資訊

汽車“缺芯潮”下 產業鏈“跪產能”困局如何解?

2025China.cn   2021年04月22日

  劉慈欣在他的科幻小說《球狀閃電》里,講述了地球受到一種特殊攻擊,導致所有硅基芯片被毀,全世界陷入癱瘓的故事。從手機電腦,到汽車飛機,絕大部分現代產品都離不開芯片,而汽車業,正在經歷芯片嚴重短缺的困境。

  生產一輛汽車至少需要用到上百顆芯片,并且在很多環節缺少一顆芯片,都會導致無法繼續生產。近期缺芯的局面,對汽車業的打擊是立竿見影的。根據伯恩斯坦研究公司預測,由于全球范圍內汽車芯片短缺,預計今年汽車產量將減少450萬輛,相當于全球汽車產量的近5%,包括福特、戴勒姆(奔馳)、FCA(克萊斯勒)均傳出停工和減產。

  在供給端,臺積電等Foundry(代工廠)早已晝夜不停地開動生產線,但仍無法解決短缺問題。臺積電已經上調了今年的資本支出預算,預計未來三年內將投入創紀錄的1000億美元,以擴大產能。英特爾最近也宣布斥資200億美元在美國新建兩家芯片工廠;三星電子計劃在2030年之前投資約1160億美元,以實現半導體生產能力的多元化。

  但遠水解不了近渴,針對本次最緊缺的八英寸晶圓,臺積電、聯電、世界先進三大代工廠均趁勢上調了價格。但從車企、Tier1(車廠一級供應商),到芯片設計公司,整個汽車產業鏈仍都在“跪產能”。

  另一方面,汽車智能化發展飛速,智能座艙、自動駕駛以及中央網關對性能的需求爆發性增長,汽車芯片也迎來了非常重要的變革期。我們十分看好此領域,于2019年2月投資了主做千兆高速車載以太網芯片的景略;在2019年4月投資了主攻智能座艙、智能駕駛、中央網關三大汽車芯片應用的芯馳科技;同期投資了主要覆蓋TPMS 芯片、通用接口芯片的琻捷電子,這三家公司都對應了不同的方向。

  一些對今年形勢預判并提前準備的公司,例如芯馳科技,在這一輪“缺芯”大潮中,就提前在臺積電等代工廠中預訂了足夠產能,獲得了彎道超車的機會。在這篇研報中,我們先分析今年汽車業到底為什么會缺芯?以及,未來隨著電動車普及,以及汽車電子電氣架構的改變,汽車芯片和其供應鏈會發生哪些重要變革:

  “缺芯潮”到底是缺什么?

  汽車芯片為什么會短缺?

  汽車芯片產業鏈如何運作?

  在汽車電動化和智能化變革中,汽車芯片產業鏈會發生哪些顛覆?

1、“缺芯潮”到底是缺什么?

  汽車芯片主要分為8大類,比手機芯片更為繁雜,并且無論是燃油車還是電動車,都在往智能化方向發展,所以對芯片性能需求也越來越高。

  這8大類包括:高性能計算芯片(AI芯片/GPU)、微控制器(MCU)、存儲芯片(DRAM/Flash)、 CMOS圖像傳感芯片、顯示驅動芯片、模擬芯片(包括無線通訊的功率放大器、音頻放大器、 傳感器等)、功率元器件、傳感芯片(壓力、流量、慣性、濕度、紅外等)。

  其中,MCU是本次“缺芯潮”中最緊缺的產品之一,傳統汽車平均每輛需要70顆以上的MCU芯片,而智能汽車超過300顆。

  MCU是汽車的微控制單元,也可以理解為各類分散設備的“小腦”,用以實現不同功能,例如不同MCU會分管座位調節、雨刷、空調、影音、動力等不同功能。

  一些模塊的缺芯還不至于導致車企停產,例如像通信、儀表、導航攝像頭等可以先把汽車生產出來,之后再加進去。但本次缺芯是有50%的底盤系統所需零部件,底盤缺一個器件,就無法繼續生產。

  像大部分汽車都會配備的ESP(電子穩定控制系統),是汽車主動安全系統的一部分,能起到防側滑作用,控制它的MCU最近也極度缺貨,這就會導致車企停產。

2、汽車芯片為什么會短缺?

