几十块的芯片，如何卡住全球汽车产业的喉咙？

来源:电子工程世界发布时间:2022-08-211391浏览

近日，美国总统乔·拜登签署了《2022芯片与科技法案》，将提供500多亿美元以促进美国半导体生产和科学研究，包括为汽车芯片提供专项资金，解决供应链的挑战，引起了业界和网友热议。
目前，汽车缺芯问题席卷全球。多家车企频繁曝出减配事件，遭到车主联名维权。一颗芯，难倒全球汽车产业。再加之美国芯片法案的签署，未来汽车芯片产业的发展可能会有怎样的一番景象？为了避免智能汽车重蹈智能手机芯片被卡脖子的覆辙，国产汽车芯片也开始了一波热潮，纷纷加入阵营。国产芯片能否抓住“缺芯潮”的替代机会？

Q1：上周，美国总统拜登正式签署了 2800 亿美元的《芯片与科学法案》，该法案规定，527 亿美元专门用于半导体研究，开发，制造以及促进劳动力发展，其中 20 亿美元用于传统成熟制程的芯片。美国《芯片法案》的签订，对汽车芯片市场会产生哪些影响？
美国总统拜登正式签署的《芯片与科学法案》，其中20亿美元用于传统成熟制程的芯片，也是汽车和国防系统的关键。
目前，越来越多的先进技术应用于汽车中，但大部分都需要围绕半导体进行，因此不管是将来的汽车还是现在的汽车，都会严重依赖于芯片供应，芯片对汽车的重要性不言而喻。一台电动汽车平均要使用约3000个芯片，从价格上看，比传统汽车增加了大约400-600美金的芯片。根据相关数据，随着电气化和智能化的发展，将来到2030年可能会需要3000美金的汽车半导体。
这次法案对于美国来说，其实主要目的是在芯片的供应链层面，让台积电和一些半导体制造商回到美国市场，保证北美汽车半导体的供应链的完整，并且限制到中国等国家的产能投资，来切实保证美国的汽车行业的变革。
由于目前国产汽车占有率在美国市场只有5%，基本没有出口美国，对于中国电动汽车市场的影响较小，但对于长期的发展是不利的。
但是，因为美国霸权卡着对进口芯片的供应，会倒逼国产自主的高端芯片的成长，从这个角度来看，对国产芯片也是一件好事，国家也正在进行大力投入在汽车芯片领域的政策支持和投资。
Q2 : 如今的全球汽车芯片市场，缺芯问题仍然不可小觑。目前主要稀缺的是哪一类汽车芯片？手机芯片和汽车芯片的区别是什么？
目前紧缺的汽车芯片主要还是特定的汽车专用芯片。按应用领域可分为应用处理器（IVI、MCU等）、功率半导体（AMP、IGBT、MOSFET等）、传感器芯片（TPMS等）及分离器件等。
2020年初，新冠疫情发生席卷全球，使得汽车的产量在2020年第二季度骤降，因此汽车芯片厂家拿到的需求量也随之暴跌。到2020年第三季度全球汽车生产复苏时，大量的需求和消费电子复苏，对上游的芯片供应产生了巨大的压力。而随着复苏所需的周期累计，MCU微控制器成为最主要的短缺芯片。
从芯片分类来看，汽车芯片、工业芯片和消费芯片存在很大的差异，手机上使用的芯片无法直接用在汽车。其中的差异点主要在：运行温度，运行电压，使用寿命和使用以后的目标故障率等方面，其设计目标都有着巨大的鸿沟。比如台积电在代工手机芯片和汽车芯片中，会做很多质量控制差异，高通在把手机SOC芯片改为汽车SOC芯片的过程中，也做了很多的工程设计处理。

