关于汽车半导体的机遇与挑战

半导体技术就是以半导体为材料，制作成组件及集成电路的技术。在周期表里的元素，依照导电性大致可以分成导体、半导体与绝缘体三大类。最常见的半导体是硅(Si)，当然半导体也可以是两种元素形成的化合物，例如砷化镓(GaAs)，但化合物半导体大多应用在光电方面。

今年年初有参加2017年消费电子展的消费者可能会感觉自己参加了一次车展。这个一年一度的展会吸引了各行业顶尖的高科技公司，展出了500多件汽车的移动解决方案的展品。许多全球汽车制造商和汽车供应商都参与进来，引入了创新的传感器、地图应用、连接平台和其他新技术。这些改进与电动汽车(EV)的扩张相结合，将会改变汽车市场——包括公共和私人交通，以及货物运输的市场。在新的环境中，汽车的电子元件和功能部件(已经成为购买时考虑的一项重要因素)可能使之脱颖而出。

半导体技术使最近的汽车技术创新得以实现，其中包括基于视觉的增强型图形处理单元(GPU)和应用处理器、传感器、DRAM和NAND flash。随着汽车变得更加复杂，对汽车半导体的需求将继续稳步上升，并提供一个重要的新的长期增长动力。

随着许多半导体公司积极追求汽车市场的机遇，并在价值链上形成合作伙伴关系，那些动作缓慢的公司可能会被抛在后面。本文讨论了所有半导体公司在为未来做准备时所必须考虑的三个问题：影响汽车前景的趋势，影响汽车半导体需求的因素，以及在适应不断变化的市场时必须应对的重大战略问题。

不断发展的汽车市场

汽车市场很少经历如此多的同步“崩溃”。在过去的几年里，我们已经看到各种各样的技术越来越多地融入到汽车的大规模生产中，包括矩阵LED灯，增强型激光雷达传感器(使用激光来测量目标的距离)，以及更好的基于摄像机的传感器。我们还看到了3D地图应用、电动汽车电池、增强现实技术的提升，例如头戴式显示器。而5G网络——下一代的移动解决方案——可能很快就会出现。在消费者方面，我们看到了他们对汽车的新偏好和态度，例如，认为需要拥有汽车所有权的消费者在减少。

在2016年的麦肯锡报告“汽车革命——展望2030”中，我们回顾了塑造这个行业的主要力量，重点关注了我们认为特别重要的四个方面。

(1)汽车电气化。

不包括全混合动力汽车，即仅使用电池动力的汽车，2016年，电动汽车的销量还不到新车销量的1%。然而，在接下来的十年里，随着技术进步解决了两个主要的增长障碍：高昂的电池成本和有限的充电能力，它的销售可能会激增。到2020年，电动汽车的销量将占到汽车销量的5%到10%，具体取决于它们在多大程度上符合排放法规，到2030年，这一比例将达到35%至50%。后一个估计很宽泛，因为很难预测影响增长的许多因素，包括技术进步的速度、政府法规，以及电力和石油价格的变化。

(2)增加的联网。

如今，在大多数新车中，免提移动服务和在线导航已经成为标准，汽车厂商已经转向了下一波创新浪潮——联网汽车。新产品包括依赖人机界面的远程信息服务，包括语音辅助(例如转弯音频指令)和eCall(一种促使车辆在发生碰撞时自动呼叫紧急服务的程序)。汽车与基础设施的连接和车与车之间的连接都在增加，并将在2020年左右得到5G网络的支持。例如，宝马汽车可以连接到智能家居服务，比如德国电信的SmartHome应用，该应用可以让司机在行驶时调整家里的供暖和照明。

联网对购买汽车的决定有很大的影响，而且在未来可能会产生更大的影响。麦肯锡在2016年对3个国家的3000名消费者进行的调查显示，41%的受访者表示，他们将转向一个新的汽车品牌，以获得更好的联网。调查还显示，在某些国家，联网尤其重要。例如，62%的中国买家表示，他们愿意转向一个新的品牌，以获得最新的联网功能。而美国的这一比例为37%，德国为25%。随着联网解决方案变得日益重要，它们为OEM厂商带来的收入将从今天的300亿美元增长到2020年的600多亿美元。