  綜合各方訪談,我們總結了四大原因,其中最重要的,是市場各方對疫情后需求反彈的預測失誤。

  首先我們需要知道一點,汽車芯片相比于手機芯片,供貨周期是更長的。消費電子芯片各種規格要求沒有那么高,所以有時候某顆芯片不行時,可以很快找到替代品。

  但汽車芯片要符合車規級,安全系數要求很高,比如穩定性、耐高溫低溫等等,認證非常難。例如最經典的AEC-Q認證,需要各種被動件、主動件測試,消費電子一般會做到500h循環,但汽車芯片一般要做到1000h才行;高溫極限也需要做到150℃。過了AEC-Q認證,可靠性就基本能得到保證,但其測試周期很長,不能說換就換。

  而從產能角度來看,建廠導入設備往往需要2年時間,所以車規芯片較難通過新建產能迅速提升供給量,主要還是通過現有產能的供需調配。

  無論是車企還是各級供應商,都是依靠對未來半年至一年銷量的準確預測,去芯片代工廠預訂產能,像臺積電這樣的大廠,也是按照這些需求,提前半年至一年安排自身的產能。在歷史上,這些預測也一直比較準確。

  但新冠疫情完全打亂了節奏,大部分車企都沒有準確預測到2020年下半年開始的強勁回升。拿反彈最強勁的中國市場來看,2020年上半年汽車銷量一直下滑,但到7月份突然反轉,反彈越來越強勁,8-12月份竟然出現了10-20%的增長,一下子恢復到疫情前的水平。

  但這時候芯片廠的產能,卻還是按照2020上半年的預測來安排,既有庫存到年底已經被一掃而空,但新訂單卻急速增加,各家車企或是各級供應商只能“八仙過海各顯神通”地去“跪產能”。

  以上所說的預測失誤是第一個原因,也是最主要的原因。第二個原因則是疫情造成了社交隔離,人們足不出戶使得全球消費電子銷量大增,例如筆記本電腦、平板電腦等,消費電子也一樣對芯片需求激增,而有一些原材料是共同的。

  當2020年三季度開始,汽車廠商們感受到回暖,開始想提高訂單量時,晶圓代工廠28納米以上的產能早被消費電子產品預訂占滿,從而對汽車芯片形成擠壓。

  第三個原因出在汽車芯片的原材料晶圓產能上。像臺積電這樣的晶圓廠,把硅片制成晶圓,然后再拿到下游的封測廠切割、封裝、測試。

  晶圓主要分為8英寸和12英寸,這次缺芯潮的問題主要出在8英寸上。通常越先進的工藝,越需要大晶圓,也就是12英寸的,例如16納米和28納米的芯片,都是需要12英寸的晶圓。

  但本次缺芯潮中,缺貨的主要是一些頗為傳統的MCU芯片,他們主要是由8英寸晶圓制成。8英寸是非常成熟的工藝,利潤率并不高,最近幾年,很多廠商開始青睞12英寸晶圓,一些8英寸晶圓廠陸續關停,產能本身就不太充裕。

  根據研究機構Gartner Inc.的數據,去年的芯片制造設備開支中,有27%用于該行業最先進芯片的生產設備,這些芯片通常用于智能手機、高端個人電腦和數據中心。而用于生產更成熟和商品化芯片的設備僅約為11%。

  未來隨著汽車智能化程度越來越高,肯定需要算力更大、制程更先進的工藝,但當下是過渡期,很多車企下的訂單依然是傳統的MCU,也就是8英寸,晶圓代工廠也不愿為此大規模投資擴充產能,造成了需求大但供給小的局面。

  第四個原因就是汽車智能化本身帶來的芯片需求暴漲。以車載攝像頭為例,L2平均需要配備3-4顆攝像頭,但隨著智能駕駛等級提升,L2至L3平均需要配置7-8顆攝像頭;L4就要配置10-15顆;L5則有可能要15顆以上。

  汽車界目前的兩大趨勢——智能化和電動化,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、傳感器芯片;電動化增加的部分主要是電機控制器,包括后驅、前驅、雙電機,以及需要功率半導體控制鋰電池,芯片需求比傳統燃油車多很多。

