2022 汽车芯片行业研究报告

2022-09-19 09:21:15 江苏省企业技术改造协会 137

百年汽车行业正在经历大变革时代,汽车向电动化、智能化转化是大势所趋,根据海思在2021中国汽车半导体产业大会发布的数据,预计2027年汽车半导体市场总额将接近1000亿美元。而我国作为汽车制造大国,同样对汽车半导体需求旺盛,预计到2025年市场总额将达到137亿美元。

展望未来,功能集中已然成为汽车芯片行业发展的必然趋势。随着汽车进入了电动化+智能网联的时代,新能源、智能化、自动驾驶四个领域趋势带来了新的半导体需求,也为国内新进芯片企业进入汽车领域带来全新的产业机遇。

01、何为车规级芯片

“车规”的关注度,正变得越来越高,但何为真正意义上的车规级芯片?市场声音仍有些嘈杂,有的厂商通过AEC-Q100认证就声称达到车规级,有的认为还需要通过ISO 26262认证。还有厂商宣称自己通过了相关认证,但实际测试过程中,表现却不达标,又是什么原因?

相对于其他消费级工业电子元件,汽车电子元件需要面对更苛刻的外部工作环境,使用寿命要求更长,可靠性和安全性要求更高。

“车规认证”即是针对这些使用场景特点,对汽车芯片的生产流程和产品设定了相关认证要求,满足所有要求,才能通过“车规认证”。而车规级芯片,是指完全满足所有“车规认证”要求,并通过第三方认证机构认证的汽车芯片。

那么,真正的车规级芯片到底要经过哪些相应的认证?具体的指标和维度有哪些?目前,业界较为通用的芯片车规认证标准主要有可靠性标准AEC-Q系列、功能安全标准ISO 26262。一般通过这两项标准的认定,才能称为“车规级芯片”。

  • AEC-Q100:芯片前装上车的“基 本门槛”

    • AEC-Q系列是主要针对可靠性评估的规范,详细规定了一系列的汽车电子可靠性测试标准

    • 其中,业内普遍熟知的AEC-Q100是基于失效机理的集成电路应力测试鉴定,是适用于车用芯片的综合可靠性测试,也是汽车行业零部件供应商生产的重要指南

    • 通过AEC-Q100测试,能够保障芯片长期可靠能用,即不损坏

    • 通过AEC-Q100可靠性认证试验条件,需要多轮验证且过程中更多侧重多方协作(晶圆厂、封测厂等产业链企业的配合),周期一般比较长

  • ISO 26262:汽车供应链的“准入门票”

    • ISO 26262则是全面规范汽车零部件以及芯片功能安全的基本规则。功能安全强调的是保障功能正常,不会出现突发问题,能够正常报警、安全执行,是能力层面的保障

    • 业内对于功能安全的认证较多使用ISO 26262《道路车辆功能安全》国际标准。所以通过这一标准的认证,也已成为时下汽车供应链厂商们的准入规则

    • ISO 26262除了关注控制随机硬件失效外,还关注避免系统性失效的发生

    • ISO 26262功能安全认证分为功能安全流程认证和功能安全产品认证

综合来看,真正的车规级芯片一般需要通过 可靠性测试认证+功能安全流程认证+功能安全产品认证 ,才能算完全满足车规认证中的所有要求,才算是“车规级芯片”。

车规芯片和消费芯片有几个显著的区别:

  • 设计目标不同: 消费类芯片主要考虑性能、功耗和成本(PPA);车规芯片还会综合考虑可靠性、安全性、一致性和长效性

  • 工作环境不同: 消费类芯片一般满足0-70℃环境温度,而车规芯片要满足-40-105℃的使用温度要求

  • 设计寿命不同: 消费类产品一般不超过5年;汽车设计寿命是10-15年,汽车芯片寿命也要按此设计

  • 生产制造不同: 汽车芯片在制造和封装测试上比消费电子要求相对高

  • 另外,汽车SoC芯片通常有 独立的安全岛设计 、独立的系统、独立的电源、独立的时钟,独立的PLL(锁相环)等,以保证持续安全运行

  • 汽车还要满足数据存储、传输网络ECC/CRC校验和多系统要求

02、汽车芯片行业概况

汽车芯片的分类

汽车芯片是指用于车体汽车电子控制装置和车载汽车电子控制装置的半导体产品,大致可以分为如下五大类:

  • 主控芯片

  • 功率芯片

  • 存储芯片

  • 通信芯片

  • 传感芯片

详细参见链接:从车芯第一股看中国车规级芯片版图

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相对于消费级 和工业级半导体,车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性等要求都有更严格的标准。

