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中國汽車年產(chǎn)量從 1999 年的 183 萬輛增長至 2022年的 2702 萬輛，全球占比從 3%提升至近50%。其中，新能源汽車在中國的發(fā)展勢頭尤為迅猛，據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2022年中國新能源汽車產(chǎn)銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%。中國汽車工業(yè)展現(xiàn)出強大發(fā)展韌性。
對中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)來說，一個新的汽車時代正揭開帷幕，一個新的汽車芯片時代也已經(jīng)到來。業(yè)界預(yù)測，2025年將成為芯片本土化供應(yīng)的關(guān)鍵節(jié)點。那么，國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)準(zhǔn)備好了嗎？
為探索國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在汽車領(lǐng)域的發(fā)展路徑，芯師爺特別策劃“國產(chǎn)汽車芯片應(yīng)用”專題。本文是該專題第一篇文章，將關(guān)注國內(nèi)車規(guī)MCU產(chǎn)品發(fā)展概況。
MCU--汽車ECU的核心
MCU（Microcontroller Unit；簡稱MCU，中文翻譯為微控制單元）?是把中央處理器、存儲、定時器、輸入輸出接口集成在同一個芯片上的微控制單元，也稱單片機。MCU主要用于自動控制的產(chǎn)品和設(shè)備，可應(yīng)用于工業(yè)、汽車、通訊與計算機、消費類電子領(lǐng)域。
與消費級和工業(yè)級芯片相比，車規(guī)級MCU對產(chǎn)品的環(huán)境要求、可靠性要求和供貨周期要求較高。
針對車規(guī)芯片，汽車市場還有專門的認(rèn)證流程。在汽車領(lǐng)域，芯片應(yīng)用可分為前裝市場和后裝市場，前裝指汽車出廠前，在車廠內(nèi)完成的零部件安裝，后裝則指汽車出廠后進(jìn)行的零部件安裝，也有企業(yè)將前裝市場稱To B（TO Business，面向企業(yè)）市場，后裝稱 To C（TO Customer，面向個人）市場。
芯片要進(jìn)入前裝市場中需要通過嚴(yán)苛的AEC-Q100、IATF16949、 ISO26262三大車規(guī)芯片認(rèn)證系統(tǒng)，是嚴(yán)格意義上的“車規(guī)芯片”；而在后裝市場，由于應(yīng)用的場景對芯片的可靠性和性能要求較低，性能滿足需求的芯片不通過車規(guī)認(rèn)證也可上車。2019年之前，國內(nèi)的MCU產(chǎn)品應(yīng)用大多聚集在前裝市場，近年來隨著市場和芯片原廠技術(shù)的成熟，前裝市場成了國內(nèi)MCU主攻戰(zhàn)場。
車規(guī)芯片要通過車規(guī)認(rèn)證難度大，周期長，從流片至量產(chǎn)出貨，往往需要3-5年時間。在前兩年的缺芯極端環(huán)境中，這一周期有縮短的空間。某家國產(chǎn)芯片原廠曾向芯師爺表示：其MCU芯片在2021年僅一年就通過了車規(guī)認(rèn)證，順利上車。不過值得注意的是，該款MCU并非這家原廠首款通過車規(guī)認(rèn)證的產(chǎn)品，快速上車的背后是該原廠在汽車領(lǐng)域已深耕多年。
需要注意的是，AEC-Q100、ISO26262認(rèn)證也有等級之分，即使同為車規(guī)芯片，不同應(yīng)用場景中，對車規(guī)芯片的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)要求也不一樣。
在短則一年長則三五年的漫長認(rèn)證期間，芯片供貨商并不能從汽車廠商中獲得實際收入。不過，車規(guī)芯片供貨商福氣在后頭——一旦某款芯片成功打入整車前裝市場供應(yīng)鏈，即可享受在汽車正常使用周期內(nèi)，至少10年以上的供貨期，長期收益可觀。
車規(guī)MCU通過認(rèn)證之后，怎么用呢？