图：手机芯片和汽车芯片的差异，左为手机芯片制造需求，右为汽车芯片制造工艺需求
Q3：据AFS统计数据，由于芯片短缺，2021年全球汽车市场累计减产约1020万辆，其中亚洲是减产重灾区，仅中国就减产了198.2万辆，给行业带来了不可估量的损失。到目前，汽车芯片短缺情况并未改变。全球汽车芯片短缺的原因主要有哪些？
对于汽车芯片短缺，我们可以总结主要有三个方面的原因：首先是供需错配导致的失衡。2020年，由于疫情等天灾人祸造成了一定程度的紧缺，导致供应链里所说的“牛鞭效应”越来越严重，加之未来环境的不确定性因素更多，供应链条上所有的企业都需要增加额外的库存应对，市场的需求量增大，这使得芯片紧缺的情况雪上加霜。
第二是汽车MCU芯片市场供应商，在市场占有率高度集中的问题，这里主要卡在台积电等头部供应商产量的供应。
一辆汽车的控制模块里需要使用大量的MCU微控制器，由于芯片小型化和高频的需求，MCU需要40nm以下的制程。
对于芯片的供应，芯片制造商主要分为两个路线来走：一个是IDM模式（国际整合元件制造商模式，可以理解为通过芯片制造商自有的产线加工低制程的芯片）。而对于先进工艺制成的环节（如28nm以下的芯片），会主要交给台积电（TSMC）代工。其中，台积电生产出货的MCU约占汽车市场70％左右的份额，而排名前7位的MCU供应商的产量供应可达全球市场需求的98％。
这里容易出现的问题是：由于汽车MCU芯片需求的高度集中，而芯片企业把先进芯片工艺制造主要交给台积电等头部供应商来代工，一旦芯片需求增多，这些供应商（尤其是台积电）会出现交付瓶颈。
对于台积电来说，汽车芯片的业务仅仅占公司业务总营收的3%-5%（2020-2022年财报数据），所以在供需的优先度方面（是先加工汽车芯片还是其他芯片），台积电有自己的考量，这也成为了芯片短缺的原因之一。
不过，随着各国政府还有车企的斡旋（如2021年德国经济部长Peter Altmaier据报致函中国台湾，呼吁提高汽车业芯片供给，并希望向晶圆代工龙头台积电传递信息。2021年5月美国商务部对台积电等公司施压，要求他们在短期内优先满足美国汽车制造商的需求），台积电的交付瓶颈已经逐步被打破，全球芯片短缺的问题已经局部缓解。
相对海外的缺芯大潮的持续，目前中国汽车市场的缺芯情况有所缓解，主要是有两个方面的原因：第一，4月5月的汽车需求产量下降，但是芯片的订单在海外一直生产，可以及时补给供应；第二，中国车企和芯片供应商面对当下的环境更为吃苦耐劳，迅速的尝试进军国产芯片增加补给。

