车用芯片为什么那么缺？车规：我太难了

2020年上半年席卷全球的新冠肺炎疫情，阻断了多地区物流，不少OEM无法正常备货，不得不把需求移到了下半年。在消费类终端和汽车行业全面复苏后，各大厂商因担心禁运等地缘政治事件影响，普遍采用了激进的备货方案。7RHesmc

芯片的生产周期通常在10-20周不等，难以灵活增加产量，车载芯片的产能更是要提前12个月做规划。2020年初在疫情影响下，很多汽车企业对车载芯片需求判断失误，导致芯片订货不足，晶圆厂也将部分原本属于车载芯片的产能转成了消费类芯片。7RHesmc

产能受到排挤影响最显著的有12英寸厂的车用微控制器（MCU）与CMOS图像传感器（CIS），其中28nm、45nm与65nm节点产能最为紧缺。8英寸厂集中在车用MEMS、分立器件、电源管理IC与显示器驱动IC，0.18um以上的节点产能也受到排挤。7RHesmc

自去年Q3起，车用芯片缺货现象持续发酵，部分汽车制造厂商因芯片短缺开始停产。另一边，汽车芯片厂、晶圆代工厂出于原料成本上涨、产品生产周期变长等因素，纷纷涨价。除了疫情等外力影响和供应链因素，缺货另一个原因是造车规级芯片门槛很高，短时间内其他厂商无法快速通过认证，补上缺口。7RHesmc

那么，这些缺货涨价的汽车芯片，主要集中在哪几类上？为什么车规级的芯片，就那么难做呢？7RHesmc

缺了哪一类汽车芯片？

汽车半导体器件主要包含MCU、功率半导体（IGBT、MOSFET等）、传感器和各类模拟器件，自动驾驶汽车还会用到如ADAS辅助类芯片、CIS、AI处理器、激光雷达、毫米波雷达和MEMS等一系列产品。未来汽车架构的变革趋势，是将离散的ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）及软件功能集成在一个黑匣子中，届时域控制器和自动驾驶计算平台用到的芯片会更多。7RHesmc

半导体产品的大量采用，能够帮助汽车实现动力与传动、车载网络、车身舒适性、车载信息娱乐等功能。单一车辆中的车载芯片价值持续提升，也导致全球车用芯片的需求快于整车销量增速，造成了芯片的供需失衡。7RHesmc

以MLCC（多层陶瓷电容）为例，据村田预计，未来单一车辆MLCC用量有望从1000~3000颗增长到3000~6000颗；在图像传感器方面，据悉达到自动驾驶级别L4级时，需要图像传感器10个以上；再说MCU，一般燃油车平均每辆大约需要70颗，而一辆新能源汽车大约需要300多颗。7RHesmc

一家汽车零件制造商的负责人在接受媒体采访时透露，2020年底爆发的汽车零部件短缺潮，就是由于车用MCU短缺，导致ESP（Electronic Stability Program，电子稳定程序系统）和ECU无法生产。这两种器件是许多高端车型车载电脑模块的“标配”，一旦缺货会影响整车制造。7RHesmc

汽车“命门”捏在别人手上

电子稳定程序系统的标准叫法其实是ESC（Electronic Stability Control），ESP是博世（Robert Bosch GmbH）的专利。全球ESP供应商主要有7家，分别是丰田旗下的爱信精机（Aisin Seiki），专供日产的日立（Hitachi），专供本田的日信（Nissin Kogyo），供韩系车型的万都（Mando）。这4家基本只供应本集团的。另外三家，都是德国厂家，包括博世、大陆集团（Continental AG）和采埃孚（ZF Friedrichshafen AG）。7RHesmc

国内汽车厂商的ESP供货主要来自博世和大陆集团。博世几乎垄断国内市场，特别自主品牌，此外在奔驰、奥迪、卡迪拉克、别克里也比较常见。大陆集团主要供应大众、宝马、PSA、奔驰，采埃孚主要供应美系车。7RHesmc

至于ECU，已经是汽车上最为常见的部件之一，依据功能的不同，最常见的有EMS（Engine Management System）发动机管理系统、TCU（Transmission Control Unit）自动变速箱控制单元、BCM（Body Control Module）车身控制模块、BMS（Battery Management System）电池管理系统以及VCU（Vehicle Control Unit）整车控制器等几种。7RHesmc