在汽車領(lǐng)域，汽車電子控制單元（Electronic Control Unit，以下簡稱ECU）是汽車專用微機控制器，有“行車電腦”、“車載電腦”之稱。而MCU芯片是ECU的核心運算器件，承擔(dān)ECU的運算功能，汽車上每個 ECU 單元需要搭載一個 MCU 芯片，隨著汽車智能化和電動化提升，單車 MCU 芯片用量需求可達(dá)幾十至數(shù)百顆。
產(chǎn)品性能由低到高分布，應(yīng)用于汽車領(lǐng)域的MCU的規(guī)格種類一般可分為8位、16位、32位三種。MCU的位數(shù)是指每次 CPU 處理的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，位數(shù)越多，數(shù)據(jù)有效數(shù)越多，精確度越高，運算誤差越小，在CPU運算速度一樣的情況下，位數(shù)越多，處理速度越快，所以是衡量MCU 性能的一個重要指標(biāo)。小到車窗、空調(diào)和座椅等簡單操控，大到車身控制、發(fā)動機管理，甚至是智能駕駛，MCU都參與其中。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和安全考慮標(biāo)準(zhǔn)差異，汽車電子系統(tǒng)方案選擇的MCU規(guī)格有所不同。
8位MCU成本/功耗低，便于開發(fā)，性能可滿足大部分低階控制場景需要，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)功能如風(fēng)扇、雨刷、天窗，座椅控制等汽車領(lǐng)域。
16位MCU，運算能力介于8位和32位MCU之間，主要應(yīng)用為動力傳動系統(tǒng)，如引擎控制、齒輪與離合器控制和電子式渦輪系統(tǒng)等；也適合用于底盤機構(gòu)上，如懸吊系統(tǒng)、電子式動力方向盤、扭力分散控制和電子幫輔、電子剎車等。
32位MCU運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復(fù)雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。
從價格上來說，一般8位MCU的單價小于1美元，16位MCU的單價在1-5美元之間，32位MCU價格在5-10 美元之間，部分高端產(chǎn)品在 10 美元以上。但在市場極端缺貨情況下，汽車MCU的單價波動幅度極大，TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣到5000元一顆，此后該芯片單價一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車市場出貨的晴雨不一，芯片價格也隨之共振。
近年來，由于汽車智能化和電動化快速發(fā)展，汽車電子面臨的應(yīng)用場景越來越復(fù)雜，32位MCU的用量正逐步提高，用量提升進(jìn)一步降低了32位MCU的單價，在性能要求提高和產(chǎn)品單價降低的同步驅(qū)動下，目前32位MCU在汽車領(lǐng)域應(yīng)用占比最高。
“32位MCU在汽車領(lǐng)域占比接近80%，是主流。從產(chǎn)品趨勢上看，未來32位產(chǎn)品占比還將繼續(xù)提升，主要是對16位產(chǎn)品的替代。隨著汽車對精細(xì)化控制需求的增加，32位產(chǎn)品在傳動和安全在經(jīng)過一段時間驗證之后，占比還會上升。”杰發(fā)科技高級產(chǎn)品經(jīng)理涂超平向芯師爺介紹道。
近兩年中，據(jù)芯師爺觀察，國內(nèi)MCU廠家一般也是選擇32位MCU作為其車規(guī)產(chǎn)品線首發(fā)產(chǎn)品。
除了產(chǎn)品規(guī)格，架構(gòu)選擇也是影響MCU在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的一大因素。一是架構(gòu)在一定程度上可節(jié)省程序運用占用內(nèi)存空間和降低中斷延遲，可影響MCU產(chǎn)品性能；二則由于邊緣政治的沖突，出于對供應(yīng)鏈安全的考慮，部分汽車廠商也會有意識選擇采用供應(yīng)安全系數(shù)更高的架構(gòu)芯片。
