這次卡住汽車產業“脖子”的為什么是車規級芯片?

時間:2021年02月15日 08:44:30 中財網
  去年末的汽車芯片短缺扼住了汽車行業的咽喉,這場行業性的供應短缺再次讓人們見識了汽車芯片的重要性,有關部門也對此高度重視。

  春節前,工業和信息化部裝備工業一司、電子信息司與主要汽車芯片供應企業代表進行了座談交流。工信部裝備工業一司、電子信息司建議汽車芯片供應企業高度重視中國市場,加大產能調配力度,提升流通環節效率,與上下游企業加強協同,努力緩解汽車芯片供應緊張問題,為中國汽車產業平穩健康發展提供有力支撐。

  相對于對消費級電子芯片的理解,人們似乎對汽車芯片的“殺傷力”存有疑惑。汽車芯片是車規級芯片的通俗叫法,在現代化的汽車產品上,汽車芯片相當于“大腦”。

  “隨著傳統汽車向新能源汽車和智能網聯汽車的發展,所搭載的芯片越來越多,對智能性的要求也在提高,此前需靠駕駛員判斷的東西現在慢慢交給芯片,這樣汽車對芯片的使用量就會越來越多,并且對芯片的算力要求也會越來越高。”中國汽車工業協會副總工程師許海東表示。

  
  等級僅次于軍工級,汽車芯片種類繁多
  受制于去年末全球汽車芯片供應緊張,不少大牌車企不得已采取減少,甚至停產的措施來應對,包括大眾汽車、福特汽車、通用汽車、本田汽車、斯巴魯、日產汽車等在內的全球汽車廠商都出現了被迫減產的情況。市場機構IHS Markit預測,2021年第一季度,汽車產量將比最初預期的少約67.2萬輛;美國伯恩斯坦研究公司預測稱,由于2021年全球范圍內汽車芯片短缺,預計今年將造成多達450萬輛汽車產量的減少,相當于全球汽車產量的近5%。

  很多人對芯片重要性的認識或來源于消費級電子產品,一枚小芯片就能實現強大的功能。如今的汽車功能越來越強大,越來越智能,都可以歸因于汽車芯片的應用。

  從整個芯片行業的等級劃分來看,分別有軍工級、車規級、工業級和消費級,其中車規級芯片對于可靠性、一致性和穩定性要求更高,僅次于軍工級。

  “車規級芯片與消費級芯片有很大不同,車規級芯片需要面臨更惡劣的環境,要求可靠性更高,車規級芯片的要求更為嚴格。”許海東表示,“因此對芯片廠家的汽車芯片生產線要求也更為嚴格,車規級芯片的生產線可以改造生產其他芯片,但生產其他芯片的生產線無法輕易改造生產車規級芯片。”

  從分類上來看,汽車芯片大致分為以下幾類,一是負責算力的控制芯片,也就是處理器和控制器芯片,如發動機、底盤和車身控制,以及中控、輔助駕駛(ADAS)和自動駕駛系統等;二是負責功率轉換的IGBT功率芯片,一般應用于電動車的電源和接口;三是傳感器芯片,主要用于各種雷達、氣囊、胎壓監測。汽車芯片也可以分為主控芯片、功能芯片、功率芯片和傳感器芯片。

  從車規級芯片的要求來看,需要適應-40℃到-150℃的極端溫度,高振動、多粉塵、有電磁干擾,濕度要適應0%-100%,一般車規級芯片的設計壽命為15年或20萬公里。從架構方面來看,車規級芯片需要有獨立的安全島設計,在關鍵模塊、計算模塊、總線、內存等,都有ECC、CRC的數據校對,為車規級芯片提供功能安全。

  一般來看,一款車規級芯片需要2-3年的時間完成車規認證并進入整車廠供應鏈,一旦進入后,一般擁有5-10年的供貨周期。

  汽車芯片相當于汽車大腦,高端車型要裝150多種芯片
  從1908年第一輛福特T型車下線走出車間,人們形成了對傳統汽車的固有認知:“四把椅子+四個輪子+發動機”。這樣的認知一直持續到1977年。通用汽車在1977年首次在汽車上搭載電子控制單元(ECU),實現了速度、油箱、里程和發動機等信息的顯示。

  隨后的時間里,車規級芯片在汽車中的重要性不斷提高,一輛車不僅可以更快地完成從始發地到目的地的駕駛,還具有娛樂、導航等輔助功能。而二十多年前,汽車開始進入電控時代,如今一輛普通汽車至少安裝40種芯片,高端車型則需安裝150種以上。據悉,上個世紀70年代,汽車電子元件的成本占比大約為5%左右,2005年汽車電子元件的成本比例大概增長至15%左右,而2019年一輛新車的芯片成本平均為329美元。

  在電控汽車時代,芯片早已成為汽車的“決策大腦”以及“遍布全車的神經系統”。舉例來講 ,在純機械發動機時代,發動機的進排氣時機、氣門開閉時長完全由凸輪軸和凸輪決定,當發動機被制造出來,其進排氣也就固定了。而當發動機進入電控時代,通過電腦智能調節氣門開閉時機和時長,有意將進氣門延遲關閉,排氣門提前開啟,讓進排氣更加充分,提升性能;如果缺少芯片,最直觀的表現就是油耗和排放控制的缺失。

  
  此次扼住車企咽喉的是應用于ESP(電子穩定控制系統)中的MCU(微控制單元)和ECU中的MCU,需要用8英寸晶圓打造。ESP是汽車主要安全系統的一部分,是ABS防抱死系統的延伸,上個世紀80年代,ABS還是豪華車的配置,而隨著ESP的量產推廣,它已成為汽車最基礎的安全配置;ECU則是涵蓋了諸如調整車窗、座椅、燈光等功能,在如今的中高端車型上,這兩類芯片必不可少。

  實際上 ,在新能源汽車和自動駕駛的雙重驅動下,車規級芯片正在顛覆傳統產業,隨著ADAS、自動駕駛技術的成熟,需要大量的圖像數據、雷達數據處理,汽車廠商對芯片的算力要求也在提高。“隨著傳統汽車向新能源汽車和智能網聯汽車發展,所搭載的芯片越來越多,對智能性的要求也在提高,此前需靠駕駛員判斷的東西現在慢慢交給芯片,這樣汽車對芯片的使用量就會越來越多,并且對芯片的算力要求也會越來越高。”許海東表示。

  實際上,在業內看來,當汽車進入電控時代以及向電氣化轉型,汽車與芯片就已經密不可分;而此次芯片危機的爆發,或也意味著行業革新正在進行。
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