​风口上的汽车半导体

汽车行业的这半年，是被“芯片荒”刷屏的半年。前有福特、通用因缺芯减产巨亏，后有特斯拉因芯片供应不足加州工厂暂时停产。2021年，全球车企无不笼罩在芯片短缺的阴影中。

汽车早已不仅仅是由钢铁铸就，更是由硅支撑。

这篇文章，我们挑选出了一些站在时代风口上的汽车半导体予以介绍。它们在眼下，以及不远的将来，会深刻影响汽车行业的命运。

一、MCU

MCU（MICrocontroller Unit）微控制单元，又名单片微型计算机，俗称单片机。MCU把CPU、内存（RAM、ROM）、计数器以及I/O等多种接口集成到一枚芯片上，形成了一个只有芯片大小，但能完成特定任务的计算控制系统。

MCU的构成形态相对简单，往往只能够胜任某一特定任务，和大脑皮层的某一功能区（如枕叶区负责视觉、颞叶区负责语言）有些类似。同时，价格也相对低廉，最便宜的甚至只需数元人民币。

然而，简单便宜且应用广泛的MCU，却是今年汽车芯片荒的“罪魁祸首”。

在汽车上，几乎所有经由电子控制的功能模块，都配备了一枚单独的MCU，比如发动机、变速箱、车身稳定控制系统、车门、安全气囊等等。MCU与相关的外围器件组成的板卡，则被称为ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）。

在汽车电子控制功能模块越来越丰富的今天，一辆普通汽车上所用的MCU至少有20枚，高端与豪华汽车则更多。然而，虽然对汽车来说不可或缺，但MCU却面对着严峻的产能供应不足问题。

MCU因为没有很高的性能需求，因此一直使用着较为“陈旧”的芯片制程工艺。由于MCU价格便宜，其供应商往往不愿意开设专门的生产线，即使是瑞萨、英飞凌等市场占有率较高的供应商，也将生产外包，这造成全球MCU的产能集中在少部分晶圆厂手中（咨询机构IHS称，全球70%的MCU产能集中于台积电）。同样，由于MCU的利润不如那些使用先进工艺的芯片（如5G芯片），晶圆厂并未为之准备大量的富余产能，在生产周期变化和一些产线发生意外的情况下，车用MCU立即陷入了供不应求的状态。

由于车用半导体的产线变更、建设需要一年或者更长的时间，因此至少在今年，MCU仍会是萦绕在各车企与供应商之间的“芯病”。

二、功率半导体（IGBT，SiC MOSFET）

功率半导体，主要是用于电力设备的电能变换和控制电路方面大功率的电子器件。而随着电动汽车的热潮兴起，功率半导体中的IGBT与使用SiC（碳化硅）材料的MOSFET随之出货量大增。

IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）中文名称为绝缘栅双极型晶体管，其实是两种比它更“年长”的功率半导体BJT、MOSFET的复合体，它结合了这两种半导体的优势，能够在大功率、高电压的电路系统中工作。

在电路中，IGBT扮演的角色是电子控制开关。而通过电路设计与计算机控制打造出变频器，IGBT可以对电流的性质和频率进行变换。直观地，在电动汽车上，IGBT的存在使得可以对直流、交流电机的转动进行精确地控制，从而驱动车辆加减速。因此，IGBT可以说是电动汽车动力系统的心脏。

由于一辆电动汽车就需要上百个IGBT芯片组成IGBT模块进行工作，因此其出货量惊人，同样市场规模也不小。有数据显示，2019年，全球IGBT市场规模约为49.1亿美元，中国市场约162亿人民币，在其中汽车市场占比达到27%。

IGBT向来是欧洲、日本半导体厂商的强势领域，英飞凌、三菱、富士电机、安森美、ABB五家企业的市场占有率超过70%。在车用IGBT市场，英飞凌更是一家独大。不过，这两年随着比亚迪自主研发生产的IGBT量产装车，越来越多的国内企业进入这一领域，尝试在车用IGBT的研发、设计、生产环节分一杯羹。

说完了IGBT，再看MOSFET。MOSFET（metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,）金氧半场效晶体管其实是诞生于上个世纪60年代的老前辈，其典型特征是工作的频率可以很高，在需要高频变换电流的场景应用较广。但由于硅基材料和结构的限制，其对高电压、高温的耐受性较弱，支持的功率较低，因此电动汽车上原本并不适合使用MOSFET。

