芯片短缺重压之下 汽车芯片的国产替代之路好走吗？

　　对于那些急需芯片的科技企业来说，尤其是车企，它们从未像现在这样焦虑。

　　以一个互联网科技从业者的角度来观察，也许我们很难再经历这样一段特殊时期。从去年下半年开始，一场全球性的芯片短缺危机最先在芯片制造、封测、设计等上游厂商中间酝酿，随后蔓延至汽车、家电、手机等下游厂商，并最终深刻地影响到了现实世界。

芯片短缺的因和果

　　面对这样一场重大的危机事件，我们很难将其归因于某个单一因素。

　　半导体短缺危机可以说是在是新冠疫情爆发的背景下蔓延的。新冠病毒通过空气传播，而芯片短缺危机的形成，有一套自身的逻辑链。

半导体

　　首先，处于芯片产业上游的芯片设计企业，自疫情爆发之初，其员工的工作并未受到太大影响。因为这类企业以研发人员为主，可实现远程办公。即使是像英特尔这类拥有芯片制造产业线的企业，其一线工人的数量也不会太多。总的来说就是，上游的芯片设计企业抗风险能力相对较强。

　　但问题在于，即便你自身能够保证工作时间与效率，你的合作方未必能创造这种条件。要知道，芯片设计企业打交道最多的就是代工厂和封测企业，它们处于芯片产业的中下游。其中代工厂不仅要面临商务交流困难、产品认定和交付延迟等问题，还要警惕的原材料供应不足或迟滞而带来的负面影响。

　　而处在芯片产业链下游的大多数封测企业属于劳动密集型企业，存在人手不足、资金周转不利以及产能紧张等问题。在这种情况下，市场并未给芯片产业太多的喘息机会，正是由于下游需求和上游产能无法协调，才引发了此次半导体行业危机。

芯片封测

　　此外，地震、雪灾、火灾等自然灾害也导致部分厂商在短期内无法进行生产。最明显的例子可能要数今年2月份得州遭遇的寒潮天气，当时三星电子位于得州奥斯汀的半导体工厂因停电被迫关闭工厂，在一段时间内，该工厂根本无法维持运转。

　　从更广阔的视野来看，随着汽车电动化、网联化、智能化的不断加深，以及5G手机渗透率的提升，各个行业新技术的长期增长正在催生一个芯片升级的“超级周期”，其持续时间可能比传统周期长得多，这势必会给物流造成很大的压力。另外，目前一辆汽车或者一部智能手机需要越来越多的芯片，给芯片制造商造成了很大的产能压力。

　　众多因素导致芯片短缺，同样，它给当今世界造成的影响也极为深远。

　　根据我们目前的观察，由于产品的上游原材料等成本持续上涨，且产能紧张、投产周期延长，导致芯片成本多次大幅上升，不少半导体制造商都忙着涨价。就在今年的5月6日，德普微电子、上海芯龙半导体、富鸿创芯同时发布产品调价通知函，宣布从5月6日起，所有产品全面涨价，部分产品涨价幅度高达30%。

德普微电子涨价通知

上海芯龙半导体涨价通知

　　几乎所有的芯片制造商都明白，要解决芯片短缺的问题，最好的办法就是提高产能。但这并不是一朝一夕的事，英特尔新CEO帕特·基辛格上月中旬就表示，新建产能需要花费数年。IBM公司总裁吉姆·怀特赫斯特（Jim Whitehurst）近期在节目中也表示，一项新技术从开始研发到建设工厂到生产出芯片，中间有很长的时间差。

　　之所以强调产能，是因为芯片产能不足已经形成了连锁反应，波及到了其他领域。以汽车行业为例，今年3月份，长城汽车旗下的哈弗H6售出了34264台，而到4月，该车的销量下滑到25847台，痛失国内SUV榜销冠的宝座。除却市场竞争等原因，“缺芯”这一制约诸多车企产能的因素，想必哈弗也无法置身事外。

