MCU

是什么卡住了車用MCU的脖子？

第一電動大牛作者電動汽車觀察家 2021-07-01 09:48

缺芯缺芯，最缺是MCU——這個一輛汽車上少則70多顆，多則300多顆的小東西，憋死多少英雄漢。

“現(xiàn)在國內一些客戶，因為拿不到芯片，已經被逼得將不帶功能安全的MCU應用在EPS（電動助力轉向系統(tǒng)）上了。”中國一家MCU設計企業(yè)的銷售人士向《電動汽車觀察家》透露。

不帶功能安全是什么意思？

簡單點說，這相當于在槍林彈雨中，和人沒穿防彈衣一個效果。

缺芯片給更多企業(yè)帶來的影響是減產、停產，例如，此前停產三天的蔚來汽車，還有長城歐拉黑貓、哪吒汽車等品牌產出也受影響。

關鍵芯片的缺失，對汽車產業(yè)鏈也造成了影響，EPS、胎壓檢測上的芯片，以及電池包上用的電流傳感器上的芯片都很缺貨，這也導致非芯片類的零部件裝機量受到很大影響。

咨詢研究機構艾睿鉑發(fā)布的《2021年全球汽車市場展望》報告預測，今年半導體短缺將使全球汽車凈產量減少390萬輛，損失達1100億美元，預計今年第四季度缺芯問題會被緩解。

芯片短缺帶來的影響，鋼鐵俠馬斯克掌舵的特斯拉也不能幸免。

6月2日，馬斯克在回復一位Twitter用戶時直言，供應鏈帶來了巨大挑戰(zhàn)，尤其缺的是微控制器芯片（MCU）。馬斯克稱友商搶購芯片猶如疫情初期美國人“囤廁紙”一樣夸張。

《電動汽車觀察家》與多位內業(yè)人士溝通了解到，目前整車上MCU、SoC（system-on-chip，系統(tǒng)單晶片）等芯片都缺貨。目前最缺貨的還是MCU，而且價格已經飆漲10-20倍。

那么MCU到底是做什么用的？中國的產業(yè)鏈情況如何？未來的發(fā)展前景又是如何？《電動汽車觀察家》征詢了芯片設計企業(yè)和芯片產業(yè)鏈投資公司相關負責人、業(yè)內專家，試圖解答上述問題。

中國車用MCU現(xiàn)狀

先來解決一個問題，什么是MCU？

MCU（Microcontroller Unit；微控制單元）是嵌入式應用的最核心器件，被稱為萬物互聯(lián)智能終端的“中樞神經”。MCU又被稱為單片機，是將CPU、存儲器單元（RAM/ROM/Flash）、計數(shù)器、A/D轉換以及周邊接口等整合在單一芯片上，形成芯片級的微型計算機。

MCU的特點是高性能、低功耗、可編程、靈活性好，因此可應用在包括可穿戴設備、家電、汽車電子、無線網絡等各類物聯(lián)網應用。

汽車上的MCU在可以控制汽車動力、娛樂、空調系統(tǒng)等。單車中需求量非常大，傳統(tǒng)汽車平均單車用量達到 70 顆以上，而智能汽車單車用量有望超過300顆。

資料來源：MCU 中文技術社區(qū)

（1）中國缺乏設計和生產企業(yè)

首先，與此相對應的是，中國自主品牌中能設計車規(guī)級MCU的公司數(shù)量很少，產品市占率極低，甚至可以忽略不計。

晶圓上的小方塊就是芯片

Wind數(shù)據顯示，目前國內汽車行業(yè)中車用芯片自研率僅占10%，90%的汽車芯片都必須依賴從國外進口，其中前裝芯片95%是進口的，后裝超過80%是進口，國內芯片企業(yè)在汽車產業(yè)鏈中缺失話語權。

一位業(yè)內人士告訴《電動汽車觀察家》，由于車規(guī)級MCU研發(fā)周期長，認證要求遠高于消費和工業(yè)級 MCU，中國僅幾家企業(yè)能夠實現(xiàn)中低端品類的量產，國產滲透率很低。而且基本集中在車身領域，涉及底盤功能安全的幾乎沒有。

根據IHS Markit 的數(shù)據，2020年全球車規(guī)級MCU市場TOP 7市占率達到98%，其中瑞薩電子30%，恩智浦26%，英飛凌14%，賽普拉斯（2019年被英飛凌并購）9%，德州儀器和微芯科技均為 7%，意法半導體5%。中國企業(yè)無一上榜。

