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国产车规MCU上车现况分析

2023年7月11日

编辑:Rokin/中国出海半导体网

 

据了解,中国汽车年产量从1999年的183万辆增长至2022年的2702万辆,全球占比从3%提升至近50%。其中,新能源汽车在中国的发展势头尤为迅猛,据中国汽车工业协会统计,2022年中国新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7万辆,同比分别增长96.9%和93.4%,中国汽车工业展现出强大发展韧性。对中国半导体产业来说,一个新的汽车时代正揭开帷幕,一个新的汽车芯片时代也已经到来。业界预测,2025年将成为芯片本土化供应的关键节点。

 

MCU:汽车ECU的核心

MCU是把中央处理器、存储、定时器、输入输出接口集成在同一个芯片上的微控制单元,也称单片机。MCU主要用于自动控制的产品和设备,可应用于工业、汽车、通讯与计算机、消费类电子领域。与消费级和工业级芯片相比,车规级MCU对产品的环境要求、可靠性要求和供货周期要求较高。

 

 

针对车规芯片,汽车市场还有专门的认证流程。在汽车领域,芯片应用可分为前装市场和后装市场,前装指汽车出厂前,在车厂内完成的零部件安装,后装则指汽车出厂后进行的零部件安装,也有企业将前装市场称To B市场,后装称To C市场。

芯片要进入前装市场中需要通过严苛的AEC-Q100、IATF16949、ISO26262三大车规芯片认证系统,是严格意义上的“车规芯片”;而在后装市场,由于应用的场景对芯片的可靠性和性能要求较低,性能满足需求的芯片不通过车规认证也可上车。2019年之前,国内的MCU产品应用大多聚集在前装市场,近年来随着市场和芯片原厂技术的成熟,前装市场成了国内MCU主攻战场。

车规芯片要通过车规认证难度大,周期长,从流片至量产出货,往往需要3-5年时间。在前两年的缺芯极端环境中,这一周期有缩短的空间。需要注意的是,AEC-Q100、ISO26262认证也有等级之分,即使同为车规芯片,不同应用场景中,对车规芯片的认证标准要求也不一样。

 

 

在短则一年长则三五年的漫长认证期间,芯片供货商并不能从汽车厂商中获得实际收入。不过一旦某款芯片成功打入整车前装市场供应链,在汽车正常使用周期内,即可享受至少10年以上的供货期,长期收益可观。

在汽车领域,汽车电子控制单元(简称ECU)是汽车专用微机控制器,有“行车电脑”、“车载电脑”之称。而MCU芯片是ECU的核心运算器件,承担ECU的运算功能,汽车上每个ECU单元需要搭载一个MCU芯片,随着汽车智能化和电动化提升,单车MCU芯片用量需求可达几十至数百颗。

产品性能由低到高分布,应用于汽车领域的MCU的规格种类一般可分为8位、16位、32位三种。MCU的位数是指CPU每次处理的二进制数的位数,位数越多,数据有效数越多,精确度越高,运算误差越小,在CPU运算速度一样的情况下,位数越多,处理速度越快,是衡量MCU性能的重要指标。小到车窗、空调和座椅等简单操控,大到车身控制、发动机管理,甚至是智能驾驶,MCU都参与其中。根据应用环境和安全考虑标准差异,汽车电子系统方案选择的MCU规格有所不同。

8位MCU成本/功耗低,便于开发,性能可满足大部分低阶控制场景需要,广泛应用于基础功能如风扇、雨刷、天窗,座椅控制等汽车领域;16位MCU,运算能力介于8位和32位MCU之间,主要应用为动力传动系统,如引擎控制、齿轮与离合器控制和电子式涡轮系统等;也适合用于底盘机构上,如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制和电子帮辅、电子刹车等;32位MCU运算能力更强,能满足高速处理的需求,多用于解决复杂场景问题,如汽车智能座舱、车身控制、辅助驾驶,行车安全系统等领域。

从价格上来说,一般8位MCU的单价小于1美元,16位MCU的单价在1-5美元之间,32位MCU价格在5-10美元之间,部分高端产品在10美元以上。但在市场极端缺货情况下,汽车MCU的单价波动幅度极大,TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飙涨,曾一度卖到5000元一颗,此后该芯片单价一度下滑至2000元,2023年3月又涨至4000余元。

近年来,由于汽车智能化和电动化快速发展,汽车电子面临的应用场景越来越复杂,32位MCU的用量正逐步提高,用量提升进一步降低了32位MCU的单价,在性能要求提高和产品单价降低的同步驱动下,目前32位MCU在汽车领域应用占比最高。

杰发科技高级产品经理涂超平表示,“32位MCU在汽车领域占比接近80%,是主流。从产品趋势上看,未来32位产品占比还将继续提升,主要是对16位产品的替代。随着汽车对精细化控制需求的增加,32位产品在传动和安全在经过一段时间验证之后,占比还会上升。” 

近两年中,国内MCU厂家一般也是选择32位MCU作为其车规产品线首发产品。除了产品规格,架构选择也是影响MCU在汽车领域应用的一大因素。一是架构在一定程度上可节省程序运用占用内存空间和降低中断延迟,可影响MCU产品性能;二则由于边缘政治的冲突,出于对供应链安全的考虑,部分汽车厂商也会有意识选择采用供应安全系数更高的架构芯片。