哈弗H6

　　这次危机还在国内引发了一场技术思辨：中国“芯”到底缺了什么？缺电控芯片（IGBT)、ECU主控芯片，还是自动驾驶算力芯片？

汽车芯片的核心技术有哪些？

　　李书福曾经说过，要让一辆电动汽车跑起来很简单，但汽车工业涉及很多配套的技术的应用、技术设施的形成和技术能力的形成，这需要形成一个非常严谨的配合以及闭环能力。事实上把汽车芯片技术单拎出来，就已经很复杂了。

　　以新能源汽车为例，它涉及到的汽车芯片有IGBT模块、ECU主控芯片和自动驾驶芯片等主要的核心技术。

IGBT模块

　　什么是IGBT模块？作为能源变换与传输的核心器件，IGBT模块涉及到电动车的核心技术，它的好坏直接影响电动车功率的释放速度。IGBT的作用是交流电和直流电的转换，同时它还承担电压的高低转换的功能。简单来说，IGBT是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。

　　从成本来看，IGBT模块约占电机驱动系统成本的一半，而电机驱动系统占整车成本的15-20%。也就是说，IGBT占整车成本的8-10%，是电动车里除电池外最昂贵的部件。

电动车成本结构占比（图源：兴业证券）

　　不仅是电机驱动系统，新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT，与新能源汽车配套的直流充电桩也可以见到IGBT模组的身影，其中直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。

　　ECU是Elecmal Control Unit的缩写，即电子控制单元，它由微控制器（MCU）、存储器（ROM、RAM）、输入/输出接口（I/O）、模数转换器（A/D）以及整形、驱动等大规模集成电路组成。很多人将其形容为“车的大脑”，因此也可以将其称为“行车电脑”。

ECU

　　人没有大脑就无法思考，电脑没有CPU就无法运行 ，而汽车如果没有ECU，就无法正常工作。就像利用计算机编写一套程序，然后让它执行那样，汽车工程师也希望通过“ECU程序”来设计出一款性能符合预期的汽车。于是，一套套运算法则被存放在储存器内，对从输入设备经控制器转化而来的信号，处理生成对应的指令信号，从输出设备传输出去。这就是ECU主控芯片的作用。

　　所以，对于这些工程师来说，ECU更像是一双精密的“设计之手”，依靠电子器件，他们就能不断革新汽车的性能，设计出重量和能耗更低，且安全性和舒适性更高的汽车。这与笨重且高成本的机械解决方案完全不同。

　　如果你足够熟悉汽车，可能会想到修改ECU。也就是说，你可以通过改变原先设定好的ECU程序，来达到改变发动机运行的目的，这意味着发动机的性能会有变化。但这种改装只能在默认的正常值内进行，一旦过多或过少，不仅调校无效，汽车还有可能亮起故障信号灯。

　　相比以上几类芯片，我们可能更加熟悉自动驾驶芯片，因为目前像高通、英特尔这样的芯片巨头，正在这一领域打得火热。

　　如果将视角拉到各大汽车中，这样的竞争会更加激烈，像特斯拉、蔚来都在自研自动驾驶芯片。中金公司曾指出，未来汽车的终局，是实现自动驾驶的智能终端。的确，明眼人都明白，自动驾驶正在成为科技巨头竞争角逐的技术浪潮。而在这股浪潮之下，汽车芯片，特别是自动驾驶芯片，将处于自动驾驶浪潮的制高点。

自动驾驶

　　事实上，自动驾驶已经不再局限于它本身带来的意义。在笔者看来，如今的汽车产业正在进入下一个竞争阶段，而自动驾驶技术正在成为车企现代汽车工业能力形成的关键一环。

　　当前，汽车电子电气架构面临的一大挑战就是算力黑洞，我们需要填补软件持续升级碰到的算力黑洞，这是高算力芯片发展的必然性。很多业内人士认识到：软件定义汽车。但其实AI芯片何尝不是由软件定义。本质上讲，芯片和构架是手段和载体，软件是目的。两者结合才是通往智能汽车的必经之路。

