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汽势Auto-First｜刘天鸣

从2020年12月份，大众汽车证实因半导体产品短缺，在2021年第一季调整中国、欧洲、北美三地的生产计划，到2021年年初，包括福特、斯巴鲁、丰田、日产在内的多家汽车企业也纷纷因为芯片问题削减产能或调整产能。 这场席卷全球汽车产业的“芯片荒”从2020年由延续到了2021年。

根据汽车企业预测，“芯片荒”将影响到一季度工厂生产。值得注意的是，摆在全球汽车企业面前的芯片难并不是高端芯片，而是汽车最为基本的芯片，例如ECU （电子控制单元）和ESP（电子稳定程序系统）等模块中的芯片。

既然不是因为技术原因被“卡脖子”，那究竟是什么原因导致汽车产业面临“芯片荒”？车规级芯片与普通消费级芯片究竟有何区别？在这场“芯片荒”中，中国将扮演怎样的角色？

8英寸晶圆短缺成主因

有很多人认为此次轮“芯片荒”是因为某种制裁或者因为芯片制程问题而导致。事实上这并不是导致无“芯”可用的真正原因，ECU和ESP所使用的芯片制程也不需要达到5nm或7nm。对于为何导致汽车行业芯片“荒”，中国国际经济交流中心总经济师陈文玲曾指出，汽车芯片产量不足的主要原因是8寸晶圆短缺，并不是制裁的结果。

作为半导体制作的基础性原材料，晶圆将直接影响芯片的产量。在摩尔定律驱动下，晶圆的尺寸也从最初的6英寸演变到如今高端芯片所使用的12英寸，晶圆的尺寸越大意味着面积越大，使得生产的芯片数量大幅度提升，不仅能够降低成本也能够提高良品率。 由于，8英寸晶圆比12英寸晶圆具有固定成本低、达到成本效益生产量要求较低、技术成熟等特点，被广泛应用到功率器件、电源管理芯片等等。

在汽车产业中，由8英寸晶圆制成的28nm、40nm、65nm芯片广泛应用，尤其是上世纪70年代，ECU被应用到汽车产业后，芯片在汽车上的应用越来越多。目前，一辆汽车中所使用的ECU数量达到几十个甚至上百个，分管车辆动力传动系统、车身控制系统等等。

虽然汽车产业有着庞大的需求，但在半导体行业中，汽车所需的半导体体量远不及消费类电子产品，8英寸晶圆制成的芯片更多的是被应用到笔记本电脑、平板类产品中，在2020年新冠疫情的影响下，居家办公、在线教育增多带动了消费类电子产品的增速，芯片代加工企业也将产能转移至到更受欢迎的消费电子领域，随着汽车产业复苏，芯片代加工企业就呈现出产能不足的问题。

同时，在半导体产业不断升级过程中，8英寸晶圆的生产基地和产能也呈现出减少态势，从1990年IBM与西门子建成第一座8英寸晶圆厂后，8英寸晶圆逐渐成为半导体行业主流，晶圆的产能呈现出快速扩张态势，到2007年全球共用200座8英寸晶圆厂，产能达到560万片/月，但随着12英寸晶圆被大范围应用，8英寸晶圆厂开始减少，据相关数据统计，2008到2016年间，有超过30座8英寸晶圆厂关闭，同时有超过10座厂从8英寸转换为12英寸，到2019年年底全球8英寸晶圆厂总量已低于200座。

在8英寸晶圆厂减少的过程中，CMOS图像传感器、指纹识别芯片以及汽车、物联网等领域对功率、电源管理、功率器件等需求呈现出快速增长，这使得8英寸晶圆从2018年开始便出现产能紧缺的现象。2020年年底，8英寸晶圆短缺而产生的蝴蝶效应影响到汽车产业，导致多家汽车企业减产。