但在近些年，随着新型半导体材料SiC碳化硅投入使用，基于碳化硅制造的MOSFET在上述性能上有了质的飞越，在工作温度和耐压能力上都远远超出了传统IGBT，由此可以做得更轻更薄，加之其本身的传输损耗更小，因此应用了碳化硅MOSFET的电动汽车能够更高效地使用电能，获得更远的续航。根据特斯拉的数据，其Model 3在应用了SiC后续航表现提升了约6%。

特斯拉的示范效应让SiC MOSFET成为IGBT之后的“明星半导体”，不过由于其生产良率低、成本较高，目前电动汽车主流应用的仍是IGBT。但许多汽车供应商相信，随着出货量增加、应用增多，这些问题都将得到解决。

三、域控制器

域控制器的概念，随着汽车电子电气架构这两年的剧烈变革而被行业熟知。

由于消费者对汽车智能化的需求，各种应用软件、智能车机、辅助驾驶功能频繁上车，传统汽车“一套功能对应一块ECU”的架构难以适应新时代的需求。将相近、相关功能打包到一个“域”里，由更少但是更强大的域控制器予以驱动，是这两年新研发车型的普遍特征。这样做的好处是，减少了各种功能芯片的使用量，降低了汽车内电气连接的复杂度，同一个域内直接而即时的数据交换、计算，从而为开发一些更高难度的功能提供了可能。

在全新的架构中，车辆至少拥有动力系统域、车身控制域、智能座舱域、ADAS（高级辅助驾驶）域、连接域/网关域。在它们之中，ADAS域与智能座舱域是最有成长前景、最受关注的部分。相应地，为这两个域提供计算支持的域控制器，是供应商们乃至车企的兵家必争之地。

这两个域控制器核心的计算芯片，拥有一些共同特征——比如，都拥有显著高于车内其他芯片的算力，动辄每秒计算上万亿乃至上百万亿次；都普遍应用了AI技术，从而实现图像识别、语音识别等功能；另外，它们通常都很贵。

不过，由于肩负的职责不同，两者也有不少区别——ADAS域控制器涉及行车安全，因此往往要求更严苛的车规认证，更高的功能安全等级（常常是ASIL-D）；因为要处理庞大的传感器数据，ADAS域控制器的芯片算力通常也更高，自动驾驶能力越高的车辆，算力更强。而智能座舱域对安全不那么敏感，因此安全等级要求适当放宽，但需要对互联网应用生态有较好的兼容性。

因为处在剧烈的变动中且有着很高的附加值，ADAS域与智能座舱域的计算芯片竞争激烈，传统芯片供应商试图固守这片高利润市场，跨界的巨头和新兴的创企则渴望攀上价值高地，就连车企在感悟到掌握硬件的重要性后也试图自研ADAS芯片。

在ADAS域控制器与其适用的芯片上，传统供应商的主流产品包括Mobileye的EyeQ4/5，瑞萨的R-Car，恩智浦的S32V，德州仪器的Jacinto系列（J6、J7）等，跨界巨头则有英伟达的Drive AGX（包括已量产的Xaiver和还未装车的Orin），高通基于Arm架构芯片打造的Snapdragon Ride系列，华为基于昇腾系列芯片打造的MDC，以及国内创企地平线推出的征程2/3。

特斯拉为了更好的功能与效果，选择了自研FSD芯片。不过需要注意的是，虽然特斯拉将FSD称为“全自动驾驶”，但就其目前表现与特斯拉在向主管部门汇报的口径上，它仍是ADAS功能，因此FSD芯片实质上是一块用于辅助驾驶计算的芯片。

而在智能座舱域，上面提到的传统供应商同样有着命名相同或者相近的产品线，基于和传统车企的长期供应关系，他们仍占有市场份额的大头。但由于智能座舱正在紧密地和移动互联生态结合起来，因此在手机SoC颇有统治力的高通，在这一市场正取得越来越大的份额，其骁龙810A、8155颇受智能汽车尤其是国产智能汽车的欢迎。华为则在这一市场布局710A，辅以鸿蒙生态互联谋取市场。

另外，很早便试图布局这一市场的英特尔，因为芯片架构生态的缘故表现不佳，不久之前刚刚被特斯拉抛弃。而英特尔的竞争对手AMD，则通过为特斯拉供应新的车机芯片，进入了这一市场。

根据不同咨询机构的数据，ADAS与智能座舱会在数年之后成长为价值上千亿美元的巨大市场。作为其中成本最高的计算芯片，显然还会在今后一段时间内上演新老势力的激烈角逐。