持续近半年的晶圆代工产能紧张蔓延，对全球汽车产业的冲击有目共睹。多家汽车半导体供应商先后宣布涨价，包括大众、福特、通用、本田、斯巴鲁、日产汽等在内的全球主要汽车制造商因“缺芯”宣布减产。市场机构IHS Markit预测，2021年一季度汽车芯片短缺可能影响全球67.2万辆轻型汽车的生产，这一情况可能会延续到三季度；伯恩斯坦研究公司预测，由于2021年全球范围内汽车芯片短缺，预计今年将造成多达450万辆汽车产量的减少，相当于全球汽车产量的近5%。近日日本福岛7.3级强震使汽车芯片主要供应商之一瑞萨不得不暂停芯片生产，对无芯可用的汽车制造商而言无疑更是雪上加霜。
汽车芯片缺口从何而来
汽车半导体大致可以分为三类：数字芯片，包括CPU、MCU、GPU等等，通常使用先进制程；模拟芯片，包括无线通讯的功率放大器、音频放大器、传感器等，通常使用成熟制程；功率器件，包括IGBT，MOSFET等。按用途来看，可以分为主控芯片、功能芯片、功率芯片和传感器芯片等。
据集微网了解，目前汽车芯片供应紧缺，主要是2020年初疫情导致各家汽车半导体IDM厂商大幅削减第二季度库存（超过3成），包括代工厂因此空出的产能很快就被ASIC、挖矿、HPC等产品填补。芝麻智能科技CMO杨宇欣也对集微网记者表示，汽车芯片厂商的forecast一般情况下就做的比较低，2020年上半年甚至出现了砍单的情况。随着下半年晶圆厂产能日渐紧张，也由于汽车市场回暖快于预期，芯片供应链缺货的态势，从消费电子应用逐步蔓延至工控和汽车产品。
在全球代工产能都不足的情况下，2020年上半年消费电子市场需求却一直在增长，因此大量产能向该领域转移，汽车半导体受产能排挤影响显著，例如12英寸厂的车载MCU与CMOS图像感测器（CIS）、8英寸厂的车载MEMS、分离式元件、电源管理IC与驱动IC等。集邦咨询表示，目前汽车半导体以12英寸厂在28nm、45nm与65nm的产线最为紧缺；同时，8英寸厂在0.18um以上的节点亦受到产能排挤。
紧缺的的车规芯片，包括意法半导体的STM32F1系列、8位MCU和传感器，以及部分新唐和兆易创新的型号；NXP的CAN控制器、32位MCU；TI的LDO稳压器；英飞凌的IGBT；美光的存储芯片以及多家品牌的以太网芯片、PCIE接口芯片和处理器监控芯片等等。
某代工厂专家对集微网记者表示，以往汽车半导体市场主要以IDM或轻晶圆厂(Fab-lite)生产为主，例如：NXP、英飞凌、意法半导体、瑞萨、安森美、TI等。由于汽车芯片需要高温高压的工作环境，以及较长的产品生命周期，对其产品可靠性与长期供货的高要求，通常不会轻易转换产线与供应链。但在此次特殊情况下，德、美、日等国的汽车半导体供应商都通过政府途径向中国台湾的代工厂求助，台积电更是以极其罕见的能将生产时程缩短多达50%的“超级急件”（super hot run）方式来临时插单生产汽车芯片，以期能解燃眉之急。
专家大可对集微网记者表示，目前汽车芯片缺口主要是IDM厂商的产能因疫情开工不足所致，因而需要到亚洲的代工厂来生产，但是产能都已经是满载的状态。
“IDM厂转换供应链一般有两种情况。一是例如某款芯片原先在德国生产，同时有替代产品在台积电生产，那么它要解决的是临时安排产能的问题；二是某款芯片原来只在法国生产，是单一货源（sole source），那它现在需要先在台积电做验证，这个周期一般会很久。”大可解释，“像台积电这种super hot run的方式只能临时做，而且会导致所需机台停机等待到货，非常伤害产能。”
他表示，不要说现在代工厂产能全满，就算不满也不能用这种方式来量产，通常只是小批量验证的时候才会选择这样的方式。代工厂包括台积电一般产能配置会有一些余量，特殊时期就是“价高者得”。
