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企航顾问车规级芯片认证标准服务

2024-02-13 17:22阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/6872048864

一颗汽车芯片从设计流片、车规认证、车型导入验证、到量产装车，通常需要3-5年的时间。而只有最终大规模落地量产，实现盈利，企业才能真正地活下来。这整个周期，就像是一场残酷的军备竞赛。而这一切的基础，是车规认证带来的安全保障。汽车芯片企业只有建立起车规理念及文化，坚持产品的持续改进、持续认证，才能以车芯助力更安全可靠、更有竞争力的汽车产品，带来中国汽车半导体行业的真正突破。
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什么是车规级芯片？


按照应用场景，芯片通常可以分为消费级、工业级、车规级、军工级以及宇航级，不同级别的芯片有不同的要求，以保证芯片的稳定运行。
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芯片等级划分
汽车芯片，即“车规级芯片Automotive Grade”，指满足汽车质量管理体系，符合可靠性和功能安全要求的集成电路。区别于消费芯片与工业芯片，汽车芯片的工作环境恶劣、安全等级高、使用寿命长，因此车规级芯片要求高可靠性、高安全性、高稳定性。其中，高可靠性主要针对温度、湿度、抗震动、抗电磁干扰、使用寿命来设置标准，安全性主要在功能安全、信息安全上设置标准，高稳定性主要是要求大批量生产的一致性等。这使得车规级芯片具备极高的技术难度和进入门槛，国产化率较低。
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车规芯片与消费芯片的对比差别以及车规认证标准
汽车芯片从应用环节可以分为 5 大类：主控类芯片、功率类芯片、模拟类芯片、传感器芯片、存储类芯片等。

  • 主控类芯片负责计算与控制，包括MCU芯片和SoC芯片等，分布在如发动机、底盘和车身控制，以及中控、辅助驾驶（ADAS）和自动驾驶系统等；
  • 功率类芯片负责功率转换，一般应用于电动车的电源和接口；
  • 模拟类芯片承担着连接现实世界和数字世界的桥梁作用，主要分为信号链芯片与电源管理芯片两大板块；
  • 传感器芯片负责将物理量、化学量、生物量等转换成电信号，分为车身感知传感器和环境感知传感器；
  • 存储器芯片负责数据存储，分为闪存和内存，其中闪存包括NAND Flash和NOR Flash，内存包括DRAM和SRAM。
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汽车芯片的类别


车规级芯片的细分领域


主控芯片——智能化的核心
主控芯片用来生成汽车主要控制信号的计算和生成功能。主控芯片通过接受各类传感器搜集到的信号，进行计算相对的处理措施，并将驱动信号发送给对应的控制模块。因此主控芯片相当于汽车的“大脑”。

1、MCU-控制指令运算的基础芯片
主控芯片中，MCU是汽车需求量最大的基础性芯片。车载MCU是汽车电子控制单元（ECU）的核心部件，负责各种信息的运算处理，主要用于车身控制、驾驶控制、信息娱乐和驾驶辅助系统。一辆汽车中所使用的半导体器件数量中，MCU占比约 30%，每辆车至少需要 70 颗以上的MCU 芯片，随着汽车不断向智能化演进，MCU 的需求增长也将越来越快，智能汽车的MCU需求量达到300颗。


IC Insights统计数据显示，2021年，汽车MCU需求旺盛，市场规模大幅增长23%，达到76.1亿美元；2025年，市场规模预计将达到近120亿美元，对应2021-2025年复合平均增速为14.1%，该复合增速明显高于未来三年整体MCU市场的增速8%。


全球汽车MCU市场被外资厂商高度垄断，包括瑞萨电子、恩智浦、英飞凌、德州仪器、微芯电子、意法半导体等。2021年CR5约占90%，市场集中度高。2021年，国产MCU公司在疫情时期异军突起，从中低端产品入手，逐步向高端进阶，国产头部MCU公司包括比亚迪半导体、杰发科技、芯旺微目前有32位成熟量产芯片；同时芯必达、智芯、云途、旗芯微、琪埔维团队过往均脱胎于汽车芯片头部公司，有完整车规芯片行业经验，产品进入量产导入阶段；部分消费MCU公司跨界车规赛道产品仍有待市场检验。