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我国汽车芯片行业的发展历程

我国的汽车芯片行业发展主要分了四个阶段:

  • 第一阶段(1970年以前),主要以传统车载音响喇叭及点火装置为主

  • 第二阶段(1970-1980年),主要以动力及制动系统为主,涉及ABS、EPS等等

  • 第三阶段(1980-1990年)主要以胎压监测、ESC、道路监测等主动安全产品

  • 第四阶段(2000年-至今),涉及越来越多驾驶辅助、智能座舱、新能源等系统

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与国外相比,我国车规级半导体国产化率较低,为了促进汽车半导体产业的快速发展,弥补国内相关产业的不足,近些年,我国发布了一系列关于汽车半导体的政策法规,支持汽车半导体行业不断完善产业链,持续实现技术突破。

在汽车电动化、智能化和网联化三大趋势驱动之下,当前汽车内半导体含量大幅提升。汽车的智能化、网联化带来的新型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。

汽车电动化对执行层中动力、制动、转向、变速等系统的影响更为直接,其对功率半导体、执行器的需求相比传统燃油车增长明显。

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受益于汽车三化的趋势,整车芯片的价值量将不断攀升。根据海思在2021中国汽车半导体产业大会发布的数据,预计2030年汽车电子在汽车总成本中的占比会达到50%。

不仅是芯片价值量有所提升,数量同样有所增加。根据中国汽车工业协会数据显示,传统燃油车所需汽车芯片数量为600-700颗,电动车所需的汽车芯片数量将提升至1600颗/辆,而更高级的智能汽车对芯片的需求量将有望提升至3000颗/辆。

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汽车智能化趋势驱动单车芯片价值提升

智能化程度已经成为消费者心中评判新能源汽车吸引力的核心指标之一。iResearch预计2025年中国智能驾驶汽车产销量超过2000万台,其中L2+/L3数量将超过半数。而自动驾驶级别越高,车辆所需处理与储存的信息量也越多,从而进一步提升了传感器、主控芯片、存储芯片、功率半导体等的搭载量。

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电气化架构推动芯片性能转变

随着消费者对汽车经济性、安全性、舒适性、娱乐性等需求的提升,分布式电子电气架构已无法满足未来更高车载计算能力的需求。

不仅如此,电动智能化进一步推动了电子控制器的数量,随着车内ECU、传感器数量增加,整车线束成本和布线难度也跟着大幅提升。

因此无论是对更强大的算力部署、更高的信号传输效率需求,还是出于车身减重和成本控制的考量,都要求汽车电子电气的硬件架构从传统分布式朝着“集中式、轻量精简、可拓展”的方向转变。

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03、汽车芯片产业链剖析

汽车芯片的产业链中:

  • 上游一般为基础半导体材料(硅片、光刻胶、CMP抛光液等)、制造设备和晶圆制造流程(芯片设计、晶圆代工和封装检测)

  • 中游一般指汽车芯片制造环节,包括智能驾驶芯片制造(GPU芯片、FPGA芯片、ASIC芯片),辅助驾驶系统芯片制造(ADAS芯片)、车身控制芯片制造(MCU芯片)等

  • 下游包含了汽车车载系统制造、车用仪表制造以及整车制造环节

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上游:半导体材料和设备是产业链基石

半导体材料和设备是半导体产业链的基石。在国家鼓励半导体材料国产化的政策导向下,本土半导体材料厂商不断提升半导体产品技术水平和研发能力,逐渐打破了国外半导体厂商的垄断格局。中国半导体材料市场规模逐年增长,预计2022年中国半导体材料市场规模将达127亿美元。

而硅晶圆作为制造芯片的基本材料,在产业中同样扮演着举足轻重的地位。预计2022年,我国晶圆制造行业市场规模将超3000亿元的市场规模。同时,芯片设计行业已经成为国内半导体产业中最具发展活力的领域之一,预计2022年,市场规模将达4765.2亿元。

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中游:汽车芯片制造为重要一环

从市场规模来看,在汽车电动化、智能化、网联化的影响下,汽车芯片市场整体呈现增长趋势。

根据海思在2021中国汽车半导体产业大会发布的数据,2021年全球汽车半导体市场约为505亿美元,预计2027年汽车半导体市场总额将接近1000亿美元,2022-2027年增速保持在30%以上。

