未來(lái)十年汽車(chē)半導體發(fā)展重點(diǎn)在哪里？

　半導體技術(shù)是所有現代汽車(chē)的核心，這毋庸置疑?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/半導體">半導體技術(shù)的計算機在車(chē)輛中的使用可以追溯到20世紀60年代，當時(shí)它被部署在動(dòng)力系統應用中，如燃油噴射、變速箱控制和早期駕駛員輔助（如防滑控制）等。早期的發(fā)展重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機控制、改善排放以及牽引力控制、防抱死制動(dòng)等駕駛員輔助功能。

　　在過(guò)去幾十年中，特別是本世紀之交以來(lái)，微控制器（MCU）在車(chē)輛中的應用和普及率與日俱增，現在幾乎控制了車(chē)輛運行的方方面面?，F在MCU用于處理大多數電子驅動(dòng)系統，如車(chē)窗、電動(dòng)調節后視鏡、信息娛樂(lè )、音頻系統、方向盤(pán)控制等，在整個(gè)汽車(chē)上傳遞輸入、執行驅動(dòng)和執行計算。這也使公眾對汽車(chē)的認知轉變?yōu)椤败?chē)輪上的電腦”。

　　自動(dòng)駕駛半導體增速最快

　　IDTechEx剛剛發(fā)布的“汽車(chē)半導體2023-2033”報告認為，汽車(chē)半導體市場(chǎng)的10年復合年增長(cháng)率將達到9.4%，而用于A(yíng)DAS和自動(dòng)駕駛的半導體將以29%的10年復合年率增長(cháng)。因此，自主將是汽車(chē)半導體行業(yè)的福音。相關(guān)應用包括汽車(chē)自動(dòng)化、ADAS、連接、信息娛樂(lè )和電氣化，不僅需要更多的MCU，更需要先進(jìn)和密集處理的尖端半導體技術(shù)。

　　不同車(chē)輛應用的半導體晶圓價(jià)值

　　隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)在市場(chǎng)上站穩腳跟以及自動(dòng)駕駛功能的出現，該行業(yè)正處于第二次汽車(chē)半導體應用熱潮的開(kāi)始。用于自主技術(shù)的傳感器和高性能計算機需要由稀有材料制成的半導體，以及使用最先進(jìn)處理技術(shù)的硅片；電氣化也需要在功率電子和電池管理系統中消耗大量的半導體，前者將從硅過(guò)渡到性能更高的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)。

　　一段時(shí)間以來(lái)，業(yè)界一直認為自動(dòng)駕駛汽車(chē)即將到來(lái)，但在某些方面它已經(jīng)出現。就在上個(gè)月，繼2022年在德國獲得認證后，梅賽德斯-奔馳S級在美國獲得了SAE L3認證。其意義在于，S級往往是汽車(chē)行業(yè)的潮流引領(lǐng)者，在未來(lái)十年，L3技術(shù)的汽車(chē)價(jià)位將逐步下降。即使是L4車(chē)輛現在也在一些城市建立了存在。在美國亞利桑那州鳳凰城，任何人都可以使用Waymo的完全無(wú)人駕駛自動(dòng)出租車(chē)，前提是路線(xiàn)和最終目的地在選定的地理圍欄區域內。

　　自動(dòng)駕駛汽車(chē)需要更多半導體

　　ADAS和自動(dòng)駕駛汽車(chē)有望以其所能提供的超人安全性徹底改變運輸業(yè)，其能力源于依靠先進(jìn)半導體技術(shù)提供最佳性能的傳感器和計算機。因此，ADAS和自動(dòng)駕駛汽車(chē)將成為汽車(chē)半導體市場(chǎng)增長(cháng)的一大動(dòng)力。三個(gè)因素將共同推動(dòng)高增長(cháng)率：L3和L4自動(dòng)駕駛汽車(chē)的出現和采用以及所需的傳感器；汽車(chē)傳感器向更先進(jìn)的半導體過(guò)渡；將高性能計算應用于車(chē)輛。

