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半导体

1500美元,一辆汽车为何要用这么多半导体?

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一辆新能源汽车的半导体价值是传统燃油汽车的两倍之多,比如一辆特斯拉Model 3的半导体价值高达1500美元。专家表示,汽车电子化率将会从现在的30%逐步提升到50%以上,汽车电动化、智能化渗透率持续提升,将为汽车半导体行业带来重大市场机遇。

传感器,汽车的眼睛耳朵

汽车智能驾驶系统由感知、决策、执行三个层面组成,其中,感知系统是前提,涉及了大量的传感器应用。汽车传感器作为采集智能驾驶所需数据的眼睛和耳朵,把汽车运行中各种工况信息转化成电讯号输送给决策单元最终下达指令控制车辆运行。

赛迪顾问汽车产业研究中心总经理鹿文亮表示,汽车智能化的终极目标是实现自动驾驶,自动驾驶系统需要稳定性更高、更灵敏、更全面的传感器。

汽车传感器可分为环境监测、车身感知两大类。自动驾驶系统运行中所需的环境监测传感器(包括摄像头、毫米波雷达、激光雷达)数量增长迅速,占据了汽车传感器总成本的绝大部分。

北汽产业投资有限公司投资副总监林雨在接受《中国电子报》记者采访时表示,多传感器融合成为自动驾驶传感器未来的发展趋势。记者从特斯拉官网获悉,一辆特斯拉的标配共有8个摄像头、1个77G的毫米波雷达和12个超声波雷达,足以保证Tesla L3级别对于变道、合流、出高速的基本功能。虽然未见到激光雷达的身影,但内行一眼就能看出来,特斯拉将毫米波雷达和视觉的融合体现出特斯拉传感芯片的算力之强。

目前,全世界约50个国家、超过6000家机构正在从事传感器的研发和生产。中国汽车传感器90%以上的市场份额都被西门子、博世、霍尼韦尔等国际零部件企业占有。瑞萨、英飞凌、恩智浦等半导体供应商的自动驾驶平台已经实现毫米波雷达、视觉、激光雷达、车联网等多传感器融合,可支撑L3级以上自动驾驶,在降低功耗的同时保证了出色的算力。

前不久,征战在通讯设备领域的苹果也表示出对下一代激光雷达传感器的兴趣,从特斯拉公司和Alphabet旗下谷歌挖走一批重要员工。据悉,苹果正在自主研发的自动驾驶传感器能够对道路进行三维观察。

专家指出,在千万亿元级的汽车传感器市场中,国内企业多数只能做一些低端产品,如水温和压力传感器等,尚未形成独立的产业。

近几年,中国企业似乎已经找到了闯进传感器市场的突破口,我国超声波雷达技术尽管在稳定性和可靠性上还有待进一步提高,但凭借着高性价比的产品、快速及时的服务,国内的同致电子、豪恩、奥迪威的UPA已成功进入各大汽车厂的采购目录。

同济大学教授白杰认为,毫米波雷达成为我国企业进一步闯进市场的良好切口,较激光雷达和超声波而言,监测精度更高,而成本较低。

记者了解到,我国的毫米波雷达市场已经进入快速发展阶段,早在2011年,厦门意行便开始了毫米波雷达前端射频芯片的研发;行易道、苏州豪米波、森思泰克等企业也处于研发状态;深圳安志杰已实现24GHz和77G产品的量产。

此外,传感器领域的兼并收购也开始呈现,国外大型传感器已完成第一轮并购,形成了自身技术优势,国内传感器企业也开始走入并购重组的轨道,这将为我国传感器企业在研发实力上带来更多提升的机会。

微控制器,汽车的决策大脑

在接收到传感器收集到的车辆行驶控制指令后,决策层面开始发挥重要作用。MCU(微控制器)作为决策层面的核心单元,成为分析数据并指挥全系统运行的大脑。一般来说,单车的MCU芯片需求量在50颗左右,约占整车半导体器件成本的三成。