(3)自动驾驶的增长。

虽然OEM厂商已经引入了许多新的高级驾驶员辅助系统功能，例如自动制动和自适应巡航控制，但高度自主的车辆——换句话说，4级车——预计在2020年到2025年的某个时间上路。它们可以稳步增长，麦肯锡提出的2030年最具颠覆性的场景暗示，35%的汽车销量将有条件自动化(3级)，15%将有高度的自动化(4级)。确切的增长轨迹取决于多个因素，包括核心技术的改善、价格、消费者对于自动驾驶汽车的接受程度，以及OEM厂商和供应商解决安全和黑客攻击等根本问题的能力。

(4)共享移动服务。

尽管发达市场的汽车拥有率一直在上升，但随着共享移动服务的兴起以及汽车共享和打车服务的快速增长，预计它们将会增速放缓或保持平稳。例如，北美地区在2008年至2015年期间，汽车共享服务的会员人数增加了400%。预计未来还会有更大的收益。麦肯锡的一份预测显示，到2030年，电子商务或乘车分享服务将占到汽车购买总量的10%——这一转变促使许多OEM厂商加大努力，以占领这个市场。

不断变化和多样化的收入来源

如今，全球汽车收入每年总计约为3.5万亿美元，绝大多数来自新车销售和售后市场(首次购买车辆后提供的维修和其他服务)(图1)。 只有300亿美元,不到总数的1%,可以归结为常续性营收——包括通过e-hailing或汽车共享服务产生的广泛类别的收益，以及来自数据连接服务(例如，应用程序， 导航工具，车载娱乐和软件升级等)的收益。

 

 

然而，我们即将看到收入来源的规模和组成会发生重大变化。在一个极具破坏性的情况下，到2030年，它的总规模将超过6.7万亿美元，其中有5.2万亿美元——约78%，来自新车销售和售后市场。常续性营收占剩余的22%，超过1.5万亿美元，比2015年增长了50倍。

上述四种趋势将在收入来源的多元化和增长中发挥重要作用。移动服务的兴起和大规模联网带来的常续性营收的增加可能是最显著的变化。但这四种趋势也会影响到其他领域。例如，自动驾驶汽车(3级和4级)价格都很高，这将增加新车销售收入。

在售后市场中，新的移动服务将增加收入，因为共享车辆的维护成本更高。不过，售后市场也会面临下行压力，因为电动汽车的维护成本比传统汽车要低，自动驾驶汽车的维修成本可能会降低90%。所有这些变化都可能改变半导体和其他零部件的需求来源。

对汽车半导体市场的影响

尽管存在潜在的不确定性，但我们预计汽车半导体的需求将在中长期增加，因为汽车行业将努力提高汽车的安全性、舒适性和联网性。自动驾驶技术的发展将尤为重要。长期来看，电动汽车市场的增长也将加速增长，因为混合动力电动汽车中含有的半导体价值约900美元，而标准电动汽车的价值则超过1000美元，远远高于传统汽车的平均330美元的价值。

从1995年到2015年，对汽车厂商的半导体销售从大约70亿美元增加到300亿美元(表2)。随着这一增长，汽车半导体现在占整个行业销售总额的近9%。目前的预测显示，汽车半导体的销量将继续上升，2015年至2020年之间的年增长率约为6%，高于半导体行业预计的3%至4%的增幅。这将使汽车半导体的年销售额在390亿—420亿美元之间。

 

 

虽然前景看好，但我们对汽车半导体行业的分析表明，它们在地理、汽车应用领域和设备领域将有显著差异。我们探索了其中的一些变化，以指导半导体公司进行战略规划。

地理增长：汽车——半导体行业的新兴力量

尽管欧美在汽车半导体市场占有最大的需求，但是中国现在的全球销售增长率领先，2010至2015年间平均涨幅为15%(图3)。中国预计将继续保持销售增长的世界领先地位，但由于国内经济放缓，汽车销量到2020年平均涨幅将下降至10%。

 

 

设备和应用程序的需求：正在变化的风景

除了研究地理趋势外，我们还探讨了核心汽车应用领域和设备类别的半导体需求会如何变化。

(1)分析出不同汽车应用领域的增长点。

我们研究了核心应用领域的增长模式：安全、动力系统、车身、底盘和驱动信息。趋势表明，到2020年的最大增长将出现在安全领域(表4)。

 

 

每个核心应用的细分市场中，某些类别的产品增长将明显高于其他产品。例如，在安全类应用中，预计在2015年至2020年期间，碰撞预警系统的复合年增长率(CAGR)将达到22%，届时销售额将高达41亿美元。展望2020年以后的长期发展，我们预计发动机控制领域将继续增长，包括电动机和电力电子设备。集成系统和解决方案领域的也将继续发展，例如用于融合传感器的发动机控制单元(ECU)和能够实现4级自主驾驶的集成控制系统。

