中國自動駕駛芯片的現狀、機遇與風險（二）

編者按：2021年以來，“芯片荒”無疑是汽車行業最受關注的話題。疫情、自然災害等因素帶來的影響是階段性的，但全球政治環境帶來的影響將成為常態。隨著自動駕駛的快速發展，車用芯片是否也會遭遇與華為類似的尷尬局面？為探其究竟，《汽車觀察》特別邀請自動駕駛科技公司禾多科技撰寫分析報告，厘清自動駕駛芯片的技術分布與產業鏈格局，從而探索中國技術進步與替代國際傳統供應商的可能性。

（接上期）

（二）ASIL-D級MCU芯片

1.技術現狀

MCU（Microcontroller Unit）指微控制單元，可以理解成一個嵌入式的微電腦，對發動機、制動系統、空調、照明和車窗等一系列功能進行控制。隨著電子/電氣系統逐漸復雜化，為了實現汽車電子/電氣系統的安全穩定，系統風險等級評估標準——ASIL等級（Automotive Safety Integrity Level，汽車安全完整性等級）應運而生。ASIL分為四個等級，分別為A、B、C、D。D是最高等級，意味著整個系統范圍內單點故障率不超過1%。在自動駕駛汽車的域控制器中，MCU芯片負責提供高可靠性的輸出，因此要求達到ASIL-D等級。

2.產品趨勢

目前，能夠獨立開發ASIL-D級別的MCU芯片的廠商依舊是極少數，以薩瑞、恩智浦為代表的傳統巨頭具備明顯優勢。應用在ADAS中的系統芯片，大多在ASIL-B或C級。為了在ADAS系統標準上達到ASIL-D級，大部分廠商目前的解決方案是利用多枚B或C級芯片建立一個冗余系統，通過ASIL分解原則達到D級標準。但是如此一來，會出現成本高與功耗大的問題。

而對于使用ASIL-B級MCU芯片的汽車來說，即便通過冗余系統設計，使整車電子系統達到了ASIL-D級，目前也只能滿足ADAS的需求。如果想要實現高階自動駕駛，獨立使用ASIL-D級標準的MCU芯片將是必要的。目前整個業界正在快馬加鞭地部署“高性能計算系統”，即SoC芯片，為自動駕駛提供足夠的算力，與此同時，自動駕駛汽車上品類繁多的汽車控制子系統，必須具備高級別的安全性。所以除了大算力運算所需的SoC芯片外，在面對某些臨界安全問題時，ASIL-D級別的MCU將保證自動駕駛汽車在極限狀態下的可靠性。

目前，ASIL-D級的MCU芯片制程通常在28nm左右，并非高端制程，但是它為了降低軟件故障風險而采取了獨特的lockstep（鎖步）結構，即內核冗余技術，對芯片設計的要求很高。鎖步結構是主內核配備一個影子內核，兩個內核同時執行相同的指令，再利用比較器去查找差異，一旦其中一個內核出現故障，比較器將啟動糾正措施。例如恩智浦希望基于現有的ASIL-B級ARM核，應用鎖步架構達成ASIL-D級。由于鎖步架構對于芯片的設計能力要求高，很多芯片設計能力出眾卻缺乏汽車電子領域經驗的廠商，視此為“彎道超車”的機會，也試圖參與ASIL-D級MCU芯片市場的競爭。比如ARM和Synopsys（美國新思科技）正在布局推出具備雙核鎖步（Dual Core Lockstep）處理器的ASIL-D級MCU。

3.市場規模

在地緣化政治摩擦和半導體缺貨漲價的行業現狀下，國產化MCU越發成為公眾的焦點。

出于成本控制與定制化的需求，主機廠和一級供應商往往會與MCU芯片供應商建立戰略聯盟關系，共同開發產品，以獲得穩定的MCU芯片供應。

目前，中國市場的MCU芯片基本被外方品牌占據，主要因為國外MCU產品在產品質量穩定性與口碑方面占據優勢，而且國內主機廠已經與國外成熟的供應商建立了穩定的合作關系。近年來，我國也涌現了一批國產的MCU芯片供應商，但是它們需要從提升產品質量與保證產能供應兩個方面發力，逐步打破外方的市場壟斷。

總體看國產MCU芯片，不論是市場份額還是技術先進性，都無法和國外企業相比。對于中國企業而言，目前主流產品還停留在8位MCU，占比50%左右。16/32位MCU占比分別為20%左右（ASIL-D級MCU一般都在32位以上，甚至64位）。這意味著，國內MCU應用領域多集中在低端電子產品，中高端電子產品市場依舊被外方壟斷。

