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汽车半导体迎来产业变革

2017-02-27 09:46      来源:中国电子报

我国是全球最大的汽车产销国,然而我国汽车半导体产业基础非常薄弱,仅有极少数产品能进入全球汽车供应链。

未来汽车将向安全、互联、智能、节能的方向发展,高级汽车驾驶辅助系统(ADAS)、无人驾驶、车联网(V2X)、新能源汽车等新产品和新功能层出不穷,算法芯片、毫米波雷达、激光雷达、新型MEMS传感器等技术飞速发展,与供应链紧密牢固的汽车产业呈现新的发展机遇。

我国作为行业新进者,应抓住此次产业变革的机会窗口,使汽车半导体成为我国半导体产业和汽车产业实现腾飞的重要突破口。

全球汽车半导体产业呈现三大特征

市场占比稳定,行业集中度提高

根据Gartner公司的研究数据,1998年,汽车市场占全球半导体市场的7%,直至2016年,市场份额仅缓慢增长至9.5%,表明汽车半导体市场长期处于稳定发展阶段。2016年,全球汽车半导体市场规模达到317亿美元。

近两年来,汽车半导体行业并购案例频发。2015年~2016年,全球汽车半导体行业共发生10起并购,总金额超过800亿美元。2015年年末,荷兰恩智浦公司完成对美国飞思卡尔公司的收购,成为全球第一大汽车半导体企业。2016年10月,美国高通公司宣布收购尚处于消化整合阶段的NXP公司,进军汽车半导体市场。并购完成后,高通将成为仅次于英特尔和三星的全球第三大半导体公司。2015年汽车半导体排名前五的企业销售额合计超过130亿美元,市场份额超过40%。

汽车电子产业特点突出,产业链形成强绑定关系

汽车电子产业链具有以下特点:

一是单个汽车厂商对芯片的需求量偏低。单个汽车厂商对单个芯片厂商的需求量远低于智能手机等产品动辄上亿颗的市场需求。加之汽车芯片有定制化需求,因此长久以来半导体企业很少与汽车厂商产生直接业务联系,大多通过零部件供应商完成产品供应。

二是对产品可靠性和寿命要求极高。汽车的使用环境更接近于工业机械产品,所以汽车半导体通常工作在极端温度、高湿的恶劣环境中,加之汽车对安全事故的零容忍要求,对半导体产品的抗干扰能力,可靠性和稳定性要求极高。不同于智能手机1年左右的升级换代周期,汽车产品更新换代频率非常低,整车服役寿命接近20年,对半导体企业长周期供货能力提出了很高的要求。

三是产品认证周期长、标准严格。汽车电子协会(AEC)的AEC-Q100标准和国际标准组织(ISO)的ISO-26262标准对汽车电子的安全性和可靠性有极高标准,要求半导体厂商获得相应的认证方能进入汽车产业链。

以上特点使得半导体企业、零部件供应商、整车厂商形成强绑定的供应链关系,对新进企业构成坚实的行业壁垒。

汽车价值链重构,新进从业者不断涌现

一是互联网企业探索进入汽车行业。近几年来,互联网企业在无人驾驶汽车领域非常活跃,谷歌、百度、优步、阿里巴巴等互联网企业均宣布了无人驾驶汽车的研发计划,谷歌和百度等企业已实现了上路实测。谷歌公司在2005年开始无人驾驶汽车研发和测试工作。截至2016年10月,谷歌无人驾驶汽车已行驶超过322万千米。

二是消费电子半导体企业进军汽车电子。汽车半导体市场的稳定增长和可观前景,以及智能手机和PC市场发展增速下滑,使得消费电子半导体企业迫切希望进入汽车电子领域来巩固其市场地位。高通公司已从汽车制造商获得大量无线调制解调器订单,其支持自动驾驶功能的骁龙车载处理器将于2017年搭载在奥迪公司的新车中。2016年,高通收购NXP后成为全球最大汽车半导体企业。英特尔公司于2011年组建车载创新和产品开发中心,提供完整平台化解决方案,2016年宣布与捷豹公司合作开发车载智能互联系统。我国台湾联发科公司于2016年宣布进入车用芯片市场,计划于2017年第一季度发布首批车用芯片解决方案。英伟达公司已完全撤出手机市场,凭借在GPU图像处理方面的技术积累,专攻ADAS算法芯片,2016年发布与沃尔沃公司合作的Drive PX2自动驾驶平台。

汽车电子产业变革为半导体企业带来发展机遇

智能化推动汽车中半导体的搭载数量和性能提升

汽车智能化趋势使得汽车半导体市场的增长不再依赖于汽车产量的增加,而是车载半导体数量的增加。ADAS系统需要大量CMOS传感器、MEMS传感器、各种原理的探测雷达来感知周围环境,如识别交通标志、甄别障碍物类型、测量障碍物距离车身距离,以及计算相对移动速度。目前主流ADAS系统解决方案包括CMOS传感器、微波雷达和核心计算芯片。特斯拉汽车装配的全自动驾驶系统包括8个摄像头、12个超声波雷达及一个前向探测雷达。预计处于完全无人驾驶阶段的汽车中,半导体成本将超过1000美元。

新能源汽车对功率器件需求旺盛

新能源汽车动力系统的电气化使得功率器件使用量大幅增加。新能源汽车动力产生和传输过程与汽油发动机有较大差异,需要频繁进行电压变换和直流-交流转换。加之纯电动汽车对续航里程的高需求,电能管理需要更精细化。实现以上功能需要大量的逆变器、变压器、变流器,对IGBT、MOSFET、二极管等功率器件的需求远高于传统汽车。据统计,纯电动汽车的半导体成本为704美元,比传统汽车的350美元增加了1倍,其中功率器件成本为387美元,占55%。纯电动汽车相比传统汽车新增的半导体成本中,功率器件成本约为269美元,占新增成本的76%。