2、SoC-智能运算的大算力芯片
随着汽车智能化的演进，智能座舱和自动驾驶对汽车的智能架构和算法算力提出更高的要求，这将推动汽车芯片快速转向搭载算力更强的SoC芯片进化。SoC芯片集成了CPU、GPU、FPGA、DSP、NPU、ASIC等不同类型芯片，不同芯片各司其职，可实现大量数据的并行计算和复杂的逻辑功能。SoC芯片主要分为自动驾驶芯片和智能座舱芯片，需具备强大的算力和低功耗，以满足大量数据的计算的同时，降低功耗以实现电动车较好的续航里程。


自动驾驶芯片：自动驾驶芯片一方面需要满足更高的安全等级，同时随着自动驾驶级别的提升，需要更高的算力支持，L2级自动驾驶的算力需求仅要求2-2.5TOPS，来到但是L3级自动驾驶算力需求就需要20-30TOPS，到L4级需要200TOPS以上，L5级别算力需求则超过2000TOPS，为满足高算力需求，未来自动驾驶芯片会往集成“CPU+XPU”的异构式 SoC（XPU包括 GPU/FPGA/ASIC 等）方向发展。


根据当前自动驾驶芯片的市场情况，支持L2级别自动驾驶的SoC的成本大约是 50 美元，需要2颗SoC芯片；L3 级别自动驾驶芯片价格为 1500 人民币（拆分特斯拉 HW3.0 域控制器，其自动驾驶域的芯片成本约为 3000 元），对应2颗芯片。假设L4-L5自动驾驶芯片单片价格为 400 美金（与英伟达 Orin 芯片价格一致），需要3-4颗芯片，我们预计中国自动驾驶芯片的市场规模将在 2025 年达到 138 亿元，到 2030 年达到 289 亿元，十年复合增长率预计可达 25.1%。


智能化下半场的开启也掀起了自动驾驶芯片的军备竞赛，英伟达目前在高级别自动驾驶中遥遥领先，国产AI芯片如地平线、黑芝麻、芯驰在平价车型市场形成一定优势。
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自动驾驶SoC芯片对比
智能座舱芯片：智能座舱芯片相比于自动驾驶芯片对安全的要求相对更低，未来车内“一芯多屏”技术的发展将依赖于智能座舱 SoC，同时座舱的功能进一步丰富，集成了环视、DMS、OMS以及部分ADAS功能，芯片本身也将朝小型化、集成化、高性能化的方向发展。


单颗智能座舱芯片根据低端到高端性能的补贴，价格浮动较大，比如20万以上售价的热销车型比亚迪汉搭载老款高通 625 芯片低端座舱芯片售价约15美元/颗（消费级芯片），高通 820A 的价格为 60 美元；高端高通骁龙 8155P SOC 的价格约为 250 美元（折合人民币约 1688 元），根据中国汽车工业协会数据，2022年中国乘用车销量2054万辆，假设未来按照 CAGR=3%增长；假设单SOC价格 750 元测算，那么预计 2025 年国内座舱 SOC 市场规模 达到 112 亿元，CAGR 为 24%。


目前智能座舱SOC厂商主要有传统电子厂商(如NXP、瑞萨、TI等)和消费电子厂商(如高通、三星、华为等)两类，后者在性能方面有明显优势。
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智能座舱SoC芯片对比
长期来看，座舱域控制器与其他域控制器将进行跨域融合，现阶段相对独立发展的智驾芯片和座舱芯片有望实现二合一。


功率半导体——电动车的心脏
功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心，用于控制电压和电流，主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等。汽车中的功率半导体应用包括电机逆变器、DC/DC、高压辅助驱动和 OBC 充电器等，是电动车的刚需芯片。


功率器件从硅基 MOSFET 发展为 IGBT，IGBT是集成了 MOSFET和三极管的器件，具有二者各自的优点，即具备高速开关的特点，同时通过降低通态电压能够对电路起到缓冲保护作用，具有损耗小、通态压降低、输入阻抗高和驱动功率小等优势。随着汽车800V高压的普及，Si-IGBT器件存在导通损耗上升、成本上升但能效下降的潜在问题，而 SiC-IGBT 具有更好的阻抗性能和能耗，未来大规模生产后，成本效益更加明显。