尽管如此，汽车业务在代工厂中的比重仅仅是很少一部分。例如台积电去年第四季度汽车业务仅占营收的3%，远低于智能手机芯片的51%和高性能计算芯片的31%。一方面是规模相对较小，一方面是单价低。例如台积电为英伟达代工的最新游戏处理器单价高达数百美元，而汽车普遍使用的MCU单价在1美元以下。然而，即使是便宜的芯片也会带来成本高昂的影响。汽车芯片供应商微芯首席执行官Stephen Sanghi近日在电话会议中指出，一个一美元的零件可使一辆4万美元的汽车无法发货。因此现实是汽车芯片不得不与其他收益更高的产品竞争产能。
由于新建晶圆厂到量产通常需要两年以上，加上建设成本与设备成本飙升，越来越多半导体厂商将生产外包给代工厂，比如瑞萨、NXP和英飞凌这三家厂商总共占据了几乎80%汽车半导体市场，但是他们都有部分产品委托给台积电生产。据IHS Markit估计，全球70%的汽车用微控制器产自台积电。
鉴于目前大部分汽车半导体采用8英寸晶圆成熟制程，而近几年来鲜有新的8英寸厂投建，因此汽车制造商这一波的芯片荒，恐怕短期内都难以得到缓解。长期来看，可能一些汽车芯片厂商将重新考虑外包生产的方式。
乱象丛生，前装出货才是考验国产车规芯片的唯一标准
中国汽车工业协会数据显示，1月，汽车产销分别完成238.8万辆和250.3万辆，环比分别下降15.9%和11.6%。生产环比降幅较快，反映出汽车芯片供应不足开始影响到企业生产节奏。汽车芯片短缺也引发中国行业主管部门重视。
2月9日，工信部相关部门建议汽车芯片供应企业高度重视中国市场，加大产能调配力度，提升流通环节效率，与上下游企业加强协同，努力缓解汽车芯片供应紧张问题，为中国汽车产业平稳健康发展提供有力支撑。
华为事件揭开了中国半导体“芯片之殇”，此次汽车芯片是否暴露了在消费电子芯片之外更为致命的“命门”？
咨询公司罗兰贝格发布的《中国新能源汽车供应链白皮书2020》显示，在全球汽车半导体行业前20强中，中国本土企业仅占一席。市场研究机构StrategyAnalytics公布的数据则显示，英飞凌、恩智浦、意法半导体等企业基本垄断了汽车半导体市场，这些头部半导体企业占据中国相关市场超过九成份额，国内本土芯片企业的市场份额仅为个位数。《中国新能源汽车供应链白皮书2020》显示，在中国每年2800万辆的汽车市场，中国汽车半导体产值占全球不到5%，部分关键零部件进口量在80%至90%。
尽管国产汽车芯片也已发展十多年，但是相比在消费芯片领域取得的成绩可谓小巫见大巫。究其原因，赛腾微电子董事长、总经理黄继颇表示，主要是国内汽车产业链这么多年来没有贯通起来，不给国产芯片试用机会，直到当前这次的芯片“缺货风波”才使得国内汽车企业对国产供应链需求意愿增强。从中长期来看，此次芯片短缺可能将倒逼我国汽车供应链的自主可控。
对汽车芯片设计人员来说，需要利用各种各样来自公司内部及外部供应商的底层IP，包括PVT传感器、PLL、嵌入式存储器、数字逻辑模块以及复合接口IP等，来满足与SoC的功能安全性、可靠性和质量相关的标准，认证时间表还要满足其OEM合作伙伴提出的快速上市的期望。随着汽车自动驾驶的发展，对汽车半导体IP的需求与日俱增。
在全球主要的IP厂商中，美国公司占据了半壁江山。除了Arm之外，EDA软件工具商Synopsys和Cadence也是IP阵营的主要参与者。国内只有芯原股份上榜全球IP榜单，国产IP的产业影响力相对较小，意味着也有被卡脖子的风险。
因此大可认为汽车IP是被国内忽视的一个关键“命门”。公开市场几乎没有车用IP，国内大部分设计公司离开现成的IP都是转不起来的。“做汽车芯片正常要全部自己完成，比如TI要做一颗芯片是全部自己完成的，工艺即使找代工厂 也是要联合开发，甚至是自己的工艺转移给fab。”他指出，“它有几十年的技术积累，有完整的验证体系，每个IP都有专门的团队打磨了很多年。”
