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探讨:2023年自主汽车芯片产业如何继续向上

2023-02-02 14:48来源:中国汽车报作者:中国汽车报网址:
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癸卯兔年已拉开序幕。对于自主汽车芯片行业来讲,新的一年将迎来智能化竞争的“赛点”。
如今,随着整车电子电气架构的集中化,汽车芯片功能越来越复杂,分类也越来越细化,不同功能、不同种类的产品开始呈现多样发展态势。再加上碳化硅等新材料及新技术的推广,相信2023年自主汽车芯片产业将精彩纷呈。
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摩尔定律或将延续 芯片良率有待提高
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作为底层基石,芯片的先进性在一定程度上决定了汽车的智能化程度。在汽车电动化、智能化和网联化三大趋势驱动之下,当前半导体在整车上的比重大幅提升。其中,智能化、网联化带来的新型元器件需求主要在感知层和决策层,包括摄像头、雷达、IMU/GPS、V2X、ECU等,直接拉动各类传感器芯片和计算芯片的增长。中国汽车工业协会数据显示,传统燃油车所需芯片数量为600~700颗,电动汽车所需的芯片数量将提升至1600颗,而更高级的智能汽车对芯片的需求量将有望提升至3000颗。
黑芝麻智能高级产品市场总监徐晓煜在接受《中国汽车报》记者采访时表示,整车电子电气架构的演进,随之带来对汽车芯片性能、功耗、成本的全新挑战。他认为,随着芯片企业不断突破技术极限、探索储存更多计算能力的新方法,集成电路的元器件数量持续增加,汽车芯片产业的摩尔定律将得以延续。
汽车智能化的下半场,也呈现对芯片算力的“群雄逐鹿”。对于下一阶段的发展方向,徐晓煜指出,在AI芯片方面,对大算力产品的需求不会减少,企业对更高算力的追求也将继续,但对于不同芯片在不同领域的应用有望更加清晰,如车侧、端侧是否需要超过1000TOPS算力的产品,更高算力的芯片应用于哪些场景,都需要打个问号。
汽车行业对芯片的需求不断增长和提高,与此同时,汽车芯片的成本越来越高。应该如何看待这个问题?答案显然不是单纯由供需关系决定的。一方面,从设计端来看,由于汽车芯片开始承担更多功能,其设计也愈发复杂,从原来的单一节点向融合节点发展,许多公司开始考虑平面2.5D封装和立体的3D封装及将内存和芯片合在一起的HBM(高宽带内存)封装,并在芯片架构上做了许多创新,这带来了成本的增加。
另一方面,从制造端来看,流片费用越来越高,从40nm的低端芯片到28nm、14nm的中端芯片,到今天7nm的高端芯片,每一代产品的流片费用几乎都是前面两代的总和。由于当前生产工艺不成熟,产品良率迟迟难以提高,这个问题仍是芯片产业面临的最严峻挑战之一。
国家新能源汽车技术创新中心(以下简称“国创中心”)总经理、中国汽车芯片产业创新战略联盟秘书长原诚寅表示,中国在车规级自主芯片层面,走的是从追赶到学习,最后实现逐步替代的路线。虽然近年来智能网联汽车快速发展带动芯片产业崛起,但对实际发展情况,仍需理性看待。“在AI芯片方面,高算力、低能耗的需求对芯片工艺制程的要求非常高,以我们目前的能力尚无法自给自足,当下要做的是加快发展,争取逐步缩短差距。就目前来看,自主汽车芯片行业已开始摸索出适合自己的发展道路,未来前景可期。”
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碳化硅进入快车道 有望改变芯片格局
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尽管国产芯片在制程上落后,但智能汽车所用的车规级芯片对纳米工艺的要求并不像智能手机那样高,反而对材料有更高要求。因此,碳化硅等新材料和新技术的发展,为汽车芯片产业的发展带来新的可能。
德州仪器(TI)中国区汽车事业部总经理蔡征对记者介绍称,硅是应用最广泛的半导体材料,但无法突破高温、高功率和高频的瓶颈。以碳化硅和氮化镓为代表的第三代半导体,由于其材料本身的宽禁带特征,可在更高的电压、温度下工作,提升功率密度。
