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投资观察第13期:硅基文明之“汽车芯片慌”

作者:腾讯新闻 发布时间:2021-09-12

当今世界存在两大文明:以人为主体的碳基文明、以 芯片 为重点的硅基文明,碳基文明进入青铜时代花了100万年,硅基文明进入太空时代只用了不到50年。

AI 、物联网、新能源汽车“眼”疾“脑”快,最终将在 芯片 行业会师对决。欧美焦点构造半导体,中国也卯足致力,28纳米以下十年免税。汽车行业缺芯涨价接续发酵了一年,主角MCU 芯片 价格翻一十倍都拿不到货,2021年环球汽车将裁减 390 万辆:丧失高达 1100 亿美元,而且没关系接续至2023年以至更长。这既有天灾,也有人祸,半导体周期喋喋不休,汽车界的一剂方剂或者不只因 芯片 芯片 对汽车毕竟有多重要?何故如斯稀缺?缺芯时代,谁高歌猛进,逆流而上,谁又困境中节节退败?汽车缺“芯”何时了?奈何“补芯”,奈何把握“芯”朝气?

一、硅基文明 芯片 分类电子设备就像人体:思索的大脑是主控 芯片 。存储的脑皮层是Nand Flash/ SD/MMC。供能的心脏是DC-DC和LDO。传递信息的神经包孕无线和有线。感知的五官包孕百般传感器,掌握和驱动肢体的则是百般外设。

图源:智能音箱天猫精灵方糖拆解汇报和BOM从产业链角度,半导体又分为集成电路和OSD「分立器件、光电子器件和传感器」。此中,集成电路按办理灯号种类的不同分为模拟IC和数字IC。

模拟电路料理一连的模拟暗号,我们感官接触的、自然界声光电都是模拟暗号。经过模拟 芯片 的变更本领交由计算机料理。模拟 芯片 制成较低,但设计难度并不低,由于设计元件较多,使用场景复杂,其中53%是电源打点 芯片 ,47%是暗号链 芯片

数字电路料理离散的数字信号,设计单一,但制程先进,具有算数运算和逻辑运算的功能。首要包含存储 芯片 和数据料理 芯片 ,譬喻存储器、逻辑电路、微型元件。

二、CPU、AI、MCU和SOC数字电路也有两大阵营:通用 芯片 和专用 芯片 。通用 芯片 好比为灵活性存在的“人”,专用 芯片 好比为效率存在的“机器”,分处差别维度。

“通用”需要没关系治理各样光怪陆离的指令和外部设备请求,随时转向其他运算,杀青后又能从中断点不绝目前运算。

CPU、GPU、DSP、MPU都属于通用 芯片 :CPU是中央料理器,由运算器、掌握器和寄存器及实现它们之间干系的数据、掌握及状态的总线组成。功能是解释盘算机的指令和料理软件中的数据。擅长料理逻辑掌握,可料理区别的数据类型,是以内里结构复杂,任何一个电脑或嵌入式的盘算都有 CPU 或其裁剪版本。对CPU进行优化调剂,成长出增强版CPU的MPU、善于料理CNN/DNN等和按次无关的图像记号的GPU、善于料理数字记号的DSP。

专用 芯片 省去通用 芯片 屏绝等多量灵活性设计,操作历程像机器不变,紧要是FPGA和ASIC两大方向,中枢区别即是固化水平。

ASIC是“量身定制”的专用处理器 芯片 。FPGA是“半专用”处理器 芯片 ,又称现场可编程门阵列,像乐高相似可编辑,可实现DSP、GPU甚至CPU的功能,代表厂商:赛灵思、阿尔特拉、深鉴科技。

FPGA常用于ASIC开垦的预研,但 芯片 数目进入发作阶段,ASIC的领域经济效应就上风明显。ASIC也但是个大观点,包孕FPGA属类,代表对性价比的极致需求:体积更小、重量更轻、功耗更低、性能提高、保密性增强、资本降低等。

什么是AI 芯片 此刻AI 芯片 并无明显统一的定义,包括但不限于GPU/FPGA/ASIC/DSP等。广义上讲,从前两三年诞生了全世界超过90%的海量数据,基于古板CPU的盘算组织处理数据左右支绌,须要抽离出单一屡屡的运算,议定CPU+AI加速器,即用GPU/FPGA/ASIC做加强,专用性按次越来越强,每瓦功耗越来越低。

