在汽车电动化和智能化变革中 汽车芯片产业链会发生哪些颠覆?

来源:36氪 2021-05-05 01:10中投网 A-A+
  刘慈欣在他的科幻小说《球状闪电》里,讲述了地球受到一种特殊攻击,导致所有硅基芯片被毁,全世界陷入瘫痪的故事。从手机电脑,到汽车飞机,绝大部分现代产品都离不开芯片,而汽车业,正在经历芯片严重短缺的困境。
 
  生产一辆汽车至少需要用到上百颗芯片,并且在很多环节缺少一颗芯片,都会导致无法继续生产。近期缺芯的局面,对汽车业的打击是立竿见影的。根据伯恩斯坦研究公司预测,由于全球范围内汽车芯片短缺,预计今年汽车产量将减少450万辆,相当于全球汽车产量的近5%,包括福特、戴勒姆(奔驰)、FCA(克莱斯勒)均传出停工和减产。
 
  在供给端,台积电等Foundry(代工厂)早已昼夜不停地开动生产线,但仍无法解决短缺问题。台积电已经上调了今年的资本支出预算,预计未来三年内将投入创纪录的1000亿美元,以扩大产能。英特尔最近也宣布斥资200亿美元在美国新建两家芯片工厂;三星电子计划在2030年之前投资约1160亿美元,以实现半导体生产能力的多元化。但远水解不了近渴,针对本次最紧缺的八英寸晶圆,台积电、联电、世界先进三大代工厂均趁势上调了价格。但从车企、Tier1(车厂一级供应商),到芯片设计公司,整个汽车产业链仍都在“跪产能”。
 
  另一方面,汽车智能化发展飞速,智能座舱、自动驾驶以及中央网关对性能的需求爆发性增长,汽车芯片也迎来了非常重要的变革期。我们十分看好此领域,于2019年2月投资了主做千兆高速车载以太网芯片的景略;在2019年4月投资了主攻智能座舱、智能驾驶、中央网关三大汽车芯片应用的芯驰科技;同期投资了主要覆盖TPMS芯片、通用接口芯片的琻捷电子,这三家公司都对应了不同的方向。
 
  一些对今年形势预判并提前准备的公司,例如芯驰科技,在这一轮“缺芯”大潮中,就提前在台积电等代工厂中预订了足够产能,获得了弯道超车的机会。在这篇研报中,我们先分析今年汽车业到底为什么会缺芯?以及,未来随着电动车普及,以及汽车电子电气架构的改变,汽车芯片和其供应链会发生哪些重要变革:“缺芯潮”到底是缺什么?汽车芯片为什么会短缺?汽车芯片产业链如何运作?在汽车电动化和智能化变革中,汽车芯片产业链会发生哪些颠覆?
 
  “缺芯潮”到底是缺什么?
 
  汽车芯片主要分为8大类,比手机芯片更为繁杂,并且无论是燃油车还是电动车,都在往智能化方向发展,所以对芯片性能需求也越来越高。
 
  这8大类包括:高性能计算芯片(AI芯片/GPU)、微控制器(MCU)、存储芯片(DRAM/Flash)、CMOS图像传感芯片、显示驱动芯片、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)、功率元器件、传感芯片(压力、流量、惯性、湿度、红外等)。其中,MCU是本次“缺芯潮”中最紧缺的产品之一,传统汽车平均每辆需要70颗以上的MCU芯片,而智能汽车超过300颗。MCU是汽车的微控制单元,也可以理解为各类分散设备的“小脑”,用以实现不同功能,例如不同MCU会分管座位调节、雨刷、空调、影音、动力等不同功能。
 
  一些模块的缺芯还不至于导致车企停产,例如像通信、仪表、导航摄像头等可以先把汽车生产出来,之后再加进去。但本次缺芯是有50%的底盘系统所需零部件,底盘缺一个器件,就无法继续生产。像大部分汽车都会配备的ESP(电子稳定控制系统),是汽车主动安全系统的一部分,能起到防侧滑作用,控制它的MCU最近也极度缺货,这就会导致车企停产。
 
  汽车芯片为什么会短缺?
 
