01 前言
最近一段時(shí)間，大家一直在談?wù)撈囆袠I(yè)缺”芯“、”芯“荒。因?yàn)槠?a href='http://www.mgsoxford.com/kw-14.html' target='_blank'>芯片缺貨，有的OEM甚至不得不短暫停產(chǎn)。
那么，到底什么是汽車芯片呢？是什么原因?qū)е缕囆酒倘保窟@里簡(jiǎn)單梳理下。
02 什么是芯片
幾個(gè)概念
談?wù)撈囆酒覀兿葟男酒_始。提到芯片，離不開半導(dǎo)體、晶體管、集成電路等基本概念：
-半導(dǎo)體，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料。
-晶體管，半導(dǎo)體制成的器件，具有整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓等多種功能。
-集成電路，通過半導(dǎo)體工藝，把一定數(shù)量晶體管、電阻、電容等集成具有特定功能的電路。
-芯片，集成了電路的半導(dǎo)體元件統(tǒng)稱，通常是由硅半導(dǎo)體制作成硅片，再在其上集成電路而成。
芯片是集成電路載體，兩者表達(dá)意思上通常可互換。但芯片更強(qiáng)調(diào)集成電路實(shí)體，集成電路更強(qiáng)調(diào)電路本身。
幾個(gè)參數(shù)
芯片制造過程可簡(jiǎn)述為：先把硅石提純，熔化提拉為單晶硅圓柱并切片為晶圓；再根據(jù)芯片設(shè)計(jì)電路，通過光刻、刻蝕、摻雜等在晶圓上集成電路；最后，芯片從晶圓上切下來，貼片、封裝并測(cè)試。
-芯片制程：芯片晶體管柵極寬度的大小。數(shù)字越小，晶體管密度越大，芯片性能就越高。逐漸縮小的芯片制程數(shù)字，代表著芯片技術(shù)進(jìn)步的方向。
-晶圓尺寸：目前主要有6英寸、8英寸和12英寸。提升晶圓直徑是為了提升單晶硅的利用率從而降低成本，但越大的晶圓工藝一致性越差且越大的晶圓工藝設(shè)備成本越高。
-芯片大小：越大的硅片遇到雜質(zhì)的概率越大，所以芯片越大良品率越低。除此之外，大芯片的布線比小芯片更長(zhǎng)，所以延時(shí)也更明顯，驅(qū)動(dòng)電流也大很多，由此導(dǎo)致整體設(shè)計(jì)更臃腫，性能上還是會(huì)吃虧。
芯片加工過程
幾個(gè)縮寫
芯片按功能和實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，分為CPU、GPU、DSP、FPGA、ASIC等。按集成度，包括MCU和SoC等：
-CPU，中央處理器：善于處理邏輯控制，調(diào)度、管理和協(xié)調(diào)能力強(qiáng)，計(jì)算能力位于其次；
-GPU，圖像處理器：善于處理圖像信號(hào)，設(shè)計(jì)初衷是為了應(yīng)對(duì)圖像處理中需要大規(guī)模的并行計(jì)算；
-DSP，數(shù)字信號(hào)處理器：能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的芯片，可以用來快速的實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法；
-FPGA，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列：為半定制芯片，具備硬件可編程能力，但開發(fā)難度大、價(jià)格昂貴；
-ASIC，專業(yè)集成電路：為實(shí)現(xiàn)特定要求而定制的芯片，具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但靈活性不夠，一次性研發(fā)費(fèi)高、周期長(zhǎng)；
-MCU，芯片級(jí)芯片，一般只含CPU這一個(gè)處理器單元，同時(shí)集成有存儲(chǔ)、接口單元等；
-SoC，系統(tǒng)級(jí)芯片，一般含多個(gè)處理器單元，如CPU、GPU、DSP、NPU等，同時(shí)集成有存儲(chǔ)、接口單元等。
MCU和SoC芯片
03什么是汽車芯片
車規(guī)級(jí)要求
芯片按應(yīng)用場(chǎng)景可分為消費(fèi)芯片、工業(yè)芯片、汽車芯片和軍工芯片等。汽車是芯片應(yīng)用場(chǎng)景之一，汽車芯片需要具備車規(guī)級(jí)。
車規(guī)級(jí)芯片對(duì)加工工藝要求不高，但對(duì)質(zhì)量要求高。需要經(jīng)過的認(rèn)證過程，包括質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)ISO/TS 16949、可靠性標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q100、功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262等。
汽車內(nèi)不同用途的芯片要求也不同，美國(guó)制定的汽車電子標(biāo)準(zhǔn)把其分為5級(jí)。汽車各系統(tǒng)對(duì)芯片要求由高到低依次是：動(dòng)力安全系統(tǒng) > 車身控制系統(tǒng) > 行駛控制系統(tǒng) > 通信系統(tǒng) > 娛樂系統(tǒng)。
車規(guī)級(jí)芯片要求
汽車芯片等級(jí)
芯片種類
汽車芯片按功能，分為控制類芯片、功率類芯片、傳感器芯片和存儲(chǔ)芯片等：
-控制類芯片：按集成度分，主要有單片機(jī)MCU和系統(tǒng)級(jí)芯片SoC；
-功率類芯片：IGBT和MOSFET兩種結(jié)構(gòu)為主流，燃油車一般使用低壓MOSFET，BEV車IGBT和高壓MOSFET占據(jù)主流；
