全球车企都在愁芯片短缺，比亚迪真能实现自给自足？
芯片短缺引发的停产危机正席卷全球汽车业，车企预计将因此损失610亿美元销售额。
不过，前段时间却传出一个消息，称比亚迪无视芯片危机，还说，“不仅够自用，还能外供。”
这恐怕是场误会，因为博世和大陆先后证实，当下全球芯片短缺最严重的，并不是什么先进制程芯片，而是最基础的8位MCU芯片，受此牵连，车载电脑两大模块——ESP（车身电子稳定系统）和ECU（电子控制单元）造不出来了。
而8位MCU芯片短缺，也是因为消费电子订单暴增，导致原本产能就很紧缺的8英寸晶圆不够用了。
比亚迪缺不缺ECU不好说，可是旗下大量车型都搭载了博世生产的ESP系统却是事实，因此短期内不受到芯片短缺冲击恐怕不太现实。
再回头看比亚迪针对汽车缺芯“卡脖子”问题的回应，官方的回复是：公司生产的IGBT芯片已运用在各产品线，除品牌自用外，已经有外销，没有“卡脖子”的问题。
问的是8位MCU芯片，答的是IGBT芯片，一问一答都没错，合在一起就错得离谱。
可是，IGBT芯片重要吗？比亚迪真的可以自己造芯片吗？答案是肯定的。
IGBT对外依存度超9成
IGBT（绝缘栅双极晶体管）是一种功率半导体器件，主要用于将直流电压逆变成频率可调的交流电，提高用电效率和节能效果，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。
IGBT在各种电压等级下都能充分发挥作用，广泛应用于工业控制、消费电子、轨道交通、变频家电、智能电网、新能源汽车等领域。
作为一种能源转换与传输的核心器件，IGBT也被称为电气和电子行业的“CPU”。
随着轨道交通、智能电网、新能源汽车等领域的加速发展，目前我国是全球IGBT最大需求市场，然而供需缺口巨大。
2018年，中国IGBT需求量约为7989万个，而国内供给只有1115万个；
2020年，中国IGBT需求量上升到1.1亿个以上，而国内供给只有2000万个左右。
尤其是中高端IGBT器件，中国产能严重不足，长期依赖英飞凌、三菱电机、富士电机、安森美半导体和赛米控等国际巨头，对外依存度超过90%。
和MCU芯片一样，IGBT自去年以来也陷入短缺，正常情况下，供应周期为7周至8周，但去年延长到了13周至30周。
为了抢占中国市场，国际巨头纷纷在中国投资建厂。
去年11月6日，全球IGBT领导者英飞凌就宣布增加在华投资，将无锡工厂的IGBT模块生产线扩建为英飞凌全球最大的IGBT生产基地之一。
然而，作为一种应用广泛的核心器件，IGBT就像电脑、智能手机中的芯片一样，如果不能实现国产替代，未来必然也会受制于人。
比亚迪能自产车规级IGBT
好在，中国电动汽车近年来迅猛发展，也带动了IGBT产业的发展。
在一辆电动汽车上，驱动电机的控制核心是电机控制器，而电机控制器的核心是逆变器，逆变器是实现能量交直流转化的关键部件，用于电机的驱动或制动时的能量回收。
而IGBT模块正是逆变器里的核心电子器件，直接负责控制驱动系统直、交流电转换，决定了电动汽车的最大扭矩和最大输出功率等核心指标。
而且，优秀的IGBT模块，能将整车百公里电耗降低约3%-5%。
不仅电机驱动要用到IGBT，车载空调控制系统、电池管理系统和充电系统也需要使用IGBT，所以IGBT模块可以占到电动汽车整车成本的5%-10%，是三电系统中除电池之外成本第二高的元件。
此外，直流充电桩也需要使用IGBT模块作为开关元件，约占充电桩原材料成本的20%。
一直以来，国内绝大部分车企都需要外购IGBT生产电控单元，或直接外购电控单元组装电动汽车。
比亚迪却是个例外。
2019年，以销量数据计，英飞凌在中国车规级IGBT芯片市场排名第一，市占率高达49.3%，其次就是比亚迪，主要给自己品牌的新能源车做配套，就取得了20%的市占率。
自力更生实现零的突破
比亚迪研发生产IGBT，完全是被逼出来的，他们研发纯电动汽车时，IGBT的主要应用场景还不是汽车，市场上找不到合适的车规级IGBT模块，只能自力更生从零开始。
2005年，比亚迪组建IGBT研发团队，正式开启自研之路；
2007年，比亚迪建立IGBT模块产线，完成首款电动汽车IGBT模块样品组装；
2008年，比亚迪斥资1.71亿人民币，收购宁波中纬晶圆代工厂，拥有了晶圆制造能力；
2009年，比亚迪推出首款车规级IGBT 1.0技术，打破国际厂商垄断，实现了我国在车规级IGBT芯片技术上零的突破；
2012年，比亚迪IGBT 2.0芯片研发成功，IGBT模块于2014年在e6、K9等新能源车型上批量装车；
……
到2020年，比亚迪自研IGBT芯片已有5代，累计装车超过100万辆。