国内外比较知名的ECU供应商包括博世、大陆集团、电装（DENSO）、联合汽车电子（UAES）和联创汽车电子（DIAS）等。传统的汽车每一个功能都需要单一或者多个ECU模块进行控制，所以ECU广泛存在于车辆的发动机、变速箱等底层零部件之中，来实现整车信息的转化和处理。7RHesmc

ESP和ECU这类特定汽车电子元件越来越依赖于芯片，大陆集团和博世集团都是通过采购芯片，再组装成相关模块向车企供应。这次汽车芯片短缺问题主要出现在上游企业，由于疫情大流行打击了全球芯片产能，令大陆和博世等厂商面临生产难题。7RHesmc

以前的汽车以硬件为主导，整车智能化程度很低，半导体（芯片、传感器等等）占不到整车成本的1%。而近年随着汽车智能化速度加快，汽车已经由硬件主导变为了硬件打基础，软件来赋能。如今半导体器件越来越多地出现在汽车工业应用中，智能汽车上甚至已经占到了整车成本的35%左右，并且预计到2030年将增加到50%，芯片未来将代替发动机成为汽车产业的“生死命门”。7RHesmc

芯片得到车规认证并不简单

汽车电子产业链由三大部分组成：上游为汽车电子元器件设计公司（Tier2，如恩智浦和英飞凌)和晶圆制造/封测等后段厂商（Tier3，如台积电和日月光），主要负责提供汽车电子的相关核心芯片及其他分立器件；中游则是汽车电子生产和制造商(Tier1，如博世和大陆），主要进行汽车电子模块化功能的系统集成设计、生产及销售；下游是传统的整车厂（OEM，如特斯拉和大众汽车）。7RHesmc

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我们熟知的老牌汽车半导体厂商很多，包括恩智浦(NXP)、英飞凌(Infineon)、意法半导体 (STMicroelectronics)、瑞萨（Renesas）、安森美 (On Semiconductor)、博通 （Broadcom）、德州仪器 (TI)等，其中前四位都是车用MCU大厂，但为什么仍然挡不住缺货潮？除了上面谈到的疫情外力影响和供应链因素，另一个原因是造车规级芯片比民用级难太多。7RHesmc

首先，汽车对芯片和元器件的工作温度要求更宽，根据不同的安装位置等有不同的需求。比如发动机舱要求-40℃-150℃；车身控制要求-40℃-125℃，远高于民用产品对消费类芯片和元器件0℃-70℃的要求。7RHesmc

第二，汽车电子元件对运行性稳定要求极高。无论是在湿度、发霉、粉尘、盐碱自然环境、EMC以及有害气体侵蚀等环境下，还是在高低温交变、震动风击、高速移动等各类变化中，车规级半导体稳定性要求都高于消费类芯片。7RHesmc

第三，汽车对器件的抗干扰性能要求极高。包括抗ESD静电、EFT群脉冲、RS传导辐射、EMC、EMI等，芯片在这些干扰下既不能失控的影响工作，也不能干扰车内别的设备。7RHesmc

第四，一般汽车的设计寿命都在15年50万公里左右，远大于消费电子产品寿命要求，所以对应的汽车芯片使用寿命要更长，故障率更低。半导体是汽车厂商导致故障排名中的首要问题，因此车厂对故障率基本要求是个位数PPM（百万分之一）量级，大部分车厂要求到PPB（十亿分之一）量级，相比之下，工业级芯片的故障率要求为小于百万分之一，而消费类芯片的故障率要求仅为小于千分之三。可以说车规级半导体对故障率要求是零容忍。7RHesmc

第五，长期有效的供货周期（Longevity）。汽车厂商对芯片的需求远不及消费电子动辄上亿颗芯片的量，在更新换代上，也是一颗料号用到十年以上，不像手机芯片一年一换。所以汽车OEM和Tier1厂商，大多通过Tier2的零部件供应商完成产品供应。从整个汽车行业来看，目前除了特斯拉采取了自研芯片的方式外，大部分车企的芯片主要还是购买自国际老牌半导体厂商。7RHesmc

