当我们谈论“汽车电子芯片”时，我们到底在谈论什么？

本期报告将为您解答

• 什么是汽车电子芯片？

• 汽车电子芯片有哪些主要类型？

• 汽车电子芯片未来机遇在何方？

汽车电子芯片，顾名思义，它身在电子信息产业和汽车产业两个巨型产业的结合领域，两者的交集是“汽车电子”，而交集的核心，就是“汽车电子芯片”。

那么，我们为什么要了解“汽车电子芯片”？

最首要的，因为它将在中国用有庞大的、不断增长的市场。

根据中国汽车芯片产业创新战略联盟发布的数据显示，我国汽车芯片的费用2019年约400美元/车，2022年将提升至到600美元/车；而2022年我国汽车市场销量预计约为2500万辆，由此估算，那时我国汽车芯片市场规模可达——150亿美元。

不仅如此，由于智能化、网联化、电动化的趋势，这个市场规模，预计还将持续增长。据报告数据预测，到2025年，半导体的成本，将占整车成本半壁江山——50%。

其次，因为它“关键”。

2021年初，汽车芯片一度出现极度短缺情况，为此，很多汽车公司被迫停产，蒙受巨大损失。

本文将带大家了解汽车电子芯片在汽车上的功能、分布，并简要地讨论芯片的发展机遇。

01

汽车芯片到底是什么？

不同芯片功能类比人体结构图

芯片，也叫集成电路，这些集成电路会进行运算和处理，为设备的各方面性能提供支持。因此，汽车电子芯片简单理解，也就是搭载在汽车上的集成电路。

汽车电子芯片，几乎存在于汽车的所有部位：发动机变速箱控制系统，电动助力转向、防抱死主动系统（ABS）、电子稳定性系统（ESP）、胎压控制、安全气囊、空调、车窗，以及近年来发展迅猛的自动驾驶和智能座舱等等。

说起汽车电子控制系统，我们也必须要提到ECU（Electronic Control Unit），也就是电子控制单元。

电子控制技术在汽车上的应用

ECU又名“行车电脑”，可见它对于汽车电子系统的重要性，上图中提到的每一个模块几乎都需要一个ECU来驱动；而每一个ECU中，都包含一块强大的芯片。

如果以计算机构架作为类比，那么ECU汽车电子系统也就分为：

• 信号输入装置：即车上的各种传感器以及开关。

• 控制器和存储器：即“行车电脑”ECU上使用的微控制单元MCU。MCU的功能类似于大脑，集成了各种计算核心，比如CPU、存储器、对外接口等等。随着汽车越来越智能，MCU也变得越来越复杂，并逐渐“升级”向“域控制器”转变。

• 执行器：根据“行车电脑”ECU发出的控制信号，对某项功能做执行，例如雨刮刮水、刹车等等。
  

汽车电子芯片的门槛，一个字，“高”。

从应用环境来看，芯片可以分为消费电子芯片、工业专用芯片、汽车电子芯片、航空航天芯片和军工芯片。

对应的芯片技术难度和可靠性要求，公认的顺序是：军工>汽车>工业>消费电子。从使用寿命和环境耐受度两个角度来看，汽车、工业、消费电子芯片的指标大致罗列如下：

芯片要求对比

相比于消费电子芯片，汽车芯片设计还要考虑长效性，其设计制造都有更高的成本投入。

手机芯片的发展基本遵循“摩尔定律”，基本每年一更新，一款芯片能满足2~3年的系统更新即可。但是汽车的开发周期比较长，一款新车型从开发到上市验证至少需要2年时间，并要能满足客户在未来3到5年的前瞻性需求。