平心而论，和英飞凌的IGBT芯片比，比亚迪自研的芯片确实存在差距，至少算不上顶尖。
论代差，英飞凌的IGBT已经发展了第7代，而比亚迪2018年底发布的IGBT 4.0，只相当于国际上的第5代IGBT；
论成本，英飞凌有12英寸产线，而比亚迪是8英寸产线，晶圆越大，单位芯片的制造成本就会更低；
论工艺，IGBT芯片最重要的工艺是减薄工艺，英飞凌的IGBT芯片最低可减薄到40μm（微米），而比亚迪2018年底的水平是120μm。
差距无法回避，但至少在自家新能源车业务的支撑下，比亚迪的IGBT芯片从无到有，不断壮大。
目前，比亚迪是中国唯一一家拥有IGBT完整产业链的车企，包括IGBT芯片设计、晶圆制造、模块封装和下游应用在内的一体化经营全产业链。
比亚迪的IGBT芯片产能也在不断攀升。
2020年，比亚迪IGBT芯片晶圆的产能已达到5万片/月，预计2021年可达10万片/月，一年可供应120万辆新能源车，按照这个供应量来看，比亚迪IGBT芯片迟早都会外销给其他品牌。
第三代功率半导体崛起
比亚迪的第5代IGBT，和国际巨头的技术差距，其实也没有想象中那么大。
当初，英飞凌就是直接从第4代跳到第7代，因为第5代和第6代其实都是过渡性产品，不能真正算一个代系。
更重要的是，受硅基材料本身局限，自第6代以后，IGBT的潜力已经见顶，业内都把精力转移到了以SiC（碳化硅）为代表的第三代功率半导体材料上。
碳化硅的耐高压能力是硅的10倍、耐高温能力是硅的2倍、高频能力是硅的2倍。
对比Si（硅基）半导体，SiC半导体损耗低、效率高，SiC功率模块可以显著提升电机控制器的功率密度。
相同功率等级下，SiC模块体积重量远小于硅基模块，可以让电驱动系统结构更紧凑，也可以降低整车能耗，提升5-10%的续航里程。
相同封装下，SiC模块具备更高的电流输出能力，可以支持逆变器达到更高功率。
作为新能源车提高效率最有效的技术，SiC已被视作新能源汽车下一代功率半导体核心器件。
丰田早就表示：“SiC具有与汽油发动机同等的重要性。”并决定完全自主生产。
2014年5月，丰田就宣布与电装、丰田中央研究所合作开发出了SiC功率半导体。
2020年，丰田全新一代氢燃料汽车Mirai上搭载了SiC功率模块，功率模块体积缩小了30%，损耗降低了70%，续航里程较上一代车型提升了约30%。
不过，特斯拉才是第一家在主逆变器中集成了SiC功率模块的车企。
Model 3的主逆变器由24个功率模块组成，每个模块均基于两片由意法半导体专门为Tesla客制化生产的SiC MOSFET。
相比Model S/X上用的硅基IGBT，SiC MOSFET能将逆变器效率提升5-8%，续航提升效果显著。
比亚迪汉与对手同步起跑
如果说十年四代IGBT芯片的开发，是比亚迪追赶国外巨头，不断努力缩小差距的过程，那么在SiC MOSFET的研发和应用方面，双方这次站上了同一条起跑线。
2020年7月，比亚迪汉上市。
汉EV四驱高性能版搭载的三合一电驱动系统，就搭载了比亚迪自主研发制造的SiC功率模块。
正因为SiC功率模块能承受更极限的高压，汉EV四驱高性能版的电机才可以全马力高效快速输出，百公里加速仅为3.9秒。
同样实现200kW的输出功率，汉EV的SiC功率模块，体积较硅基IGBT模块缩小一半以上，电机控制器功率密度，却从18kW/L提升至45kW/L，电控系统整体效率提升3%-8%，整车续航里程增长5-10%。
就这样，比亚迪汉EV，成为国内首款应用自主研发SiC模块的电动汽车。
比亚迪计划，从2020年到2025年，其SiC电机控制器将升级三代，适用电压平台升高至800V，功率密度提高到90kW/L，效率最高可达99.7%，转速高达20000rpm（转/分）。
目前，限制SiC应用的主要原因还是价格，其价格是传统硅基IGBT的6倍。
因此，就连特斯拉Model 3的中低续航版本，依旧还是使用原来的IGBT模块。
而比亚迪则表示，目前正在规划自建第4代SiC MOSFET产线，预计2021年将建成。
预计到2023年，比亚迪旗下的电动车将全面搭载SiC电控。
比亚迪也能造车规级MCU
除了功率半导体器件，比亚迪也造其他车规级芯片，比如MCU芯片。
MCU芯片就是微控制单元，将CPU、存储器都集成在同一块芯片上，形成芯片级计算机。
在汽车行业，MCU的应用范围非常广，从动力总成，到车身控制、信息娱乐、ADAS（高级驾驶辅助系统），从发动机控制单元，到雨刷、车窗、电动座椅、空调等控制单元，每个功能的实现，MCU都扮演着最基础的角色。
电动汽车上有各类MCU