车用芯片难度较高

除了8英寸晶圆产能供不应求以及消费类电子产品需求增加导致了汽车产业无“芯”可用外，车规级芯片的技术要求也较高。

首先是半导体产品的设计是与制造分开。通常情况下，芯片由芯片研发设计公司完成电路图设计工作，再由代加工厂将上游供应商生产的硅晶棒经过切割、影印、刻蚀等繁琐工序，完成芯片生产，后续还要完成芯片封装测试。半导体完成生产封装后，再由汽车产业上游供应商采购，应用到ECU、ESP等电子元件中，最后供应到主机厂装配至车辆中。

其次，车规级芯片不同于消费级芯片，无论是在不良率还是在环境兼容度、使用年限上有着严苛要求，在不良率方面，车规级芯片交付不良率要求在百万分之一。在环境兼容度和使用年限上，也有着严苛要求，消费级半导体芯片的工作温度在0-40度之间，寿命在1-3年左右，而车规级芯片的工作温度范围达到零下40度到85度之间，个别芯片最高工作温度更是达到155度，使用寿命最少也到达到15年以上。

此外，生产车规级芯片对生产企业也有着严苛要求。生产企业以及设计企业往往需要获得AEC-Q100/101/200认证，这项认证不仅采用了军用电子器件环境适应性标准和汽车电子通用环境适应性标准，测试标准严苛，还需要庞大的验证材料以及长时间的验证流程。而在汽车产业上游供应链中，车规级芯片还需要满足供应链品质管理标准ISO/TS16949规范。

中国或成破局关键

在这场汽车产业“芯片荒”中，中国或许将扮演重要角色。

在解决8英寸晶圆产能问题方面，包括台积电、联电、世界先进、中芯国际和华虹半导体在内的多家晶圆代工厂在积极扩建8英寸晶圆产能，其中，台积电于2018年新建8英寸晶圆厂，中芯国际也曾对外表示，2020年年内将天津、上海、深圳三个8英寸晶圆生产基地增加3万片/月的产能。

同时，德国经济部长也曾向中国台湾寻求帮助，希望说服台积电等企业帮助解决芯片供应问题。台积电也在一份声明中表示，公司当前正与汽车客户紧密合作，以解决产能支持问题。

目前，车规级芯片市场主要由英飞凌、恩智浦、瑞萨电子、德州仪器和意法半导体这五家企业供应，占据车规级半导体的50%的市场份额。这5家汽车企业不仅保留自身工厂制造简单的芯片，还会与晶圆代工企业合作代为生产车规级芯片。以恩智浦为例，作为全球最大的汽车半导体供应商，与台积电在16 纳米制程合作多个成功设计，并针对新一代汽车处理器打造 5 纳米系统单芯片（SoC）平台。

在车规级芯片研发设计方面，国内汽车企业有着快速发展。以广泛应用于新能源汽车领域的IGBT模块为例，比亚迪已经完全掌握芯片设计、晶圆制造、测试、封装等核心技术，打破国际垄断实现自给自足，除了自用外，比亚迪IGBT 模块已经有外销。

上汽通用五菱也在2021年1月宣布自研芯片，并迅速拉动中心各部门资源，建立TDC芯片国产化工作小组，以保证公司各项目产能不受供应商影响。

在智能汽车所需的AI芯片方面，地平线所研发升级的征程2国产车载AI芯片已经应用到量产车上，实现从0到1的突破。华为海思在2020年与比亚迪达成合作，共同探索麒麟 710A 车机芯片在汽车数字座舱领域场景的应用落地。

目前，这场全球汽车企业面临的“芯片荒”中，中国庞大的半导体代工产业或许只能解决8英寸晶圆短缺问题，在一定程度上提升产能。从中长期来看，国内汽车企业以及芯片研发企业以及开始布局包括AI芯片、IGBT 模块等车载芯片的研发生产，在一定程度上能够避免未来被芯片“卡脖子”。芯片“荒”已经让中国汽车企业看到芯片亟需自主替代的趋势，这将加速车企以及国内自主芯片企业在车规级芯片研发进程。（图片源自网络）