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难度高于造火箭飞船 一文读懂小小芯片为何全球 “闹芯”

2021年03月10日 09:40:02
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来源:汽势传媒

汽势Auto-First|张驰

疫情影响之下,一个小小的芯片居然可以导致多家汽车大厂减产停工,全球短缺的汽车芯片受到前所未有的关注。事实上,除了手机、电脑等日常使用的各种电子设备,汽车、飞机也都离不开这种叫芯片的小玩意。但就是这样一块由“沙子”等材料做出的微小芯片,却是人类最高的智慧结晶,是人类发明的顶尖成果,一些高端芯片的设计烧脑程度远高于造火箭、飞船。

认识芯片

芯片,又称微电路,微芯片、集成电路。是指内含集成电路的硅片,体积很小,常常是计算机或其它电子设备的一部分。比如,电脑中的CPU、手机的内存、汽车的电控单元都由芯片来运算、处理、储存等。

虽然芯片作用很大,作为制造业大国的中国,芯片的国产化率却很低,目前我国半导体国产化比例不足20%,一些高端芯片的国产化率几乎为零。2018年,美国政府宣布对中国某些企业实行制裁后,一下卡住了中国芯片需求的脖子。为什么我们不能快速发展自己的芯片产业?首先要从芯片的制作说起。

芯片制作分四个阶段,首先为了实现某些功能,需要在指甲大小的硅片上设计、排布上亿个半导体元件MOS管,每个管子的尺寸为纳米级,设计的难度可想而知。

第二个阶段是制作,由于尺寸太小,不能用普通机械方法加工。必须用紫外线照射的方法加工,也就是业内称为的光刻。在硅片上涂一层光刻胶,利用设计好的模板,通过紫外线照射,光刻胶上有紫外线照射的地方发生一些化学变化,相当于把电路图画在了硅片上。照射后再用化学液清晰,根据设计需求,使用不同性质的光刻胶,被光照射或没被光照射的部分会被洗掉。

之后将硼或磷等杂质在硅片表面沉积,硅片上没有被光刻胶覆盖的部分就有了杂质,而有光刻胶的部分就没有掺杂,随后洗去光刻胶,就形成了需要的一部分晶体管结构。根据功能要求,需要设计多层涂胶和沉积。

第三步是封装测试,芯片制作好之后,需要切割、连接外部电路,同时对芯片的能力进行测试,目前中国企业在这方面参与较多。但真正的难度在第一阶段即芯片设计,目前中国在这一环节落后明显。

应用在不同领域的芯片,工作环境千差万别,相比来说,消费类电子产品所处的环境要“温和”许多,而汽车类芯片工作环境恶劣,要适应-40~155℃的冰火考验、高振、多粉尘、电磁干扰等。此外,由于汽车芯片遍布汽车全身,常常和人身安全挂钩,汽车新品对于可靠性要求也更高,一般设计寿命要达15年或20万公里。车规级芯片要经过严苛的认证流程,才能获准使用。一款芯片一般需要2-3年时间才能走完认证流程并进入整车供应链。

如果把汽车制造业比作现代工业皇冠上的那颗明珠,那么芯片无疑是明珠上最耀眼的光芒。没有了芯片,汽车制造业将倒退到50年代以前的水平。

汽车芯片种类可分为:主控/计算类芯片MCU(负责算力)、功率半导体(电源接口等)、传感器(如汽车雷达、气囊等)、无线通信及车载接口类芯片、车用存储器以及其它芯片(如专用ASSP等)几大类型。目前芯片短缺,主要集中在电子稳定程序和电子控制系统等中高端芯片方面,主要配置在中高端车型上。但车机计算芯片、自动驾驶芯片没有出现明显短缺。

汽车中使用最多的是功能芯片MCU和功率半导体,两者占汽车半导体市场的55%以上,需求规模第三位的是传感器,而通信及存储类的市场份额相对较小,但随着未来汽车安全、互联、智能、节能的发展趋势,以及无人驾驶、ADAS、车联网(V2X)等层出不穷的新产品和新功能逐渐提升渗透率,对通信芯片及车用存储器的需求将迎来快速增长。

MCU,俗称单片机、微型计算机,它把计算机的CPU、RAM、ROM、定时数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。MCU几乎遍布汽车全身,它是所有电子控制单元( ECU )都必须的组件。随着辅助驾驶驾驶技术大范围应用,车企对于MCU的需求呈现出快速上升态势。根据StrategyAnalytics统计,在传统燃油汽车中,MCU价值量占比最高,为23%;在纯电动车中,MCU占比仅次于功率半导体,为11%。目前我国车规级的MCU需求占全球总需求超过30%,但几乎100%依赖进口。

传统汽车中,功率半导体主要应用于启动、发电和安全领域,新能源汽车普遍采用高压电路,当电池输出高压时,需要频繁进行电压变化,对电压转换电路需求提升,此外还需要大量的DC-AC逆变器、变压器、换流器等,这些对功率半导体、二极管等半导体器件的需求量很大。中国功率半导体需求占全球的40%,但自给率仅为10%。

北京半导体行业协会副秘书长朱晶表示,上世纪五十年代,汽车制造中所采用的半导体产品还不到制造总成本的1%。如今,其成本已经占到总成本的35%,并且预计到2030年将增加到50%。

为什么汽车产业闹芯荒?