  综合各方访谈,我们总结了四大原因,其中最重要的,是市场各方对疫情后需求反弹的预测失误。
 
  首先我们需要知道一点,汽车芯片相比于手机芯片,供货周期是更长的。消费电子芯片各种规格要求没有那么高,所以有时候某颗芯片不行时,可以很快找到替代品。但汽车芯片要符合车规级,安全系数要求很高,比如稳定性、耐高温低温等等,认证非常难。例如最经典的AEC-Q认证,需要各种被动件、主动件测试,消费电子一般会做到500h循环,但汽车芯片一般要做到1000h才行;高温极限也需要做到150℃。过了AEC-Q认证,可靠性就基本能得到保证,但其测试周期很长,不能说换就换。而从产能角度来看,建厂导入设备往往需要2年时间,所以车规芯片较难通过新建产能迅速提升供给量,主要还是通过现有产能的供需调配。
 
  无论是车企还是各级供应商,都是依靠对未来半年至一年销量的准确预测,去芯片代工厂预订产能,像台积电这样的大厂,也是按照这些需求,提前半年至一年安排自身的产能。在历史上,这些预测也一直比较准确。
 
  但新冠疫情完全打乱了节奏,大部分车企都没有准确预测到2020年下半年开始的强劲回升。拿反弹最强劲的中国市场来看,2020年上半年汽车销量一直下滑,但到7月份突然反转,反弹越来越强劲,8-12月份竟然出现了10-20%的增长,一下子恢复到疫情前的水平。但这时候芯片厂的产能,却还是按照2020上半年的预测来安排,既有库存到年底已经被一扫而空,但新订单却急速增加,各家车企或是各级供应商只能“八仙过海各显神通”地去“跪产能”。以上所说的预测失误是第一个原因,也是最主要的原因。第二个原因则是疫情造成了社交隔离,人们足不出户使得全球消费电子销量大增,例如笔记本电脑、平板电脑等,消费电子也一样对芯片需求激增,而有一些原材料是共同的。
 
  当2020年三季度开始,汽车厂商们感受到回暖,开始想提高订单量时,晶圆代工厂28纳米以上的产能早被消费电子产品预订占满,从而对汽车芯片形成挤压。第三个原因出在汽车芯片的原材料晶圆产能上。像台积电这样的晶圆厂,把硅片制成晶圆,然后再拿到下游的封测厂切割、封装、测试。
 
  晶圆主要分为8英寸和12英寸,这次缺芯潮的问题主要出在8英寸上。通常越先进的工艺,越需要大晶圆,也就是12英寸的,例如16纳米和28纳米的芯片,都是需要12英寸的晶圆。但本次缺芯潮中,缺货的主要是一些颇为传统的MCU芯片,他们主要是由8英寸晶圆制成。8英寸是非常成熟的工艺,利润率并不高,最近几年,很多厂商开始青睐12英寸晶圆,一些8英寸晶圆厂陆续关停,产能本身就不太充裕。根据研究机构Gartner Inc.的数据,去年的芯片制造设备开支中,有27%用于该行业最先进芯片的生产设备,这些芯片通常用于智能手机、高端个人电脑和数据中心。而用于生产更成熟和商品化芯片的设备仅约为11%。
 
  未来随着汽车智能化程度越来越高,肯定需要算力更大、制程更先进的工艺,但当下是过渡期,很多车企下的订单依然是传统的MCU,也就是8英寸,晶圆代工厂也不愿为此大规模投资扩充产能,造成了需求大但供给小的局面。
 
