关于汽车芯片的新思考_风闻
半导体行业观察-半导体行业观察官方账号-专注观察全球半导体最新资讯、技术前沿、发展趋势。2021-11-28 11:17
来源：内容来自德勤分析。**前言：**底层新技术的变革正在促使芯片行业发生转型，智能化汽车的高速发展悄然改变着汽车芯片行业的业务模式与运营模式。2019年底，突如其来的疫情打乱了诸多行业原本的节奏，尽管疫情的爆发并不是汽车芯片行业变革的根本原因，但是疫情诱发的芯片短缺，使得芯片行业前所未有地被政府、行业相关方、制造商、甚至终端消费者所关注。在此背景下，OEM厂商和芯片企业对于能力转型的意识尤为迫切，特别是本土企业。兵临城下之时，实现汽车芯片自主可控，从而粮草充足，是未来每一个身在其中的企业必须面对的战略议题。
第一部分概览篇——底层新技术推动全球芯片转型，细分领域需求旺盛
1.1 技术迭代驱动芯片行业高速发展
5G、物联网等底层技术的不断成熟将驱动下游细分领域的电动化、智能化不断发展，从而持续推动全球芯片行业需求稳步增长。预计至2025年，全球芯片行业市场规模将达6,300亿美元。从垂直细分领域来看，伴随着技术的进步，汽车、工业、通讯及消费电子领域将迎来行业转型，进而扩大对芯片的总需求量，其中汽车将成为拉动芯片行业增长的主要驱动力。数据显示，未来5年，汽车芯片复合增长率约10%，增速位居第一。
数据来源：MordorIntelligence
数据来源：MordorIntelligence
1.2 黑天鹅事件制约供给侧产能释放
全球芯片行业具有强周期性，根据全球芯片库存指数显示，截至2021年第二季度，全球芯片库存指数小于0.9，全球市场处于芯片严重短缺时期。
芯片产业链覆盖芯片设计、芯片制造、芯片封装及测试环节，各环节主要分布于不同国家及地区。上游芯片设计企业主要分布于欧美地区，中游制造环节企业主要集中在日本、台湾地区，下游封装及测试环节企业则主要集中在东南亚地区。自2020年，COVID-19疫情袭卷全球，导致产业链上下游企业的各类工厂停工停产。尽管疫情控制逐渐趋向稳定，各国各地区有序实现复工复产，但由于各国家及地区疫情恢复程度不同，供给侧产能受到制约。
除疫情影响外，部分国家及地区发生的自然灾害进一步制约了供给侧产能释放。火灾和地震显著影响了位于日本的车规级芯片供应商瑞萨电子的生产能力、美国德州暴雪引发的大规模停电导致三星、德州仪器及恩智浦等企业被迫停产，持续恶化全球芯片的供应能力。
数据来源：Gartner
数据来源：公开资料整理，德勤分析
1.3 疫情刺激下游市场需求
疫情影响下，远程办公驱动了智能移动终端、电脑、平板、网联设备等电子设备的需求。2020年间，全球硅晶圆出货量较2019年增长13.9%，出货量创历史新高。在下游需求的持续拉动下，截至2021年第三季度，全球晶圆厂产能利用率已达95%，趋于产能峰值，短期内扩产能力有限。
数据来源：SEMI,Gartner
数据来源：SEMI,Gartner
第二部分内观篇——汽车行业迎来“芯”机遇，但短期内短缺仍将持续
2.1新能源汽车持续放量，汽车芯片扬帆起航
2.1.1电动智能化发展推动汽车芯片需求增加
随着汽车新四化进程不断推进，全球新能源汽车市场将迎来快速增长，各国新能源汽车渗透率持续提升。
数据显示，预计至2025年，全球新能源汽车销量将突破2100万辆，五年复合增长率约37%。另外，疫情并未阻止全球汽车产业电动化、智能化的脚步，基于不同发展目标，各国新能源汽车渗透率持续提升。
数据来源：德勤分析
数据来源：德勤分析