中國MCU企業想跳出8位MCU低端產品的困境，需要積極研發32位及以上ASIL-D級MCU芯片，進軍中高端產品和發展通用型芯片及其解決方案。而建立MCU生態一直是中國MCU芯片的短板，對于獲得ARM內核授權的中國MCU芯片企業來說，ARM多年打造的生態環境是一個很好的跳板，但需打造出差異化。中國MCU企業正加強與中國軟件企業合作，打造自主可控的嵌入式系統生態環境。目前比亞迪半導體、華大北斗和杰發科技等都在積極研發ASIL-D級別的MCU芯片，預計2023年將會面世。

?附：MCU芯片市場震蕩

新冠疫情暴發，帶來了芯片短缺問題。一方面，隨著全球汽車消費升級，汽車電子化趨勢日益顯著，全球對車載MCU芯片的需求持續增加;但另一方面，MCU處于低端制程，利潤率低，以臺積電為代表的MCU制造商沒有擴產的動力。最后受疫情影響，芯片制造商暫時停產，原本就存在的供需矛盾更為突出，甚至出現了斷供的現象 。

需要澄清的是，我國市場的“缺芯”問題只是目前國際供應鏈格局與疫情下市場變動引起的，與中美貿易摩擦關系不大。

三、自動駕駛芯片供應鏈梳理

我國自動駕駛行業的供應鏈與技術對美的依賴程度越高，則面臨的風險越大。因此，我們嘗試剖析自動駕駛行業全產業鏈條，找到目前美國占主導地位的環節，確認風險點，認清在目前美方基本掌握芯片產業供應鏈權力的背景下，中國自動駕駛產業面臨著供應鏈權力和政治風險的雙重威脅。

芯片產業具有技術尖端、技術迭代周期較短、資本消耗巨大等特點，其國際競爭中強愈強、弱愈弱的 “馬太效應”明顯，產業鏈權力穩定生成， 壟斷格局趨于固化。

（一）上游環節：原材料和生產設備

芯片產業供應鏈的最上游包括原材料供應與生產設備供應兩大部分。

1.芯片原材料

在半導體原材料供應商中，日本企業的優勢非常明顯。對于芯片制造而言，獲取優質的原材料是不可或缺的前提條件，然而在原材料環節，一般只有少數幾家廠商能夠掌握高標準的提純和加工技術。以硅片這一最基礎的原料為例，2020年，來自日本、中國臺灣、德國和韓國的五家龍頭企業壟斷了超94%的全球市場份額。其中，來自日本的信越與勝高，更是作為五大龍頭企業中的雙雄足足占據了半壁江山，展現了日本在半導體原材料供應環節的超強實力。

可以說，日本原材料供應商憑借自身對相關技術控制的絕對優勢，在芯片供應鏈的上游獲得了巨大的話語權（賣方權力），但是考慮到美國對日本的技術扶植以及特殊的美日政治關系，美國幾乎可以與日本同享此賣方權力。

2.芯片生產設備供應

在芯片生產設備供應環節中，光刻機是最為核心的設備。光刻機領域由荷蘭的阿斯麥爾和日本的尼康、佳能三家企業所壟斷。其中，生產先進制程芯片所需的極紫外（EUV）光刻機完全由阿斯麥爾壟斷。這種光刻機價值連城，單臺售價超過1億美元，被認為是 “鈔票印刷機”。由于高度依賴該企業提供的光刻機，英特爾、三星和臺積電等全球主要芯片制造商爭先為其提供研發資金以換取股份，這體現了阿斯麥爾的賣方權力。不過，雖然阿斯麥爾是一家荷蘭公司，但其背后依然是美國資本，其崛起也與美國的支持密不可分，美國掌握著最大的 “隱形權力”。

在技術標準上：1997 年，美國政府、企業和科研機構牽頭組建 EUV LLC 前沿技術組織，制定了EUV光源的技術標準。在美國的幫助下，阿斯麥爾被允許加入EUV LLC前沿技術組織，獲得了生產極紫外（EUV）光刻機的資格，而另外兩大巨頭尼康和佳能卻被排除在外。美國從而在技術標準上，一手扶植了阿斯麥爾在該領域的壟斷地位。

在核心技術上：美國掌握著EUV光刻機的核心技術。2020年10月5日，美國商務部工業與安全局（BIS）發布決議，禁止向非瓦森納成員的國家（中國不在該協定內），進行六項“新興技術”的技術轉讓，其中就包括兩項EUV光刻機的核心技術。

在國際政治上，美國還可以利用《瓦森納協定》直接干預荷蘭政府向中國出口光刻機。早在2018年，中芯國際便以高價從阿斯麥爾處訂購了一臺 EUV光刻機，但在美國干預之下，本應于2019年交付的這臺高端光刻機至今仍未被放行，這直接鉗制了中國高端芯片的研制能力。

