高，新品設計出來后無法快速上車，一般需要2-3年時間完成車規(guī)認證，并進入整車廠供應鏈；一旦進入之后，一般能擁有長達5-10年的供貨周期。一個產品開發(fā)36個月-48個月，產品的壽命周期是10年，還有10年的備件的要求，所以，芯片企業(yè)普遍認為，進入汽車鏈條是一個很長的周期，需要大家的恒心和毅力。
在當下“芯片荒”的時候，很多主機廠希望中國芯片企業(yè)出來幫一把，但如果未來汽車芯片供應沒有那么大的壓力，主機廠還能不能跟中國芯片企業(yè)一起往下走？這是所有人面臨的挑戰(zhàn)。