据英飞凌统计，在纯电动车型中，由于电动机和电控系统取代传统机械结构的动力系统，使功率半导体用量大幅提升，占比达55%，功率半导体将从传统燃油车的71美元大幅提升至全插混/纯电汽车的330美元，是传统燃油车的4.6倍，特别是MOSFET和IGBT（包括单管及模组）的增长较为显著。据贝壳投研数据，2021年中国车规级IGBT市场规模为47.8亿元，预计到2025年，其将达到151.6亿元。据芯谋研究数据，2021年和2025年中国车规MOSFET的市场规模分别为73.5 亿元和 122.5 亿元。据盖世汽车研究院，SiC芯片刚刚起步，2021年市场规模为2.6亿美元，2025年预计将达到6.5亿美元。


竞争格局方面，根据IHS数据，2020年全球汽车功率半导体市场，英飞凌占比14%、市占率最高；前五大企业共计占比39%、行业集中度较高，目前处于欧美企业主导的情况。国内汽车功率半导体市场，英飞凌依然占比最高、为14%；前五大企业共计占比42%、占比仍然较高，依然是欧美厂商处于主导地位。目前国内头部企业技术不断进步，包括比亚迪半导体、华润微、士兰微、三安光电、闻泰科技、时代电气、斯达半导均有积极布局，在硅基IGBT和MOSFET技术进步飞速，随着新能源汽车需求的增长和国内功率半导体企业产能逐渐释放，国内企业市场份额有望进一步扩大。
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2020年全球与中国汽车功率半导体竞争格局
碳化硅作为新兴第三代半导体材料，对稳定性要求较高，并有较长的验证周期，因此中国厂商切入较为缓慢，海外公司起步早、技术成熟，在该领域处于垄断地位。根据 Yole 统计，2021年碳化硅功率器件市场份额CR5>90%，其他厂商合计占比仅5%。其中，意法半导体与特斯拉存在合作关系，向后者提供 SiC MOSFET 模块，目前在碳化硅功率器件市场中占据最大的市场份额。中国碳化硅厂商主要以碳化硅二极管IDM企业为主，比亚迪半导体、斯达、时代电气在新能源车领域已有SiC模块应用，新兴厂商如利普思、致瞻、芯聚能、基本半导体也在积极尝试其SiC模块的上车应用。
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国产碳化硅厂商布局情况


传感器——让电动车具备感知能力
汽车传感器可分为车辆状态传感器和环境感知类传感器。车辆传感器是传统的感知器件，应用在动力（发动机温度传感器、进气传感器、曲轴位置传感器等）、传动系统（位置传感器、液压油温度传感器、变速箱压力传感器等）、底盘（TPMS 传感器、ESP 加速度传感器等）和车身（雨量传感器、温度传感器等），一辆中端汽车装配超过90个传感器，其中在动力总成系统占45-60个，车身系统中装配超过20个，底盘系统中装配30-40个，总价值量超过2000元。
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传统汽油车(中高配) 主要传感器种类及个数汇总
环境感知类传感器是自动驾驶中新增的传感器，主要有激光雷达、毫米波雷达、摄像头等。在环境传感器零部件价格上，摄像头用于环视等的广角摄像头价格较便宜约 150元/个，用于前视功能的单目及多目摄像头附加值较高，单价在 600 元以上；毫米波雷达 24Ghz 约 300 元/个作为角雷达使用，77Ghz 约 700 元/个；近距离泊车用的超声波雷达的价格最为便宜约 70 元/个。根据传感器单价及配置方案，我们预计 L1 至L4 级别的传感分别为 1580 元、3600 元、11460 元、16960 元。从 L2 到 L3 级方案，传感器配置需要有较大的提升，主要是增加了激光雷达、惯性导航等新型传感器。
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不同智能驾驶级别的传感器方案估算
自动驾驶汽车渗透率提升叠加单车感知层硬件需求量攀升，推动汽车感知层硬件放量，我们预计未来五年感知层硬件市场有望实现高复合增速成长。我们测算车载摄像头（模组）、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达 20-25 年 CAGR 分别为 25%、25%、64%和 74%，预计到 2025 年

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