因此在標準、技術和政治，美國都牢牢控制著世界EUV光刻機的供應。

（二）中游環節：芯片設計、制造與封測

芯片供應鏈的中游包括芯片設計、制造與封裝測試三大核心環節，并衍生出了兩種生產模式。

第一種生產模式為一體化制造 （IDM）模式，即一家企業集芯片設計、制造與封裝測試三大核心環節為一體。采用該生產模式的企業主要有美國的英特爾和美光科技 、韓國的三星和SK海力士，四者均在全球半導體供應商中穩居前列，特別是英特爾與三星更是以營收的絕對優勢穩居前二 。

第二種生產模式則進一步細化了中游三大核心環節的分工，由一些企業專門負責芯片的設計與銷售，同時將制造、封裝與測試環節外包給其他代工廠。在這種模式中，半導體產業的分工更加細化，各環節企業之間的相互聯系也更為緊密。

下文討論芯片設計、制造與封測環節，都是在第二種生產模式下。

1.芯片設計

芯片的設計主要包括具體設計與基礎設計，在具體設計方面，主要包括：邏輯器件、DAO和存儲器。而在基礎設計方面主要包括：基礎設計原理、EDA軟件和IP核。芯片設計是知識技能密集型業務，占整個行業研發支出的65%。

在芯片具體設計領域，邏輯芯片設計市場，美國占67%，而中國幾乎為零。在存儲器方面，美國占29%，中國占7%，長江存儲、武漢新芯和合肥長鑫等存儲器廠商的崛起將有助于增加中國在這一領域的份額。在DAO方面，美國占37%，中國占7%，美國的TI和ADI長期占據全球模擬芯片市場龍頭地位。芯片基礎設計上，美國一直是基礎理論研究的世界人才匯聚地。在EDA/IP細分領域，美國占主導地位（74%），而中國僅占3%;美國享有絕對優勢 ，高通、博通和英偉達三家美國芯片設計公司以壓倒性的高營收遙遙領先。

（1）芯片具體設計

邏輯器件是處理“0”和“1”的數字芯片，是所有設備計算和處理的構建模塊，約占芯片具體價值鏈的42%。邏輯類別主要包括：微處理器（比如CPU、GPU和AP）、微控制器（MCU）、通用邏輯器件（比如FPGA），以及連接器件（比如WiFi和藍牙芯片）。

存儲器芯片用來存儲數據和代碼信息，主要有DRAM和NAND兩大類，約占芯片具體價值鏈的26%。DRAM只能暫時存儲數據和程序代碼信息，存儲容量一般比較大;NAND俗稱閃存，即便掉電也可以長期保存數據和代碼，手機的SD卡和電腦的SSD固態硬盤都使用這類存儲器芯片。

DAO代表分立器件、模擬器件，以及其他類別的器件（比如光電器件和傳感器），約占芯片具體價值鏈的32%。二極管和晶體管都是分立器件;模擬器件包括電源管理芯片、信號鏈和RF器件;其他類別的器件占比不高。

近年來，中國芯片設計產業鏈基本形成，產業規模達到5176億元，擁有海思半導體（海思為華為的全資子公司，以下簡稱為“華為海思”）、北京紫光展銳科技有限公司及中興微電子等一批龍頭企業。高端芯片設計能力與國際先進水平的差距逐步縮小，尤其是華為海思取得了顯著進步，2020年上半年在全球芯片設計公司排名中位居第四。但在美國對華為的禁令之下，海思接下來或將陷入較為艱難的處境，其他芯片設計公司必將趁機收割海思的市場份額。

我國目前從事自動駕駛芯片設計的公司，除了華為海思外，地平線與黑芝麻也頗具代表性。其中地平線能夠支持高階自動駕駛的J5芯片已在2021年5月流片成功，黑芝麻的自動駕駛芯片官宣將在2022年量產，但是兩者所占市場份額依然不大。

（2）芯片基礎設計

雖然目前國內有一定的芯片具體設計能力，但是在基礎設計領域：相關的基礎科學與EDA軟件、IP核，與美國差距較大。

半導體基礎科學

半導體的基礎研究主要是半導體基礎材料和化學工藝的研究，是半導體的設計制造實現技術突破與商用化的源動力。一項研究成果大約需要10到15年的時間才能達到商業化階段，例如，Extreme Ultra-Violet（EUV）技術從最初的概念到進入晶圓廠實施階段花了將近40年。而基礎科學的研究是長遠且回報周期慢的，一般都依靠國家給予的研發直接投入，因此，一國的研發投入在一定程度上可以體現國家對于基礎研究的重視程度。在半導體領域，世界科技強國的基礎研發投入一般約占總研發投入的15%-20%。例如在美國，基礎研究一直穩定在總研發的16%-19%，中國目前只有約5%-6%的研發支出用于基礎研究，但過去20年中國一直在縮小競爭前研究和總研發支出之間的差距。