通常，8位MCU主要用于实现空调控制、雨刷控制、天窗控制、车窗升降等低阶控制功能；16位MCU，则应用在动力传动系统和底盘机构上；32位MCU，则主要应用于多媒体信息系统、自适应巡航控制（ACC）、驾驶辅助系统、ADAS等高阶控制功能。
而在电动汽车上，电控系统、电池管理系统、充电逆变系统、整车热管理系统等全要用到MCU。
作为汽车电子系统内部运算和处理的核心，随着汽车不断向智能化演进，MCU的需求增长越来越快。
而在2018年，全球MCU市场产值达190多亿美元，国内厂商仅占2%-3%左右，这是因为国内厂商产品主要集中在中低端8位MCU，市场占比达到20%左右，而16/32位MCU市场占比分别只有2%左右。
早在2007年，比亚迪半导体就进入了MCU领域，但主要是做工业级MCU芯片，直到11年后的2018年，才成功推出了第一代8位车规级MCU芯片。
这是因为，从工业级MCU到车规级MCU，是一场超高难度的跨级别业务延伸。
车规级芯片不同于消费级芯片或工业级芯片，在不良率、环境兼容度、使用年限上有着极为严苛的要求。
车规级芯片交付不良率要求在百万分之一；工作温度范围通常要达到零下40℃到150℃之间，使用寿命最少也到达到15年以上。
要做车规级芯片领域，入门门槛就是获得AEC-Q100认证。
这项针对集成电路应力测试认证的失效机理认证测试，多采用军用电子器件环境适应性标准和汽车电子通用环境适应性标准，执行器件的老化实验。
除此之外，车规级芯片生产流程需要符合零失效的供应链品质管理标准ISO/TS 16949规范要求。
相比消费级芯片和工业级芯片，车规级芯片研发周期长、设计门槛高、资金投入大、认证周期长，因此比亚迪也要花整整11年才能跨过这一门槛。
但是从推出第一代8位车规级MCU芯片，到推出第一代32位车规级MCU芯片，比亚迪只花了一年。
截至目前，比亚迪车规级MCU批量装载在比亚迪全系列车型上，已累计装车超500万颗，而工业级MCU更是累计出货超过20亿颗。
在比亚迪汉上，小到前大灯、后尾灯、室内灯、空调控制面板以及后视镜控制，大到电控系统、整车热管理系统、ADAS和车身车载相关系统，都用上了自研的MCU。
和功率半导体业务一样，比亚迪车规级MCU芯片，也拥有包含芯片设计、晶圆制造、封装测试和下游应用在内的全产业链。
目前，比亚迪也在全力推进比亚迪半导体的分拆上市工作，并引进了小米、联想、上汽产投、北汽产投等战略投资者，希望未来可以将自供为主的芯片实现外销。
可以说，虽然比亚迪现在还不能完全摆脱“缺芯”的困扰，但未来迟早会有“不缺芯”的底气。
就目前来看，相对于技术壁垒非常高的消费级芯片行业，概率半导体和车规级MCU芯片不需要追赶摩尔定律制程工艺，国产替代难度较小。
尤其在中美贸易争端的背景下，各大车企也明显加快了国产化替代进程，国内汽车半导体企业也迎来了历史性机遇。
在车规级IGBT芯片领域，除了比亚迪外，另一家IDM（集芯片设计、制造、封装和测试于一身的模式）大玩家是中车时代电气，2020年9月，中车下线了中国首条8英寸车规级IGBT芯片生产线。
而中车与东风合资组建的智新半导体，有一条年产30万车规级IGBT芯片模块的生产线将于4月投入量产。
此外，还有采用Fabless（无工厂芯片供应商）模式的斯达半导，目前是唯一一家车规级IGBT芯片全球市占率排名前十的中国公司，其配套车辆达到16万辆，且已实现了第6代IGBT芯片的应用。
不过，随着汽车智能化的推进，自动驾驶和智能座舱等应用对芯片算力也有了一定要求，英伟达、英特尔、高通等消费芯片领域的巨头也纷纷入场。
而汽车算力平台，也在向7nm制程及以下芯片延伸。
比如，恩智浦半导体就打算在2021年推出基于5nm制程芯片的新一代高性能汽车计算平台。
所以，国产车规级芯片的未来，最终仍将取决于我们能否进一步突破先进制程工艺。
Asia.Nikkei：Global chip shortage threatens automakers worldwide
BBC：How will 'chipageddon' affect you?
BYD：https://www.byd.com/cn/news/2020-09-29/1514438038314
The Conversation：Electric car sales are on the rise – is coronavirus a turning point for the market？
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文 | 汪帆 张超
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