  第四个原因就是汽车智能化本身带来的芯片需求暴涨。以车载摄像头为例,L2平均需要配备3-4颗摄像头,但随着智能驾驶等级提升,L2至L3平均需要配置7-8颗摄像头;L4就要配置10-15颗;L5则有可能要15颗以上。
 
  汽车界目前的两大趋势——智能化和电动化,都需要大量用到芯片。智能化需要算力大的智能中控芯片、算法芯片、传感器芯片;电动化增加的部分主要是电机控制器,包括后驱、前驱、双电机,以及需要功率半导体控制锂电池,芯片需求比传统燃油车多很多。目前传统汽车半导体平均单车价值在475美元,而智能电动车单车价值可达600美元以上。在这场“跪产能”的混战中,一些公司因为出色的人脉关系和预测能力,更早执行了预订更多芯片产能的计划,得以获得弯道超车的机会。
 
  芯驰科技CEO仇雨菁就提前下了“预订更多产能”的判断。作为一家芯片设计创业公司,要想说服台积电等大型代工厂预留更多产能也不容易。首先你需要跟供应商保持一个长期良好关系,这一点主要靠创始团队过往资历,要证明自己有量产芯片的经验,而非做一个用来演示的芯片,来赢得他们的信任。
 
  另外就是要对市场水温的变化敏感。仇雨菁坦言,她也是在与业内各路朋友的日常交流中,感知到2020年下半年开始汽车芯片产能会奇缺,所以这个决策也是一个非常综合的考量。
 
  汽车芯片产业链如何运作?
 
  在分析汽车电动化和智能化所带来的颠覆之前,我们先来看看汽车芯片产业链是如何运作的。汽车芯片产业链与消费电子类似,也是芯片设计、制造及封装测试三大环节。设计是高度技术密集型,制造是资本及技术密集型,封装测试是劳动密集型。在全球分工合作的背景下,如今主要有两种业务模式,第一是传统的集成制造(IDM)模式,一家公司把上下游都做了,代表企业为三星和英特尔;另一种是垂直分工模式,分为芯片设计商(Fabless,例如高通、联发科)、芯片制造厂(Foundry,例如台积电、中芯国际)和芯片封测厂(Package&Testing)。
 
  这次“缺芯潮”主要是卡在Foundry的制造环节。例如本次最紧缺的MCU,全球很多产能集中在台积电。同时,MCU的芯片设计商在产业链中的地位较低,大多为博世、大陆等Tier1之下的Tier2,或是汽车厂的三级供应商,格局稳定但缺乏活力,利润率偏低,厂商扩产意愿低,因而当产能紧张时,产能得不到保障。
 
  一颗芯片从设计到量产,中间的每一个环节都充满风险,仇雨菁在芯片行业工作了20多年,她总结“做芯片的人,胆子是越来越小的”。
 
  在芯片业,无论是投资机构还是寻找合作方,一个团队的历史记录是非常重要的,大家几乎都是依靠这个来做判断,是否值得投资或合作。因为芯片从设计、流片、量产,过程复杂,一些问题能够在流片后的样品阶段看出来,然后当你小批量出货的时候,一些问题也能够通过测试抓出来,但仍然还有一些致命问题不会体现,直到大量出货后才会看到。所以芯片的量产,是比把芯片设计出来、流片成功更难的事情。据我们调研了解,某些不够好的芯片,就是在出了百万片、千万片甚至上亿片的时候,不一致性出现了。车规级芯片要求的是,在高温低温、或是电压有抖动等极端情况下,芯片的工作表现都稳定。同时,车企客户还会把芯片应用在不同场景下,包括接入一些外部设备,这些都需要在参考设计中提前考虑到。
 
  并且,一颗成熟的芯片产品,并不是说今天生产出来就好了,随着使用的人越来越多,后续还会不停地遇到新问题,需要持续维护更新。
 
  所以在芯片业,有经验的人才是最宝贵的。对于一个“芯片人”,从业10年之内,都算新手,需要去遵循很多前人设下的规则。例如做芯片设计时的时钟同步,就必须要遵循Double Think的规则,确保从一个时钟域到另一个时钟域的同步做对。在入行初期,很多新手也不知道为什么要这么做,只知道师傅这么讲,也就得这么做。
 