汽车智能化带来海量信息存储需求

未来汽车将不仅是交通工具,更是信息汇总、计算和传递的中心,对信息存储提出了更高要求。一是车载信息娱乐系统(IVI)存储需求不断提高。IVI系统的显示器尺寸越来越大、分辨率越来越高,承载的信息也更加复杂和丰富,对存储空间和速度提出更高要求。存储器产品一般是在消费电子应用成熟之后才向汽车领域推广。近年来汽车内存更新换代频率显著提高。普通汽车上使用的DDR2内存从消费电子到汽车系统的推广经历了5年时间,而LPDDR4内存在2015年刚在手机上使用,2016年已开始进行汽车产品验证,预计2017年即可进入市场。

二是ADAS系统存储需求不断提高。ADAS系统需要大存储空间和高存储速度支撑系统的快速反应能力。尤其是图像传感器的数量和分辨率不断提升,产生海量数据存储需求。汽车存储芯片企业美国美光公司已推出可用于ADAS系统的240GB车载固态硬盘。

汽车电子成为半导体新技术的发展驱动力

汽车电子领域对产品可靠性和寿命的极高要求使得只有成熟的半导体技术才会在汽车领域推广,新兴技术很少首先使用在汽车领域。近年来,汽车逐渐成为电子信息系统的新兴载体,推动新兴车用半导体技术的发展。

一是汽车电子驱动激光雷达向固态化发展。目前主流激光雷达为机械结构,价格非常昂贵,早先应用于遥感、军事、测绘等领域。固态激光雷达使用MEMS反射镜替代机械结构控制激光束的发射角度和方向,成本大大降低,具备进入民用汽车领域的价格优势。

二是汽车电子驱动毫米波雷达向低成本CMOS工艺发展。毫米波雷达早先应用于导弹制导、近程雷达、火控雷达等军用领域。无人驾驶和ADAS的应用需求推动汽车装备毫米波雷达来提升汽车辅助驾驶性能,并促进毫米波雷达技术的不断进步,成本不断降低。毫米波雷达芯片主要基于SiGe工艺,未来成本更低的CMOS工艺将成为技术主流。

三是新能源汽车推动新型SiC功率器件应用。新能源汽车是SiC功率器件的优势应用领域。SiC功率器件相对于传统Si基器件具有耐高温、耐高电压、可高速开关、开关损耗和导通电阻更低等特性,使得功率系统体积更小且能耗更低。然而SiC技术尚没有Si技术成熟,价格非常高,市场占有率还很低。未来新能源汽车对电能精细管理的需求将驱动SiC器件技术快速进步。

我国发展汽车半导体具备后发优势

中国已成为全球最大的汽车产销国

中国汽车产销量已连续8年位居全球第一。根据中国汽车工业协会的数据,2016年中国汽车产销分别为2812万辆和2803辆。2015年,中国汽车产量占全球汽车产量的27%,超过第二大生产国美国1倍以上。

国有汽车品牌实力不断壮大。在中国乘用车市场,2016年,中国自有品牌乘用车共销售1052.9万辆,同比增长20.5%,占乘用车销售总量的43.2%。

新能源汽车产业高速发展

一是国内新能源汽车产销量屡创新高。中国汽车工业协会数据显示,2016年,国内新能源汽车产销51.7万辆和50.7万辆,同比增长51.7%和53%,连续两年保持全球第一。

二是国家政策鼓励发展新能源汽车产业。新能源汽车已上升为国家战略。《中国制造2025》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等国家规划明确将新能源汽车列为重点发展产业。2015年国家发展和改革委员会公布的《电动汽车充电基础设施发展指南(2015~2020年)》提出,到2020年,新增集中式充换电站超过1.2万座、分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。

龙头企业加速汽车半导体产业布局

汽车半导体设计方面,大唐公司与NXP合资成立大唐恩智浦公司,其产品包括车灯调节器芯片、门驱动芯片和新能源汽车电池管理芯片。其中门驱动芯片是中国汽车电子前装市场的第一颗国产芯片,也是中国首个符合AEC-Q100行业标准的产品。地图服务商四维图新以6亿美元收购联发科旗下的杰发科技公司,主攻车载、车控类汽车电子芯片解决方案。

CMOS图像传感器方面,2016年年初,国内资本以19亿美元收购美国OmniVision公司,使其成为北京豪威科技公司的子公司。2016年7月,北京君正集成电路公司宣布拟以120亿元收购豪威科技公司、6.2亿美元收购思比科公司,深度布局CMOS市场。收购完成后,北京君正公司将成为全球第三大CMOS图像传感器企业。

新能源汽车IGBT方面,比亚迪是全球新能源汽车的领军企业,2015年销售额超过6万辆。公司已布局IGBT全产业链,包括芯片设计、晶圆制造、测试、封装、新能源汽车应用等。旗下比亚迪微电子公司与上海先进半导体制造公司正合作开发IGBT产品。

代工制造方面,中芯国际通过收购意大利LFoundry公司,获得具有汽车半导体产品经验的8英寸生产线。华虹宏力公司深耕FS-IGBT工艺产品,与多家合作单位推出了600V、1200V、1700V等IGBT器件工艺。