**聚焦中国，作为全球最大的新能源汽车市场，新能源汽车保有量位居第一且消费者对汽车智能化水平接受度最高。**2020年，一项消费者调研对比了德国、美国和中国三个国家消费者对自动驾驶的接受程度，根据数据显示，约50%的中国消费者认为自动驾驶非常重要，这一比例远高于美国与德国。相反，仅2%的中国消费者表达了“不想拥有”自动驾驶功能，而约30%美国与德国消费者表达了相同的想法。这意味着中国将成为汽车电动智能化最重要的市场。
数据来源：乘联会、国家信息中心、德勤分析
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，随着电动化及智能化水平的进一步提高，芯片对于汽车的重要性不言而喻。在感知层面，车上多传感器融和，包括通过雷达系统（激光雷达、毫米波雷达和超声波雷达）和视觉系统（摄像头）对周围环境进行数据采集。在决策层面，通过车载计算平台及合适的算法对数据进行处理，做出最优决策，最后执行模块将决策的信号转换为车辆的行为。在控制执行层面,主要包括车辆的运动控制及人机交互，决定每个执行器如电机、油门、刹车等控制信号。
数据来源：德勤分析
芯片是智能汽车的“大脑”。GPU、FPGA、ASIC在自动驾驶AI运算领域各有所长。传统意义上的CPU通常为芯片上的控制中心，优点在于调度管理、协调能力强，但CPU计算能力相对有限。因此，对于AI高性能计算而言，人们通常用GPU/FPGA/ASIC来做加强。功率芯片是智能汽车的“心脏”。无论是在引擎、驱动系统中的变速箱控制和制动、或者转向控制等都离不开功率芯片。摄像头CMOS是智能汽车的“眼睛”。CMOS图像传感器与CCD（电荷耦合组件）有着共同的历史渊源，但CMOS比CCD的价格降低15%-25%，同时，CMOS芯片可与其它硅基元器件集成利于系统成本的降低。在数量上，倒车后视，环视，前视，转弯盲区等L3以上的辅助驾驶需要约18颗摄像头。射频接收器是智能汽车的“耳朵”。射频器件是无线通讯的重要器件。射频是可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～300GHz之间。射频芯片是指能够将射频信号与数字信号进行转换的芯片，它包括功率放大器PA、滤波器、低噪声放大器LNA、天线开关、双工器、调谐器等。未来，射频芯片将像汽车的耳朵一样将助力C-V2X技术发展，将“人-车-路-云”等交通参与要素有机联系在一起，弥补了单车智能的不足，推动协同式应用服务发展。超声波/毫米波雷达是智能汽车的“手杖”。智能汽车通过传感器获得大量数据，L5级别的汽车会携带传感器将达到20个以上。车载雷达主要包括超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达三种。其中，中国超声波雷达已发展的相对成熟，技术壁垒不高；毫米波雷达技术壁垒较高，且是智能汽车的重要传感器，目前处于快速发展的阶段；激光雷达技术壁垒高，是高级别自动驾驶的重要传感器，但目前成本昂贵、过车规难、落地难。存储芯片是智能汽车的“记忆“。智能汽车产业对存储器的需求与日俱增，在后移动计算时代，车用存储将成为存储芯片中重要的新兴增长点和决定市场格局的力量。DRAM、Flash、NAND未来将被广泛地应用在智能汽车各个领域。此外，随着云和边缘计算将在智能汽车领域大放异彩，以及L4/L5级自动驾驶汽车发展出复杂网络数据及应用高级数据压缩技术，未来本地存储数量将趋于稳定，甚至可能出现下降。汽车面板呈多屏化趋势。目前车载显示设备主要包括中控显示屏和仪表显示屏，此外智能驾驶舱仪表显示屏、挡风玻璃复合抬头显示屏、虚拟电子后视镜显示屏、后座娱乐显示屏逐渐成为智能汽车发展的新需求方向。LED已经全面普及至智能汽车的照明领域。LED在照明的亮度和照射距离上做到了过去卤素灯无法企及的高度，可以做到弯道辅助（随动转向）、随速调节、车距警示等功能。随着LED体积、技术的发展，其智能化开始被大力开发，进而向着高亮、智能、酷炫的方向大步迈进。