(2)了解设备的增长。

我们还研究了器件领域的半导体需求：存储器，微型元件，逻辑，模拟，光学和传感器以及分立器件。虽然一些细分市场的增长将超过其他市场，但我们预计到2020年行业将不会发生重大变化。大约在那个时候，电动汽车会开始激增。除了包含比传统汽车更多的半导体设备，电动车还需要不同类型的汽车半导体，这将改变需求模式。

除了包含比传统车辆更多的半导体内容，电动车还需要不同类型的汽车半导体，这将改变需求模式。例如，在传统汽车中高达10%的汽车半导体被集成到分立器件(电力电子)中。相比之下，混合动力电动汽车的汽车半导体中约有35%至40%是离散型的，这一比例在其他电动汽车中高达50%。尽管预计电动汽车可能直到2020年左右才能得到广泛普及，但电动汽车的销售已经呈现上升趋势。这意味着行业对汽车半导体的需求已经开始转变。

与核心汽车应用领域一样，每个半导体器件领域也都会有机会获得发展。例如，在微型元件领域，微处理器单元的年复合增长率(CAGR)最高，为14%，微控制器单元(MCU)的CAGR为9%，而数字信号处理器的CAGR为3%(如图表5所示)。

2020年后，我们仍然期望所有核心领域都将继续增长。然而，自动驾驶和电动汽车的发展将有益于诸如GPU和传感器之类的应用，而对其他应用的发展并没有太多促进。

 

 

战略问题和后续步骤

我们已经与半导体行业领导人以及美洲、亚洲和欧洲的专家进行了多次讨论，议题是关于汽车行业未来面临的挑战。他们的关键问题包括：

(1)如何区分我们的产品?(如何使我们的产品差异化?)

大多数领头人都提到，在不断发展的汽车行业中，对硬件的关注不会在获得所期望的价值。他们都希望通过在其产品中增加软件算法来提供系统或解决方案，还有一些人选择与伙伴合作，以其他方式使其产品差异化。

例如，NVIDIA最近宣布计划继续与高清(HD)地图玩家Here的合作。他们将共同开发HERE HD Live Map，这是一款用于自动驾驶车辆的实时测绘产品。英特尔还宣布成立5G 自动驾驶平台Intel GO。这是最早的5G平台之一，它将允许汽车制造商和一级供应商证明他们的5G设计(是切实可行的)。

如果企业专注于整个系统，而不是增加单个芯片，它们就能避免巨大的价格压力。 例如，NXP半导体公司刚刚推出了一个软件定义的无线电(SDR)解决方案，用于车载信息娱乐(IVI)系统，称为SAF4000。该公司声称，这是世界上第一个覆盖全球音频广播的标准单芯片系统，包括AM / FM，DAB +，DRM(+)和HD。

(2)我们能否看到车辆半导体生命周期的变化?

未来，只要有一辆车上市，我们就可能会看到OEM厂商更频繁地购买芯片。并且这一趋势将会获得增长，这是因为可供选择的功能，例如IVI，它的升级将于其他硬件的升级(如与动力总成相关的升级)分离开来。

(3)确保冗余的同时，需要多少集成来减少材料成本?

行业中的一些领头羊正在努力将系统构建为一个集成单元以确保冗余，这个集成单元包括多个MEMS，MCU和其他传感器。在这种情况下，冗余是指系统的关键组件或功能的重复，以提高系统的可靠性。

例如，冗余可以提供备份或失效保护。OEM厂商还可能会发现，某些冗余可以提高系统性能，例如包含额外的ECU。有些人还研究了线传控制技术(线控技术x-by-wire)(电气或机电系统执行传统上由机械联动控制的车辆功能)来刹车或转向。

 

然而，问题仍然存在，比如需要多少冗余?冗余减少到什么程度时，从业玩家才会觉得满意?

(4)半导体公司如何与汽车OEM厂商和一级供应商合作?