以车用MCU这样的核心汽车芯片为例，完成一个产品前期约需要1亿～1.5亿元，而维系一个应用需要3～5个产品，便意味着至少3亿～5亿元的前期资金投入[2]。

因此运用在汽车上的芯片，呈现出产业化周期漫长，供应体系门槛高的特点。

基本上一款芯片车规级的认证通常需要3-5年时间，这对芯片厂商而言，是极大的技术、生产、时间成本的考验。

02

汽车芯片的分类介绍

汽车电子芯片种类繁多，在这篇文章中，我们就主要讨论MCU微控制芯片、传感器、功率半导体三类。

由于汽车电子架构在不断演进，MCU微控制芯片也在不断演进，从分布式到集中式发展，部分升级成为“域控制器”。

MCU、功率半导体和传感器三者的价值，占单个汽车上芯片总价值的55%以上。一般一台燃油车，它的MCU、功率半导体和传感器的价值总和占单车半导体总价值的57%。更有甚者，如纯电动车，它的MCU、功率半导体和传感器的价值总和，占单车半导体总价值的73%。

在这里有人可能会疑惑芯片、半导体之间的区别。其实，所有的芯片都由高度集成的半导体组成，半导体是比芯片更广泛的概念。半导体元器件，类似于工作的人，而芯片就类似于由一个个工作的人集合组成的公司。

MCU、功率半导体和传感器三者，也是汽车中价值比重最大的三类“半导体”。

// MCU微控制芯片

微控制器（MCU）是“行车电脑”ECU的核心。微控制器（MCU）是在一块芯片上集成了中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出（I/O）接口的比较完整的计算机系统。

由于汽车 ECU 的增长，MCU 在现今汽车中已无处不在。传感器进行信号处理后，传递给 MCU进行运算处理，然后输出处理器对信号进行功率放大、数模转换等，使其驱动如电池阀、电动机、开关等开始工作。

根据市场行业预估，MCU价值将在未来几年呈现倍数级增长。 2019 年MCU 单车价值是 78 美元，预计将在2025 年提升到  149 美元，而我国汽车 MCU 市场规模也将从 2019 年的 21.1 亿美元提升到 2025 年的32.9 亿美元。

从市场份额上看，欧美日三地的厂商在MCU供应汽车占据大部分市场。欧美日前五大汽车MCU供应商占据着全球82.7%市场份额，其前八大MCU厂商在中国MCU市场占有率达93%，而我们的国产化率不足5%。[3]

MCU 和域控制器的对比

现阶段，我国国内企业技术仍然较薄弱，企业规模与欧美日前八大厂商差距较大。

不过，随着国内企业技术逐渐成熟，国内厂商凭借价格和服务优势，正逐步抢夺低端MCU 市场，进口替代趋势逐渐明显。但由于车规级标准较高，技术和市场发展均晚于一般工业和消费级芯片，因此我们对国内MUC企业发展，还需要给予更多时间和耐心。

// 域控制器

随着汽车智能化时代的到来，汽车的电子系统架构逐渐从“总分布式架构”向“集中式的电子架构”发展。具体而言，有从分布式，到域集中，再到中央集中的趋势。

目前的“域控制器”，主要用于智能座舱、自动驾驶两个方向。

智能座舱中，以前中控、仪表等部件都是由独立的ECU来处理，逐渐融合到以座舱与域控制器为核心的控制。

汽车电子架构从分布式向集中式演变

对于自动驾驶级别越高，所需要的算力就越高。L1-L2级需要的芯片算力小于10 TOPS，L3级需要的算力为30-60TOPS，L4级需要的芯片算力大于100TOPS，L5级需要的算力为500-1000TOPS。

// 传感器

汽车芯片的第二大类就是传感器，车用传感器就像汽车的神经元，遍布汽车全身，负责汽车状态和外界环境的感知和采集。下面，展示的是具有代表性的车载传感器：

// 功率半导体

功率半导体，在传统汽车中主要应用在启动与发电、安全等领域，例如动力控制系统、照明系统、燃油喷射、底盘安全等系统中；它负责功率转换，用于电源和接口、控制电路开断、电压升降、交流和直流电转换等。

功率半导体的成本，新能源汽车远高于传统燃油车。新能源汽车中为了提高效率，一般采用高电压电路进行电机驱动，但也需要兼顾仪表盘、电动车窗等低压用电需求，因此需要频繁进行电压变化。传统燃油车半导体功率成本约是60美元，电动车采用的功率器件达350美元，特斯拉的功率器件更是高达650美元。[5]