中國新的5年計劃將基礎研究列為重點投入領域，2021年的目標比例是GDP的11%，半導體也將作為重中之重得到較為充裕的資源投入。

EDA軟件

EDA（電子設計自動化）是工程師對芯片進行功能設計、布局布線、虛擬驗證的計算機輔助軟件，是芯片設計的必備軟件。EDA軟件位于芯片技術的最上游，是全產業最為依賴的工具，深入到每個芯片設計與制造的流程中。雖然軟件產業規模不大（2020年全球市場規模為105億美元），但EDA可以撬動起萬億以上規模的芯片產業鏈。美國在這個領域占據了絕對的優勢，并占據了95%的市場，從而達到了控制中下游產業鏈的目的。EDA軟件一旦被禁用，暫時無國產替代，華為就因被禁用EDA軟件，從而喪失了高端芯片的設計能力。

IP核

IP又稱“知識產權核”，是已經設計好的具有一定功能的電路模塊，相當于芯片設計的總庫圖書館，所有芯片設計所需要的技術都可以從IP核中找到。其主要組成部分是復雜的功能模塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器等可修改參數的模塊。

半導體IP核對于整個半導體行業都非常重要，尤其是近年來產業高速發展，全球對知識產權越來越重視，就更突顯出IP核的重要性。起初各半導體公司有內部的IP核部門，專門來開發維護特定功能的IP核。但隨著SoC設計越來越復雜，上市時間卻被不斷縮短，芯片設計者的任務變得更加艱巨，很多半導體公司開始采用外部第三方IP核。工程師將購買的功能模塊（一般來說，功能模塊都是驗證通過的，可靠性高）直接放到芯片當中，再去修改或者直接進行芯片設計，從而避免了重復勞動，大大減輕負擔。使用IP核已經成為行業趨勢。

目前英國的ARM公司作為最大IP核供應商，已經宣布不再開放授權給華為。我國在EDA軟件與IP核的技術突破與打破市場壟斷，還需要從底層計算機操作系統架構進行顛覆與替代。根據SIA和BCG的報告統計，中國EDA行業雖然有華大九天、概倫電子，以及新興的EDA初創公司，但整體實力跟美國還相距甚遠。在IP核方面，中國只有芯原和Imagination（中資背景的英國公司）在全球市場占據一定的份額。

2.芯片制造

芯片設計完成之后，將由芯片制造商進行代工生產。在這一環節上，中國臺灣的企業具有明顯優勢，尤以臺積電為全球芯片代工廠的領軍者。 在2020年第二季度中，臺積電獨占全球超50%的芯片代工份額。臺積電是目前已經可以量產5納米芯片，且已計劃于2021年開始向更高端的3納米發起沖擊。此外，作為全球一體化制造 （IDM）模式的領導者三星，目前也實現了5nm制程。

我國在芯片制造環節擁有中芯國際、華虹半導體和華潤微電子等龍頭企業，其中中芯國際已經實現 28nm制程量產（高分辨率光刻機并沒有實現國產，中芯國際的28nm生產線使用的是原有進口光刻機，或者通過多次曝光等生產工藝手段實現28nm制程），落后于7nm制程的國際先進水平兩到三代。芯片制造屬于高技術附加值生產，但是其核心生產能力依然依附于芯片生產設備（比如光刻機）供應商，從臺積電與三星迫于美方壓力拒絕為華為代工的結果來看，芯片制造產業依然牢牢把控在美方手中。

3.芯片封測

相比于芯片設計與制造，芯片封測環節的技術門檻較低，總體呈現市場充分競爭的局面，我國也有很多技術成熟的企業。因此，該環節上國家和企業對技術的壟斷控制能力相對較弱，賣方權力也相對較小。

（三）下游環節：芯片應用

芯片產業的下游集聚著眾多的芯片采購商。這些具備存儲、計算、處理等各種功能的芯片可以被用于民用領域，如智能手機、通信基站設備和自動駕駛汽車等。2020年全球半導體產業下游的最大需求端為通信領域，該領域貢獻了約三分之一的總需求，計算機領域與消費電子領域則緊隨其后。

但相比于上中游的供應端，下游需求端的企業明顯更加分散，全球十大芯片系統廠商的采購金額之和只占到全球總采購額的40%左右，與自動駕駛相關的芯片采購商僅有華為。而整體自動駕駛產業相比傳統電子消費相比，其購買量更是微乎其微，這意味著我國自動駕駛行業在芯片應用端難以形成買方權力。