  目前傳統汽車半導體平均單車價值在475美元,而智能電動車單車價值可達600美元以上。

  在這場“跪產能”的混戰中,一些公司因為出色的人脈關系和預測能力,更早執行了預訂更多芯片產能的計劃,得以獲得彎道超車的機會。

  芯馳科技CEO仇雨菁就提前下了“預訂更多產能”的判斷。作為一家芯片設計創業公司,要想說服臺積電等大型代工廠預留更多產能也不容易。首先你需要跟供應商保持一個長期良好關系,這一點主要靠創始團隊過往資歷,要證明自己有量產芯片的經驗,而非做一個用來演示的芯片,來贏得他們的信任。

  另外就是要對市場水溫的變化敏感。仇雨菁坦言,她也是在與業內各路朋友的日常交流中,感知到2020年下半年開始汽車芯片產能會奇缺,所以這個決策也是一個非常綜合的考量。

3、汽車芯片產業鏈如何運作?

  在分析汽車電動化和智能化所帶來的顛覆之前,我們先來看看汽車芯片產業鏈是如何運作的。

  汽車芯片產業鏈與消費電子類似,也是芯片設計、制造及封裝測試三大環節。設計是高度技術密集型,制造是資本及技術密集型,封裝測試是勞動密集型。

  在全球分工合作的背景下,如今主要有兩種業務模式,第一是傳統的集成制造(IDM)模式,一家公司把上下游都做了,代表企業為三星和英特爾;另一種是垂直分工模式,分為芯片設計商(Fabless,例如高通、聯發科)、芯片制造廠(Foundry,例如臺積電、中芯國際)和芯片封測廠(Package&Testing)。

  這次“缺芯潮”主要是卡在Foundry的制造環節。例如本次最緊缺的MCU,全球很多產能集中在臺積電。同時,MCU的芯片設計商在產業鏈中的地位較低,大多為博世、大陸等Tier1之下的Tier2,或是汽車廠的三級供應商,格局穩定但缺乏活力,利潤率偏低,廠商擴產意愿低,因而當產能緊張時,產能得不到保障。

  一顆芯片從設計到量產,中間的每一個環節都充滿風險,仇雨菁在芯片行業工作了20多年,她總結“做芯片的人,膽子是越來越小的”。

  在芯片業,無論是投資機構還是尋找合作方,一個團隊的歷史記錄是非常重要的,大家幾乎都是依靠這個來做判斷,是否值得投資或合作。

  因為芯片從設計、流片、量產,過程復雜,一些問題能夠在流片后的樣品階段看出來,然后當你小批量出貨的時候,一些問題也能夠通過測試抓出來,但仍然還有一些致命問題不會體現,直到大量出貨后才會看到。所以芯片的量產,是比把芯片設計出來、流片成功更難的事情。

  據我們調研了解,某些不夠好的芯片,就是在出了百萬片、千萬片甚至上億片的時候,不一致性出現了。車規級芯片要求的是,在高溫低溫、或是電壓有抖動等極端情況下,芯片的工作表現都穩定。同時,車企客戶還會把芯片應用在不同場景下,包括接入一些外部設備,這些都需要在參考設計中提前考慮到。

  并且,一顆成熟的芯片產品,并不是說今天生產出來就好了,隨著使用的人越來越多,后續還會不停地遇到新問題,需要持續維護更新。

  所以在芯片業,有經驗的人才是最寶貴的。對于一個“芯片人”,從業10年之內,都算新手,需要去遵循很多前人設下的規則。例如做芯片設計時的時鐘同步,就必須要遵循Double Think的規則,確保從一個時鐘域到另一個時鐘域的同步做對。在入行初期,很多新手也不知道為什么要這么做,只知道師傅這么講,也就得這么做。

  當從業經驗到了10-15年,很多坑也已經踩過了,就會逐漸明白為什么要遵循這些規則,并且也開始發現,怎么做能繞過既定規則,產生創新。“這是一個不斷螺旋式上升的過程。”仇雨菁說,因為芯片的高復雜性,例如一顆芯片有幾千個時鐘之間的同步,在流片期間大家都難以避免處于極度焦慮狀態。

