朱玉龙

朱玉龙

2021-05-26

从汽车芯片短缺开始说起

  1. 芯片
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这几年,随着中国的制造业遭遇各种芯片供应的危机,使得芯片的供应安全成为高科技行业发展的重要因素。而从 2020 年突如其来的新冠肺炎疫情,对汽车产量和预期的巨幅波动,给全球汽车供应链带来很大的扰动。一个突出的问题是,随着汽车往四化发展,汽车电子部件越来越重要,在中国的芯片供应的长期性和稳定性如何保证。

汽车芯片供应链问题

汽车的产量波动,是非常大的,如下图所示,由于年初疫情打断了整体的生产和销售节奏,所以使得主要的汽车企业都向零部件企业削减了订单,随着年底全球所有地区的汽车车企的产量增长都快于市场的预期,汽车半导体芯片的生产周期(交货期 6-9 个月)就很难跟上这个需求的节奏。这就使得全球主要的汽车企业都面临了芯片的短缺。

图 1 全球乘用车的生产变化

这个事情在全球范围内存在,大众汽车在 2021 年第一季度在欧洲,北美和中国的工厂减少生产 10 万台汽车;日产也将被迫减产从 1 月份最畅销的 Note 轿车,而本田将在未来几个月内削减数款车型的产量。福特汽车由于半导体芯片的短缺,其位于美国肯塔基州一家工厂的生产线陷入了全面停产的状态。雷诺汽车公司,戴姆勒汽车公司和通用汽车公司也都在为迫在眉睫的芯片短缺而努力。

在中国 1 月中旬,中汽协会数据显示 15 家重点企业汽车产量完成 52.3 万辆,同比下降 27.4%。其中,乘用车产量完成 43.6 万辆,同比下降 29.3%;商用车产量完成了 8.7 万辆,同比下降 16%。在中国,芯片供应紧张问题将在影响我国汽车产业运行的稳定性。汽车芯片短缺将会对中国整个汽车行业产生影响,「保供」一直是去年乃至之后一段时间的车企热词。

从这个意义上来看,芯片短缺是一个周期性问题,但是对于中国的汽车行业来看,随着波动和长期发展考虑,在中国考虑供应商的延伸安全,是一个很重要的事情。在 1 月份,国内的车企代表上汽通用五菱首先提出,将迅速拉动中心各部门资源,建立 TDC 芯片国产化工作小组,以保证公司各项目产能不受供应商影响。

汽车芯片

2019 年全球汽车芯片市场规模约为 475 亿美元(约合人民币 3076 亿元),在这个里面按照用途分类主要包括在微处理器(MCU 和 SOC)占比达 30%,其次是模拟电路,占比为 29%,传感器和逻辑电路占比分别为 17% 和 10%。而中国自产的汽车芯片规模不到 150 亿元,只占全球产能的 4.5%,关键零部件如 MCU 等进口度超过 80%-90%。2018 年按照收入来分类,全球前十大汽车芯片企业都在国外。

我们以汽车电子里面的 MCU 为例来展开做一些叙述, MCU 微控制器是把中央处理器、内存、闪存、计数 器、A/D 转换、串口等周边接口都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同控制功能。MCU 广泛应用于各类电子设备中,如手机、PC 外设、各类家电、 遥控器,至汽车电子、工业上的步进马达、机器手臂的控制等,广泛应用于智能家居、消费电子、网络通信、工业控制等领域。汽车里面应用量很大,所以目前 MCU 的第一大市场应用领域是汽车电子方向。

从全行业来看,在 MCU 芯片技术领域,低端 MCU 产品如 4 位、8 位、16 位 MCU 国内自给率较高,中高端 MCU 市场则主要被意法半导体、恩智浦、瑞萨、英飞凌、微芯科技等国外大厂垄断。国际领先 MCU 产品能满足汽车类、工控类、消费类的产品性能 技术指标要求。与进口品牌相比,本土 MCU 厂商体量仍小,目前在一些要求较低的门类里面比较多。

国产汽车类 MCU 的渗透难点

在汽车电子芯片领域,MCU 的应用范围从车身动力总成,到车身控制、信息娱乐、辅助驾驶,从发动机控制单元,到雨刷、车窗、电动座椅、空调等控制单元,汽车电子是无法离开 MCU 存在的,MCU 也是汽车软件的载体,每辆车至少需要使用 70 颗以上的 MCU 芯片。

1)车规级 MCU 的基本要求

汽车领域产品高可靠、高安全的特性,车规级 MCU 本身的可靠性、一致性、稳定性、工作温度范围等有近乎严苛的要求,以保障汽车在不同工况下的运行安全。产品必须满足一系列的汽车电子标准规范才能推向市场。为此,国际汽车电子协会对车规 MCU 推出以下三种标准规范,以确保汽车电子产品的安全运行。AEC-Q100 可靠性标准;符合零失效 (Zero Defect) 的供应链质量管理标准 IATF 16949 规范;符合 ISO26262 标准的 ASIL 功能安全保证级别。

2)汽车 MCU 的开发环境

目前汽车电子里面普遍导入了功能安全要求和软件管理的内容,这就使得 MCU 一方面需要具有很好的汽车软件工具,帮助 Tier1 和 Tier2 供应商简化和缩短构建 ECU 所需的时间,这些包括运行时嵌入式软件、与 MATLAB/Simulink® 兼容的工具箱、各种驱动程序、库、堆栈和启动程序软件, 还包括 MCU 初始化工具,支持 AUTOSAR 微控制器抽象层(MCAL)和操作系统(OS)自动生成代码。

更重要的是,由于现有的汽车企业和国际 Tier1 具备全球统一的需求和部署,先天就排除了不少后来者的门路。国内的 MCU 企业只能从国内 Tier1 或者 Tier2 入手,从对 ECU 控制约束较少的自主品牌开始。

