得車“芯”者得天下！最強汽車芯片誰打造？

2023年12月5日-6日，由中國汽車工業(yè)協(xié)會和中國電子科技集團有限公司共同主辦的“2023全球汽車芯片創(chuàng)新大會暨第二屆中國汽車芯片高峰論壇”在無錫舉辦。本屆芯片大會以“共享中國機遇·共謀創(chuàng)新發(fā)展·共贏產(chǎn)業(yè)未來”為主題，設(shè)置了“1場高層峰會、1場主旨論壇、4場主題論壇”共6場會議。其中，在12月6日下午舉辦的“全球汽車芯片創(chuàng)新成果”主題論壇上，來自芯片領(lǐng)域的多位專家和企業(yè)高層，分別圍繞著功率器件、傳感器、MCU、SoC等細(xì)分領(lǐng)域的新產(chǎn)品和新技術(shù)，以及汽車芯片測試評估和高可靠封裝解決方案等熱點話題進(jìn)行了交流和探討。

汽車芯片市場潛力巨大

當(dāng)前，汽車向電動化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化方向發(fā)展的速度加快，汽車中芯片的使用數(shù)量以及性能指標(biāo)要求成倍增長，汽車芯片在現(xiàn)代汽車中的重要性進(jìn)一步提升，汽車芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為支撐汽車工業(yè)發(fā)展的核心產(chǎn)業(yè)。

是德科技（中國）有限公司解決方案工程師顏振龍分享了一組來自McKinsey的數(shù)據(jù)，預(yù)計到2025年，國內(nèi)汽車半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模將達(dá)到180億美元；到2030年將達(dá)到290億美元。對比來看，2019-2030年國內(nèi)外汽車半導(dǎo)體復(fù)合增速分別為13.8%和7.8%，國內(nèi)汽車半導(dǎo)體增速顯著高于國外。相應(yīng)地，國內(nèi)汽車半導(dǎo)體在全球半導(dǎo)體市場中所占的份額也將從2019年的27%提升至2030年的40%。

從燃油車到智能電動車，千億級規(guī)模的車載半導(dǎo)體市場正冉冉升起。尤其是在智能電動汽車時代，得車“芯”者得天下，汽車芯片成為各路諸侯必爭之地。基于此，顏振龍認(rèn)為，這塊巨大的蛋糕吸引行業(yè)進(jìn)入了群雄逐鹿的博弈時代，集聚效應(yīng)將引來更多金鳳凰，同時在“缺芯”事件催化下，進(jìn)口替代趨勢將加速，從而推動國內(nèi)車載半導(dǎo)體增速大幅度提升。

顏振龍將汽車芯片形象地劃分為五大功能，分別是汽車的大腦、眼睛、心臟、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和記憶網(wǎng)絡(luò)。其中，主控芯片是汽車的“大腦”，所以也是兵家必爭之地，主要包含自動駕駛芯片和智能座艙芯片，需具備強大的算力和低功耗，在滿足大量數(shù)據(jù)計算的同時，降低功耗以實現(xiàn)電動車較好的續(xù)航里程。

傳感芯片是汽車的“眼睛”，主要用于探測、感受外界的信號，并將探知的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柣蚱渌栊问絺鬟f給其他設(shè)備。具體包含CIS、MEMS、電流傳感器、磁傳感器、陀螺儀、VCSEL芯片和SPAD芯片（用于激光雷達(dá)）。

功率芯片是汽車的“心臟”，主要進(jìn)行能源的供給。該類芯片主要用于保證和調(diào)節(jié)能源傳輸，以分立器件為主。具體包括電源管理芯片、晶體管（IGBT、MOSFET）等，主要用于控制電路中電流的開閉、流向和大小，對新能源汽車尤為重要。新能源汽車中的功率半導(dǎo)體包括電機逆變器、DC/DC、高壓輔助驅(qū)動和 OBC 充電器等。

通信芯片是汽車的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”，目前首選是車載以太網(wǎng)，主管著整個車輛的神經(jīng)脈絡(luò)，“外事不決問wifi，內(nèi)事不決找以太”。通信芯片主要用于發(fā)送、接收以及傳輸通信信號，包括基帶芯片、射頻芯片、信道芯片、電力線載波通信芯片等。