同时,必要更好的数据分析和治理办法,AI算法和模型范围由大至小: 人工智能 、机器学习、深度学习、神经网络。使用场景越少,算法越少,越合用于专用 芯片

各色各样的AI 芯片 由此产生,比方寒武纪NPU,地平线BPU,天数GPGPU等。

芯片 上的集成明珠:MCU和SoC 芯片 AI 芯片 让物联网从万物互联走向万物智联。麦肯锡预测,举世AIoT2025年阛阓范畴或达11.2万亿美元,这属于CPU、GPU、ASIC还是FPGA?他日逐鹿界限模糊,各有存在的须要,又有你我共生的新架构在萌发。倘若非要选个赢家,那即是夹杂架构的SoC。

CPU、GPU、FPGA、ASIC等本身只是处理器,须要搭配存储、接口等本事组成无缺的计算机。搭配的集成单元区别,组成的 芯片 也区别,跟着AloT设备灵活性要求日益抬高, 芯片 向低功耗、高性能目标成长,MCU和SoC脱颖而出。

MCU和SoC不是 芯片 类型,更像是集成体式格局,分别是集成水平区别。MCU是 芯片 芯片 ,凡是只包含CPU一个处理器单位;MCU=CPU+存储+接口单位;SoC是体例级 芯片 ,凡是包含多个处理器单位;SoC=CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单位,集成功能比MCU更丰富,可运用于功能较复杂的嵌入式电子设备。

三年前,IC Insights曾预测,2021年汽车半导体将成为 芯片 行业中最强的AloT终端商场。现在,汽车 芯片 正从微控制单位,进化至系统级 芯片

原料来由:中金公司三、MCU市集的领头羊:引领汽车由机械化时代走向电气化时代车规级 芯片 ,现代汽车的神经元“软件定义汽车”,新能源汽车市集占比明显增加, 芯片 、操作系统、算法、数据配合构建智能汽车计算生态闭环,重心便是 芯片 ,车用 芯片 量是古代燃油车的 4 倍。2020 年,环球汽车 芯片 搭载量已达 25 亿颗。 芯片 本钱预计会从目前约4500元/车上升至2025年8000元/车,2030年约15000元/车。万种功能 芯片 似神经系统遍布控制汽车满身,且以 IGBT、MCU、主控 SoC等三类高新技术 芯片 为主,其中汽车数字 芯片 可分为两类。1)AI智能运算为主的 Soc 芯片 ;2)CPU 控制指令运算为主的 MCU。

MCU,又称微控制器或 单片机 ,98%的电子产品都有MCU,主要功能是控制。一般包括删减版CPU+外设,外设也不需要繁复的输入输出设备。麻雀虽小但包含嵌入式体例四大部分:处理器、存储器「RAM、ROM」、计数器「Timer」、通信端口。

MCU制程老练,分为4/8/16/32/64位,使用于汽车电子33%、工控/医疗25%、计算机网络23%、损耗电子11%、其他8%。32位是主流,使用于物联网、汽车电子、指纹识别、安防监控,下个时代是六十四位的机器视觉、高效能影像处理编制等。遵循IC Insights,32位是今年销量增长最快的十大IC之一,预计2021年环球MCU 商场领域有望达223亿美元,出货量从2015年220亿颗增长至2020年360亿,均匀单价从2015年0.72美元升迁至2020年0.78美元。

汽车是环球 MCU 第一大运用阛阓,平均每辆汽车高达上百颗。汽车成长初期是表率分布式电子电气架构,包括多个 ECU,打点区别功能,每个ECU都要嵌入 MCU 芯片 ,运算简单逻辑指令,因此古代汽车 芯片 其实是兑现某个功能的功能 芯片

随着举世汽车斲丧升级,ECU数量连续增补,应用领域由古代底盘蔓延至整车。功能增补,处理数据复杂化,驱动 MCU 单车价值、用量稳步升迁,短中期显现短缺。

并不「高精尖」的汽车 芯片 ,为何缺货?

与手机5nm 芯片 手艺粉碎相比,MCU 芯片 制程 90nm~0.13um,8 英寸晶圆原材料成熟。缺货并不是手艺问题,那究竟是什么?

新冠疫情+日本火灾地震+欧洲歇工+德州暴风雪+中国台湾缺水。车规级MCU代工集中度较高,由台积电出产举世70%,但2020年收入仅占其3%。MCU 20-45nm制成老练,8英寸晶圆有被性价比更高的 12 英寸取代的趋向,代工收益低,无扩产能动力。上游配置商也因收益较低较少出产老练制成的出产配置。疫情功夫消费电子出卖产生挤压产能。姑且建厂周期长难度大。缺货风浪引发囤货、加塞、漫天要价。大宗产品 芯片 创制本钱上涨。美国对华为制裁的蝴蝶效应。

缺芯透露什么问题?