从目前来看,类似五菱这样的企业推行芯片国产化是一个很大的契机。

国内汽车 MCU 企业成长路径

从目前的切入点来看,国内企业在 MCU 的切入情况,主要分为两类,一类是基于汽车电子市场 8 位 MCU 的导入,8 位 MCU 作为较为简单的微控制器,在汽车 ECU 部件上通常作为末端控制存在;例如,车灯,雨刷,门窗,开关,空调面板 / 电源;启停器,调压器,以及座椅控制等末端控制 ECU;在这些 ECU 中,目前在大量使用的是 Mircochip 和 NXP 的产品,由于很多简单的控制器,所需要的 MCU 本身资源并不大,也没有太强的符合 ASIL 的功能安全等级;只是符合 AEC-Q100 的认证;在汽车领域能够广泛使用更多的是品牌影响力和长时间的量产验证并获得了行业的认可。

ChipON 于 2009 年推出的第一代产品就定义成 「汽车级」;从 2012 年起进入汽车后装市场并实现量产,是国内率先推出 8 位的车规 MCU,当然这个领域企业关注并不多。

32 位 MCU 在汽车电子应用领域较为广泛,更多的应用在节点控制及功能稍微复杂或者功能安全有强要求的 ECU;随着部分功能的需求提升,部分使用 8 位 MCU 的末端 ECU 为了提升用户的体验感和丰富功能,也进行了 MCU 的处理性能升级,升级到了 32 位 MCU;例如座椅;如果单纯的 3 电机 6 相控制,单纯实现功能 8 位就可以满足,但是为了增加体验感,例如增加记忆、通风加热、增加诊断和 bootloader 功能,原来的 8 位不够了,进而升级到 32 位 MCU;如果从是否需要功能安全划分则可以分为非功能安全和 ASIL-B 及 ASIL-D 三种应用类别。

非功能安全的部件更多来源于车身控制和车载 ECU,例如座椅,空调面板,照明灯控,Tbox,OBC,车载无线充,车载显示屏协控制器等。这部分有的 KEA 系列 32 位 MCU,瑞萨传统系列的 MCU,也有采用 S32K1 系列的具备 ASIL-B 功能安全等级的 MCU。

ASIL-B 等级的功能安全应用更多的是汽车车身控制,例如,BCM、空调电源、电源管理等;有时候非功能安全和 ASIL-B 的应用场景会稍微有交叉,主要看主机厂是如何做的规定。目前可以提供真正 ASIL-B 等级的 MCU 品牌厂家不多,主要是 NXP 的 MCU。

ASIL-D 功能安全的应用就属于强功能安全应用;从汽车安全气囊、刹车制动 ABS;ESP;电驱动;电池包 BMS、变速箱和三电系统(VCU,MCU,BMS);能够提供 D 等级的 MCU 厂家主要有英飞凌和瑞萨及 NXP;

在国内真正能可靠导入的,主要落实在按照 ASIL-B 等级的要求进行设计,还需要时间通过功能安全认证,在这个领域是需要依靠比较长的时间积累的。ChipON 作为国内较早布局汽车芯片的供应商,已向难度更大的 32 位车规级 MCU 跃进,经过多年的积累,基于 KungFu32 内核的 32 位 MCU 于 2019 年实现量产,目前已经实现 KF32A140、KF32A141、KF32A150、KF32A151、KF32A152、KF32A250 等多种型号汽车级 MCU 推向市场。KF32A 系列汽车级 MCU 主要有以下的特性。

满足 AEC-Q100 汽车质量认证标准 :Grade 1 级温度范围(-40~125℃);

可靠性:ECC Flash/RAM;双看门狗设计 ESD:8KV (HBM)

高性能:UP TO 120Mhz 主频;150DMIPS 运算能力, UP TO 512KB ECC Flash;

高集成度:6 路 CAN2.0 接口,速率可达 1Mbit/S; 4 路 LIN 接口;集成 ADC/DAC/PWM/ECCP/PGA/CMP/ USB/LCD/Touch 等外设资源。

芯片安全性:Flash 可编程权限操作;内置 AES128 硬件加解密;内置硬件可变位数的 CRC32 校验单元。

2021 年 3 月 10 日,芯旺微公告完成 B 轮融资,交易金额 3 亿元,由老股东中芯聚源、上汽恒旭、超越摩尔、硅港资本继续投资,同时引入汽车产业链公司万向钱潮和三花,整合汽车上下游产业链资源,提高市场竞争力。资金将主要用于车规芯片的研发,包括满足 ASIL-D 等级应用于汽车发动机和域控制器的多核 MCU 产品,以及射频、以太网和总线类车规产品。

近日,芯旺微电子在广州国际汽车技术展上重磅推出了应用于车身控制的 32 位 MCU KF32A156,拥有 512KB Flash、64KB RAM,最重要的是支持 2 路 CANFD,同时工作范围达到了 Grade 1(-40~+125℃)车规等级,KF32A156 量产后将使芯旺微的产品从现有 MCU 覆盖 30% 车身控制单元模块扩展到 70% 的范围。今年下半年还将继续发布多款更高资源的汽车级 32 位 MCU,以全面对标国际品牌,真正解决汽车电子关键应用、需要更高功能安全等级的应用场景的缺芯少芯问题。

小结

MCU 市场本身是横跨多个应用场景的产品,在中国车用 MCU 市场,由于时间比较短,延续之前 Tier 1 的惯性,加上门槛高、周期长、安全性强、中国芯片厂商入局晚等特点,所以缺乏中国半导体厂商的身影。随着汽车电子供应链的安全考虑,车用也给了中国 MCU 厂商的入局的机会。

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