MCU既可工作于车体的次系统,又能服务于复杂的驱动系统,为预碰撞、自适应巡航控制、自动驾驶系统等提供数据处理和控制。

公开数据显示,国内MCU市场年复合增速将达到11.7%,预计到2020年市场规模将突破500亿元。目前全球前八大MCU厂商(包括瑞萨电子、恩智浦、英飞凌、Microchip、意法半导体、三星、德州仪器和Cypress)在中国市场占有率达到88%。总体来看,绝大多数国产MCU企业还无法与国外企业抢夺市场份额。对于中国企业而言,目前占据的主流市场还停留在应用于汽车次级系统的8位MCU,占比50%左右。

近年来,我国的IoT、5G、人工智能、边缘计算等丰富多样的新技术生态,正在积极“拥抱”MCU市场,重燃了在汽车电子领域的热情。鹿文亮表示,人工智能算法将在嵌入式MCU平台上运行并进行优化,这将为中国MCU企业带来新的机遇。

瑞萨电子(中国)汽车电子销售中心应用技术部高级专家赵坤表示,自动驾驶系统在性能、可靠性、实时性、功耗效率以及对应的算法等方面对处理芯片提出了最高标准的要求,这就需要将人工智能算法导入到车载芯片中。

我国已有企业实现在该领域的芯片量产。据上海地平线总经理、征程芯片研发负责人吴征介绍,地平线的第一代征程芯片是中国最早实现量产流片的人工智能芯片,计划在今年内推出新一代人工智能芯片征程2.0芯片,该芯片集成了地平线新一代自主研发的BPU(Brain  Processing Unit)和视觉感知技术,预计将成为中国的第一款车规级AI芯片。

零跑汽车与大华股份联手研发的AI自动驾驶芯片“凌芯01”进入集成验证阶段,预计在今年第二季度进行实车测试。

功率半导体,汽车的心脏

在汽车的执行层面,功率半导体(又称电力电子器件)在电路中实现电能转换和控制,成为为汽车的驱动系统提供澎湃动力的心脏。公开数据显示,新能源汽车中功率器件的成本高达387美元,占整车半导体价值的55%。新能源汽车相比传统燃油汽车新增的半导体成本中,功率器件成本约为269美元,占总增加成本的76%。

林雨表示,由于新能源汽车中的电源驱动和蓄电池组替代了燃油车的发动机和燃油,电机驱动系统中的电力设备需要大量的功率半导体。而在传统燃油车中,功率半导体仅有少量位于发动机,体量和功用不足与新能源汽车相较。

IGBT成为目前应用于新能源汽车功率半导体的主流技术,在高压系统中帮助电压源实现较低负载,使电机系统轻松驱动。鹿文亮表示,IGBT芯片占整车成本的比例约为7-10%,是除电池之外成本第二高的元件。在特斯拉的双电机全驱动版中,IGBT使用量共计132个,总价值可达650美元。

一直以来,中国功率半导体企业与国外领军企业差距显著。来自欧美和日本的半导体企业(包括英飞凌、瑞萨电子、富士电机、安森美、瑞士ABB等)垄断了全球七成以上的IGBT市场份额。

近年来,车用功率半导体市场仿佛预感到了“国产替代”的春天。株洲中车时代电气的IGBT技术能力出众,凭借着多年在功率半导体领域的积累,计划在今年量产第6代IGBT技术芯片,电压等级将覆盖650-6500V。此外,中车时代电气还有一条8英寸IGBT生产线,年产可达到24万片。

比亚迪公司已布局IGBT全产业链,包括芯片设计、晶圆制造、测试、封装、新能源汽车应用等。该品牌的汽车已率先使用自研自制的IGBT产品,体现出比亚迪在车规级芯片领域的领先优势。今年年初,比亚迪推出了业界领先的汽车功率芯片IGBT4.0技术,该芯片能够帮助电流输出能力较当前市场主流的IGBT提高15%;而在同等工况下,综合损耗降低了约20%,实现了国产汽车功率IGBT芯片的重大突破,有望加速国产IGBT替代进口产品的进程。

在代工制造方面,中芯国际通过收购意大利LFoundry公司,获得具有汽车半导体产品经验的8英寸生产线。华虹宏力公司深耕FS-IGBT工艺产品,与多家合作单位推出了600V、1200V、1700V等IGBT器件工艺。

责任编辑:马利亚


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