資料來源：國泰君安《芯片短缺對汽車行業(yè)影響幾何》

芯片制造好后，需要從晶圓上切割下來，接上導線、裝上外殼并測試，這個過程叫封測。

在芯片封測領域，中國大陸已經成長出三大巨頭，分別為長電科技、華天科技、通富微電，但是作為末端環(huán)節(jié)，科技含量略低。

（2）中國車規(guī)級MCU芯片企業(yè)努力追趕

2018年是中國車規(guī)級MCU的元年——四維圖新旗下杰發(fā)科技和比亞迪都推出了車規(guī)級的MCU芯片。

此時，中國車規(guī)級MCU尚處于起步階段，有能力設計的企業(yè)寥寥無幾，能夠生產車規(guī)級芯片的代工廠更少。

四維圖新MCU產品線負責人童強華告訴《電動汽車觀察家》，他們設計的產品都是55nm的，屬于成熟制程，其實并沒有太高的生產技術壁壘，但是中國大陸的晶圓廠沒有成熟穩(wěn)定的55nm車規(guī)級生產線，他們只能都交由臺積電等外部晶圓大廠生產。

不僅是四維圖新，全球70%的車規(guī)級MCU產能都在臺積電。

車規(guī)級MCU的研發(fā)設計到量產的過程艱辛且漫長，而且需要巨資投入。

“芯片從布局到量產，這個周期大概在2-3年時間，我們第一代MCU從研發(fā)到量產就花了2年多的時間。一代MCU至少是數(shù)千萬元級別的資金投入。”

在童強華看來，車規(guī)級芯片發(fā)展過程中最缺的還是人才。

“這不是學集成電路畢業(yè)2-3年可以做的事?！蓖瘡娙A表示，杰發(fā)科技在汽車芯片設計領域已經有10多年的經驗，這才有能力設計出中國第一顆車規(guī)級MCU。

當然，中國企業(yè)也在努力追趕。中國的設計的MCU芯片，除了前面提到的杰發(fā)科技推出的AC781x/AC7801x系列，還有比亞迪半導體 BF711x/BF7106系列、芯旺微電子 KF8A/KF32A系列、賽騰微電子 ASM87/ASM30系列、琪埔維半導體XL6600系列、華大北斗HD80xx/HD9xxx系列、國芯科技 CCM3310/CFCC2002/CFCC2003系列，此外還有兆易創(chuàng)新、中穎電子、智芯半導體、蜂馳高芯、云途半導體等也在涉足車規(guī)級芯片。

杰發(fā)科技MCU

其中比亞迪半導體成績也頗為突出，其主要業(yè)務覆蓋功率半導體、智能控制IC、智能傳感器及光電半導體的研發(fā)、生產及銷售，擁有包含芯片設計、晶圓制造、封裝測試和下游應用在內的一體化經營全產業(yè)鏈。截至5月份，其生產的MCU已經量產裝車了1000萬顆。

（3）受美國封鎖，產業(yè)鏈不完善

即使中國具備了設計、生產能力，其實在芯片的上游還有很多卡脖子的環(huán)節(jié)。

例如光刻機和光刻膠。

中國無法生產高端芯片的核心原因就是沒有高端光刻設備——光刻機。

荷蘭ASML是當今世界最先進的EUV光刻機生產商，而且只此一家，是絕對的壟斷。

但受限于早期的《瓦森納協(xié)定》，高端光刻機對中國來說一直是被禁售的產品。

目前上海微電子等企業(yè)正在自主研發(fā)新一代光刻機，不過技術方面仍與ASML存在一定差距。

除了高端光刻機，另一卡脖子的產品就是光刻膠。

5月27日，外媒透露，日本光刻膠龍頭企業(yè)信越化學限制向中國多家一線晶圓廠供貨KrF級別光刻膠，中國晶圓廠又面臨缺少光刻膠的窘境。

中國大陸光刻膠市場起步較晚，目前技術水平相對落后，生產產能主要集中在PCB光刻膠、TN/STN-LCD光刻膠等中低端產品，TFT-LCD、半導體光刻膠等高技術壁壘產品產能極少。

方正證券的報告數(shù)據顯示，大陸企業(yè)在全球光刻膠市場的占有率不到13%，高端半導體光刻膠的國產化率更是低于5%。

目前全球光刻膠主要企業(yè)主要集中在日本、美國，例如日本合成橡膠（JSR）、東京應化（TOK）、住友化學、信越化學，以及陶氏化學等。

在童強華看來，中國芯片上游領這些卡脖子的環(huán)節(jié)，這可能需要十年、幾十年的努力才能追趕上。

（3）自主可控難度大

這些卡脖子的環(huán)節(jié)，中國能做到自主可控么？

在中國芯片領域有著多年投資經驗的風投公司華登國際，其風險投資合伙人金偉華告訴《電動汽車觀察家》，半導體器件的產業(yè)鏈一定是全球化的。

“整個產業(yè)鏈不可能集中在一個國家或者一個地區(qū)內。”金偉華說，“它的產業(yè)鏈科技含量非常高，需要集全球頂級資源通力合作才能完成?！?/span>