-傳感器類芯片，分為車輛感知和環(huán)境感知兩大類傳感器芯片；
-存儲(chǔ)器芯片，分為內(nèi)存RAM和閃存Flash，內(nèi)存斷電丟失數(shù)據(jù)，閃存斷電不丟失數(shù)據(jù)。
汽車芯片在車上應(yīng)用領(lǐng)域主要有：環(huán)境感知、決策控制、網(wǎng)絡(luò)/通信、人機(jī)交互、電力電氣等。
汽車芯片應(yīng)用
發(fā)展趨勢(shì)
傳統(tǒng)汽車上，MCU芯片是占比最大的半導(dǎo)體器件。隨著汽車發(fā)展，有如下幾種趨勢(shì)：
-汽車電子化，ECU數(shù)量持續(xù)增加，對(duì)MCU需求持續(xù)上升；
-汽車智能化，推動(dòng)著環(huán)境感知傳感器芯片需求增加；
-智能座艙和自動(dòng)駕駛發(fā)展，推動(dòng)轉(zhuǎn)向算力更強(qiáng)的SoC芯片；
-新能源汽車發(fā)展，對(duì)功率類芯片IGBT和MOSFET需求旺盛。
汽車芯片MCU到SoC發(fā)展
04 自動(dòng)駕駛芯片
發(fā)展階段
自動(dòng)駕駛發(fā)展三個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的自動(dòng)駕駛芯片應(yīng)用變化：
傳感器芯片階段：博世等Tier1將毫米波雷達(dá)搬到車上，實(shí)現(xiàn)ACC、AEB，一般是賽靈思芯片上處理數(shù)據(jù)。同時(shí)，Mobileye選用攝像頭，實(shí)現(xiàn)AEB、LKA，用其自研EyeQ系列芯片進(jìn)行計(jì)算；各自發(fā)展一段時(shí)間后，將雷達(dá)和攝像頭結(jié)合，實(shí)現(xiàn)ICA，一般選用攝像頭為主傳感器；
向域控過渡階段：特斯拉為代表，基于英偉達(dá)的Drive PX芯片研發(fā)了域控制器做決策，早期仍選用Mobileye，但額外安裝了攝像頭來收集道路數(shù)據(jù)。特斯拉有了足夠多的數(shù)據(jù)后，傳感器原始信息開始在域控制器內(nèi)部進(jìn)行處理，然后自行進(jìn)行融合和決策。
計(jì)算集中化階段：等傳感器原始信息全部在域控制器內(nèi)部進(jìn)行處理，就不再需要在攝像頭或者雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)安裝賽靈思的計(jì)算芯片，同時(shí)傳感器的種類和數(shù)量也不斷增加，自動(dòng)駕駛計(jì)算架構(gòu)向著集中計(jì)算架構(gòu)轉(zhuǎn)變，特斯拉等車企甚至自研自動(dòng)駕駛芯片。
主流架構(gòu)
目前三種主流的自動(dòng)駕駛SoC芯片架構(gòu)為：CPU+FPGA、CPU+GPU+ASIC、CPU+ASIC：
-CPU+FPGA：如谷歌Waymo、百度Appllo；
-CPU+GPU+ASIC：如英偉達(dá)Xavier=CPU+GPU+ASIC（DLA深度學(xué)習(xí)+PVA視覺加速器），特斯拉FSD=CPU+GPU+ASIC（NPU深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）；
-CPU+ASIC：如Mobieye EyeQ5=CPU+ASIC（CVP傳統(tǒng)視覺+DLA深度學(xué)習(xí)+MA多線程加速），地平線征程2=CPU+ASIC（BPU-AI任務(wù)處理）；
自動(dòng)駕駛算法尚未成熟固定前，CPU+GPU+ASIC架構(gòu)仍為主流；成熟后，定制批量生產(chǎn)的AI芯片（ASIC）將逐漸取代高功耗GPU，CPU+ASIC架構(gòu)將成為主流。
專業(yè)AI芯片（ASIC）針對(duì)AI算法采取特殊設(shè)計(jì)，具有體積更小、功耗更低、可靠性更高、性能更高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是一次研發(fā)費(fèi)高、周期長(zhǎng)。
目前自動(dòng)駕駛芯片主流架構(gòu)
芯片廠家
汽車芯片市場(chǎng)，跨國(guó)公司占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)，我國(guó)90%以上汽車芯片依賴進(jìn)口。目前汽車上使用占比最大的MCU芯片，被恩智浦、德州儀器、瑞薩等壟斷，外來者鮮有機(jī)會(huì)入局。
隨著汽車智能化的發(fā)展，消費(fèi)領(lǐng)域芯片巨頭紛紛進(jìn)軍汽車芯片領(lǐng)域。目前智能座艙芯片被高通、英偉達(dá)、恩智浦等壟斷；英偉達(dá)、英特爾在自動(dòng)駕駛芯片上占得先機(jī)，國(guó)內(nèi)芯片廠家華為、地平線、黑芝麻等公司迎來機(jī)會(huì)。
消費(fèi)芯片巨頭進(jìn)軍汽車芯片
商業(yè)模式
傳統(tǒng)汽車芯片廠為Tier2，MCU交到Tier1做成ECU、DCU等控制器產(chǎn)品。但隨著汽車向車載計(jì)算平臺(tái)發(fā)展，具備提供軟硬件全棧能力SoC芯片供應(yīng)商或成為新Tier1。如英偉達(dá)對(duì)接小鵬、地平線對(duì)接長(zhǎng)安、Mobileye對(duì)接吉利等。
SoC芯片供應(yīng)商或成為新Tier1
05 結(jié)束語
汽車芯片出現(xiàn)短缺，直接原因是，疫情影響外加芯片廠家過度集中導(dǎo)致芯片產(chǎn)能不足的結(jié)果；根本原因是，汽車芯片廠家發(fā)展速度與汽車電子化、智能化和新能源汽車快速發(fā)展對(duì)汽車芯片的剛性需求的不匹配。