  当从业经验到了10-15年,很多坑也已经踩过了,就会逐渐明白为什么要遵循这些规则,并且也开始发现,怎么做能绕过既定规则,产生创新。“这是一个不断螺旋式上升的过程。”仇雨菁说,因为芯片的高复杂性,例如一颗芯片有几千个时钟之间的同步,在流片期间大家都难以避免处于极度焦虑状态。除了技术之外,产品定义也是非常重要的。芯片设计不同于互联网软件,互联网软件从产品定义到上线,时间周期非常短,可能是几个月时间,立刻就能看到产品好还是不好。但一颗芯片从产品定义,到设计出来,再到交付给客户真正实现量产,这个周期需要两到三年。在这么长的时间里,如何确保当初设定的产品定义,在未来三年后仍然还是先进的,特别是如今行业变化越来越快,有时候客户提的诉求,并不一定代表了未来的真实需求。
 
  此时,如何能够提炼出真实需求,并且这个需求是当下能实现的,也不能太超前,因为市场可能还没开始出现,这就非常考验芯片设计公司的产品定义能力。毕竟一颗车规级芯片的生命周期,需要在5年以上才合格。做消费电子芯片和专注于车规级芯片的公司,还是会有所区别。其中一点便是体现在更好的兼容性上,因为手机芯片需要兼容的操作系统和应用场景是非常有限的,但汽车里面操作系统是非常复杂的,有实时的操作系统,还有保证功能安全的操作系统(比如仪表盘),还要支持安卓等娱乐系统,不能因为在安卓打开了一个APP,就把仪表这边拖慢。
 
  当一些消费电子芯片公司不够成熟的产品应用在汽车上,就会出现缺陷,不同芯片公司有各自擅长的应用领域。例如专注于车规级的芯驰,可以在同等算力下,实现得更流畅。芯驰在2020年对外发布了9系列汽车芯片产品,提供针对汽车的协同一体化解决方案,包括智能座舱、智能驾驶、中央网关三大应用。
 
  要避免这些问题,就需要在芯片底层,从软件到芯片的架构,做很全面的考量。这直接关系到最终做出来的芯片,是不是适应应用场景、效率能否达到最高、最终在车上跑起来流不流畅,以及外围适配的这些生态,是不是足够全,这就包括了语音交互、地图导航、音乐等等APP能否完整适配。从拿到芯片到最终落地,如何让适配期更流畅、快速地度过,就是像芯驰创始团队这样的“行业老兵”的优势。
 
  在汽车电动化和智能化变革中,汽车芯片产业链会发生哪些颠覆?
 
  在我们去年11月的研报中,我们详细分析了智能电动车的底层变革——采用新的电子电气架构,在此不再过多赘述。
 
  总结来说,就是虽然看起来传统汽车有很多芯片,但整体算力可能还不如手机,也无法在整车层面进行信息交互或是在线升级(OTA)。而在未来智能汽车时代,会打破分布式的设计思维,考虑全面智能化。我们正处于整车电子电气架构三大发展阶段中的第二段:分布式、跨域集中、整车集中。这种电子电气架构的改变,是真正底层的革命。
 
  在新的“域”架构及中央计算架构下,汽车芯片开始跑上亿行代码,这就需要更大算力的芯片,例如SoC芯片。而在算力升级过程中,一场产业链变革也悄然发生,传统Tier1正在被颠覆。
 
  按中金公司分析,MCU是芯片级芯片,一般只包含CPU这一个处理器单元,即MCU=CPU+存储+接口单元;而SoC是系统级芯片,一般包含多个处理器单元,SoC内部通常包括CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单元。对于MCU市场来说,以前一直被恩智浦、德州仪器、瑞萨半导体等汽车芯片巨头占据,其他人很少有机会入局。
 