　　IDTechEx的研究表明，在A(yíng)DAS采用方面，2021年全球售出的新車(chē)中，有39%在發(fā)貨時(shí)配備了足夠的ADAS功能，以符合L2標準。這些汽車(chē)至少配備了自適應巡航控制和車(chē)道保持輔助系統。2021發(fā)貨的另外39%為L(cháng)1，剩下的只有12%為L(cháng)0或沒(méi)有任何自動(dòng)化技術(shù)。

　　L3車(chē)輛也已進(jìn)入市場(chǎng)。2021年，本田傳奇在日本被授予L3，出貨100輛。2022年，梅賽德斯S級在德國獲得了L3認證，年銷(xiāo)量在10萬(wàn)輛左右。

　　在自動(dòng)駕駛系統中，半導體的作用更是當仁不讓?zhuān)瑥腖3開(kāi)始需要比ADAS系統更多的傳感器。L4 Robotaxi將擁有更全面的傳感器套件，以提供商用車(chē)輛所需的魯棒性。L3及以上車(chē)輛極有可能至少使用一個(gè)激光雷達（LiDAR），這將推動(dòng)高價(jià)值半導體的增長(cháng)。由于計算負荷遠高于A(yíng)DAS車(chē)輛，L4乘用車(chē)和Robotaxi可能會(huì )使用重復的計算機系統實(shí)現冗余。此外，高度自動(dòng)駕駛車(chē)輛的豪華特性將使整個(gè)車(chē)輛中MCU的使用量增加。

　　來(lái)看看ADAS系統中有哪些半導體。在更先進(jìn)的車(chē)輛中，ADAS/AD處理器執行傳感器融合、目標檢測、路徑規劃和請求車(chē)輛行動(dòng)等功能。這些功能使用非常高端和先進(jìn)的單元，通常是3-7nm FinFET。

　　攝像頭MCU處理來(lái)自攝像頭的數據，并執行一些ADAS功能，例如車(chē)道保持輔助和自動(dòng)緊急制動(dòng)。通常采用40nm CMOS或90nm SiGe BiCMOS，更先進(jìn)的可能使用28nm Si CMOS FD SOI。攝像頭圖像傳感器基于CMOS，采用大多數成熟節點(diǎn)，如65nm、90nm和130nm。

　　雷達MCU用于預處理來(lái)自收發(fā)器的數據，采用40nm以上工藝，未來(lái)趨勢是集成到收發(fā)器中，需要40nm及以下工藝。雷達收發(fā)機（Si和SiGe）生成雷達信號并將回波轉換回電子數據，通常使用90nm節點(diǎn)的SiGe BiCMOS制成。一些tier 2正在過(guò)渡到40-45nm Si CMOS，趨向于集成MCU的雷達SoC。未來(lái)的技術(shù)將使用28nm CMOS、22nm FD-SOI及更小的器件。

　　激光雷達MCU預處理數據并將數據中繼到ADAS/AD域控制器。激光雷達的激光發(fā)生器、激光探測器和激光驅動(dòng)器中使用多種半導體，包括Si、GaN、InP、GaAs、InGaAs、Ge等。

　　傳感器的三個(gè)趨勢

　　對于傳感器，不僅是更多，而且還需要使用更昂貴、更先進(jìn)的半導體技術(shù)來(lái)實(shí)現性能更高的傳感器。例如，之前雷達已經(jīng)使用了相當成熟的90nm SiGe BiCMOS技術(shù)，但對更好性能的需求意味著(zhù)下一代4D成像雷達將采用40nm及以下節點(diǎn)的SiCMOS技術(shù)。隨著(zhù)節點(diǎn)尺寸的減小，這些雷達將獲得性能，但也將增加成本。