  除了技術之外,產品定義也是非常重要的。芯片設計不同于互聯網軟件,互聯網軟件從產品定義到上線,時間周期非常短,可能是幾個月時間,立刻就能看到產品好還是不好。但一顆芯片從產品定義,到設計出來,再到交付給客戶真正實現量產,這個周期需要兩到三年。

  在這么長的時間里,如何確保當初設定的產品定義,在未來三年后仍然還是先進的,特別是如今行業變化越來越快,有時候客戶提的訴求,并不一定代表了未來的真實需求。

  此時,如何能夠提煉出真實需求,并且這個需求是當下能實現的,也不能太超前,因為市場可能還沒開始出現,這就非常考驗芯片設計公司的產品定義能力。畢竟一顆車規級芯片的生命周期,需要在5年以上才合格。

  做消費電子芯片和專注于車規級芯片的公司,還是會有所區別。其中一點便是體現在更好的兼容性上,因為手機芯片需要兼容的操作系統和應用場景是非常有限的,但汽車里面操作系統是非常復雜的,有實時的操作系統,還有保證功能安全的操作系統(比如儀表盤),還要支持安卓等娛樂系統,不能因為在安卓打開了一個APP,就把儀表這邊拖慢。

  當一些消費電子芯片公司不夠成熟的產品應用在汽車上,就會出現缺陷,不同芯片公司有各自擅長的應用領域。例如專注于車規級的芯馳,可以在同等算力下,實現得更流暢。芯馳在2020年對外發布了9系列汽車芯片產品,提供針對汽車的協同一體化解決方案,包括智能座艙、智能駕駛、中央網關三大應用。

  要避免這些問題,就需要在芯片底層,從軟件到芯片的架構,做很全面的考量。這直接關系到最終做出來的芯片,是不是適應應用場景、效率能否達到最高、最終在車上跑起來流不流暢,以及外圍適配的這些生態,是不是足夠全,這就包括了語音交互、地圖導航、音樂等等APP能否完整適配。從拿到芯片到最終落地,如何讓適配期更流暢、快速地度過,就是像芯馳創始團隊這樣的“行業老兵”的優勢。

4、在汽車電動化和智能化變革中,汽車芯片產業鏈會發生哪些顛覆?

  在我們去年11月的研報《除了理想和小鵬,我們持續重倉智能電動車產業鏈》中,我們詳細分析了智能電動車的底層變革——采用新的電子電氣架構,在此不再過多贅述。

  總結來說,就是雖然看起來傳統汽車有很多芯片,但整體算力可能還不如手機,也無法在整車層面進行信息交互或是在線升級(OTA)。而在未來智能汽車時代,會打破分布式的設計思維,考慮全面智能化。我們正處于整車電子電氣架構三大發展階段中的第二段:分布式、跨域集中、整車集中。這種電子電氣架構的改變,是真正底層的革命。

  在新的“域”架構及中央計算架構下,汽車芯片開始跑上億行代碼,這就需要更大算力的芯片,例如SoC芯片。而在算力升級過程中,一場產業鏈變革也悄然發生,傳統Tier1正在被顛覆。

  按中金公司分析,MCU是芯片級芯片,一般只包含CPU這一個處理器單元,即MCU=CPU+存儲+接口單元;而SoC是系統級芯片,一般包含多個處理器單元,SoC內部通常包括CPU+GPU+DSP+NPU+存儲+接口單元。

  對于MCU市場來說,以前一直被恩智浦、德州儀器、瑞薩半導體等汽車芯片巨頭占據,其他人很少有機會入局。

  在傳統汽車芯片產業鏈中,芯片提供商是Tier2,往往由恩智浦、德州儀器、瑞薩半導體等做好芯片設計之后,讓臺積電等代工廠制造晶圓和芯片,再讓日月光等公司做封裝測試,之后形成可銷售的MCU芯片產品,最終交付給Tier1做成ECU、DCU等控制器產品裝配上車。