我国作为汽车制造大国,对汽车半导体需求旺盛,预计到2025年将达到137亿美元,年均复合增长率达3.03%。

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根据Strategy Analytics数据,在传统燃油车中,MCU价值占比最高,达到23%;其次为功率半导体,达到21%;传感器排名第三,占比为13%。

而在纯电动车型中,由于动力系统由内燃机过渡为电驱动系统,传统机械结构的动力系统被电动机和电控系统取代,致使功率半导体使用量大幅提升,占比达到55%,其次为MCU,达到11%;传感器占比为7%。

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下游:新能源车发展势头强劲

2021年以来我国新能源车渗透率持续走高,2022年1-7月,新能源汽车产销分别为327.9万辆和319.4万辆,同比均增长1.2倍,市场占有率为22.1%。在汽车电动化趋势日渐明确的背景下,新能源汽车销量持续增长,渗透率不断提高,将持续打开汽车芯片的增长空间。

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MCU:汽车ECU核心

MCU(Microcontroller Unit)即微控制器,也被称为单片机,是将计算机所包含的CPU、存储器、I/O 端口、串行口、定时器、中断系统、特殊功能寄存器等集成在一颗芯片上,将其应用在不同产品里,从而实现对产品的运算和控制。车载MCU是汽车电子控制单元(ECU)的核心部件,负责各种信息的运算处理,主要用于车身控制、驾驶控制、信息娱乐和驾驶辅助系统。

汽车电子化程度的加速驱动MCU市场需求的增长, 汽车端成为全球MCU最大的应用市场。通常汽车中一个ECU负责一个单独的功能,配备一颗MCU,也会出现一个ECU配备两颗MCU的情况,而与传统燃油车相比,新能源车丰富功能提高,对MUC性能、功耗、数量的需求都有所提升。

车载MCU分类及应用

车载MCU可分为8位、16位及32位。车载MCU位数越多对应结构越复杂,处理能力越强,可实现的功能越多。

从不同位数MCU规模占比来看,32位MCU凭借优异的性能及逐步降低的成本占据主导地位,销售额占比已经从2010年的38.11%提升2021年的65.83%,未来随着汽车电子电控功能的日趋复杂,叠加电子电气架构集中化的趋势,车载MCU中32位占比有望进一步提高,从而带动行业整体ASP提升。

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04、现状与趋势

从全球市场竞争格局来看,国际厂商在车规级半导体领域中占据领先地位,车规级半导体国产化率较低。根据Omdia统计,2020年全球前五大厂商包括英飞凌、恩智、瑞萨、德州仪器、意法半导体,前25强中 闻泰科技名列第19位,是中国唯一一家上榜的公司

从国内竞争来看,近年来,外部收购、成熟企业布局车规半导体业务、以及新兴领域创业,成为目前支撑我国汽车半导体发展的主要路径。2019年,闻泰科技收购安世半导体一举成为国内最大的汽车半导体公司。

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国内重点龙头公司

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车规级半导体自主率低

从各细分领域来看,由于设计、生产等方面的技术差距较大,至今我国未形成具备国际竞争力的汽车芯片供应商,不仅在汽车芯片领域的市场份额较低,自主率也普遍较低。

  • 一方面由于车规级半导体对产品的要求高,企业需要较长时间的技术积累和经验沉淀实现技术突破,并且认证周期和供货周期较长,导致车企与芯片厂商在形成稳定的合作关系后,就很难在原有车型上再次更换供应商,形成了业务稳定、格局垄断、关系牢固的三大竞争壁垒

  • 另一方面,整车厂在认证车规级半导体的新供应商时,通常会要求其产品拥有一定规模的上车数据,国产厂商缺乏应用及试验平台,在车规级半导体正常供给的状态下较难寻得突破

未来,我国汽车芯片行业将呈以下发展趋势

  1. 功能集中已经成为行业发展趋势。随着传感器数量和种类逐渐增多,将不同功能的计算芯片集成到一块板子上,对各传感器的原始感知信息实行后端融合计算成为必然选择。同时ECU模块也将逐渐集成合并,形成集中运算的车载计算平台

  2. 进口替代已经逐步实现。虽然在汽车级半导体仍处于弱势地位,但随着国内上市公司收购整合全球主要半导体企业,比如闻泰科技收购安世半导,韦尔股份收购豪威科技。通过并购叠加内生发展,中国汽车级半导体有望获得大的突破,逐步实现进口替代。

