智能网联电动汽车关键芯片技术发展研究

2017-12-26 王骏成&郝思淳 盖世汽车智能网联

在过去的几十年中，汽车电子技术的进步（主要是微处理芯片）一直推动着整个汽车产业（以内燃机为动力）的发展。在未来以电为动力、以人工智能技术大幅改进汽车主动安全能力的时代，汽车芯片的数量与处理能力将进一步提升。

文章结合车联网、自动驾驶、新能源汽车对智能汽车功能应用和芯片的需求，分析了传感、通信、导航、处理、控制、电源管理芯片和功率器件等智能网联电动汽车关键芯片技术的发展现状和趋势，指出了中国智能网联电动汽车芯片与国外的差距、面临的挑战，并给出了相关的建议。

本文来源于 17 年 10 月 25 日出版的《现代电信科技》，作者是王骏成（中国信息通信研究院）和郝思淳（北京航空航天大学）。

1. 引言

集成电路（Integrated Circuit，IC）产业是信息技术产业的核心，是国家重要的基础性、先导性和战略性产业，IC 技术也是当前智能制造亟需突破的关键共性技术。从千亿基金扶持计划到《中国制造 2025》，中国 IC 产业面临前所未有的发展机遇。目前全球 IC 产业进入深度调整的转折期，传统个人电脑业务进一步萎缩，智能终端市场增速放缓，智能汽车等新兴应用成为驱动 IC 发展的重要力量。

智能汽车是车联网、自动驾驶、新能源技术融合的综合系统，集环境感知、智能决策、控制执行等功能于一体，集中运用了传感、通信、导航、处理、控制以及新能源等技术。多功能的实现需要借助多种类多数量的芯片，预计 2020 年每辆车将使用 1000 颗芯片，因此汽车芯片也是汽车产业转型升级的关键。

2. 汽车芯片产业整体情况

2.1 产业规模

汽车芯片引领全球半导体芯片市场增长。Gartner 数据显示，汽车芯片 2016 年全球产业规模达到 323 亿美元，占全球芯片产业的 9.5%，2010 年以来增速一直优于同期全球芯片市场的表现。与消费类电子、工业电子和军事/民用航空电子等领域相比，汽车电子是半导体芯片市场成长最快的应用领域。汽车芯片产业发展态势相对强劲和平稳，一方面由于汽车日益增加的智能化、网联化功能，平均每辆汽车的芯片成本达到 350 美元；另一方面是汽车芯片产品研发设计与量产供货周期较长，汽车产业对芯片需求相比其他产业较为稳定。

我国汽车芯片严重依赖进口，汽车芯片需求仍将持续增长。我国汽车芯片市场规模约占全球的 20%，但是国产汽车芯片在全球占比不到 1%，汽车芯片产业长期被恩智浦、英飞凌、瑞萨、意法半导体、德州仪器等国外厂商垄断。国内汽车芯片产业规模小、技术水平低，发展严重滞后于整车产业。目前我国汽车芯片需求持续增长，汽车产量和汽车半导体成分是两个主要因素：

汽车产量方面，中国汽车工业协会数据显示 2016 年我国汽车产量超 2800 万辆，全球占比稳步升高；
汽车半导体成分方面，IHS 数据显示，我国目前每辆汽车半导体成分约为 235 美元，远低于日本、美国、欧洲水平。

随着国内汽车产量的增长，汽车智能化网联化功能的增加以及新能源汽车的普及，我国汽车芯片需求仍将持续增长。

2.2 产业特征

汽车芯片产业有两个主要特征：一是与汽车电子产业链上下游间耦合程度高，二是产业呈现集成器件制造（IDM：Integrated Device Manufacturers）集中化发展态势。

汽车芯片与汽车电子产业链上下游间耦合度高。整车是汽车电子零部件的终端，整车的竞争力主要取决于汽车电子零部件。虽然汽车核心技术更多掌握在上游汽车芯片厂商手中，但是汽车芯片技术落地需要中下游汽车电子厂商、整车厂的支持。汽车芯片需要通过严苛的车规级认证标准（可靠性标准 AEC-Q100，质量管理标准 ISO/TS 16949 和功能安全标准 ISO 26262）方能打入整车厂供应链。高安全与可靠性标准、十年以上的供货周期、与中下游零部件厂商和整车厂长久的合作关系是目前汽车芯片形成垄断的主要原因。

汽车芯片产业呈现 IDM 集中化发展态势。全球前 25 大汽车芯片厂商有 23 家采用 IDM 模式（除迈来芯和英伟达）。汽车芯片偏重安全性，对温度、质量、使用寿命和可靠性要求较高，行业标准严苛，其专用工艺通常难以外包，分工模式难以替代。