半导体公司越来越多地与OEM厂商和一级汽车供应商直接合作。宝马、英特尔和Mobileye宣布，他们已经合作，并且将在2017年下半年之前建立约40辆自动测试车辆的车队。

同样，奥迪表示，与NVIDIA的持续合作将为其最新的A8豪华轿车引入创新功能，包括在复杂情况下进行自动驾驶的系统，比如涉及高速公路和交通堵塞的车辆。

人工智能领域，奥迪和NVIDIA也形成了合作伙伴关系，以便创造他们所描述的“世界上最先进的AI [人工智能智能]车”，他们希望2020年之前，AI车就能上路行驶。

为了合作成功，半导体公司必须首先确定这些机会所带来互补技能的领域，例如，一个企业，其硬件专业知识可以使软件技能强大的公司受益。然后他们应该决定哪种形式的合作最适合他们的需求，比如并购交易、合资企业、独家合作伙伴关系或战略伙伴关系。

(5)自动驾驶前景如何?这将对半导体公司产生什么影响?

竞争格局和价值链的一些变化可能会影响半导体厂商。

尽管全球领先的OEM厂商预计将在全球市场占据主导地位，但是作为破坏者，专注于大众市场的OEM厂商可能开始损失收益份额，建立或扩大业务，包括新的中国OEM厂商。

其他国家的信息和通信技术(ICT)参与者也看到其产品(包括传感器和软件)需求的增长，这可能使其在价值链中发挥更大的作用。

最后，一些一级汽车供应商可以获得与相当于太占主导地位的OEM厂商的议价能力。

(6)我们应该向安全产品扩展多远?

对于半导体公司来说，将安全特性整合到芯片中是至关重要的，但这并不能完全解决所有安全问题，包括与黑客有关的问题。因此，他们还应考虑开发其他安全解决方案，特别是在被忽视的汽车连接领域。少数半导体厂商，如NXP半导体公司，已经在与汽车合作伙伴合作开发端到端的安全解决方案，而其他半导体厂商也可能会以此为例。

半导体公司在从事安全行业时，可能会从其他生产创新产品的高新技术领域的公司获得灵感。例如，博世(Bosch)最近发布了一款无钥匙进入及启动产品，允许驾驶员仅仅使用完全加密的智能手机安全地访问他们的车辆。

(7)我们应该如何应对中国市场?

半导体企业应该从多个角度来看待中国市场。虽然中国将是重要的需求来源，但也可能成为自动汽车和电动汽车(EV)的主要测试地点，部分原因在于消费市场具有一定的独特性。

2016年麦肯锡3个国家的3000多名汽车买家进行了调查，结果显示，对于汽车与汽车之间的数据共享，中国车主比德国、美国的驾驶员更加开放——车辆交换位置、速度和其他方面的信息。

我们还发现，中国消费者更愿意在自己的车内升级IVI。这两个因素可能会促使汽车OEM厂商在中国测试和推广新的汽车技术，特别是在国内汽车拥有率迅速增长的情况下。

中国还为半导体公司提供了大量潜在的汽车企业合作伙伴。这一事实从2017年消费电子展览可见一斑：中国公司在展会上展出了超过1300件展品，占了500件汽车技术展品的20%以上。

与美国和其他国家一样，那些最有希望的合作伙伴也许是刚刚进入汽车行业的新成员。例如，中国互联网巨头百度正试图通过与全球OEM厂商的合作，开发自动驾驶和电动汽车技术。

半导体公司也看好中国作为市场和合作伙伴的潜力，因为政府已经出台了几项支持国内制造业发展的举措。

例如， “中国制造2025”政策为当地企业提供了补贴和其他激励措施，对其设备进行升级，并将重点放在了创新上。

因此，半导体公司可能会发现，未来几年，潜在合作伙伴的规模将会更大。中国政府也对促进自动汽车和EV的技术以及与物联网相关的技术表现出浓厚的兴趣，这些技术使得许多相关的汽车功能得以实现。政府的支持促进了更多汽车和ICT从业者建立更庞大的业务。

许多半导体公司的汽车创新正在迅速发展，有些公司打算成为自主车辆和EV的OEM厂商的主要供应商。然而，在与汽车厂商建立合作伙伴关系或者进一步投资满足于他们需求的技术这些方面，其他公司进展缓慢，也许是因为他们不愿承担风险，尤其是该风险与不确定的快速发展的市场息息相关。

 

但是，那些在战略问题上犹豫不决的公司，即使它后来采取了果断的行动，现在还是可能会失去市场份额，输给更具侵略性的竞争对手。如今汽车市场日渐成为半导体行业最大的增长动力之一，缺乏行动才是这些企业真正面临的风险。