存儲芯片是汽車的“記憶網(wǎng)絡(luò)”，主要用于數(shù)據(jù)存儲功能，具體包含DRAM（動態(tài)存儲器）、SRAM（靜態(tài)存儲器）、FLASH（閃存芯片）等。

面對如此數(shù)量眾多、功能不同的芯片，標(biāo)準(zhǔn)化與可靠性問題成為亟需解決的難題。中國電科首席專家王育新強調(diào)，車規(guī)級芯片制造過程追求“零缺陷”，壽命要求達(dá)到15年以上，應(yīng)用于高安全控制器的芯片更是要求故障率低于十億分之一。可以說，在新能源與智能化時代，汽車芯片是集成電路種類、性能、功能與質(zhì)量可靠性的典型代表。

在標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)中，上海芯旺微電子技術(shù)股份有限公司產(chǎn)品總監(jiān)盧恒洋解釋到，半導(dǎo)體芯片在ISO 26262中遵循的是SEooC（Safety Element out of Context，獨立于環(huán)境的安全要素）開發(fā)過程，也就是芯片作為一個要素，并沒有直接參與到整車環(huán)境的開發(fā)過程中。這也意味著芯片并沒有明確的安全要求；MCU可能用在各類的ECU中，每個不同的ECU可能都會有不同的硬件環(huán)境和整車環(huán)境。

對此，盧恒洋的解決方案是，我們可以通過對應(yīng)用的假設(shè)來獲取安全要求，只要違反安全目標(biāo)的故障就會被用于失效率的測算。因此，SEooC的假設(shè)尤為重要，因為只有假設(shè)的失效模式越多，芯片安全機制才會覆蓋得越多，最終計算出的失效率才越有實際意義，也就意味著這種標(biāo)準(zhǔn)下的芯片更加安全可靠。

傳感器芯片迎來新機遇

智能駕駛的高速發(fā)展給汽車傳感器芯片帶來了新機遇。

據(jù)河北美泰電子科技有限公司總經(jīng)理吝海峰介紹，一輛汽車中有超過50顆MEMS傳感器芯片，而MEMS壓力傳感器和慣性傳感器又是使用最廣泛的傳感器芯片。至少有18個汽車應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒋龠M(jìn)壓力傳感器的增長，如汽車空調(diào)熱管理壓力、電池包壓力、輪胎壓力、剎車壓力、側(cè)面氣囊、大氣壓力與廢氣再循環(huán)壓力等。而慣性傳感器占比超過一半，主要應(yīng)用于安全氣囊碰撞檢測、側(cè)翻檢測、車身穩(wěn)定系統(tǒng)、空氣懸架、高精度定位、T-BOX、防盜系統(tǒng)等。

吝海峰認(rèn)為，MEMS是集成電路技術(shù)的延伸，更是一種加工方法，未來將趨向于微小型化發(fā)展，市場潛力巨大。從全球范圍來看，根據(jù)預(yù)測，從2022-2028年，MEMS全球市場規(guī)模將以5%的年復(fù)合增長率，從145億美元增長到200億美元。其中，消費類市場因消費電子需求量下滑，預(yù)計僅有4%的增長率；而因持續(xù)受益于日益增加的對無人駕駛功能的需求，全球汽車市場的應(yīng)用規(guī)模將達(dá)到41億美元，年均增長7%。

從國內(nèi)市場來看，自主品牌正在全面布局芯片國產(chǎn)化。目前，國內(nèi)芯片企業(yè)已突破全部關(guān)鍵技術(shù)，正在加快產(chǎn)品開發(fā)和產(chǎn)能建設(shè)，汽車企業(yè)也在加快驗證和批量裝車。

據(jù)預(yù)計，到2025年，我國自主品牌新能源汽車對MEMS傳感器需求約為4.3億只，其中MEMS壓力傳感器約2億只，MEMS加速度傳感器約1.5億只，IMU和陀螺儀約0.8億只。從市場規(guī)模來看，2022年我國汽車MEMS壓力傳感器市場規(guī)模為60億元，預(yù)計到2027年將達(dá)到100億元。MEMS慣性傳感器市場規(guī)模2022年為77.4億元，預(yù)計到2027年將達(dá)到125.7億元，國產(chǎn)化潛力巨大。