同时国际巨头兼并重组正在加速，汽车芯片产业集中度进一步提高。汽车芯片厂商通过并购形成规模效应降低运营成本（如微芯收购 Atmel 改变 MCU 市场竞争格局），迅速获取技术和产品实现互补（如恩智浦并购飞思卡尔增强处理和控制芯片技术能力）。汽车芯片的强大需求也促使高通、英特尔等传统芯片巨头加快布局。高通 2016 年 10 月宣布以 470 亿美元收购全球最大汽车芯片制造商恩智浦，这是半导体史上规模最大的并购案例，奠定高通在汽车电子领域的地位。

3. 智能汽车关键芯片技术

目前，对智能汽车的研究主要致力于提高汽车的互联互通、安全性和能效。车联网和自动驾驶正在加速传感、通信、导航、处理、控制等汽车芯片在通讯娱乐系统和高级驾驶辅助系统（ADAS）中的广泛应用。

此外，面对环境保护以及石化燃料不可再生的压力，新能源将是汽车产业发展的趋势，电源管理芯片和功率器件技术将直接影响汽车的行驶性能，续航能力和安全系数。

智能汽车主要通过环境感知、定位测绘、认知规划和控制执行等模块实现智能化：

环境感知主要采用摄像头以及超声波、毫米波、激光雷达等多种传感器技术；
定位测绘采用 V2X 通信和导航芯片进行定位和地图构建；
认知规划的核心是算法和处理芯片；
控制执行主要采用电源管理芯片和功率器件技术提高电气化程度。

下面重点分析传感、通信、导航、处理、控制、电源管理芯片和功率器件技术产业发展趋势。

3.1 传感器技术

汽车电子创新应用带动传感器技术发展和融合。自适应巡航、车道保持、自动泊车、自动驾驶等汽车电子的创新发展对传感器的需求十分巨大，推动摄像头以及超声波、激光、毫米波雷达等传感器技术产业的发展：

摄像头主要应用于单目、立体、环视等，成本适中，但受视野范围影响；
超声波受天气影响大，探测距离短，多用于倒车保护；
毫米波雷达具有体积小、分辨率高和穿透烟雾的能力强等优点，但探测距离受波长制约，无法感知行人，探测精度低；
激光雷达探测范围广，探测精度高，但在雨雪雾天气下性能较差，价格昂贵。

不同传感器相互协作和补充，未来的趋势将是多传感器技术的融合。

汽车传感器产业集中度高，我国与国外差距较大。目前全球汽车传感器 90% 市场份额被大陆、博世、德尔福、电装等厂商垄断，Velodyne、Quanergy 和 Ibeo 在激光雷达技术上优势显著。

我国汽车传感器整体技术水平较低，普遍存在准确度低、分解能力差、信号精度不高、抗干扰性弱等问题。近年来，一些传统军工传感器厂商开始进入民用市场，纳雷科技、厦门意行、沈阳承泰、行易道等企业的毫米波雷达技术逐渐成熟，北科天绘、中海达、巨星科技、大族激光正逐步进入激光雷达行业。我国汽车传感器与国外同类产品相比，技术水平相差较大，高端产品严重依赖进口，厂商缺乏与整车厂和科研机构的合作。

3.2 通信芯片

车联网推动汽车通信芯片向 5G 演进，LTE-V 技术后发优势显著。随着汽车通信娱乐和高质量视频传输需求的提升，汽车通信芯片开始向 5G 演进。目前车联网 V2X 通信技术有 DSRC 与 LTE-V两大路线：

DSRC 发展较早技术较成熟，缺点是路边设施投入大，技术演进不明；
LTE-V 包括集中式和分布式两种技术，可共用 4G 网络覆盖不同应用场景，信道宽，同步性好，缺点是标准未定，市场验证不足。

不同技术阵营的芯片厂商相互竞争。恩智浦主推 DSRC 技术，目前已量产有 V2V 和 V2I 功能的 RoadLINK 芯片组并向德尔福供货。高通主推 LTEV 和 5G 标准，目前已推出千兆级调制解调器，在 470 亿美元收购恩智浦后，高通成为车联网通信芯片技术的龙头。

我国华为、大唐等企业通过参与 LTE-V 标准制定积极布局汽车通信芯片。华为海思 2015 年击败高通独家中标奔驰第二代车载通信模块全球项目。大唐联芯 2016 年推出业界首款芯片级 LTE-V 预商用产品。目前，国内汽车通信芯片主要面临产业、技术和发展模式三种层面的挑战：