　　最近，激光雷達價(jià)格一直在下降，其采用率也在不斷提高。它是L3及以上級別車(chē)輛的關(guān)鍵傳感器，但由于其帶來(lái)的安全優(yōu)勢，它也將開(kāi)始穿透L2及以下級別。近紅外激光雷達目前部署最多，其探測器可以建在硅上，因此非常便宜。但激光雷達的趨勢是短波紅外，在提供性能優(yōu)勢的同時(shí)需要更昂貴的InGaAs探測器。因此，激光雷達將越來(lái)越多地采用并向更高價(jià)值的半導體類(lèi)型過(guò)渡。

　　令人感興趣的是激光雷達驅動(dòng)的非硅基半導體需求的增長(cháng)。如今，大多數激光雷達在近紅外（NIR）區域工作，典型波長(cháng)為905nm，這可以通過(guò)硅光電探測器實(shí)現。然而，未來(lái)的激光雷達很可能使用典型波長(cháng)為1550nm的短波紅外（SWIR）區域。1550nm激光雷達發(fā)布的壓倒性?xún)?yōu)勢顯示了這一趨勢。

　　雖然特斯拉一直在公開(kāi)反對激光雷達，但自主領(lǐng)域的其他主要參與者Waymo、Cruise、戴姆勒和本田等都在其高度自動(dòng)化的車(chē)輛上使用激光雷達。事實(shí)上，截至2022年底，道路上只有兩輛經(jīng)過(guò)SAE L3認證的車(chē)輛（在某些情況下不需要駕駛員監控）：梅賽德斯S級和本田傳奇。IDTechEx預計，在未來(lái)10年內，將有更多高端車(chē)輛效仿S級，廣泛采用L3技術(shù)。當然，這將推動(dòng)這些高度先進(jìn)車(chē)輛所需的所有傳感器類(lèi)型和計算機的半導體需求。

　　傳感器的趨勢有三：一是隨著(zhù)自動(dòng)化程度的提高，車(chē)輛周?chē)臄z像頭將變得越來(lái)越多，紅外攝像頭很可能加入其中；二是L3及以上車(chē)輛周?chē)募す饫走_將增加；三是L3及以上車(chē)輛典型安裝五個(gè)雷達，雷達本身將使用更先進(jìn)的收發(fā)器芯片提供更高的性能。

　寫(xiě)在最后

　　汽車(chē)行業(yè)面臨著(zhù)越來(lái)越大的通過(guò)電氣化實(shí)現脫碳的壓力，2022年電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量已增長(cháng)至所有新車(chē)銷(xiāo)量的10%左右，正走出早期采用階段，走向更廣泛的采用。電動(dòng)汽車(chē)的功率電子產(chǎn)品和電池組帶來(lái)了額外的需求，推動(dòng)了半導體行業(yè)的增長(cháng)。

　　主機廠(chǎng)一直在尋找通過(guò)提高車(chē)輛效率來(lái)擴大續航里程的方法，一個(gè)越來(lái)越受歡迎的途徑是從硅逆變器轉向碳化硅逆變器。有兩個(gè)因素促使特斯拉、梅賽德斯、奧迪和福特、比亞迪、小鵬等電動(dòng)汽車(chē)主機廠(chǎng)轉向碳化硅。首先，一些主機廠(chǎng)正計劃從400V架構過(guò)渡到800V架構。較高的電壓降低了實(shí)現相同功率所需的電流量，減少了動(dòng)力傳動(dòng)系統中的歐姆損耗，提高了效率。碳化硅更適合更高的電壓，因此是比硅更明智的選擇。采用碳化硅的第二個(gè)原因是，在400V時(shí)，碳化硅也比硅更高效，這就是為什么像特斯拉這樣的玩家會(huì )感興趣，盡管其現有的400V增壓器網(wǎng)絡(luò )很難過(guò)渡到800V。

　　總之，未來(lái)的汽車(chē)將更加先進(jìn)，并要求半導體行業(yè)取得更多進(jìn)步；自主性不僅僅是驅動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)，而是將帶動(dòng)整個(gè)汽車(chē)半導體行業(yè)的發(fā)展。