邁來芯電子科技（上海）有限公司資深現(xiàn)場應(yīng)用工程師王國偉認(rèn)為，在汽車創(chuàng)新的世界里，傳感器芯片是無聲的英雄，它可以令車輛實現(xiàn)精確的控制、響應(yīng)能力、可靠性和安全性，這些技術(shù)奇跡推動著汽車從泵和真空（機械）到線控操作變革（電子）的演變。

功率器件產(chǎn)業(yè)快速增長

新能源汽車和新能源發(fā)電等中低壓應(yīng)用推動了碳化硅功率器件產(chǎn)業(yè)的快速增長。數(shù)據(jù)顯示，目前全球功率市場的規(guī)模大約為200億美元，預(yù)計到2027年將增長至305億美元，其中硅MOSFET和IGBT占比約60%。此外，SiC（碳化硅）功率半導(dǎo)體市場的規(guī)模大約為20億美元，預(yù)計到2027年將達(dá)63億美元，市場滲透率約從10%增長到20%。

中國電子科技集團公司第五十五研究所、中國電科首席專家柏松分析了碳化硅功率MOSFET的技術(shù)發(fā)展趨勢及研究進(jìn)展。對比Si MOSFET，SiC MOSFET有著電流密度高、全溫區(qū)損耗變化小、高溫特性好等優(yōu)勢；對比Si IGBT，SiC MOSFET有著非常低的開關(guān)損耗、更低導(dǎo)通損耗、更高功率密度等優(yōu)勢。憑借著上述優(yōu)勢，SiC功率器件在新能源汽車、光伏發(fā)電、儲能、風(fēng)電、工業(yè)電機、消費電子、軌道交通、高壓輸變電等多個領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。

在研究方向上，柏松認(rèn)為，解決高可靠、高電流密度碳化硅MOSFET器件設(shè)計、制造、封裝等問題是實現(xiàn)持續(xù)增長的關(guān)鍵。碳化硅在電網(wǎng)、軌道交通等高壓領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢已得到初步展示，未來亟待聯(lián)合攻關(guān)實現(xiàn)批量工程應(yīng)用。

無錫利普思半導(dǎo)體有限公司聯(lián)合創(chuàng)始人、總經(jīng)理丁烜明認(rèn)為，整車?yán)m(xù)航里程與充電效率的雙重需求對SiC提出了更高的要求。目前，SiC功率半導(dǎo)體和800V高壓架構(gòu)，成為電動化2.0時代的核心使能技術(shù)。得益于SiC在整車中的廣泛應(yīng)用，小三電高壓化可滿足寬電壓、集成化及低成本的需求，800V超級快充10min將可充電至約80%。

據(jù)丁烜明預(yù)測，未來5年，增長最快的將是800V SiC，其次是主要用于800V四驅(qū)車輛輔驅(qū)的800V IGBT和400V SiC的份額將先有所增長，然后開始下降。未來一段時間內(nèi)，大部分車企的800V平臺和400V平臺仍將處于共存階段。因為雖然大部分車企均有800V平臺的相應(yīng)規(guī)劃，但不同企業(yè)對應(yīng)用800V的平臺策略有一定差別，最為積極的新勢力頭部車企將用800V平臺迭代現(xiàn)有平臺，其他OEM則相對較為穩(wěn)健，會在部分高端車型上應(yīng)用800V平臺。

如何推動SiC芯片技術(shù)的進(jìn)步？丁烜明認(rèn)為關(guān)鍵在于以下幾點：降低成本是永恒的目標(biāo)；逐步實現(xiàn)6寸、8 寸 SiC 襯底產(chǎn)業(yè)化；寄望冷切割、高速拋光等晶圓加工技術(shù)發(fā)展推動降本增效；還有就是提高產(chǎn)品性能、提升產(chǎn)能和產(chǎn)品良性率。