目前，我国国内厂商已经开始在新能源汽车功率半导体和智能汽车芯片上布局。功率半导体方面的代表厂商包括：比亚迪、中国中车、士兰微电子等。上汽集团与英飞凌成立合资企业——上汽英飞凌半导体公司，也为中国电动车市场提供功率半导体方案。

03

小结与展望

汽车电子芯片拥有繁多的种类，本文使用了行业中普遍的汽车芯片分类方法，分为：传感器芯片、微控制器芯片、域控制器芯片、功率半导体（这其实仍是比较粗略的分析，因为这几种芯片并不能涵盖车上的所有半导体芯片，车上还有通信芯片、存储芯片等等）。

仅就这本文讨论的四大类汽车芯片，我们先抛出一些值得关注的创新趋势：

▎功率半导体是否会出现新的机遇值得关注。

比亚迪在功率半导体领域，在中国甚至世界领先。现阶段市场上聚焦汽车功率半导体的巨头不多，因此是否会出现创新机会，值得大家关注。

▎封装测试、低端设计领域容易切入，产业链上机遇值得挖掘。

中国本土企业在低端设计领域和封装测试领域有一定的竞争力，虽然这个领域是属于高度竞争的领域，但是从中切入可以避免与半导体领域的跨国巨头企业直接竞争。

而在适度竞争的制造领域，中国企业可以先从服务于半导体制造的路径进行切入，例如生产数字化、人工智能制造应用等领域入手。

对于高端的设计领域，需要大企业和重资本的投入，另外就是芯片供应链及制造环节上或有中小企业的创业机会。比如芯片烧录环节，Plug and Play就搜寻甄选出了初创企业捷丰，并受到了大企业的欢迎。

▎半导体材料的进展值得关注，或许能出现早期赛道。

除了功能方面，芯片材料方面向第三代半导体材料演进，包括碳化硅SiC, 氮化镓GaN，以及最近的新型热点碳基芯片。

新材料的普及可以从底层重塑半导体制造工艺和流程，似乎充满着机遇，但创新的应用需要有对材料和工艺的深入了解。

特斯拉已经将碳化硅用到了其主动驱动控制器上。今年 2 月，意法半导体还和台积电达成了合作，将联手开发氮化镓（Gallium Nitride, GaN）制程技术。在而后的 4 月，意法半导体又收购了氮化镓创新企业 Exagan，同样是为了布局氮化镓制程技术。

▎沿着汽车新兴方向寻找功能芯片。

随着汽车电子架构变革的日趋深入，老的芯片种类会渐渐被新的芯片类型替代。在这场变革当中，或许会有行业新晋者的机会：室内定位芯片UWB、气味识别、毫米波都是近些年新兴的汽车方向。比如Plug  and Play 关注的UWB芯片（精位科技）、气体芯片（微纳传感）等；

有一些中小企业在初期的产品形态是软件，但具备一定规模之后会希望会拥有硬件产品，把产品功能以芯片的形式进行封装，以期打造自己的产品品牌或在供应链上获取更好的位置。但制造芯片的成本依旧高昂，对企业的资金实力有一定要求。

汽车芯片，充满想象。位于两大巨型工业行业的结合点，汽车电子芯片毫无疑问地拥有广阔市场发展空间以及创新机遇。但这个领域的专业性要求较高，因此对任何一个汽车芯片的发展方向，我们依然任重道远，需要细致深入探索。

创新突破，永无止境。

参考资料：

[1]. 凌永成，于京诺，北京大学出版社，《汽车电子控制技术(第2版)》

[2]. 黎冲森，汽车纵横，2021（04），《汽车缺芯潮下迎来新窗口期》 

[3]. 黄细里，东吴证券，2020（06），《软件定义汽车，AI 芯片是生态之源》

[4]. 基业长青经济研究院，2021（04），《汽车半导体的机遇》

[5]. 冯锦锋，郭启航，机械工业出版社，《芯路》

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