申博会员登入:芯片短缺重压之下 汽车芯片的国产替代之路好走吗?

智车派 【原创】 作者:宋际金 2021-05-24 11:30
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  【申博游戏直营网】对于那些急需芯片的科技企业来说,尤其是车企,它们从未像现在这样焦虑。

  以一个互联网科技从业者的角度来观察,也许我们很难再经历这样一段特殊时期。从去年下半年开始,一场全球性的芯片短缺危机最先在芯片制造、封测、设计等上游厂商中间酝酿,随后蔓延至汽车、家电、手机等下游厂商,并最终深刻地影响到了现实世界。

芯片短缺的因和果

  面对这样一场重大的危机事件,我们很难将其归因于某个单一因素。

  半导体短缺危机可以说是在是新冠疫情爆发的背景下蔓延的。新冠病毒通过空气传播,而芯片短缺危机的形成,有一套自身的逻辑链。

半导体
半导体

  首先,处于芯片产业上游的芯片设计企业,自疫情爆发之初,其员工的工作并未受到太大影响。因为这类企业以研发人员为主,可实现远程办公。即使是像英特尔这类拥有芯片制造产业线的企业,其一线工人的数量也不会太多。总的来说就是,上游的芯片设计企业抗风险能力相对较强。

  但问题在于,即便你自身能够保证工作时间与效率,你的合作方未必能创造这种条件。要知道,芯片设计企业打交道最多的就是代工厂和封测企业,它们处于芯片产业的中下游。其中代工厂不仅要面临商务交流困难、产品认定和交付延迟等问题,还要警惕的原材料供应不足或迟滞而带来的负面影响。

  而处在芯片产业链下游的大多数封测企业属于劳动密集型企业,存在人手不足、资金周转不利以及产能紧张等问题。在这种情况下,市场并未给芯片产业太多的喘息机会,正是由于下游需求和上游产能无法协调,才引发了此次半导体行业危机。

芯片封测
芯片封测

  此外,地震、雪灾、火灾等自然灾害也导致部分厂商在短期内无法进行生产。最明显的例子可能要数今年2月份得州遭遇的寒潮天气,当时三星电子位于得州奥斯汀的半导体工厂因停电被迫关闭工厂,在一段时间内,该工厂根本无法维持运转。

  从更广阔的视野来看,随着汽车电动化、网联化、智能化的不断加深,以及5G手机渗透率的提升,各个行业新技术的长期增长正在催生一个芯片升级的“超级周期”,其持续时间可能比传统周期长得多,这势必会给物流造成很大的压力。另外,目前一辆汽车或者一部智能手机需要越来越多的芯片,给芯片制造商造成了很大的产能压力。

  众多因素导致芯片短缺,同样,它给当今世界造成的影响也极为深远。

  根据我们目前的观察,由于产品的上游原材料等成本持续上涨,且产能紧张、投产周期延长,导致芯片成本多次大幅上升,不少半导体制造商都忙着涨价。就在今年的5月6日,德普微电子、上海芯龙半导体、富鸿创芯同时发布产品调价通知函,宣布从5月6日起,所有产品全面涨价,部分产品涨价幅度高达30%。

德普微电子涨价通知
德普微电子涨价通知

上海芯龙半导体涨价通知
上海芯龙半导体涨价通知

  几乎所有的芯片制造商都明白,要解决芯片短缺的问题,最好的办法就是提高产能。但这并不是一朝一夕的事,英特尔新CEO帕特·基辛格上月中旬就表示,新建产能需要花费数年。IBM公司总裁吉姆·怀特赫斯特(Jim Whitehurst)近期在节目中也表示,一项新技术从开始研发到建设工厂到生产出芯片,中间有很长的时间差。

  之所以强调产能,是因为芯片产能不足已经形成了连锁反应,波及到了其他领域。以汽车行业为例,今年3月份,长城汽车旗下的哈弗H6售出了34264台,而到4月,该车的销量下滑到25847台,痛失国内SUV榜销冠的宝座。除却市场竞争等原因,“缺芯”这一制约诸多车企产能的因素,想必哈弗也无法置身事外。

哈弗H6
哈弗H6

  这次危机还在国内引发了一场技术思辨:中国“芯”到底缺了什么?缺电控芯片(IGBT)、ECU主控芯片,还是申博游戏直营网算力芯片?

