“缺芯”中的智能汽車(chē)芯片到底是什么？

按照國際通行的半導體產(chǎn)品標準方式劃分：汽車(chē)半導體可以分為四類(lèi)：集成電路（微控制器、模擬 IC、邏輯 IC、存儲芯片），分立器件，傳感器和執行器、光電子器件共四大類(lèi)。根據 HIS 數據統計，預計 2025 年全球汽車(chē)半導體市場(chǎng)規模將達到682 億美元，其中模擬 IC 約 170 億美元、分立器件約 110 億美元、邏輯 IC 約 101億美元、存儲 IC 約 87 億美元、微控制器約 85 億美元、光學(xué)半導體約 66 億美元、傳感器與執行器約 63 億美元。

按照半導體在智能汽車(chē)上具體的應用領(lǐng)域劃分：汽車(chē)半導體可分為與智能化相關(guān)的計算芯片、存儲芯片、傳感與執行器芯片、通信芯片，以及與電動(dòng)化相關(guān)的能源供給芯片。同時(shí)，隨著(zhù)處理事件復雜性的日益提升，亦存在將幾種不同類(lèi)型的芯片集成在一起，形成系統級芯片（SoC）。通常，SoC 芯片中包含一個(gè)或多個(gè)處理器、存儲器、模擬電路模塊、數?；旌闲盘柲K以及片上可編程邏輯，從而可以有效地降低電子/信息系統產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競爭力。

• 計算及控制芯片：此類(lèi)芯片以微控制器和邏輯 IC 為主，主要用作計算分析和決策。與人體大腦類(lèi)似，可分為主控芯片和輔助芯片。其中，主控芯片包含MCU（微處理器）、CPU（中央處理單元）、FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列器件）、ASIC（專(zhuān)用芯片）等，輔助芯片則包含主管圖形圖像處理的 GPU 以及主打人工智能計算的 AI 芯片等。

• 存儲芯片：主要用于數據存儲功能，具體包含 DRAM（動(dòng)態(tài)存儲器）、SRAM（靜態(tài)存儲器）、FLASH（閃存芯片）等。

• 傳感芯片：主要用于探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息轉變?yōu)殡娦盘柣蚱渌栊问絺鬟f給其他設備。具體包含 CIS（CMOS 圖像傳感器）、MEMS、電流傳感器、磁傳感器、陀螺儀、VCSEL 芯片和 SPAD 芯片（用于激光雷達）。

• 通信芯片：主要用于發(fā)送、接收以及傳輸通信信號，具體包括基帶芯片、射頻芯片、信道芯片、電力線(xiàn)載波通信芯片、衛星導航芯片等。

• 能源供給芯片：主要用于保證和調節能源傳輸，以分立器件為主。具體包括電源管理芯片（AC/DC、LED 驅動(dòng)芯片等）、晶體管（IGBT、MOSFET 等）、二極管、晶閘管等。

從芯片類(lèi)型上來(lái)看，傳統用于中央計算的 CPU 已無(wú)法滿(mǎn)足智能汽車(chē)的算力需求，集合 AI 加速器的系統級芯片（SoC）應運而生。在分布式架構時(shí)代，ECU 是汽車(chē)功能系統的核心，其主控芯片為 CPU，僅用于邏輯控制（是與非、加或減）。隨著(zhù)E/E 架構由分布式向域控制器/中央計算升級的進(jìn)程加快，域控制器（DCU）正取代ECU 成為智能汽車(chē)的標配。在此升級過(guò)程中，僅依靠 CPU 的算力與功能早已無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)智能化所需，將 CPU 與 GPU、FPGA、ASIC 等通用/專(zhuān)用芯片異構融合的SoC 方案被推至臺前，成為各大 AI 芯片廠(chǎng)商算力軍備競賽的主賽道。

SoC 中各處理器芯片各司其職，其中 CPU 負責邏輯運算和任務(wù)調度；GPU 作為通用加速器，可承擔 CNN 等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )計算與機器學(xué)習任務(wù)，將在較長(cháng)時(shí)間內承擔主要計算工作；FPGA 作為硬件加速器，具備可編程的優(yōu)點(diǎn)，在 RNN/LSTM/強化學(xué)習等順序類(lèi)機器學(xué)習中表現優(yōu)異，在部分成熟算法領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)突出作用；ASIC 可實(shí)現性能和功耗最優(yōu)，作為全定制的方案將在自動(dòng)駕駛算法中凸顯其價(jià)值。