图：汽车芯片短缺的始末：2020年开始至今，汽车缺芯成为常态化
第三是汽车芯片产业链本身存在的几个问题，也会延长汽车芯片交付的周期：首先，汽车芯片生产链条长，而产业链的供给不充分。从原材料到芯片产品，包括设计、制造、封装、测试等四大环节，生产链条分工精细，而涉及的工厂覆盖全球，任何环节出现问题都会影响芯片产能。
其次，生产周期长：由于芯片的产业链条比较长，所以从原材料到芯片产品，一般需要24周-26周的时间。当供应链扰动增加之后，供应时间会不断被拉长。
还有，车规级芯片产值占比少和利润率低：相比消费级芯片，车规级芯片对于供应商来说利润相对较低，从而话语权低。而随着消费类芯片的需求增长、加之产能整体不足的情况下，芯片产商更愿意生产利润率高的消费类芯片。
Q4：自缺芯潮爆发以来，许多下游终端企业受到影响，车规级芯片甚至出现一“芯”难求的景象，在此情形之下，多家车企频繁曝出减配事件。对于消费者来说，减配对汽车整车来说有哪些使用体验方面的影响？
目前，各大车企都十分注重提高汽车安全性、减低能耗、改善舒适性和增加娱乐及辅助功能，以提高汽车产品的竞争力。一辆车越智能，对应的智能控制模块和传感器越多，则需要的芯片越多。而对于有汽车厂商因为缺芯问题减配的情况，在安全允许的情况下，通过削减一些功能，来保证车辆的稳定供应，不会对车辆的寿命产生影响。
价格方面来看，汽车芯片的价格是在上涨的。根据不完全统计，2022年汽车芯片都有一定幅度的涨幅。但由于汽车芯片的成本占车辆总价的比例较低（单车大概在300美金左右），从目前来看，涨价的问题对于汽车终端价格涨幅影响较小。
这里指的注意的是，未来汽车芯片的涨幅可能会有一些变化。英特尔CEO帕特里克·格尔辛格（Pat Gelsinger）此前发表过一个主题演讲，提出了一个相关的预测：到2030年，芯片将占高端汽车物料成本的20%以上，比2019年的4%增长5倍，2025年将占12%，那么其价值占比提高的过程会持续发生，后续芯片涨价很可能将直接带动汽车价格的上涨。
Q5：全球汽车芯片的长期短缺局面是否可能正在接近得到解决，这波缺芯什么时候可以结束？
其实，目前汽车芯片的供应正在有所好转，在6月已经有迹象。根据外媒报道，6月初，欧洲的芯片供应好转，这主要反映在戴姆勒卡车（ Karin RaDStrom）、奔驰（Joerg Burzer）、宝马和大众对于芯片的供应表态，缺芯情况有所好转。
另外，根据SPIHS的指数跟踪情况来看（根据商品价格和供应指标、使用从 SP 全球制造业 PMI 调查中收集的回复、跟踪20个以上项目的价格压力和供应短缺等因素综合得出）半导体短缺的情况6月中在全球范围内出现进一步缓解的迹象。
从6月和7月的中国汽车销量来看，汽车芯片确实在好转，我们看到2022年6月份的销量回到了190万+，7月份回到了180万+，和同期相比都实现了正增长。
Q6：目前全球汽车芯片呈现着怎样的发展格局？头部公司主要集中在哪几个国家？
虽然汽车芯片细分的类型比较多，但大部分汽车制造商会把主要的芯片业务交给头部的芯片制造商来加工。因此，从市场维度看，欧洲、美国和日本的汽车芯片在全球范围内占据主导地位，且头部集中度高。国内的领先企业数量很少。
头部厂家集中的原因主要有两个：第一，过去汽车产业的发展，强调可靠性和供应链的配合，尤其是恩智浦、英飞凌、意法半导体和博世等欧洲芯片制造商，这些企业主要依托于汽车芯片和工业芯片这两个品类的协同效应来获取竞争优势，在工业和汽车领域实力强劲。
这几家厂商基于汽车芯片和工业芯片的协调，迅速跻身头部前列，取得了长期的订单和稳定性的销售，使得这几家芯片公司的汽车芯片业务占到了总芯片业务40%的左右。
第二，汽车芯片的下线使用，需要通过车规AECQ验证。而英飞凌等头部芯片制造商已经熟练的掌握了符合AECQ的制造流程，使其不断的在扩大和占据市场份额。

来源：欧洲半导体报告，2020年汽车和工业芯片营收的排名统计，全球Top5汽车半导体供应商为英飞凌、恩智浦、瑞萨、德州仪器和意法半导体
Q7：目前，汽车芯片迎来了一波投资热潮，芯片“国产替代化”找到了最好的时机，诸多新能源造车也纷纷进入芯片市场。国产汽车芯片的基础研究技术有怎样的进展？
目前，我国汽车芯片自主产业规模小，仅占全球的5%以内，自研率较低。
但是，国产汽车芯片在支撑国家的汽车工业发展方面具有重要的战略地位，其市场需求量也很大。根据NE研究院的数据，在功率器件方面，中国汽车市场，除去29万多的低压MOS管，有201万使用中高压功率模块的车型。而这里离不开国产汽车芯片的支持。
中国的动力半导体模块的国产率推进的速度很快，目前已经将近过半，其中：比亚迪39.3万，同比+209.20%，市占率19.50%斯达 34.2 万，同比+156.60%，市占率16.90%中车时代 22.6万，同比+500%，市占率11.20%我们国家预计在2025年往国产芯片市场占比15%-20%的方向持续努力。
与此同时，国产芯片仍然面临很大的挑战：汽车的芯片工艺，大部分都是低制程的。不同汽车芯片对工艺的要求存在较大差异，汽车上大部分所需芯片的制造技术是十多年前或更早的、更为成熟的制造工艺。而目前更多的车企的主要芯片合作伙伴也是围绕成熟的欧美芯片制造商。
因此，在国产汽车芯片替代中主要困难是需要更多的合作需求和制造机会。有了切实的需求，很多国产的自主品牌车企才会有全国产替代的需求。比如五菱汽车发布了GSEV 平台车型芯片，加快推进“强芯”战略，并表示国产化率超90％。