2.1.2汽车智能化趋势驱动单车芯片价值提升
与传统燃油车相比，新能源单车使用芯片数量逐渐变大。以自动驾驶技术为例，自动驾驶级别越高，对传感器数量要求越多，L3级别自动驾驶平均搭载8个传感器芯片，而L5级别自动驾驶所需传感器芯片数量提升至20个。同理，车辆所需处理与储存的信息量也与自动驾驶技术成熟度正相关，进一步提升了控制类芯片和储存类芯片的搭载量。据统计，至2022年，新能源汽车车均芯片搭载量约1459个，与传统燃油车搭载芯片数量逐渐拉开距离。
数据来源：德勤分析
数据来源：德勤分析
**此外，以电力系统作为动力源的新能源汽车，对电子元器件功率管理，功率转换的要求更高，提升了汽车芯片的价值。**随着自动驾驶技术逐渐成熟，单车搭载芯片的价格也将更高。据统计，至2025年，汽车电子元器件BOM（物料清单）价值将有显著提升，这主要是来自于新能源汽车电池管理及电动动力总成对电子元器件的需求（如逆变器、动力总成域控制器DCU、各类传感器等）。
数据来源：德勤分析
2.1.3汽车电子电气化架构走向集中式，推动芯片性能发生结构性转变
随着近年来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。
数据来源：德勤分析
2.2 “芯片荒”持续蔓延，短期难以改善芯片
相较芯片行业整体情况，汽车芯片短缺尤为突出。据AFS预测，2021年全球汽车将减产810.7万辆，带来共计2100亿美元的经济损失，中国市场损失额预计约260亿美元。**疫情期间对于需求的错判是造成短期内汽车芯片短缺的最大诱因。**受新冠肺炎疫情影响，2020年初，汽车厂商降低了对新车需求量的预测，因此减少了相关零部件的订单。
数据来源：Factiva
**同期，疫情激发了消费电子类产品的需求，OEM厂商下调的芯片订单几乎全部被消费电子类需求所吸收。**以2020年第一季度为例，全球笔记本电脑、电视、手机、汽车、服务器等出货量均有大幅提升，笔记本电脑的出货量涨幅超过35%，面对激增的消费需求，OEM厂商下调的芯片订单产能几乎全转移至消费电子类生产需求，导致汽车出货降至谷底。
图17：2021年Q1全球笔记/电视/手机/汽车/服务器出货量
数据来源：Factiva
此外，芯片厂商对于汽车芯片的生产线扩产意愿相对较弱，也是造成本次芯片短缺的因素之一。出于经济性的考量，晶圆厂商以扩充更为先进的12英寸（300mm）晶圆产能为主。
12英寸（300mm）晶圆主要用于生产以电脑、平板、智能手机为主的消费电子类产品，相比之下，由于车规级芯片对安全性及稳定性需求高，主要使用成熟制程的8英寸（200mm）产线生产。由于300mm产线生产效率更高，覆盖下游应用更广，供给侧产能扩张主要以12英寸（300mm）产能为主。以模拟芯片生产为例，用12英寸产线生产模拟芯片比8英寸产线节约40%的生产成本，为此毛利率可提高8%。因此，据预测，未来全球晶圆厂300mm产能增长率约为200mm产能增长率的2倍。
2.3芯片长期需求旺盛，国产替代趋势明确
本轮芯片短缺的主要原因是疫情环境下汽车芯片市场需求与供给不匹配，因此，最有效的解决方案为扩大供给侧产能。然而，由于芯片生产线从建立到规模化生产的周期在1-2年左右，本轮芯片短缺将持续至2022年第二季度。