從應用場(chǎng)景來(lái)看，計算芯片可以劃分為智能座艙芯片和自動(dòng)駕駛芯片、車(chē)身控制芯片。

（1）智能座艙芯片

芯片結構：以“CPU+功能模塊”的 SoC 異構融合方案為主。以高通智能座艙主控計算芯片 820A 系列為例：高通 820A 芯片采用 14 納米工藝，從整體性能上來(lái)看，可以實(shí)現 hypervisor 和 QNX 系統啟動(dòng)時(shí)間小于 3 秒，Android 系統啟動(dòng)時(shí)間小于 18 秒，倒車(chē)影像啟動(dòng)小于 3 秒。進(jìn)一步拆解后可分為四大模塊：（1）CPU，采用主頻高達 2.1GHz 的 64 位四核處理器（Qualcomm? Kryo? CPU），用于對所有硬件資源的調度與管理；（2）GPU，采用高通 Adreno530GPU，可支持多個(gè) 4K 超高清觸屏顯示，實(shí)現一芯多屏；（3）DSP，采用Qualcomm? Hexagon? 680 DSP，能夠在不增加 CPU 負載的情況下，支持 8 個(gè)攝像頭傳感器同時(shí)輸入；（4）LTE 調制解調器模塊，確保車(chē)輛在行駛過(guò)程中獲得持續的移動(dòng)連接性。除此之外，該芯片可搭載高通深度學(xué)習軟件開(kāi)發(fā)包(SDK)——Qualcomm 驍龍神經(jīng)處理引擎(NPE)，從而可集成基于機器學(xué)習的先進(jìn)駕駛輔助系統。

競爭格局：瑞薩、英偉達、高通、英特爾、三星等廠(chǎng)商憑借優(yōu)越的芯片性能和供應鏈在中高端座艙芯片領(lǐng)域脫穎而出。其中，高通、三星、英偉達由于其在手機、消費電子等領(lǐng)域龐大的出貨量及技術(shù)儲備而大幅攤薄新一代架構的研發(fā)成本（7nm、5nm 制程的研發(fā)費用高昂），因而可率先卡位智能座艙芯片賽道。目前，高通在國內新興旗艦車(chē)型上近乎實(shí)現壟斷，其座艙產(chǎn)品迭代速度幾乎與手機產(chǎn)品同時(shí)更新（三星、聯(lián)發(fā)科座艙芯片至少落后手機一代）。根據高通數據顯示，其 2021 年汽車(chē)芯片在手訂單逾 80 億美元，主控芯片月出貨量高達數百萬(wàn)顆。國產(chǎn)廠(chǎng)商方面，華為和地平線(xiàn)分別憑借麒麟 990A 和征程 2 快速出圈，華為與高通類(lèi)似，擁有強大的研發(fā)、萬(wàn)物互聯(lián)的鴻蒙生態(tài)以及不遜于高通的迭代能力，極狐阿爾法 S 是首款搭載麒麟 990A 的車(chē)型，單顆芯片可同時(shí)驅動(dòng)12.3 英寸液晶儀表、20.3 春 4K 觸控屏以及 8 寸的 HUD，整體算力達到3.5TOPS（高通最新座艙芯片 SA8155P 為 3TOPS）。而地平線(xiàn)也因其開(kāi)放的開(kāi)發(fā)平臺和完備的工具鏈受到主機廠(chǎng)青睞，其征程 2 座艙芯片已獲得長(cháng)安 UNI-T車(chē)型定點(diǎn)。

（2）自動(dòng)駕駛芯片

芯片結構：以“CPU+GPU+NPU”的 SoC 異構方案為主。以英偉達自動(dòng)駕駛主控計算芯片 Xavier 系列為例，該 SoC 芯片主要包含控制單元、計算單元、AI 加速單元三大模塊：（1）控制單元（CPU）：基于 ARM 架構的 8 核 Carmel CPU；（2）計算單元（GPU）：基于 NVIDIA Volta 架構，在 20W 功率下單精度浮點(diǎn)性能可達到 1.3TFLOPS，Tensor 核心性能為 20TOPS，當功率提升到 30W時(shí)，算力可達到 30TOPS，性能強勁且具有可編程性；（3）ASIC（AI 加速單元）：包含深度學(xué)習加速器（DLA，Deep Learning Accelerator）和可編程視覺(jué)加速器（PVA，Programmable Vision Accelerator）兩個(gè) ASIC 芯片，旨在提高CPU 性能（perf/watt）。