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  3. 汽车智能化+电动化推动产业链重构 。随着汽车进入了电动化+智能网联的时代,带来了新的半导体需求,也为国内新进芯片企业进入汽车领域带来全新的产业机遇。OEM+Tier1+Tier2原有金字塔格局有望被打破,智能车软件会逐步走向平台+生态模式,形成新一代汽车生态体系

  4. 软硬结合、服务能力将成为厂商比拼关键。综合考虑整车项目开发流程与芯片设计开发流程,未来汽车芯片厂商在产业合作中,将与主机厂建立更多前端沟通,挖掘市场真实需求,提高产品定义与设计前瞻性,芯片厂商将进一步提升自身的算法与软件技术积累与理解,优秀的服务能力将成为面对主机场差异化需求时的关键竞争优势。

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车规级MCU市场规模预测

全球车规级MCU市场规模也随之增长:

  • 2020年全球车用MCU市场规模为62亿美元

  • 2021年,汽车MCU需求旺盛,市场规模大幅增长23%,达到76.1亿美元

  • 预计2025年,市场规模预计将达到近120亿美元,对应2021-2025年复合平均增速为14.1%

我国车规级MCU市场规模同样保持稳定增长:

  • 2021年我国车规级MCU市场规模达30.01亿美元,同比增长13.59%

  • 预计2025年市场规模将达42.74亿美元

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SoC:异构集成扬帆起航

随着ADAS的落地和L3及以上级别自动驾驶的成熟,传统中央计算CPU无法满足智能汽车的算力需求,将CPU与GPU、FPGA、ASIC等通用/专用芯片异构融合、集合AI加速器的系统级芯片(SoC)应运而生,主要分为智能座舱及自动驾驶芯片。

根据IHS数据,预计2025年全球汽车SoC市场规模将达到82亿美元,并且L3级别以上自动驾驶预计2025年之后开始大规模进入市场,配套高算力、高性能SoC芯片将会带来极高附加值,有望带动主控芯片市场快速扩容。

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智能座舱芯片:未来“一芯多屏”技术的强支撑

  • 智能座舱从电子座舱逐步演化为第三生活空间,“一芯多屏”的座舱方案成为未来趋势。据国际电子商情,预计全球智能座舱市场在2022年将达到438亿美元

  • 智能座舱朝着多传感器融合、多模交互及多场景化模式不断演进,作为处理中枢的座舱SoC需要不断发展突破。因此,座舱SoC的算力将不断提升,据IHS Markit,预计2024年座舱NPU算力需求将是2021年的十倍,CPU算力需求是2022年的3.5倍

  • 芯片本身也将朝小型化、集成化、高性能化的方向发展

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自动驾驶芯片:算力基础决定自动驾驶高度

自动驾驶芯片一方面需要满足更高的安全等级,另一方面随着自动驾驶等级的提升,对自动驾驶芯片运算能力的要求也不断提升。只具备CPU处理器的芯片难以满足算力需要,自动驾驶芯片会往集成CPU+XPU的异构式SoC方向发展,XPU包括GPU/FPGA/ASIC等。

GPU、FPGA、ASIC各有所长,GPU适合数据密集型应用进行计算和处理,FPGA通过冗余晶体管和连线实现逻辑可编辑,而ASIC是面向特定用户的算法需求设计的专用芯片。

NPU作为ASIC的一种,在电路层模拟神经元,通过突触权重实现存储和计算一体化。一条指令即可完成GPU上百条指令的功能,提高运行效率。NPU目前已经被多家厂商广泛采用,若未来自动驾驶算法实现统一,ASIC/NPU有望成为最高效的自动驾驶芯片解决方案。

05、写在最后

中国汽车电子市场不断增长,但车规级芯片国产化的自主率很低,很依赖进口,目前进口芯片率是90%,关键系统芯片全部为国外垄断,其他车身电子简单系统上的自主化率刚刚超过10%。

国家新能源汽车技术创新中心总经理原诚寅指出,芯片行业是一个强绑定的供应链体系,行业壁垒比较高,新品设计出来后无法快速上车,一般需要2-3年时间完成车规认证,并进入整车厂供应链;一旦进入之后,一般能拥有长达5-10年的供货周期。

一个产品开发36个月-48个月,产品的寿命周期是10年,还有10年的备件的要求,所以,芯片企业普遍认为,进入汽车链条是一个很长的周期,需要大家的恒心和毅力。

在当下“芯片荒”的时候,很多主机厂希望中国芯片企业出来帮一把,但如果未来汽车芯片供应没有那么大的压力,主机厂还能不能跟中国芯片企业一起往下走?这是所有人面临的挑战。

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