汽车芯片的核心技术有哪些?

  李书福曾经说过,要让一辆电动汽车跑起来很简单,但汽车工业涉及很多配套的技术的应用、技术设施的形成和技术能力的形成,这需要形成一个非常严谨的配合以及闭环能力。事实上把汽车芯片技术单拎出来,就已经很复杂了。

  以新能源汽车为例,它涉及到的汽车芯片有IGBT模块、ECU主控芯片和自动驾驶芯片等主要的核心技术。

IGBT模块
IGBT模块

  什么是IGBT模块?作为能源变换与传输的核心器件,IGBT模块涉及到电动车的核心技术,它的好坏直接影响电动车功率的释放速度。IGBT的作用是交流电和直流电的转换,同时它还承担电压的高低转换的功能。简单来说,IGBT是一个非通即断的开关,IGBT没有放大电压的功能,导通时可以看做导线,断开时当做开路。 

  从成本来看,IGBT模块约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%。也就是说,IGBT占整车成本的8-10%,是电动车里除电池外最昂贵的部件。

电动车成本结构占比(图源:兴业证券)
电动车成本结构占比(图源:兴业证券)

  不仅是电机驱动系统,新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT,与新能源汽车配套的直流充电桩也可以见到IGBT模组的身影,其中直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。

  ECU是Elecmal Control Unit的缩写,即电子控制单元,它由微控制器(MCU)、存储器(ROM、RAM)、输入/输出接口(I/O)、模数转换器(A/D)以及整形、驱动等大规模集成电路组成。很多人将其形容为“车的大脑”,因此也可以将其称为“行车电脑”。

ECU
ECU

  人没有大脑就无法思考,电脑没有CPU就无法运行 ,而汽车如果没有ECU,就无法正常工作。就像利用计算机编写一套程序,然后让它执行那样,汽车工程师也希望通过“ECU程序”来设计出一款性能符合预期的汽车。于是,一套套运算法则被存放在储存器内,对从输入设备经控制器转化而来的信号,处理生成对应的指令信号,从输出设备传输出去。这就是ECU主控芯片的作用。

  所以,对于这些工程师来说,ECU更像是一双精密的“设计之手”,依靠电子器件,他们就能不断革新汽车的性能,设计出重量和能耗更低,且安全性和舒适性更高的汽车。这与笨重且高成本的机械解决方案完全不同。

  如果你足够熟悉汽车,可能会想到修改ECU。也就是说,你可以通过改变原先设定好的ECU程序,来达到改变发动机运行的目的,这意味着发动机的性能会有变化。但这种改装只能在默认的正常值内进行,一旦过多或过少,不仅调校无效,汽车还有可能亮起故障信号灯。

  相比以上几类芯片,我们可能更加熟悉自动驾驶芯片,因为目前像高通、英特尔这样的芯片巨头,正在这一领域打得火热。

  如果将视角拉到各大汽车中,这样的竞争会更加激烈,像特斯拉、蔚来都在自研自动驾驶芯片。中金公司曾指出,未来汽车的终局,是实现自动驾驶的智能终端。的确,明眼人都明白,自动驾驶正在成为科技巨头竞争角逐的技术浪潮。而在这股浪潮之下,汽车芯片,特别是自动驾驶芯片,将处于自动驾驶浪潮的制高点。

自动驾驶
自动驾驶

  事实上,自动驾驶已经不再局限于它本身带来的意义。在笔者看来,如今的汽车产业正在进入下一个竞争阶段,而自动驾驶技术正在成为车企申博游戏直营网现代汽车工业能力形成的关键一环。

  当前,汽车电子电气架构面临的一大挑战就是算力黑洞,我们需要填补软件持续升级碰到的算力黑洞,这是高算力芯片发展的必然性。很多业内人士认识到:软件定义汽车。但其实AI芯片何尝不是由软件定义。本质上讲,芯片和构架是手段和载体,软件是目的。两者结合才是通往申博游戏直营网的必经之路。