产业层面，通信芯片厂商与整车厂、零部件厂商之间未形成完整的产业链；
技术层面，国内企业技术积累不足，技术标准滞后且不统一，关键技术研发滞后；
发展模式上，车企各自为政相互封闭，汽车通信芯片很难实现规模效应。

3.3 导航芯片

导航芯片向单芯片化、多模化发展，与无线、传感等技术融合创新。集成射频和基带的单芯片可以提高导航产品的性能和可靠性，降低体积、功耗和成本，多模导航芯片可提高导航定位精度和抗干扰能力。此外导航芯片还与无线、传感芯片广泛集成，不仅降低功耗和成本，还可改善定位速度，提升用户体验。ABI 数据显示，高通、博通（已被 Avago 收购）、u-blox、联发科和意法半导体五家企业约占导航芯片市场份额的 90%，其中高通和博通处于第一梯队，两家公司分别提供定位技术平台 Izat 和 HULA，在各种应用场景下实现精准定位。

国产导航芯片已掌握核心技术自主知识产权，部分产品通过车规级可靠性认证。和芯星通的蜂鸟 UC220 芯片采用完全自主知识产权技术，兼容多模导航系统，是国内首个符合 AEC-Q100 测试验证的车载芯片。北伽导航的航芯一号是国内首颗 40 nm 工艺射频基带一体化的 SoC 芯片，集成度高成本低。

我国导航芯片发展目前仍面临北斗芯片技术优势未见发挥，应用市场发展不均衡等挑战：

一方面北斗双向通信成本高便携难，而单向通信成本优势不明显；
另一方面北斗导航基带、射频芯片主要应用于移动终端，车载市场占比较低。

3.4 处理芯片

自动驾驶推动处理芯片计算和安全性能不断提升，异构计算和人工智能技术日趋成熟。处理芯片是汽车信息通信、管理和控制的核心。在自动驾驶最高级别下，处理芯片需要实时处理 360 度传感和高精度环境数据，达到最为严格的车规安全等级。Mobileye 处理芯片从 EyeQ1 发展到 EyeQ4，计算性能提高 384 倍，安全等级不断提升。

目前异构多核并行处理和人工智能等技术应用有助于提升汽车处理芯片性能。恩智浦 S32V 芯片和德州仪器 TDA2x/3x 处理器均采用异构多核技术加速处理传感器的数据融合。而基于人工智能的机器视觉技术目前在自动驾驶领域发展迅速，面向通用计算的 GPU 已成为加速并行应用的重要手段，目前英伟达、AMD 等公司都在不断推进对 GPU 大规模并行架构的支持。

国内算法类公司在 ADAS 算法方面竞争力较强，有望实现处理芯片本土化。百度、地平线等公司机器视觉算法技术可基本实现 ADAS 功能，在车道线识别率、车辆识别率等指标上与 Mobileye 差距不大。地平线 ADAS 技术的硬件系统已安装在智车优行的奇点汽车中。国内在智能汽车研发产业链中，主要集中于顶层控制算法的设计，核心芯片开发能力缺失，多是直接采购 Mobileye 等公司的芯片，这种研发模式助长了国内核心芯片技术空心化的危险。

3.5 控制芯片

智能汽车多样化应用需求推动控制芯片（MCU）的数据宽度、计算能力、接口能力、安全性能不断提升：

数据宽度方面，随着工艺技术的进步和汽车电子功能的扩展，32 位 MCU 被大量应用于动力传动、车身控制等领域，约占 60% 市场份额；
计算能力方面，MCU 近十年计算性能提升 20 倍；
接口能力方面，汽车电子新的功能应用如启停、燃油直喷等，要求 MCU 有更多接口支持不同通信方式如以太网、CAN 等；
安全性能方面，MCU 通常采用硬件安全模块不断提升汽车安全性。

汽车 MCU 市场目前主要为欧美日厂商垄断，前五家供应商瑞萨、恩智浦、德州仪器、意法半导体、英飞凌市场占比达到 85%。

专有架构和 ARM 通用架构共同推进我国汽车 MCU 的发展：

一方面，国外厂商逐渐放弃 8/16 位 MCU 市场，我国可借助专有架构 MCU 发展低端市场。中颖、芯旺微电子等厂商的 8 位 MCU 主要用于汽车防盗、车灯安定器等领域。
另一方面，本土厂商可借助 ARM 开发平台和生态环境，快速切入主流 32 位 MCU 市场。兆易创新和灵动微电子已推出多款基于 ARM 内核 32 位 MCU。