目前在消费电子、工控、医疗等领域中,MCU主要以ARM内核架构为主,RISC-V架构也在逐步兴起中;在汽车领域,Arm Cortex-M内核沿袭了其在其他领域的优势,国产MCU厂家大多采用这一系列构架,只在具体的系列上有所不同;也有少数MCU厂家另辟蹊径采用公开指令集自研内核,如成立于2012年的芯旺微电子自研的KungFu内核、成立于2001年的苏州国芯科技PowerPC架构C*Core,自研架构的优势在于产权自主,但也面临生态建设的挑战,需要企业投入大量精力建设。

 

 

国内芯片原厂卷向车规MCU

长期以来,由于汽车MCU市场准入门槛高及汽车市场在全球中以海外品牌为主,全球汽车MCU的供货主要由海外大厂把控,格局较为稳定;国内半导体厂商主要在消费和中低端工控领域竞争,汽车MCU产品市场占比低。

据Omdia统计,2021年全球前5大MCU生产厂商分别为 NXP、瑞萨电子、意法半导体、英飞凌以及微芯科技。更早些的数据显示,全球MCU市场中前十供应商市占达95%以上,且均为海外企业,换言之,国产MCU市占不足5%。

整体而言,现阶段国内车规芯片仍处于起步阶段。2021年的汽车缺芯潮曾一度加速了国内MCU应用进展:当时芯片价格暴涨,各类型汽车芯片价格普遍上涨了5倍到20倍,尽管如此依然“一芯难求”,其中MCU芯片最为紧缺,国内芯片原厂的车规MCU在这个时期获得了不少汽车大厂的青睐,赢得了许多车场导入认证的机会,但由于国内MCU产品选型不够丰富,能赶上这趟红利期的企业并不多。

国内车规MCU芯片厂商大多也还停留在车身控制领域,少数几家有将产品布局迈向了对安全和性能要求更高的动力集成领域,具备国产替代的能力。这与国内MCU原厂在汽车市场发力晚有直接的联系,据不完全统计,目前国内有23家芯片企业布局了车规MCU产品线。

此外,还有不少芯片设计企业正加速车规MCU的研发工作,如力源信息2023年初通过互动平台透露,公司自研MCU芯片预计2023年上半年完成AECQ100专业机构认证,上述认证完成后再导入客户进行客户端认证;中颖电子也表示其首款32位车规级MCU工程品已于多个客户端送样测试。

国内原厂们纷纷盯上汽车MCU赛道并非没有道理。从市场需求的角度来看,一方面汽车MCU正迎来量价齐升的快速发展期。传统汽车单车会平均用到70个MCU左右,而汽车电动化加上智能化的实现则需要用到300多个MCU,MCU的应用领域包括ADAS、车身、底盘及安全、信息娱乐、动力系统等,在车身系统中几乎无处不在。

另一方面,由于地缘政治的发展,为保障供应链安全,政策上已经在鼓励本土芯片供应链的发展,而在汽车MCU这一块,本土可替代的空间巨大。某知名Tier 1厂商工程师称,“政策上对本土化是会有一个引导的,具体的表现是对整个行业的主机厂要求本土芯片的成本要占到供应链的一定比例。”

从供应的角度来看,车规MCU是出了名的技术门槛高、回报周期长的品类,但近年来首度发力车规MCU赛道的国内芯片企业经过在消费电子多年来的历练和技术积累,已经具备做能满足大部分汽车场景需要的车规MCU实力。极海汽车电子芯片事业部总监徐学迅表示:“目前极海车规级芯片技术布局与产品规划充分考虑不同级别的电子架构,满足汽车电子产品需求、应对挑战,同时重视迭代升级与可扩展性。”

另一类从创立之初就在做汽车芯片的企业也有十余年的汽车市场和技术积累,在汽车领域已经取得小有成就。杰发科技涂超平透露:“已有不少国产MCU厂商开始升级转型,研发高性能MCU芯片,国内客户的接受度也在同步提升。”

外部市场环境中,国内新能源汽车品牌,如比亚迪、小鹏、理想、蔚来等蓬勃发展以及半导体产业日渐成熟,也具备滋养车规MCU成长的实力。“从设计能力看,国产车规级MCU的技术参数在部分领域可以比肩国际大厂,是提高芯片自给率的机会。从工艺制造看,MCU工艺节点集中在40nm及以上的成熟制程,比较先进的车用MCU产品可能会部分采用28nm制程,国内代工厂已经具备相应的制造能力。随着代工厂在28nm技术的持续优化,国内车规级MCU厂商与上游代工厂加强协作,有望共同推动国内半导体行业再上一个台阶。”涂超平补充道。

总的来说,国内芯片原厂竞相涌入汽车MCU市场,对国内整个汽车生态圈来说是好事,由于本土供应市场足够大,更多企业的加入为汽车MCU领域带来了更多的人才,有利于提升技术能力,丰富国产车规MCU产品矩阵,实现产业良性竞争,协力从海外大厂手中抢到更多的市场份额。

但在进度上,国内汽车MCU的研发和市场发展还需要进一步加速。2023年,汽车MCU供不应求的局面已经基本得到缓解,国内MCU厂商将面临国际大厂的反扑,市场压力不小。过去几年间,中国车规级MCU发展取得了一定成绩,产品具备一定的竞争力。未来,在本土供应浪潮和中国新能源汽车品牌及市场持续增长的带动下,期待国内车规MCU继续加速成长。