　　此外，MCU（微控制单元）也是汽车芯片的核心部件，它作为汽车电子系统内部运算和处理的核心，是实现汽车智能化的关键。

　　当你在车上控制车窗、雨刷、空调及影音系统时，就是MCU芯片在发挥作用。据了解，一辆传统汽车需要70颗以上的MCU芯片，智能汽车甚至需要300颗以上。另据英飞凌公布的数据，新能源汽车的半导体单车价值量超过700美元，接近传统燃油汽车的2倍。而未来高等级L4以上的半导体单车价值量将会超过1000美元。正是因为如此，MCU芯片也成了此次“缺芯潮”受影响最严重的芯片之一。

　　无论是IGBT模块、ECU主控芯片，还是自动驾驶芯片，目前都处于供应不足的状态。我们能否突破技术封锁？国产芯片替代或许才是国内企业应该走的路。

国产芯片的替代之路好走吗？

　　我们很明白，要做到完全地替代是很难的，但在核心技术部分，实现国产替代的确很有必要。

　　在新能源汽车的整体组成中，最重要的部分莫过于动力电池和功率半导体（IGBT）。通俗讲，IGBT可以直接进行电路控制，被看做是新能源汽车的“心脏”，业界也把IGBT和动力电池电芯统称为“双芯”。所以，对于国内的新能源车企来说，IGBT模块和电池电芯一样重要。

　　然而，如此重要的汽车芯片，核心技术却主要被外国企业垄断，尤其是高端IGBT领域，英飞凌等国际巨头更是形成了较强的技术壁垒。

　　对于国内企业来说，打破国外的IGBT垄断已经迫在眉睫。

　　说到国内的IGBT技术，斯达半导体股份有限公司是一家绕不开的企业。该公司主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产，并以IGBT模块形式对外实现销售，产品主要应用于新能源汽车。

斯达半导体

　　在业内看来，斯达半导深耕IGBT领域，且布局完善，充分受益于国产替代。其一季度业绩显示，该公司今年第一季度营收约3.25亿元，同比增长135.70%；净利润约7505万元，同比增长177.23%。未来，随着国产芯片替代的不断加速，这家公司或许能交出一份更为亮眼的数据。

　　另外，比亚迪旗下的比亚迪半导体即将登陆创业板，比亚迪的入场不仅能够打破国内车企长期以来IGBT依赖进口的窘境，更可以从根本上降低生产成本。光大证券认为，比亚迪半导体分拆上市的时机很成熟。通过分拆上市，比亚迪半导体业务的价值将在资本市场中进行重估，进而有望带动比亚迪整体市值向上。

比亚迪半导体

　　数据显示，截至2020年12月，比亚迪自研的IGBT累计装车量超过100万辆，在国内车规级市场的占有率达到18%，成功实现了IGBT国产替代，比亚迪半导体也因此成为国内最大的车规级IGBT厂商。

　　事实上，当业内提到芯片短缺问题时，多数指向的是MCU芯片短缺。

　　在这一领域，比亚迪同样很有发言权。目前，比亚迪自研的车规级MCU芯片已经实现了批量生产，累计装车超700万颗，车规级MCU芯片正在加速国产化。从2007年初入工业MCU领域，到2019年推出第一代32位车规级MCU芯片，并批量装载于比亚迪全系列车型，比亚迪用了11年时间。如今，比亚迪半导体车规级与工业级MCU芯片累计出货量已突破20亿颗。

　　此外，国内仍有新的企业在这一领域持续投资，比如兆易创新就很值得关注。据悉，该公司最新的MCU车规产品将在今年六、七月份开始流片，并计划于今年年底进入量产阶段。

　　根据兆易创新公布的最新财报，该公司一季度营收16亿元，同比增长99.13%；净利润3.01亿元，同比增长79.43%；扣非净利润2.77亿元，同比增长85.5%。总体来看，兆易创新一季度经营情况良好，市场需求持续旺盛。