权威研究机构IHS Markit预测,汽车芯片短缺至暗时刻将在3月底到来。预计今年一季度汽车将减产100万辆,由于芯片短缺,汽车行业可能在2021年损失610亿美元。从4月开始,供应将逐渐得到改善,不过要到四季度,全球汽车生产才会恢复正常。也有专家表示,目前芯片危机并没触底,这样的预测过于乐观。从去年12月开始,全球多家车企都受到芯片短缺的影响,福特、通用、丰田本田日产斯巴鲁大众集团、戴姆勒、Stellantis(PSA、FCA合并的新公司)等纷纷减产。

早在新冠疫情发生前,汽车对芯片需求的增长和半导体供应有限,当时就已处于失衡边缘。疫情发生后,世界范围内汽车大国生产停摆,半导体制造商将大部分产能转移到更受欢迎的消费电子领域,随着汽车行业快速复苏,对于半导体芯片的需求开始增加,但半导体芯片生产商扩大产能还需要6-9个月才能够完成额外产量。大部分车企采购带有芯片的零部件,都是通过大型零部件供应商,零部件商向上游下单汽车芯片,到拿到产品通常需要3-4个月,拿到芯片后再制造出产品,交货给整车厂需要1个月时间,整车厂拿到供应商零部件,组装出货到4S店,大约需要1-2个月的时间,也就是汽车芯片厂家的排产需要早于整车出货5-6个月。这也意味着一旦主机厂对市场预测不准,打乱上游供应链的节奏将不可避免。

此外,今年2月份,日本福岛地震和美国德克萨斯州遭遇暴风雪天气停电,导致全球车载芯片市场份额排名第三位的日本瑞萨电子和三星电子、恩智浦和英飞凌等芯片巨头在奥斯汀市的工厂停产。这些重要汽车芯片厂商的停产,让本已脆弱的汽车芯片供应链雪上加霜。此外,近来台湾地区干旱,已经对芯片企业台积电产生影响,未来是否会危及汽车芯片生产,汽车行业在保持密切关注。

目前,全球范围内芯片供应相对稳定的是丰田现代汽车,丰田对于芯片在内的零部件供应具备绝对控制影响力,丰田汽车公司本月表示芯片库存足以维持四个月之久。现代起亚集团通过去年底的快速采购,对于芯片短缺解决掉了燃眉之急,但这种库存是非常有限的,同时也需要减少工厂开工时间,并把芯片集中到中高端车型上去。

目前传统汽车芯片厂家有博世、东芝、微芯科技、瑞萨、英飞凌、意法半导体、安森美、德州仪器,也有一些消费芯片厂商通过收购进入汽车芯片领域,如英特尔收购Mobileye,高通收购智浦等。

汽车虽然是很大的行业,但对于半导体产业来说,汽车并不是其最大的客户,2020年全球十大汽车半导体企业,只有博世在汽车领域收入占比超50%。

以全球最大的晶圆代工企业台积电为例,2020 年汽车芯片代工业务收入大约 14.5 亿美元,占全球汽车芯片代工市场的 30%。对台积电整体来说,汽车芯片业务微不足道。因为数字类汽车芯片主要是采用 16-28 纳米工艺,混合类汽车芯片一般是 16-45 纳米,模拟类一般是 28-90 纳米。台积电主打是 7 纳米和 5 纳米,台积电在 5 纳米领域属于完全垄断市场,利润远比汽车芯片要高。

从以上数据也可以看出,汽车产业并不是半导体行业的绝对金主,一有风吹草动,半导体行业马上会转向,遇到疫情,消费电子等行业迎来发展机遇,汽车行业受到冲击也就在所难免了。此外,受自然灾害影响,相应芯片企业对应供货的汽车品牌再次受挫。

中国车企如何应对?

根据《中国制造2025》,2020年半导体核心基础零部件、关键基础材料要实现40%自主率、2025年要达到70%。但美国通过制裁中芯国际,已经严重阻碍了这一进程。作为重资产、重投入、知识密集型产业,目前我国车规级芯片投资不积极,存在“上热下冷”现象;供应链投资保守,汽车芯片产能被挤占;供应链安全问题突出,市场乱象丛生;标准和验证体系缺乏,限制了汽车半导体及关键零部件产业发展。

全国人大代表、长安汽车董事长朱华荣直言,由于汽车核心芯片主要依赖进口,随着国际局势风云变化、全球半导体原材料和产能日益紧张、新冠疫情对供应链影响等,汽车芯片存在随时断供风险,且将成为阶段性和结构性问题长期存在,汽车芯片逐渐成为我国汽车工业发展中的主要“卡脖子”环节。全国人大代表,上汽集团董事长陈虹表示,“单靠市场一股力量很难推动车规级芯片国产化,需要形成政府牵头,整车企业联合,针对头部芯片企业开展重点扶持的策略。”全国人大代表、广汽集团董事长曾庆洪则提出,“要集中人力、财力、物力去解决芯片问题,同时还要坚持自主创新和开放合作两个不动摇。”全国人大代表,奇瑞汽车董事长尹同跃建议,制定国产车载芯片技术路线发展纲要,明确车载芯片国产化率发展目标,加大芯片产业链建设、重点扶持及知识产权保护力度。

目前一些企业也在积极行动,长城汽车、上汽集团东风汽车等企业都在芯片领域投资布局,比亚迪此前也布局了功率半导体。据汽势Auto-First了解,蔚来也规划自研自动驾驶计算芯片,零跑不久前还发布了首款自主量产芯片凌芯01。一般来讲,自研芯片所需的资金根据研发程度的不同范围在1.5亿美元到10亿美元不等。如果没有一个稳定的现金流,很难捱到自我造血的那一天。

像朱华荣、陈虹、曾庆洪、尹同跃建议的那样,在顶层设计上需要国家出手,利用制度优势,集中力量办大事。但不可否认,中国汽车芯片产业摆脱卡脖子道阻且长,还要耐得住寂寞若干年。(图片来源于网络)

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