目前在消費電子、工控、醫(yī)療等領(lǐng)域中，MCU主要以ARM內(nèi)核架構(gòu)為主，RISC－V架構(gòu)也在逐步興起中；在汽車領(lǐng)域，Arm Cortex-M內(nèi)核沿襲了其在其他領(lǐng)域的優(yōu)勢，國產(chǎn)MCU廠家大多采用這一系列構(gòu)架，只在具體的系列上有所不同；也有少數(shù)MCU廠家另辟蹊徑采用公開指令集自研內(nèi)核，如成立于2012年的芯旺微電子自研的KungFu內(nèi)核、成立于2001年的蘇州國芯科技PowerPC架構(gòu)C*Core，自研架構(gòu)的優(yōu)勢在于產(chǎn)權(quán)自主，但也面臨生態(tài)建設(shè)的挑戰(zhàn)，需要企業(yè)投入大量精力建設(shè)。
國內(nèi)芯片原廠卷向車規(guī)MCU
長期以來，由于汽車MCU市場準(zhǔn)入門檻高及汽車市場在全球中以海外品牌為主，全球汽車MCU的供貨主要由海外大廠把控，格局較為穩(wěn)定；國內(nèi)半導(dǎo)體廠商主要在消費和中低端工控領(lǐng)域競爭，汽車MCU產(chǎn)品市場占比低。
據(jù) Omdia 統(tǒng)計，2021 年全球前 5 大 MCU 生產(chǎn)廠商分別為 NXP（17.3%）、瑞薩電子（16.8%）、意法半導(dǎo)體（15.4%）、英飛凌（13.9%）以及微芯科技（12.6%），CR5約76%。更早些的數(shù)據(jù)顯示，全球MCU市場中前十供應(yīng)商市占達(dá)95%以上，且均為海外企業(yè)，換而言之，國產(chǎn)MCU市占不足5%。
市占反映出，整體而言現(xiàn)階段國內(nèi)車規(guī)芯片仍處于起步階段。2021年的汽車缺芯潮曾一度加速了國內(nèi)MCU應(yīng)用進(jìn)展：當(dāng)時芯片價格暴漲，各類型汽車芯片價格普遍上漲了5倍到20倍，盡管如此，依然“一芯難求”，其中MCU芯片最為緊缺，國內(nèi)芯片原廠的車規(guī)MCU在這個時期獲得了不少汽車大廠的青睞，贏得了許多車場導(dǎo)入認(rèn)證的機會，但由于國內(nèi)MCU產(chǎn)品選型不夠豐富，能趕上這趟紅利期的企業(yè)并不多。
國內(nèi)車規(guī)MCU芯片廠商大多也還停留在車身控制領(lǐng)域，少數(shù)幾家有將產(chǎn)品布局邁向了對安全和性能要求更高的動力集成領(lǐng)域，具備國產(chǎn)替代的能力。這與國內(nèi)MCU原廠在汽車市場發(fā)力晚有直接的聯(lián)系，據(jù)芯師爺不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)有23家芯片企業(yè)布局了車規(guī)MCU產(chǎn)品線，產(chǎn)品線概況如下：
信息來源：企業(yè)官網(wǎng)/公開報道資料? ? 制圖：芯師爺
注：如有遺漏錯誤之處請指正，可聯(lián)系作者微信號：xsychief
23家國內(nèi)芯片原廠中，有4家首款車規(guī)MCU發(fā)布時間在2018年年底前；4家在2019年年底前；3家在2021年年底前；2022年國內(nèi)迎來MCU產(chǎn)線的爆發(fā)，有9家企業(yè)在這一年發(fā)布其首款MCU產(chǎn)品線；2023年，截止發(fā)稿為止，也有3家正式發(fā)布了車規(guī)MCU產(chǎn)品。
此外，還有不少芯片設(shè)計企業(yè)正加速車規(guī)MCU的研發(fā)工作，如力源信息2023年年初通過互動平臺透露，公司自研MCU芯片預(yù)計2023年上半年完成AECQ100專業(yè)機構(gòu)認(rèn)證，上述認(rèn)證完成后再導(dǎo)入客戶進(jìn)行客戶端認(rèn)證；中穎電子也表示其首款32位車規(guī)級MCU工程品已于多個客戶端送樣測試。
國內(nèi)原廠們紛紛盯上汽車MCU賽道并非沒有道理。
從市場需求的角度來看，一方面汽車MCU正迎來量價齊升的快速發(fā)展期。傳統(tǒng)汽車單車會平均用到70個MCU左右，而汽車電動化加上智能化的實現(xiàn)則需要用到300多個MCU，MCU的應(yīng)用領(lǐng)域包括ADAS、車身、底盤及安全、信息娛樂、動力系統(tǒng)等，在車身系統(tǒng)中幾乎無處不在。