半導體制造業(yè)使用多達300種不同的投入，其中許多也需要先進的生產技術。僅EUV光刻機的生產就依賴于全球供應鏈：ASML開發(fā)的EUV光刻設備包含約5,000多個供應商提供的大約100,000個零件，需要英、美、德、日等國的供應商協(xié)同合作。

根據白宮的供應鏈評估報告：半導體器件在生產過程涉及多國多地區(qū)，其產品可能要跨越70次國際邊界，整個過程需要長達100天，其中約有12天是供應鏈步驟之間的中轉。

近期，美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）與波士頓咨詢集團（BCG）發(fā)布的《政府激勵和美國半導體制造業(yè)競爭力》報告顯示，如果想在每個主要地區(qū)建立一系列完整的半導體國內供應，需要投入9000到12250億美元的前期投資，以及450億—1250億美元的增量年運營成本（不包括新的前期投資的折舊），這只會抵消該行業(yè)的利潤。

根據統(tǒng)計，2019年，整個半導體供應鏈的利潤僅有1,260億美元。

為何缺貨

雖然中國設計、生產能力不足，且MCU產能相對集中，但是之前從未出現(xiàn)過如此嚴重的芯片短缺情況。

比亞迪產品規(guī)劃及汽車新技術研究院院長楊冬生稱這次芯片短缺為“百年一遇”。

業(yè)內對缺貨原因的分析已經非常多。

主要是去年疫情影響，主機廠訂單削減、Tier1訂單也削減，最終傳導到晶圓廠。晶圓廠產能轉移到消費類電子產品。去年年底開始，汽車市場超預期反彈，芯片產能跟不上。

此外，黑天鵝事件頻發(fā)：2021年2月美國奧斯汀州的大雪，日本瑞薩電子的火災，影響了幾座晶圓廠的生產，還有意法半導體的罷工，都對供應產生了一定影響。

不過，其根本原因恐怕似乎采購周期不匹配和晶圓廠生產意愿不強導致。

（1）車企采購方式不適應芯片制造

比亞迪半導體有限公司總經理陳剛認為，這是供需的信息鏈的傳遞的問題，因為疫情的原因，行業(yè)企業(yè)對供需端的信息傳遞不夠導致。

或者說車企的采購周期與芯片生產節(jié)奏嚴重不匹配。

例如，整車企業(yè)的代表，豐田采用的“Just-In-Time”的經營手法，即盡力減少庫存水準。

一般來說，具體流程是先由OEM向Tier1 企業(yè)下訂單；Tier1 企業(yè)根據訂單需求向IC原廠下單；然后IC原廠再向上游晶圓代工廠和封測環(huán)節(jié)預定產能。

就半導體的生產而言，從晶圓入廠，而后經歷500道工序（尖端產品需要約1,000道工序），整個過程需要2-3個月左右的時間。也就是說，至少在半年之前車企就要下發(fā)所需的車載半導體訂單。

這次突襲的疫情，打亂了車企的生產計劃，由于不能生產新車，供應商就會一層層削減訂單，最終向臺積電下發(fā)的訂單也大幅減少。

而家用電腦、游戲機等市場，在疫情影響下大幅增長；由于遠程辦公的影響，全球范圍內通信數(shù)據的大幅度增長，同時帶來數(shù)據中心，他們的數(shù)據中心都需要大量的服務器，這些服務器又都需要搭載高性能的處理器。

因此，High Performance Computing（高性能計算）的占比大幅度提升，擠占了車載半導體的產線。

從去年5月份開始，中國汽車需求復蘇超預期，IC廠的訂單暴增1-2倍，10-12月進一步提升至3-4倍，但是晶圓廠的產能跟不上需求。截至2021年5月芯片交付周期已經長達1年。

安森美半導體的首席執(zhí)行官Hassane El-Khoury一語道破了這種采購和供應節(jié)奏的不匹配，“我的客戶可以在30天內取消訂單，而我要花兩年時間來建立產能，顯然，這并不是一種明智的投資。”

所以芯片生產商更傾向于接一些長期且穩(wěn)定的訂單。

（2）晶圓廠生產意愿不強

如果不是迫于各方壓力，臺積電恐怕也不太愿意拿更多產能生產車載半導體。High Performance Computing產品利潤高、需求大、要求低，臺積電自然會優(yōu)先考慮生產這類產品。畢竟，根據去年的銷售額來看，汽車芯片在只占臺積電銷售額的3%，但是工藝要求卻接近軍工級別。

從數(shù)據上來看，汽車級MCU的要求明顯高于工業(yè)級別，溫度方面商業(yè)級僅需要滿足工作溫度0~70度，工業(yè)級-40~85度，但是汽車級要滿足-40~125+度；汽車級的良率要≤1 DPPM。