其中,碳化硅主要用于衬底晶片和外延片。据介绍,由于碳化硅具有优越的物理性能:高禁带宽度、高电导率、高热导率、低通损耗等,特别适合于制造电力电子领域的高功率半导体元器件。诸多优势在身,碳化硅搭上了新能源汽车推广的快车道。蔡征表示,随着电动汽车800V系统的普及,以及市场对更高电驱动转换效率的需求,碳化硅器件在牵引逆变器和电动压缩机上会有越来越广泛的应用。
不过,业内人士指出,碳化硅不可能全部替代绝缘栅双极型晶体管(IGBT),未来更多是二者之间的互补。原诚寅告诉记者,碳化硅最大的问题在于基础材料的成本偏高、效率偏低。“现在碳化硅还是在6英寸的晶圆上做,而IGBT已做到8英寸,同时也在向12英寸发起冲击。相比之下,碳化硅的生产效率偏低,而且降低成本也是短期内无法解决的难题。所以保守估计,短时间内碳化硅的应用占比会逐渐升高,但无法完全替代IGBT。”他称。
在蔡征看来,“互补共生”可以用来描述车规级功率半导体器件未来的竞争情况。受限于碳化硅器件较高的制造成本和有限的生产能力,传统IGBT仍将占据主要市场份额,而要充分释放碳化硅和IGBT的性能,有赖于功能强大的驱动器相配合。
与现有的硅或碳化硅解决方案相比,氮化镓能够实现更好的开关性能和对更高工作频率的支持,以及更低的输入和输出电容和零反向恢复电荷,可显著降低约25%的功率转换损耗,从而降低成本并提升功率密度,因此适用于中等功率的交流/直流车载充电器和高压直流/直流转换器。
蔡征指出,氮化镓的优势可在需要更高效率和更小尺寸的设计中得到最大程度的发挥。随着电动汽车的进一步推广,德州仪器将氮化镓视为车载充电器和直流/直流转换器的理想解决方案。
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单域走向跨域融合 商用进程逐步提速
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自动驾驶一直是智能汽车的重要价值点,未来几年,这项技术的前装量产势必进入快车道。芯片企业纷纷抢抓这一机遇,积极探索商业化进程,而2023年将是关键窗口期。
超星未来创始人、首席执行官梁爽曾表示,通过中央大算力芯片方案支撑起高级别自动驾驶是雄伟的“珠峰”,可能要接近2030年才能实现;未来几年,最大的市场机会仍来自行泊一体、舱泊一体为代表的量产方案。
目前,一些芯片厂商成功实现了产品对量产车的配套,已经可以实现盈利,但对于一些定位L4甚至更高等级自动驾驶的企业来说,他们的盈利会较为困难。高等级自动驾驶芯片对算力的要求更高,传感器也更丰富,实现难度大。所以,企业开始更多考虑跨域融合的芯片需求。
相较于单域控制的单核芯片,黑芝麻智能目前着力打造多域融合的计算平台。“理想状态下,我们希望一个域内的信息能够实现自循环或内收敛,但实际上,跨域之间的信息传递非常普遍。”徐晓煜说道,“比如,行业普遍认为驾驶员监控是属于座舱域的功能,但自动驾驶与之息息相关,驾驶员要对自动驾驶中的车辆随时保持警惕,这就使得座舱域与自驾域存在共通的信息传输和处理。如果在域与域之间进行,意味着系统效率随之降低,这种方式并不适用对于时延要求高的功能。因此,将所有信息汇聚到一起,搭建融合计算平台的概念诞生了,它将是未来汽车芯片的演进方向。”
此前,不少自主汽车芯片企业表示,整车企业不敢轻易尝试本土芯片,“有产品,无场景”是他们面对的难题。原诚寅表示,目前行业正在讨论设立与汽车芯片相关的保险,用商业化手段解决产业化问题。他进一步指出,对于芯片厂商和整车企业而言,想要实现盈利,关键是要明确产品的核心定位和应用场景。原诚寅认为:“不少AI芯片面临自动驾驶应用场景方面的挑战。有鉴于此,这个领域未来将迎来洗牌。就当前情况看,实现全场景下的高等级自动驾驶还不现实,企业要实现技术的商业化落地,必须聚焦核心业务,明确自己的发展路径。”
徐晓煜也表示,自动驾驶落地面临的现实困难,仍是如何开发盈利模式的问题,高等级自动驾驶迟迟难推进,所以大部分企业开始转变思路,致力于耕耘L2++自动驾驶,也就是从L2一直向更高阶的自动驾驶推动。他说:“当数据累积到一定程度后,在某些特定场景,全自动驾驶有可能获准落地,比如,现在的低速自动泊车。”据悉,特斯拉已率先允许美国车主在无人驾驶运行1万公里后,开放脱手模式,实现完全的自动驾驶。
蔡征告诉记者,过去曾被视为高端附加技术的高级驾驶辅助系统(ADAS),正在成为汽车的标准配置。以ADAS为代表的自动驾驶技术,成本逐渐降低,被众多车企广泛采用。他继而提出,自动驾驶的等级从L2到L4,需要对应的法规先行,所以自动驾驶芯片的发展也要结合相应的法规要求,这会是行业的趋势。