  但隨著高算力SoC芯片大戰打響,英特爾、高通、華為等消費電子巨頭紛紛入局,這也是很多初創公司的新機會。

  更重要的是,整車電子電氣架構的變革,也逐漸打破原來車企與Tier1的關系結構,芯片設計供應商的產業鏈地位上升。因為從跨域集中到整車集中,都會牽涉到不同的域,已經無法按以前那樣,把某一個域拆開給到某一家Tier1。所以在新的域之間交互、數據共享的環境下,可能需要車企來牽頭設計整車的電子電氣架構。

  一些高算力芯片的供應商,也乘此機會開始提供軟硬件結合的解決方案,他們完全可以繞過Tier1直接與車企對接,從而成為“新Tier1”。

  例如英偉達直接對接了一家電動車車企,在提供硬件平臺的同時,也提供用于做自動駕駛算法開發的工具鏈軟件及仿真環境等;再比如Mobileye也不甘于當Tier2,只向Tier1供應半成品組件,Mobileye也開始負責完整的解決方案堆棧,包括硬件和軟件、驅動策略和控制,以及軟件更新服務。他們都開始獲得更高的利潤率和產業鏈話語權。

  另一方面,越來越多有研發實力的車企,也開始參與芯片設計,甚至會自己研發。背后的原因是,車企一方面希望掌握核心技術,另一方面希望掌握高算力時代所產生的數據。

  以前,車企通過Tier1的合作模式是非常常見的,比如車企的底盤、座艙、三電系統都分別由一家來實現,最后OEM整合。但以特斯拉這樣的高科技車企為代表,就是典型的“什么都想掌握在自己手里”,所以一開始是跟Mobileye合作,后來改成跟英偉達合作,現在干脆核心的ADAS加速芯片已經使用自研產品。

  當然,車企也不可能什么都自己做,Tier1依然有其價值。如今,汽車芯片產業鏈正處于一個新的摸索階段,到底哪些工作是Tier1做,哪些工作是車企來做?但可見的大趨勢是,車企會傾向于掌握一些核心技術,尤其在自動駕駛方面,因為數據、算法對車企來說變得極度重要。

  例如在“新Tier1”中的Mobileye,它提供的是一個“黑盒式”解決方案,好處是車企可以即拿即用,但壞處是你無法知道里面的算法是什么,也很難去做個性化改動。但未來很多車企希望有自己的算法,并且能夠積累數據,在此基礎上做迭代升級,否則對于使用這種“黑盒式”解決方案的車企來說,同質化太嚴重。

  如何能做到差異化,將是車企們下一個階段的核心訴求。芯馳看到了這個趨勢,提供的產品是一個可選菜單,比如說攝像頭環視會有ABC三個選項,只提供參考設計,車企還是可以積累自身的數據或研發使用自己的算法。

  這場因疫情擾亂供應鏈,而引起的“缺芯潮”,料將在2022上半年趨于平息,但本次缺貨的很多傳統MCU芯片,在遠期未來會被逐漸取代。汽車的產業變革自上而下,從動力系統、智能座艙以及自動駕駛,新技術會逐步取代瑣碎的分布式架構。

  最令人興奮的是,在這場變革中,中國公司逐漸走在前列。到2023-2024年,一批高算力芯片公司將脫穎而出,成為行業新領導者,而車企與Tier1、芯片公司之間的合作模式,屆時也將會有徹底的改變。

  來源:經緯創投

標簽:汽車 缺芯潮 我要反饋 
施耐德電氣線上工博會
世強
專題報道
2021施耐德電氣線上工博來襲!
2021施耐德電氣線上工博來襲!

12月1日起,施耐德電氣線上工博將為您呈現一場以 “綠色智能制造,共塑可持續未來”為主題的云端盛宴。 憑借在綠色智

2021 OEM機械設計技術研討會-云會議
2021 OEM機械設計技術研討會-云會議

“2021OEM機械設計技術研討會”以“縱深推進?多維賦能 數字化重塑設備制造”為主題, 邀請多家知名企業與來自紡織機械

帶訪問授權管理的安全門解決方案
帶訪問授權管理的安全門解決方案

對于制造型的企業來說,生產環境中總有需要保護的區域,來避免造成傷害事故。我們知道,當設備運行時,保護人員免受機器的傷害很

加勒比hezyo无码专区