缺芯原由万般,但本质都是供应链平安问题。汽车 芯片 财产全球化,列国企业分工分明,还没有哪个国度凭一己之力扛起完全供应链,上游蝴蝶效应,很快波及十万八千里,尤其是中原汽车制造具体被 芯片 “绑定”,要解决问题:一是核心技术自我可控,二是精良的供应链管理机制。

车用半导体供应链一般有两种代价体系,一是大客户体系,根据年度采购议价,确定次年需求量和代价,所以大Tier 1和Tier 2不会半路涨价。二口角大客户体系,才是网上缺芯涨价的重灾区。

MCU虽然不是高端 芯片 ,但没有本身的“鸡肋”,中原“芯”始终存在断供危机。MCU 商场高度集中,国外七权威环球商场份额逾越 80%,瑞萨、恩智浦 「高端汽车、工控」> 微芯、意法 >其他三家。国内方面,按照IC insights,2020年中原 芯片 商场以逻辑器件、MPU和DRAM为主,MCU占比不够5%。因为国内汽车半导体都存在供给安详问题,汽车级MCU品质严苛,认证流程纷乱,投入大,短期难盈余。 芯片 缺货虽是环球性的,但也带给国内半导体企业警示和时机。而今国内汽车级MCU量产的有:比亚迪、杰发科技、上海芯旺微电子、赛腾微电子、中微半导体等。国内供给商正加速进口替代:兆易立异、中颖电子。

图源:IHS、开源证券研究所

四、软件定义汽车时代,“补芯”需久远组织:集成 芯片 激励汽车域控制/核心集中化、重塑Tier1供应链关连,自研 IP比赛格局比MCU更打开。

“补芯”需久远结构市场逻辑从缺货涨价,迁移到高端 芯片 突破和国产替换,能力挣脱周期的限定,但从周期股真正转成滋长股,将推动汽车“芯”快速转向搭载算力更强的SoC 芯片

AI 芯片 是智能汽车时代关键变量新能源汽车打倒了传统燃油车的定价策略,百公里加速失去溢价能力,改日车辆奈何溢价---智能网联自动驾驶,核心技术即是AI+ 芯片 。汽车从“两张沙发四个轮子一个车壳”形成“四个轮子上的超级计算机”,必要与人、外界环境甚至云数据中心多量交互,治理多量非结构化数据。自动驾驶 L1 至 L5 级别,L3 级别更是算力需求的分水岭,AI 计算力需抵达 20TOPS,L4挨近 400TOPS,L5 甚至高达L4的十倍,智能座舱、自动驾驶等智能化趋向每升高甲等,汽车智能架构的算法和算力就要增长一个数量级。

古代汽车功能单一与外界交互较少,常用E/E架构议决ECU一对一控制汽车各体例各功能,缺点逐渐暴露:1)只能料理指定传感器数据,算力不克共享;2)通讯总线增补装置难度和车身质量;3)不同供应商的ECU无法统一编程和软件升级。

结果,每新增一个功能,MCU运用数目也要添加,Alix Partners数据表现,2008年MCU 芯片 运用量约为100个/辆,2020年增至250个/辆。更糟糕的是,每辆车包含近十亿行代码,坦白的说质量还不高,这对待全部体例斥地,尤其是软件工程是个倒霉。

“软件定义汽车”时代,汽车E/E架构正由古代分布式逐渐向域控制/重点集中式演进。

E/E 电子电气架构升级包孕硬件、软件、通信三大部分。个中,博世将硬件架构从简单到复杂分为三大阶段6 小阶段:分布式、域荟萃、重心荟萃式。模块化大部分车企已经实现,“域掌握”架构整合多个ECU,单个域掌握器承当特定功能,如 Tier-1 博世的经典五域:动力域、底盘域、车身域、音信娱乐域,ADAS 域。随着集成度进一步升高,将进入“重心化架构”,大众、奥迪、通用、丰田等车企加快放置全新 E/E 架构以进入域荟萃式阶段,预计 2021-2025年实现量产,而特斯拉最为领先新一代 E/E 架构到达了重心荟萃式,即用一个电脑掌握整车,底层选择统一 芯片 驱动是大势所趋。

昔日,统一 芯片 驱动的主要窒碍是算力不足,只具备 CPU 处理器的 芯片 不克知足需求。集结AI加速器的系统级 芯片 是汽车 芯片 将来发展趋势。

SOC「System on Chip」:片上体例,代表一种技术,泛泛具有“CPU+XPU”的 AI 运算多核架构,包孕CPU、GPU、RAM、ADC/DAC、Modem、高速DSP等百般 芯片 。MCU只是 芯片 芯片 ,SOC是体例级 芯片 ,一块单 芯片 就能实现完整电子体例,运行操作体例,和谐组件之间全数通信,并和谐不同及时职司的资源分配。各微治理器MCU治理简单数据转变成统一CPU/AI 芯片 治理不同传感器发送的数据,同时具备本能机能功耗上风,简化满堂体例,只需每个域有个焦点计算器SoC,MCU 用量大大减少,编程斥地更加友好。SoC是半导体、IC物业改日发展宗旨,Market Research Future预计,全球SoC市集范畴将从2017年1318.3亿美元增长到2023年2072.1亿美元,复合年增长率8.3%。