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产业重构大势所趋 整零互为链条合伙人
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全球汽车产业正在经历一场重大变革,产业链发生重构,供需关系转向共创关系,技术的发展需要产业链共同推动,作为链条重要一环的汽车芯片便身处其中。
蔡征直言,随着汽车电动化、智能化和网联化的快速发展,半导体在汽车生态中受车企的关注度越来越高。此外,中国市场对新产品的高接受度以及消费升级,一方面推动车企加快新技术导入与落地;另一方面也拉近了它们与半导体公司的直接合作。
以往,芯片厂商与整车企业之间隔着上游零部件供应商,现在大家成为更紧密的事业合伙人,这样的趋势更有利于构建汽车芯片产业生态。原诚寅也多次向记者强调合作的重要性——汽车芯片产业亟需构建联合生态,如果各自为营,反而容易浪费了有限的资源。
徐晓煜认为,供需关系的重构,带来了新的机会,2020~2025年将是关键的时期。新能源智能汽车时代需要新的供应商“血液”。所以,芯片创业公司才有机会能够切入到相对比较传统的汽车供应链上。对整车企业来说,对新供应商的认证周期较长,而且一旦完成,合作关系就相对稳固了,所以芯片企业都在积极布局本土供应链。
但徐晓煜也指出,与英伟达、高通等国外知名厂商相比,中国芯片企业仍不具备足够的竞争实力,很难面面俱到。供应商与整车企业的合作关系要划分清晰,把各自的工作做精、做透,然后再开放合作,形成良好的生态系统与世界一流企业开展竞争。
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“卡脖子”问题待解 循序渐进跨越2023
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2022年,中国智能汽车的渗透率超过20%,预计这一比例在2030年将达到70%。日前,中国电动汽车百人会副理事长兼秘书长张永伟公开表示,我国汽车芯片的需求量十分巨大,而缺口也越来越大。
行业不得不面临的现实是,中国芯片自主化率仅有5%,严重依赖进口依然是“卡脖子”的问题。对此,业内人士却都表示乐观,认为自主供应商正面临前所未有的机会——中国新车销量占全球市场份额的1/3,尤其在电动化、智能化、网联化趋势下,拥有诱人的增长潜力,芯片自主化率有望用4年时间提升到20%。
在徐晓煜看来,指望2023年一年时间发生翻天覆地的变化不现实,但国产芯片企业正在迎头赶上,争取抓牢这次难得的产业变革机遇。
除了依赖进口,我国汽车芯片全产业链还存在很多短板,比如缺少完备的检测认证体系、相关人才短缺等。据统计,目前,我国集成电路领域从业人员只有54万人,且主要集中在设计、制造和封测环节,预计2023年人才缺口将达20万人。
原诚寅向记者表示,对于人才的培养是一个长期的过程,从企业到高校都十分重视这项工作,许多学校成立了集成电路学院,但学生能够实际参加工作至少需要4年,届时芯片人才缺口有望得到缓解。
据了解,以国创中心为代表的行业组织,也在积极推进行业认证工作。1月10日,国创中心与北京博电新力电气股份有限公司联合实验室战略签约仪式在北京经开区举办。国创中心车规级芯片测试认证中心将打造国内测试车规芯片层级最全面的测试认证中心,测试认证覆盖车规级芯片器件、系统、控制器部件、整车四个层级垂直测试体系,推动车规级芯片的“标准研究、测试评价、产品认证”三位一体融合发展。
另据原诚寅介绍,国创中心还在积极推动五方面工作:第一,继续推动自主的芯片标准体系不断完善;第二,推动自主芯片在国内的晶圆厂流片,达到更高的自主化率;第三,鼓励更多基于国产芯片的汽车电子方案开发,芯片需要有相配套的系统方案同步开发;第四,讨论设立汽车芯片相关的保险,用商业化手段解决产业化问题;第五,鼓励人才的培养和供应链上下游的交流,更好推动自主芯片企业和下游应用厂商协同合作。

近期,我国进一步优化疫情防控措施,经济将加快恢复和回升,芯片市场有望迎来新一轮爆发式增长。但美国去年下半年开始实施的对华芯片出口禁令正在深刻改变全球供需,继续造成2023年芯片供应失衡。新的一年,自主汽车芯片行业将如何披荆斩棘?可以肯定的是,前方旅程如逆水行舟,不进则退。我们能做的惟有坚定信心、砥砺奋进,准备好迎接新常态、新挑战,不负2023年“芯”征程。


文:张雅慧 编辑:庞国霞 版式:赵方婷




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