　　据了解，兆易创新推出的MCU包含车规、工规和消费等不同应用领域产品；其MCU产品在这三个应用领域的需求都在增长。兆易创新表示，未来会持续增加对这三个应用领域的投入，并有望成为公司接下来几年的重点增长领域。

　　目前，全球ECU市场基本被德国大陆、美国德尔福、德国博世、日本电装等国外企业所垄断。

德国博世

　　事实上，国内的自主车企已经有实力开发ECU芯片。但这一技术需要积累，而自主车企开发的产品在成本上要高于博世。所以，国内很多车企通常的做法就是购买博世等公司的ECU。自主车企中能够做到ECU自研的，也只有奇瑞、比亚迪这几家为数不多的车企。但前面提过，因为成本问题，这一家车企的ECU也只能“自给自用”。

　　还有一家企业专注汽车ECU及相关产品的开发，它就是湖北汉瑞景汽车智能系统有限公司(以下简称“汉瑞景”)，但这家企业更加超前，属于汽车电子与氢燃料控制系统的专业服务商，短时间内似乎难以满足市场的需求。

　　在自动驾驶芯片方面，国内已有数家公司扎进了这一领域。

　　5月9日，地平线官宣其第三代车规级产品——征程5系列芯片，面向的是L4级自动辅助驾驶。根据官方公布的数据，征程5系列芯片算力为96TOPS，功耗为20W，能效比4.8TOPS/W。对比特斯拉在2019年发布的FSD（完全自动驾驶能力）芯片，后者采用16nm制程工艺，单颗算力72TOPS，功耗36W，能效比为2TOPS/W。可以看到，征程5系列芯片在数值上已经实现了领先，接下来要做的就是尽快量产。

地平线芯片

　　在融资方面，地平线今年2月完成9亿美元C轮融资。地平线宣布，这笔融资会用于加速新一代L4/L5级汽车智能芯片的研发和商业化进程。目前，奇瑞、东风岚图、上汽智己、理想、上汽集团、比亚迪、长城汽车和宁德时代已与地平线达成了合作。

　　随着中国智能电动汽车产业的发展，还有大量中国企业，正在像地平线一样突破芯片桎梏，比如寒武纪。在本月的2020年度业绩说明会上，寒武纪董事长、总经理兼CEO陈天石回应了公司是否会切入汽车行业的问题。他表示，车载芯片需求未来几年会迅速扩大，智能芯片在汽车领域具备广阔的市场空间，而寒武纪不会缺席这样一个重要的应用场景。

　　相比于以上这几家公司，华为受到的关注可能更多。这家企业以令人生畏的的姿态闯入了它所能进入的领域。上个月发布的极狐阿尔法S搭载的便是华为定制开发的MDC Pro 610，它的总算力高达400+TOPS。与英伟达不同，华为卖的不是自动驾驶芯片，而是包括自动驾驶芯片、操作系统、算法、传感器方案、开发工具链在内的全栈式解决方案。

极狐阿尔法S

　　但华为的问题在于，它空有一身武艺却很难施展。由于一些众所周知的原因，当竞争对手正在通过更先进的制程不断降低芯片功耗时，华为空有7nm制程SoC的丰富设计经验，却只能望洋兴叹。

　　据了解，MDC Pro 610使用的自动驾驶芯片，其实是华为2018年发布的昇腾310。昇腾310采用12nm制程，算力只有16TOPS，功耗为8W。因此，MDC Pro 610的400+TOPS算力，其实是整个平台的总算力。

　　总的来说，国内在IGBT、MCU以及自动驾驶芯片方面已经掌握了一些技术，未来可以实现国产化替代，但在ECU领域还需要持续不断地投入研发。

写在最后

　　有分析师指出，芯片短缺问题可能持续到2023年。而从各大晶圆厂的扩建情况来看，最快也要到2022年底建成，也就是说要形成实际产能的扩展，需要2023年初开始。比缺芯、缺技术更严重的是，我们缺乏人才。这并不是说在这一领域的中国人不多，而是中国在半导体产业的人才积累方面十分薄弱。但让人意外的是，在美国顶尖的半导体人才又恰恰都是中国人。