  此外,MCU(微控制单元)也是汽车芯片的核心部件,它作为汽车电子系统内部运算和处理的核心,是实现汽车智能化的关键。

  当你在车上控制车窗、雨刷、空调及影音系统时,就是MCU芯片在发挥作用。据了解,一辆传统汽车需要70颗以上的MCU芯片,智能汽车甚至需要300颗以上。另据英飞凌公布的数据,新能源汽车的半导体单车价值量超过700美元,接近传统燃油汽车的2倍。而未来高等级L4以上的半导体单车价值量将会超过1000美元。正是因为如此,MCU芯片也成了此次“缺芯潮”受影响最严重的芯片之一。

  无论是IGBT模块、ECU主控芯片,还是自动驾驶芯片,目前都处于供应不足的状态。我们能否突破技术封锁?国产芯片替代或许才是国内企业应该走的路。

国产芯片的替代之路好走吗?

  我们很明白,要做到完全地替代是很难的,但在核心技术部分,实现国产替代的确很有必要。

  在新能源汽车的整体组成中,最重要的部分莫过于动力电池和功率半导体(IGBT)。通俗讲,IGBT可以直接进行电路控制,被看做是新能源汽车的“心脏”,业界也把IGBT和动力电池电芯统称为“双芯”。所以,对于国内的新能源车企来说,IGBT模块和电池电芯一样重要。

  然而,如此重要的汽车芯片,核心技术却主要被外国企业垄断,尤其是高端IGBT领域,英飞凌等国际巨头更是形成了较强的技术壁垒。

  对于国内企业来说,打破国外的IGBT垄断已经迫在眉睫。

  说到国内的IGBT技术,斯达半导体股份有限公司是一家绕不开的企业。该公司主营业务是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产,并以IGBT模块形式对外实现销售,产品主要应用于新能源汽车。

斯达半导体
斯达半导体

  在业内看来,斯达半导深耕IGBT领域,且布局完善,充分受益于国产替代。其一季度业绩显示,该公司今年第一季度营收约3.25亿元,同比增长135.70%;净利润约7505万元,同比增长177.23%。未来,随着国产芯片替代的不断加速,这家公司或许能交出一份更为亮眼的数据。

  另外,比亚迪旗下的比亚迪半导体即将登陆创业板,比亚迪的入场不仅能够打破国内车企长期以来IGBT依赖进口的窘境,更可以从根本上降低生产成本。光大证券认为,比亚迪半导体分拆上市的时机很成熟。通过分拆上市,比亚迪半导体业务的价值将在资本市场中进行重估,进而有望带动比亚迪整体市值向上。

比亚迪半导体
比亚迪半导体

  数据显示,截至2020年12月,比亚迪自研的IGBT累计装车量超过100万辆,在国内车规级市场的占有率达到18%,成功实现了IGBT国产替代,比亚迪半导体也因此成为国内最大的车规级IGBT厂商。

  事实上,当业内提到芯片短缺问题时,多数指向的是MCU芯片短缺。

  在这一领域,比亚迪同样很有发言权。目前,比亚迪自研的车规级MCU芯片已经实现了批量生产,累计装车超700万颗,车规级MCU芯片正在加速国产化。从2007年初入工业MCU领域,到2019年推出第一代32位车规级MCU芯片,并批量装载于比亚迪全系列车型,比亚迪用了11年时间。如今,比亚迪半导体车规级与工业级MCU芯片累计出货量已突破20亿颗。

  此外,国内仍有新的企业在这一领域持续投资,比如兆易创新就很值得关注。据悉,该公司最新的MCU车规产品将在今年六、七月份开始流片,并计划于今年年底进入量产阶段。

  根据兆易创新公布的最新财报,该公司一季度营收16亿元,同比增长99.13%;净利润3.01亿元,同比增长79.43%;扣非净利润2.77亿元,同比增长85.5%。总体来看,兆易创新一季度经营情况良好,市场需求持续旺盛。