第六，极高的产品一致性要求，导致不能随便换产线。汽车本身的组成极为复杂，一致性差的半导体元器件容易导致整车出现安全隐患，因此需要严格的良品率控制以及完整的产品追溯性系统管理，甚至需要实现对半导体产品封装原材料的追溯。这也是为什么车用芯片不轻易转换产线，以往车用半导体厂商主要以IDM或Fab-lite模式自产自销为主，直到近些年才将部分产能外包给晶圆代工代厂，还要做产线认定。（EETC编按：“产线认定”是指为了实现“零不良率”， 汽车厂家在半导体工厂生产汽车芯片时，针对产线实行的检查稽核。只有在半年乃至一年的时间内连续生产某种汽车芯片，并且可以稳定地生产出正常工作的产品时，汽车企业才会对芯片产线进行“认定”。 被“认定”的产线工艺由固定工序组成，原则上不可以更改生产设备、工艺条件。）7RHesmc

达到汽车标准需获得可靠性标准AEC-Q系列、质量管理标准ISO/TS16949认证其中之一，此外需要通过功能安全标准ISO26262 ASILB(D)，基本只有符合上述各种硬性条件的半导体器件，才能通过车规级认证。7RHesmc

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ISO26262安全是汽车电子元件稳定性优劣的评判依据之一，主要包括ASIL A/B/C/D四个等级，通过各等级代表其产品稳定性合格、耐用，但不代表算力、能效比高。A级普遍用于天窗等，B级普遍用于仪表盘，C级普遍用于引擎等，D级则主要用于自动驾驶和EPS（电子助力转向）等，认证等级越高的芯片可获得整车厂越多的青睐度。7RHesmc

汽车缺芯，加速国产化进程

严格的生产和认证要求，以及远不及消费电子的用量，导致晶圆代工厂义无反顾地将产能分给了消费类芯片。虽然在汽车大国政府的游说下，“台积电们”后来也承诺协调产能，但成本的提升，也让一些车企开始把目光投向冉冉升起的国内汽车芯片厂商。7RHesmc

2019年，全球汽车芯片的市场规模是475亿美元，折合人民币约3080亿元，预计2020年将下降至460亿美元。目前欧洲汽车半导体2019年产值达到150.88亿美元，占到全球汽车半导体总产值的36.79%，为全球第一。美国贡献了全球第二大汽车芯片收入规模，达到133.87亿美元，占全球32.64%。日本汽车半导体2019年产值达到106.77亿美元，占比在26.03%。7RHesmc

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2019年全球汽车芯片市场份额，60%以上的市场被前8大半导体厂商牢牢把控（资料来源：ICVTank、前瞻产业研究院）7RHesmc

虽然全球汽车芯片30%的市场都在中国，但我国自主汽车芯片产业规模仅占全球的4.5%，约20多亿美元。根据Wind数据显示，目前国内汽车行业中车用芯片自研率仅占10%，90%的汽车芯片都必须依赖从国外进口。其中前装芯片95%是进口的，后装超过80%是进口，国内芯片企业在汽车产业链中缺失话语权。7RHesmc

虽然汽车零部件需要很长的产品研发和验证周期，想要在短期内找到合适的替代供应商并不容易，但在芯片缺货、价格上涨以及代工产能均供不应求的背景下，一些汽车厂商或Tier 1供应商，已经开始挑选替代供应商，中国本土厂商有望迎来转单。7RHesmc

传统车企中，比亚迪和中车采用自研的方式，比亚迪自2005年便开始组建IGBT研发团队，并且在加码对第三代半导体材料碳化硅（SiC）的研究。而北汽、上汽、吉利等都采用与半导体厂商成立新公司的合作方式入局。7RHesmc

在非传统车企中，华为是布局汽车领域比较早的，其主要通过自研和外部投资两条腿走路。自研最早可以追溯到2009年对车载模块的开发，而华为投资的企业山东天岳、深思考、鲲游光电、好达电子以及裕太车通等企业，也大多与汽车行业的芯片和材料有关。 7RHesmc

此外，安世半导体的汽车功率器件，兆易创新的车规级闪存，斯达半导体的车规级IGBT，全志科技的车规级前装SoC，杰发和芯旺微的车规级MCU，加特兰微电子的CMOS工艺毫米波雷达芯片，韦尔股份的CMOS图像传感器，DJI大疆子公司览沃科技的激光雷达传感器，地平线的智能驾驶处理器等，也都是国产车规级半导体的代表作品。7RHesmc

原文发布于国际电子商情姊妹网站电子工程专辑7RHesmc