虽然国内有很多汽车芯片设计公司，但是“宝马和大众怎么会跟一个才成立几年的公司合作开发车用芯片？IP给他们也是没用的，喜欢冒险的就硬上吧”。他透露，现在国内汽车芯片设计公司，有些拿早期的八英寸fab的一些车用IP凑合用。中芯国际有一些8英寸的车用IP，台积电和联电也有但是一般不喜欢授权，因为汽车芯片涉及到乘客的生命安全，都会很谨慎。
Imagination公司中国区总裁刘国军对集微网记者表示，汽车核心处理器设计面临四个方面的关键挑战：计算能力、低功耗、可靠性、和安全性，半导体IP是解决以上四个挑战的关键环节。现在汽车产业正处于从传统汽车演进到新能源汽车、智能驾驶或自动驾驶汽车的分水岭，对汽车核心处理器的要求与日俱增。
在汽车IP领域，刘国军表示，Imagination主要集中在智能驾舱领域，可提供GPU、神经网络加速器等IP，与国内的芯驰、黑芝麻等已有合作。他认为，目前国内在智能驾舱核心处理器领域的起步不算太晚，与国外玩家差距不太大。而且近几年国内相关投资意愿强烈，相信未来几年将会有一些公司成长起来，能与国外厂商分一杯羹。
杨宇欣表示，黑芝麻“华山系列芯片”就基于企业自研的两大核心IP，第二代的“华山二号”目前已在客户开户阶段中，预计到明年就能大批量出货。“NPU是未来自动驾驶非常重要的核心算力，但是大家很难买到高性能的车规级IP。而能开发核心IP的公司并不是很多，一方面研发投入比较大，另一方面技术人员需要在这方面有丰富的经验，国内这方面的人才非常少。因此大部分还是依赖于第三方的IP公司，包括现在Arm也在扩大车规级的产品线。”他强调，“在现在的国际形势和市场需求驱使下，车厂比以往更愿意尝试国产芯片，但前提是必须要满足它对功能、可靠性的要求，不会因为是国产的就降低标准。”
对于IP是否成为国产汽车芯片“命门”，黄继颇则不完全赞同。他表示，不是所有汽车芯片都需要买IP，对于车载主控SOC/MCU来说通常需要购买CPU/GPU/NPU内核、CAN/LIN总线控制器以及工艺相关存储器IP如Flash IP等，其余模拟/数字外设则以自研为主。“汽车IP固然重要，但是汽车中使用的芯片种类众多，包括主控MCU/CPU、电源管理/功率器件以及传感器等，只有车载MCU/CPU等复杂SoC芯片才会面临IP问题。”
值得注意的是，黄继颇和大可指出了他们观察到的一些国产汽车芯片乱象。
黄继颇表示，“车规”芯片和“车用” 芯片是两个概念，按照车规设计的产品不一定都能卖到汽车上面去。芯片通过车规认证后，还需要经过车厂严格的设计验证、规模量产后的稳定出货一段时间，同时良率、可靠性、失效率等得到保证后才能算真正进入汽车了。
在车规级芯片方面，国产厂商的确取得了不少突破。据集微网不完全统计，近年来，包括黑芝麻、地平线、芯驰科技、杰发科技、全志科技、紫光同芯、和芯星通、兆易创新、汇顶科技、芯旺微、赛腾微、航芯科技、裕太车通、华大半导体等国内厂商均有芯片产品已经陆续通过车规级AEC-Q100认证。
“但是真正实现汽车前装量产出货的的产品仍然很少。”黄继颇强调，“经常有人有意或无意将车规和车用这两个概念混淆了。”
他表示，目前赛腾微车载MCU及其配套电源管理IC与功率器件在前装市场已稳定出货近3年，装车超过50万辆。“只有真正的汽车前装出货才是考验车规芯片的唯一标准。”
“我见过不少国内的汽车芯片公司，老板有热情、有钱、有销售渠道，就是普遍缺技术。有某些汽车芯片公司瞒着工厂拿消费IP做车用，胆子真大！”大可则感慨道，“也有一些人跳槽出来，带一些老下属，用前东家的平台和技术创业，第一代产品出来后拿几轮融资，继续挖有IP的团队，下一代产品就可靠多了。还有要么就是产品声称发布了但是不量产，拿着测试结果到处发新闻、融资，接下来是找人继续研发，还是想办法花钱就看良心了。”
“这不是刻IP，这是刻地雷！”大可表示。
注：应受访者要求“大可”为化名。
（校对/Jimmy）