目前国产汽车 MCU 主要面临两方面挑战：

一是国产 32 位 MCU严重缺失，市场规模较小，自身优势不明显，产品差异性不足；
二是国产 MCU 可靠和安全性不足，无法面向汽车领域应用。

3.6 电源管理芯片

电源管理芯片向更高的精度和安全性发展。电源管理芯片主要是对电能进行变换、分配、检测或对电池进行管理，精度和安全性是其重要指标。

汽车电池管理系统中每节电池的电荷状态必须精确地测量和控制，这要求电池数据采集尽可能提高准确度，同时消除环境噪声影响。ADI 推出的电源管理芯片电池电压采样精度达到 1.6 mV。此外汽车电源管理芯片需要满足可靠性和安全性标准，包括在 -40 ℃ ~ 125 ℃ 温度范围内、长达十年以上使用期限中确保一致的性能。凌力尔特的电源管理芯片加入内置自测试功能以确保不发生故障。

目前国内电源管理芯片厂商主要面向中低端市场，技术短板明显。国内圣邦微电子、华润微电子等企业，电源管理芯片基本限定在低压差稳压器、AC-DC 和 DC-DC 等种类，很少面向汽车应用。目前我国正通过并购和合作积极布局。建广资产联合收购恩智浦模拟和电源管理芯片业务，中芯国际收购意大利代工厂 LFoundry 70% 股份打入电源管理市场，大唐与恩智浦成立合资公司设计汽车电源管理芯片，通富微电为特斯拉提供电源管理芯片封装。

尽管部分散点实现突破，国内电源管理芯片厂商无法对欧美厂商形成威胁，无论在产品线完整性还是技术方面都明显落后，芯片制造和封测环节依然薄弱。

3.7 功率器件

功率器件向低损耗、低成本、新材料发展。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是目前新能源汽车电控系统和直流充电桩的核心功率器件，主要用于电能变换和控制。

降低损耗方面，功率器件采用衬底减薄技术，减小功率器件导通电阻。
降低成本方面，主要通过提高晶圆尺寸降低成本，英飞凌是全球首家采用 12 寸薄晶圆技术制造汽车功率器件的厂商。
新材料方面，由于硅工艺在九百伏左右就遭遇天花板，基于 GaN 和 SiC 等宽禁带材料的功率器件逐渐实现实用化，功率转换性能大幅提高。

英飞凌、三菱等功率器件主流厂商通常采用从芯片到模块系统垂直整合模式，竞争优势显著。

我国在功率器件关键产品国产化和产业链协同方面实现重大突破。在关键产品国产化方面，中车与上海先进联合推出国内首个具有完全知识产权的高铁机车 IGBT 芯片。华润上华和华虹基于 8 英寸 IGBT 芯片进入量产阶段。在产业链协同方面，上海先进与比亚迪等企业成立产业联盟，共同研发新能源汽车功率器件。

然而我国功率器件在技术、资金和市场方面仍存在壁垒。技术方面，国内外功率器件技术差距至少 5 年以上。资金方面，功率器件开发周期较长，生产设备投资巨大。市场方面，国内功率器件难以获得汽车电子产品认证，汽车功率器件仍依赖国外进口。

4. 我国智能汽车芯片发展方向和策略建议

4.1 整体发展方向

整体上看，我国汽车芯片市场庞大，目前国内正在大力推进集成电路国产化，发展前景广阔，但是由于研发能力和产业链基础薄弱，汽车芯片严重依赖进口，加上国际并购整合风起云涌，竞争加剧，发展壁垒亟待突破。车联网、自动驾驶、新能源汽车为国内芯片发展提供充足空间。

我国智能汽车芯片的发展需要从技术、政策和产业上共同推进：

技术方面，要积极投入芯片研发，提升可靠安全性能。提前布局 V2X 车载通信芯片，着力突破 32 位 MCU 和 ADAS 处理器，提高导航芯片的精度和可靠性，提升汽车电源管理芯片制造能力，加强传感器和功率器件的技术研发。
政策方面，要贯彻国家扶持推进政策，引进消化吸收创新。通过重大专项和政策补贴引导智能汽车芯片技术研发，调动国内芯片企业研发积极性。通过投资基金和社会资本推动智能汽车芯片技术引进消化吸收再创新，鼓励采用收购、合资、参股等方式强化汽车芯片技术，同时培育自主芯片龙头企业。
产业方面，要加强产业整合联动，实现协同创新模式。要紧密结合整车和零部件企业开发芯片技术，整合国内设计-制造-封测各环节优势企业采用虚拟 IDM 模式聚焦汽车芯片发展，产学研联动推动汽车芯片技术创新。

4.2 具体策略建议

针对我国智能汽车关键芯片不同的发展现状，给予相应的策略建议：