另一方面，由于地緣政治的發(fā)展，為保障供應(yīng)鏈安全，政策上已經(jīng)在鼓勵本土芯片供應(yīng)鏈的發(fā)展，而在汽車MCU這一塊，本土可替代的空間巨大。某知名Tier 1廠商的工程師向芯師爺透露：“政策上對本土化是會有一個引導(dǎo)的，具體的表現(xiàn)是對整個行業(yè)的主機廠要求本土芯片的成本要占到供應(yīng)鏈的一定比例?！?/p>
從供應(yīng)的角度來看，誠然，車規(guī)MCU是出了名的技術(shù)門檻高、回報周期長的品類。但近年來首度發(fā)力車規(guī)MCU賽道的國內(nèi)芯片企業(yè)經(jīng)過在消費電子多年來的歷練和技術(shù)積累，已經(jīng)具備做能滿足大部分汽車場景需要的車規(guī)MCU實力。極海汽車電子芯片事業(yè)部總監(jiān)徐學(xué)迅向芯師爺表示：“目前極海車規(guī)級芯片技術(shù)布局與產(chǎn)品規(guī)劃充分考慮不同級別的電子架構(gòu)，滿足汽車電子產(chǎn)品需求、應(yīng)對挑戰(zhàn)，同時重視迭代升級與可擴展性。
另一類從創(chuàng)立之初就在做汽車芯片的企業(yè)也有十余年的汽車市場和技術(shù)積累，在汽車領(lǐng)域已經(jīng)取得小有成就。據(jù)杰發(fā)科技涂超平透露：“已有不少國產(chǎn)MCU廠商開始升級轉(zhuǎn)型，研發(fā)高性能MCU芯片，國內(nèi)客戶的接受度也在同步提升。”再加上這幾年國內(nèi)“芯投資”風(fēng)氣旺盛，企業(yè)并不缺乏投入研發(fā)和等待回報周期的資本，自然也就都兵強馬壯地“上路”了。
外部市場環(huán)境中，國內(nèi)新能源汽車品牌，如比亞迪、小鵬、理想、蔚來等蓬勃發(fā)展以及半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)日漸成熟，也具備滋養(yǎng)車規(guī)MCU成長的實力?！皬脑O(shè)計能力看，國產(chǎn)車規(guī)級MCU的技術(shù)參數(shù)在部分領(lǐng)域可以比肩國際大廠，是提高芯片自給率的機會。從工藝制造看，MCU工藝節(jié)點集中在40nm及以上的成熟制程，比較先進(jìn)的車用MCU產(chǎn)品可能會部分采用28nm制程，國內(nèi)代工廠已經(jīng)具備相應(yīng)的制造能力。隨著代工廠在28nm技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，國內(nèi)車規(guī)級MCU廠商與上游代工廠加強協(xié)作，有望共同推動國內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)再上一個臺階?！苯馨l(fā)科技涂超平補充道。
寫在最后
總的來說，國內(nèi)芯片原廠競相涌入汽車MCU市場，對國內(nèi)整個汽車生態(tài)圈來說是好事，由于本土供應(yīng)的市場“蛋糕”足夠大，更多玩家的加入為汽車MCU領(lǐng)域帶來了更多的人才，有利于提升技術(shù)能力，豐富國產(chǎn)車規(guī)MCU產(chǎn)品矩陣，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)良性競爭，協(xié)力從海外大廠手中搶到更多市場的蛋糕。
但在進(jìn)度上，國內(nèi)汽車MCU的研發(fā)和市場發(fā)展還需要進(jìn)一步加速。2023年，汽車MCU供不應(yīng)求的局面已經(jīng)基本得到緩解，國內(nèi)MCU廠商將面臨國際大廠的反撲，市場壓力不小。上述Tier 1廠商對芯師爺坦言：“不少國產(chǎn)MCU產(chǎn)品和我們的產(chǎn)品是同步開發(fā)的，說明芯片還沒有量產(chǎn)，沒有歷史數(shù)據(jù)，這對于我們的產(chǎn)品開發(fā)來說進(jìn)度有點慢了?！?/p>
過去幾年間，中國車規(guī)級MCU發(fā)展取得了一定成績，產(chǎn)品具備一定的競爭力。未來，在本土供應(yīng)浪潮和中國新能源汽車品牌及市場持續(xù)增長的帶動下，芯師爺期待國內(nèi)車規(guī)MCU繼續(xù)加速成長。
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