数据来源：Gartner
短期内，我们观察到包括传统车企、造车新势力以及自主品牌在内的多家车企纷纷采取一些短期应对措施以缓解芯片短缺带来的生产压力，主要举措包括临时芯片替代和车辆减配交付。
**临时芯片替代。**据悉，某豪华进口品牌OEM计划在非必要的车载功能上采取临时芯片替代方案，待芯片供给恢复后再为消费者进行更换与升级，将必要的芯片留给利润较高的车型或排放更低的车型以完成减排任务。此举在保障汽车核心安全功能不受影响的情况下，通过调整芯片使用结构，降低汽车芯片短缺带来的影响。
同样，拥有芯片自研能力的电动汽车头部OEM也都在积极采取行动应对这一问题。据了解，由于具备芯片开发能力，该类OEM正试图重新编写软件以适配可得芯片的替代方案。与之类似的传统头部OEM也正在试图通过重新设计汽车零部件，以适配更多可得芯片，降低短缺芯片的使用量。
**车辆减配交付。**除了探索芯片替代的可能性外，多家车企均采用了减配交付的方式保障汽车产线正常运行。以某头部造车新势力为例，为了保障车辆正常交付，该公司减少了近期交付车型所搭载的毫米波雷达数量，由原计划的5颗毫米波雷达降低至3颗，待所需芯片恢复供给后再为消费者进行补充安装。同样，多家传统国际车企也采用减配方式应对芯片短缺危机，如减少非必要零部件的芯片使用量，降低车载配置等。
目前来看，虽然各家车企均采取不同类型的解决方案，但却不是长久之计。无论是临时替代方案还是车辆功能的减配方案，都将进一步提高车企研发成本，降低消费者购车信心。
中长期而言，对于不同种类的汽车芯片，由于技术壁垒不同，紧缺程度和未来应对举措将有所差异。
数据来源：公开资料整理，德勤分析
**微控制器（MCU）芯片紧缺程度最高，恢复存在挑战。**车规级MCU芯片研发周期长、配套要求高、连带责任大，短期内难以看到OEM厂商或芯片企业在高端车规级MCU芯片产业链有所突破。全球头部前五的企业分别是恩智浦、英飞凌、瑞萨电子、意法半导体及德州仪器，共计拥有超过95%的市场份额。另外，全球约70%的车规级MCU芯片为台积电代工，国产替代可行性较小。因此，在台积电产能调整完成前，该类芯片将一直处于短缺状态。
**功率芯片（IGBT）紧缺程度中期有望缓解。**由于IGBT芯片生产工艺相对成熟，车规级IGBT芯片已经突破技术壁垒，部分实现国产替代，国内产能可满足短期需求空白。
**用于电源管理的模拟芯片紧缺程度正在逐步缓解。**由于该类型芯片的工艺较为成熟，除了头部企业大量占领市场外，包括中国在内的各地区均有中小型厂商实现了技术追赶并逐步进入了本区域供应链，国产替代效应显现。
第三部分筹谋篇——重塑汽车产业价值链，共筑行业繁荣新生态
3.1 政策助力行业建设，补齐产业短板
中国政府在扶持芯片产业不遗余力。纵观行业发展沿革，政府及相关部门在汽车芯片行业中扮演的角色逐步深化，总结而言，政府及相关部门积极扮演了如下关键角色：
**其一是政策推动者。**通过制定税收减免等经济性手段，对芯片产业链企业予以发展支持。例如：进口设备、材料、零配件免关税政策；设备、材料、封测公司所得税“两免三减半”政策等，同时也在教育、科研、开发、融资、应用等各个方面支持并培养相关人才
**其二是本土隐形冠军的培养者。**自2014年起，财政部、工信部、国家开发银行等联合发起了国家级产业基金“国家集成电路产业投资基金”，该基金重点投资了国内芯片产业链龙头企业，强力支持了我国自主可控集成电路供应链的构建。
数据来源：公开资料整理，德勤分析