图：汽车不同的制成工艺对应不同芯片的加工方式，原有的汽车芯片主要集中在40nm以上的老工艺
Q8：目前，存储是增长最快的半导体细分市场。汽车存储芯片市场规模有多大？国产芯片在其中会有哪些机会？
随着汽车电气化和智能化的发展，以及车载智能影音娱乐系统的需求增加，刺激了整个汽车电子市场，其中汽车存储芯片需求也随之提升。
汽车存储芯片市场中主要的需求包括DRAM（也称动态随机存取存储器，包括DDR、LPDDR——指双倍速率存储）、和NAND（包括eMMC，非易失闪存技术）。
从市场发展规模来看，根据IHS市场调研的数据，2019年，全球汽车存储芯片市场规模为36亿美元，其中LPDDR和NAND市场规模约为8亿美元和10亿美元。2020年全球汽车存储芯片市场规模为34亿美元左右，约占整个汽车半导体市场的9％。
据初步预测，到2023年，全球汽车存储芯片市场规模为59亿美元。而2020年中国汽车存储芯片市场规模达到了4.31亿美元，预计2026年可达到7.32亿美元。
从竞争格局来看，美光科技国内市占率近半，北京君正DRAM市占率第二，三星、南亚科、华邦电紧随其后。
其他芯片领域，诸如单片机、电源芯片、传感器芯片，中国的国产替代的过程也在进行中，目前中国汽车芯片所占全球份额不到5%，我们预测，在2025年有望实现15%-20%的份额。
Q9：在政策方面，国产汽车芯片有哪些主要的扶持政策，还需要哪些方面的支持？
对于国产汽车来说，汽车芯片已是“卡脖子”的短板，相关主管部门也看到了中国亟待提高车规级芯片战略定位，正在各方统筹各级资源、推动产业支持政策落地、完善标准体系建设，并已经开始制定车规级芯片领域专项产业扶持政策，开展产业发展的顶层设计；通过一些国家重大专项层面，来支持车规级芯片重点攻关项目支持力度。
尤其是针对车规级芯片检测认证制度建设方面，工信部也正在努力完善产业标准体系一是加速构建检测认证体系，以权威第三方检测机构为核心，并联合车企、芯片企业、Tier1，打造国家车规级芯片测试验证平台，制定汽车级芯片的测试验证国家标准，在检测技术共研过程中促进技术进步和标准完善。这个过程是知易行难，顶层在规划，还需要企业不断努力。
Q10：在汽车电动化和智能化变革中，未来的汽车芯片产业链会发生哪些颠覆和变化？
结合汽车芯片产业链的需求链来看，我们可以参考日本经济产业省对于汽车智能化的研究，以便更好地理解（汽车工业是日本经济的支柱，日本产业省明确论述通过战略政策支持汽车芯片）。
未来智能化汽车市场，主要可以关注两个部分：自动驾驶知觉和信息处理相关的上半层，以及与电动汽车电耗相关的下半层，这两部分的芯片需求都在快速增加，也是我们未来重点关注需要发展和支持的方向。

来源：日本经济产业省，针对汽车智能化的市场分为“上半身”和“下半身”
从芯片维度来看，上半层，主要围绕算力为主导， Soc系统级芯片/传感器，人工智能系统，处理能力和低功耗芯片；下半层，主要是用于改善电耗的功率半导体——可以降低能量损耗，以及围绕低算力芯片和功率半导体。
2022-2030年，伴随着电动汽车和智能驾驶的普及，要抓住企业对半导体芯片的市场需求，才能在后续的产业链发展中站稳脚跟。国产汽车芯片也需要抓住这一历史性的机会，加速进程和崛起。

文：电动汽车三电工程师朱玉龙；编辑：李海丹