  在传统汽车芯片产业链中,芯片提供商是Tier2,往往由恩智浦、德州仪器、瑞萨半导体等做好芯片设计之后,让台积电等代工厂制造晶圆和芯片,再让日月光等公司做封装测试,之后形成可销售的MCU芯片产品,最终交付给Tier1做成ECU、DCU等控制器产品装配上车。但随着高算力SoC芯片大战打响,英特尔、高通、华为等消费电子巨头纷纷入局,这也是很多初创公司的新机会。更重要的是,整车电子电气架构的变革,也逐渐打破原来车企与Tier1的关系结构,芯片设计供应商的产业链地位上升。因为从跨域集中到整车集中,都会牵涉到不同的域,已经无法按以前那样,把某一个域拆开给到某一家Tier1。所以在新的域之间交互、数据共享的环境下,可能需要车企来牵头设计整车的电子电气架构。
 
  一些高算力芯片的供应商,也乘此机会开始提供软硬件结合的解决方案,他们完全可以绕过Tier1直接与车企对接,从而成为“新Tier1”。例如英伟达直接对接了一家电动车车企,在提供硬件平台的同时,也提供用于做自动驾驶算法开发的工具链软件及仿真环境等;再比如Mobileye也不甘于当Tier2,只向Tier1供应半成品组件,Mobileye也开始负责完整的解决方案堆栈,包括硬件和软件、驱动策略和控制,以及软件更新服务。他们都开始获得更高的利润率和产业链话语权。
 
  另一方面,越来越多有研发实力的车企,也开始参与芯片设计,甚至会自己研发。背后的原因是,车企一方面希望掌握核心技术,另一方面希望掌握高算力时代所产生的数据。
 
  以前,车企通过Tier1的合作模式是非常常见的,比如车企的底盘、座舱、三电系统都分别由一家来实现,最后OEM整合。但以特斯拉这样的高科技车企为代表,就是典型的“什么都想掌握在自己手里”,所以一开始是跟Mobileye合作,后来改成跟英伟达合作,现在干脆核心的ADAS加速芯片已经使用自研产品。
 
  当然,车企也不可能什么都自己做,Tier1依然有其价值。如今,汽车芯片产业链正处于一个新的摸索阶段,到底哪些工作是Tier1做,哪些工作是车企来做?但可见的大趋势是,车企会倾向于掌握一些核心技术,尤其在自动驾驶方面,因为数据、算法对车企来说变得极度重要。例如在“新Tier1”中的Mobileye,它提供的是一个“黑盒式”解决方案,好处是车企可以即拿即用,但坏处是你无法知道里面的算法是什么,也很难去做个性化改动。但未来很多车企希望有自己的算法,并且能够积累数据,在此基础上做迭代升级,否则对于使用这种“黑盒式”解决方案的车企来说,同质化太严重。
 
  如何能做到差异化,将是车企们下一个阶段的核心诉求。芯驰看到了这个趋势,提供的产品是一个可选菜单,比如说摄像头环视会有ABC三个选项,只提供参考设计,车企还是可以积累自身的数据或研发使用自己的算法。
 
  这场因疫情扰乱供应链,而引起的“缺芯潮”,料将在2022上半年趋于平息,但本次缺货的很多传统MCU芯片,在远期未来会被逐渐取代。汽车的产业变革自上而下,从动力系统、智能座舱以及自动驾驶,新技术会逐步取代琐碎的分布式架构。
 
  最令人兴奋的是,在这场变革中,中国公司逐渐走在前列。到2023-2024年,一批高算力芯片公司将脱颖而出,成为行业新领导者,而车企与Tier1、芯片公司之间的合作模式,届时也将会有彻底的改变。
十四五将是中国技术和产业升级的关键期,重点机会有哪些?
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