  据了解,兆易创新推出的MCU包含车规、工规和消费等不同应用领域产品;其MCU产品在这三个应用领域的需求都在增长。兆易创新表示,未来会持续增加对这三个应用领域的投入,并有望成为公司接下来几年的重点增长领域。

  目前,全球ECU市场基本被德国大陆、美国德尔福、德国博世、日本电装等国外企业所垄断。

德国博世
德国博世

  事实上,国内的自主车企已经有实力开发ECU芯片。但这一技术需要积累,而自主车企开发的产品在成本上要高于博世。所以,国内很多车企通常的做法就是购买博世等公司的ECU。自主车企中能够做到ECU自研的,也只有奇瑞、比亚迪这几家为数不多的车企。但前面提过,因为成本问题,这一家车企的ECU也只能“自给自用”。

  还有一家企业专注汽车ECU及相关产品的开发,它就是湖北汉瑞景汽车智能系统有限公司(以下简称“汉瑞景”),但这家企业更加超前,属于汽车电子与氢燃料控制系统的专业服务商,短时间内似乎难以满足市场的需求。

  在自动驾驶芯片方面,国内已有数家公司扎进了这一领域。

  5月9日,地平线官宣其第三代车规级产品——征程5系列芯片,面向的是L4级自动辅助驾驶。根据官方公布的数据,征程5系列芯片算力为96TOPS,功耗为20W,能效比4.8TOPS/W。对比特斯拉在2019年发布的FSD(完全自动驾驶能力)芯片,后者采用16nm制程工艺,单颗算力72TOPS,功耗36W,能效比为2TOPS/W。可以看到,征程5系列芯片在数值上已经实现了领先,接下来要做的就是尽快量产。

地平线芯片
地平线芯片

  在融资方面,地平线今年2月完成9亿美元C轮融资。地平线宣布,这笔融资会用于加速新一代L4/L5级汽车智能芯片的研发和商业化进程。目前,奇瑞、东风岚图、上汽智己、理想、上汽集团、比亚迪、长城汽车和宁德时代已与地平线达成了合作。

  随着中国智能电动汽车产业的发展,还有大量中国企业,正在像地平线一样突破芯片桎梏,比如寒武纪。在本月的2020年度业绩说明会上,寒武纪董事长、总经理兼CEO陈天石回应了公司是否会切入汽车行业的问题。他表示,车载芯片需求未来几年会迅速扩大,智能芯片在汽车领域具备广阔的市场空间,而寒武纪不会缺席这样一个重要的应用场景。

  相比于以上这几家公司,华为受到的关注可能更多。这家企业以令人生畏的的姿态闯入了它所能进入的领域。上个月发布的极狐阿尔法S搭载的便是华为定制开发的MDC Pro 610,它的总算力高达400+TOPS。与英伟达不同,华为卖的不是自动驾驶芯片,而是包括自动驾驶芯片、操作系统、算法、传感器方案、开发工具链在内的全栈式解决方案。

极狐阿尔法S
极狐阿尔法S

  但华为的问题在于,它空有一身武艺却很难施展。由于一些众所周知的原因,当竞争对手正在通过更先进的制程不断降低芯片功耗时,华为空有7nm制程SoC的丰富设计经验,却只能望洋兴叹。

  据了解,MDC Pro 610使用的自动驾驶芯片,其实是华为2018年发布的昇腾310。昇腾310采用12nm制程,算力只有16TOPS,功耗为8W。因此,MDC Pro 610的400+TOPS算力,其实是整个平台的总算力。

  总的来说,国内在IGBT、MCU以及自动驾驶芯片方面已经掌握了一些技术,未来可以实现国产化替代,但在ECU领域还需要持续不断地投入研发。

写在最后

  有分析师指出,芯片短缺问题可能持续到2023年。而从各大晶圆厂的扩建情况来看,最快也要到2022年底建成,也就是说要形成实际产能的扩展,需要2023年初开始。比缺芯、缺技术更严重的是,我们缺乏人才。这并不是说在这一领域的中国人不多,而是中国在半导体产业的人才积累方面十分薄弱。但让人意外的是,在美国顶尖的半导体人才又恰恰都是中国人。

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