競爭格局：按照供應方式可以分為軟硬一體式解決方案和開(kāi)放式解決方案兩大陣營(yíng)。其中，英特爾（Mobileye）和華為是國內外自動(dòng)駕駛軟硬一體式解決方案提供商的代表，即將傳感器、芯片、算法綁定銷(xiāo)售的全家桶式方案。該方案優(yōu)勢是能夠幫助自研能力不足的主機廠(chǎng)快速上車(chē)量產(chǎn)，其中 Mobileye 系列芯片截至 2019 年底出貨 5400 萬(wàn)，全球 ADAS 市場(chǎng)占有率約為 70%（2019 年），特斯拉早期便在 Autopilot HW1.0 中采用 Mobileye EyeQ3 作為自動(dòng)駕駛主控芯片。

此外，華為也宣布提供全棧式解決方案，華為 MDC 計算平臺采用“統一硬件架構，一套軟件平臺，系列化產(chǎn)品”，將在極狐阿爾法 S 上率先落地量產(chǎn)。英偉達和地平線(xiàn)是國內外自動(dòng)駕駛開(kāi)放式解決方案供應商的代表，二者均擁有完全開(kāi)放的生態(tài)和完備易用的工具鏈，OEM 廠(chǎng)商可以在芯片、算法中的任意層次購買(mǎi)服務(wù)。目前，英偉達自動(dòng)駕駛解決方案已被眾多新勢力廠(chǎng)商及自主品牌所采用，包括小鵬、理想、蔚來(lái)等新勢力品牌，以及上汽智己等自主品牌；地平線(xiàn)在自動(dòng)駕駛落地方面也在持續推進(jìn)當中，目前已宣布在理想 ONE 中取代Mobileye 成為新的自動(dòng)駕駛主控芯片供應商，將搭載兩顆征程 3 自動(dòng)駕駛芯片。我們認為在智能汽車(chē)行業(yè)發(fā)展初期，部分 OEM 廠(chǎng)商會(huì )綜合考慮成本、開(kāi)發(fā)周期、系統穩定性等因素而選擇軟硬件一體式解決方案；當行業(yè)邁向成熟階段，頭部 OEM 廠(chǎng)商已具備相當程度算法開(kāi)發(fā)能力，將會(huì )傾向于選擇更為開(kāi)放的計算平臺，在完善的開(kāi)發(fā)工具鏈之上結合場(chǎng)景自研算法，以滿(mǎn)足差異化需求。

（3）車(chē)身控制芯片

芯片結構：車(chē)身控制芯片對算力要求較低，通常以 8 位或 32 位的 MCU 芯片為主。車(chē)身控制域的本質(zhì)是在傳統車(chē)身控制器（BCM）的基礎上，集成了無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統（PEPS）、紋波防夾、空調控制系統等功能。因而其中的主要芯片仍以車(chē)規級 MCU 為主。根據芯片數據吞吐量的不同，車(chē)規級 MCU 主要可分為 8 位、16 位以及 32 位三種。其中，8 位工作頻率在 16-50MHz 之間，具有簡(jiǎn)單耐用、低價(jià)的優(yōu)勢，主要應用于車(chē)窗、車(chē)門(mén)、雨刮等車(chē)身控制領(lǐng)域；32 位MCU 工作頻率最高，處理能力、執行效能更好，應用也更廣泛，主要應用于動(dòng)力域、座艙域等。

同時(shí)，由于 8 位的 MCU 的效能持續提升，目前已滿(mǎn)足為低階的 16 位 MCU 的應用需求，疊加 32 位 MCU 成本的逐漸降低，雙重因素作用下 16 位 MCU 的市場(chǎng)份額正逐步萎縮。根據 HIS 數據預計，2025 年全球車(chē)規級 MCU 市場(chǎng)規模將達到 73.5 億美元，其中 32 位 MCU 占比將達到 76.6%。

競爭格局：外資廠(chǎng)商高度壟斷，行業(yè)“缺芯”事件背景下國內廠(chǎng)商正加速崛起。根據 HIS 數據統計，外資廠(chǎng)商憑借先發(fā)優(yōu)勢已高度壟斷全球車(chē)規級 MCU 市場(chǎng)，具體包括恩智浦（14%）、英飛凌（11%）、瑞薩電子（10%）等。而在 2020 年末以來(lái)，汽車(chē)行業(yè)“缺芯”事件加劇，進(jìn)口 MCU 存貨緊俏且價(jià)格高企。在此背景下，國內車(chē)規級 MCU 市場(chǎng)正加速進(jìn)口替代。目前，國內成熟的車(chē)規級MCU 供應商包括比亞迪電子、杰發(fā)科技、芯旺微等。