其中，在加工技術(shù)方面，重慶平偉實業(yè)股份有限公司應(yīng)用總監(jiān)陳云喬所在的公司，已經(jīng)在汽車級超薄雙面散熱工藝上獲得突破。該工藝在芯片設(shè)計方面，不僅考慮到Cu-Clip技術(shù)對芯片長寬比、厚度、面積、柵極位置、應(yīng)力釋放等內(nèi)容，還要對標(biāo)國際頂尖特性，采用國內(nèi)SGT-MOS制造工藝最領(lǐng)先、穩(wěn)定的晶圓廠流片。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，充分使用ANSYS有限元設(shè)計軟件，做好理論計算和仿真模擬，將制造過程中的熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力，全盤仿真，降低出錯幾率。

陳云喬認(rèn)為，功率器件行業(yè)發(fā)展繞不開的話題就是對器件可靠性的研究。半導(dǎo)體的發(fā)展，將始終圍繞著更高的功率密度、更小的損耗、更輕薄的封裝以及更高的可靠性等方面展開研究。得益于高密度的芯片集成，未來MOSFET的體積會更加輕便，功率密度會得到進(jìn)一步提升。

軟件如何定義汽車

在智能化時代，車輛架構(gòu)正朝著以通用計算平臺為基礎(chǔ)、面向服務(wù)架構(gòu)的方向發(fā)展。未來車輛差異化將更多體現(xiàn)在軟件和先進(jìn)電子技術(shù)賦能的用戶交互界面和體驗層面，軟件將帶動汽車技術(shù)革新，引領(lǐng)產(chǎn)品差異化。因此，軟件定義汽車（software defined vehicles，SDV）成為大勢所趨。

兆易創(chuàng)新科技集團股份有限公司汽車產(chǎn)品部執(zhí)行總監(jiān)何芳認(rèn)為，SDV帶來的汽車應(yīng)用新變革主要體現(xiàn)在以下幾個方面：基于新型的E/E架構(gòu)，SDV整車開發(fā)方式以軟件為導(dǎo)向，以服務(wù)車輛全生命周期為目的；基于云端后臺和OTA，在車輛全生命周期中，對既有和新增的功能將得以更高效的升級和部署；為實現(xiàn)功能的可升級性和可拓展性，需要預(yù)埋額外的硬件資源（如算力、傳感器、執(zhí)行單元）；SDV將為汽車引入更多的基于服務(wù)的個性化使用場景 （如預(yù)期保養(yǎng)、電子商務(wù)）。

對于傳統(tǒng)OEM開發(fā)模式，SDV帶來的變革更是顛覆性的。比如，在整車平臺規(guī)劃上，不再以汽車量產(chǎn)作為研發(fā)終點，而是以整車使用的全生命周期作為考量；在電子電氣架構(gòu)升級上，推動低成本、高度系統(tǒng)解耦的集中化電子電氣架構(gòu)成為主流（域和區(qū)域控制器）；在軟件開發(fā)方面，OEM主導(dǎo)SDV軟件和基礎(chǔ)軟件平臺化，從而加大軟件開發(fā)力度；在硬件開發(fā)過程中，考慮到控制器的全周期可升級性，可以對核心部件算力進(jìn)行預(yù)埋（如中央計算單元）。

在SDV的影響下，汽車產(chǎn)業(yè)鏈格局也發(fā)生了變化。主機廠加大自研比重，產(chǎn)業(yè)協(xié)作模式更加多元化。隨著主機廠提供的汽車越來越智能，功能安全的要求越來越高；隨著OTA升級更開放，信息安全的標(biāo)準(zhǔn)和要求不斷被提高；隨著ECU從分布式向集中化的演進(jìn)，可靠性變得越來越重要。

其中，在產(chǎn)業(yè)協(xié)作方面，芯馳科技資深產(chǎn)品市場總監(jiān)金輝認(rèn)為，智能車時代，軟硬件之間必須在一開始就要協(xié)同，這樣可以優(yōu)勢互補、合作雙贏。金輝建議，主機廠可以和芯片企業(yè)聯(lián)合開發(fā)，讓芯片公司進(jìn)入整車項目開發(fā)流程，與車企共同定義新產(chǎn)品，多流程并行提速車企智能產(chǎn)品量產(chǎn)下線。