软件定义汽车时代,带动供应链关联重塑,SoC 芯片 将是要紧增量市集上期投资观察「比亚迪半导体要A股上市了」介绍过汽车电子产业链三个层级:上游电子元器件、中游体例集成商Tier1和下流整车制造厂OEM及维修厂AM。古板汽车供应链体例中,软件本事平淡不由汽车主机厂直接控制,而由 TIER1 厂商掌控。

“软件定义汽车”的游戏规则下,汽车产业从侧重销量变动为侧重用户运营和软件利润,干系部件在汽车中的价值量不竭提升。IBM预测,2030 年软件将占开发成本 90%。二级供应商绕过古代一级零部件供应商Tier1,直接与主机厂团结,攫取更高收入更高行业话语权,不再罕有。比喻英伟达直接对接小鹏,地平线直接对接长安。

供应链必定爆发改换,古代博世等Tier1不具备基于SoC 芯片 的软件才干,SoC 芯片 厂供应软硬件全栈才干或成新Tier1。

SoC 自研 IP 与渠道构筑行业壁垒。SoC 公司日常平凡根据下游整体运用场景,自研音视频编解码、影像视觉、系统设计、电源管理技艺等IP 模块,构成行业壁垒。研发资金人才多量投入,后进入者短时间很难堆积充裕技艺并快速产业化,构成技艺壁垒。国内 SoC 芯片 设计行业集中度较高。

车规级 SoC 芯片 动作增量赛道,竞争格局比古代 MCU更敞开汽车SoC 芯片 是整车核心,紧要包含智能座舱 芯片 和自动驾驶 芯片 。智能座舱 芯片 以“CPU+功能模块”的SoC异构融合方案为主。自动驾驶 芯片 以“CPU+GPU+NPU”的SoC异构方案为主。自动驾驶竞按供给格式又分为软硬一体式和敞开式解决方案两大阵营。

将来大鸿沟普遍需兼具资本省钱+生态打开。目前兑现车规级量产前装的并不多,海外重要有英特尔、英伟达和特斯拉,居举世第一梯队,华夏重要有地平线和华为。英伟达龙头涌现,高通等手机 SoC 芯片 厂商进入汽车领域具备发生潜力。MCU功能 芯片 与SoC 芯片 设计与工艺分歧较大,以功能 芯片 见长的瑞萨、NXP、TI等古代汽车 芯片 厂非论算力如故更新速率都难以追赶消费类 芯片 厂。

国内厂商与国际抢先企业差距较大:代表厂商华为和地平线。华为硬件权势不弱于高通和英伟达,软件稍弱。地平线、黑芝麻也有亮点,地平线在 Waymo 举办的 5 项挑战中得到 4项全球第一,一战成名。征程 5 算力高达 128TOPS,多颗征程 5 芯片 打造的主动驾驶域控制器最高算力达1024TOPS,能支持 L4 级主动驾驶。黑芝麻 芯片 算力接近特斯拉,功耗却镌汰一半多余。

图源:兴业证券车规级 SoC 芯片 动作增量赛道,角逐格局比古代 MCU更敞开,国内企业有望依靠性价比更高、本土化任事更好与敞开平台抢占市场份额。国产 芯片 加速,看好自立崛起。

结语汽车 芯片 荒会赓续多久?恐怕没人能给出确定答案。但是,“碳中和”催化国内新能源汽车快速放量,美国对 芯片 “卡脖子”手脚,“ 芯片 荒”等加速国产替代势在必行。

汽车MCU 芯片 市场一直被恩智浦、德州仪器、瑞萨等汽车 芯片 权势巨子垄断,外来者鲜有机缘入局。但跟着汽车行业智能化加速,MCU车身域增量国产替代空间大,高级别智能驾驶SoC 芯片 为中央的生意大战已经打响,英特尔、高通、华为等消磨电子权势巨子纷繁登场,地平线黑芝麻等草创公司也迎来机缘,弯道超车共助汽车大国走向汽车强国。

成本更关怀3点:团队技艺和渠道能力、车规级认证流片前装量产能力、供应链产能。流片后合座融资节奏会转向“产业投资人为主,财务投资人跟投”。

芯片 趋势长期,须要提前构造,非且自抱佛脚。伴随汽车架构重塑、产业链向上整合,智能化技术飞快迭代。恐怕,而今正是赛点,正是国内半导体企业迎头赶上的黄金时代。

标签: 单片机 供应关系 人工智能 芯片 中央处理器

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