資料來源：網絡

童強華告訴《電動汽車觀察家》，生產車規(guī)級芯片還需要“產線認定”，這個周期也很長。

所謂“產線認定”是指為了實現(xiàn)“零不良率”，汽車相關廠家在半導體工廠生產汽車芯片時，針對產線實行的檢查稽核。只有在半年乃至一年的時間內連續(xù)生產某種汽車芯片，并且可以穩(wěn)定地生產出正常工作的產品時，汽車企業(yè)才會對芯片產線進行“認定”。通過這一“認定”往往需要1-2年時間。被“認定”的產線工藝由固定工序組成，原則上不可以更改生產設備、工藝條件。

前述專家表示，達到汽車標準需要通過的是一系列綜合的認證，例如需獲得可靠性標準AEC-Q系列、質量管理標準ISO/TS16949認證其中之一，此外需要通過功能安全標準ISO26262 ASIL 認證，基本只有符合上述各種硬性條件的半導體器件，才能通過車規(guī)級認證。

具體到ASIL等級來看，A級普遍用于天窗等，B級普遍用于儀表盤，C級普遍用于引擎等，D級則主要用于自動駕駛和EPS（電子助力轉向）等。

雖然流程繁瑣、要求高，但是價格卻很便宜。用中國工程院院士丁榮軍的話說，“汽車行業(yè)對芯片的要求是希望達到航空航天的性能，但是賣的價格是白菜價?！?/span>

童強華也認為，汽車芯片投入產出的嚴重不匹配，使得晶圓廠對投入生產車規(guī)級產品線積極性不高。

此外，還有一點，就是車廠的恐慌性下單，超額囤貨導致芯片供應進一步加劇。

根據科創(chuàng)板日報6月21日消息，目前包括英飛凌、恩智浦、意法半導體等在內的國際大廠均出現(xiàn)交期延長的情況，交期最多延長4倍。缺貨狀況下MCU渠道市場價格飛漲，以意法半導體為例，爆款型號的渠道價格較2019年漲幅近12倍。

現(xiàn)貨市場上的價格增長更為瘋狂。

根據芯片超人的現(xiàn)貨價格顯示，去年11月份恩智浦汽車FS32K133HFT0VLLT和FS32K144HAT0KLHT兩個型號的MCU芯片價格在人民幣24元左右，今年4月份的價格分別為380元和585元，上漲了15和24倍。

汽車芯片產業(yè)結構或迎重大改變

作為芯片制造龍頭企業(yè)，臺積電在積極提升產能，計劃2021年將MCU產能提升60%，同時臺積電也表態(tài)，未來會推動建立現(xiàn)代化“Just-In-Time”供應鏈管理，并在這個復雜的供應鏈中提高需求可見度，應該能在一定程度上避免再出現(xiàn)此類供應短缺的現(xiàn)象。

不過，這額外的產能計劃于2022年下半年開始量產，到2023年中才能達到40,000片提供給全球客戶。

今年的缺口很難補上。此前，伯恩斯坦咨詢預計2021年缺芯將在全球范圍內造成產量損失200-450萬輛；IHS 預計，因為缺芯2021全年將有610億美元損失，其中中國約250億美元、歐洲約140億美元。

這次芯片短缺對汽車行業(yè)將產生深遠影響。

短期來看，影響主要包括車企停產和芯片提價。

長期來看，整車廠將重新審視采購模式以及各國在芯片領域的布局。

前述業(yè)內專家預測，未來產業(yè)結構很可能發(fā)生三方面改變。

一是，車企會很可能直接與IC原廠、晶圓代工廠進行溝通，通過提前鎖單/鎖價/鎖量等方式確保供應，Tier1的地位可能被削弱。

二是，車企直接參與芯片的產能布局，例如上汽與英飛凌合資建設IGBT工廠，這一趨勢很可能會延伸至MCU，例如特斯拉就傳出收購晶圓廠的消息。

三是，國產代工廠配套進程加快。受疫情和供應緊張的影響，國內相關晶圓代工廠有望進入芯片大廠配套名單。中國芯片企業(yè)發(fā)展迎來機遇。

雖然芯片產業(yè)鏈實現(xiàn)自主可控的難度非常大，但是新冠疫情和國際貿易爭端的嚴峻形勢下，世界各國開始審視自主可控的可行性。

美國方面，其欲投資520億美元實施“半導體激勵計劃”；韓國方面，到2030年，將向半導體領域投資510萬億韓元；歐洲計劃為芯片產業(yè)投資約500億歐元（3860億人民幣）。

中國方面，近日也有外媒報道稱，中國正針對半導體展開一項“芯片對抗”計劃，由劉鶴副總理主導，包括了龐大的投資組合，涵蓋貿易、金融和技術，目前已經預留了1萬億美元的政府資金。