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全球汽车芯片市场增长强劲 加快建立自主汽车芯片创新生态2020-10-09 14:03:01 来源:中国科学报 小 大 军事APP头条APP近年来,我国新能源汽车产业发展取得显著成效,已成为新能源汽车最大的产出国。我国新能源汽车在世界范围内形成了先发优势,并进一步向智能化发展,新能源智能汽车成为未来汽车产业发展的主要方向。
新能源智能汽车是电子信息技术与新能源汽车技术跨界融合的产物,车规级半导体(车规芯片)是实现智能化和电动化的核心硬件,是产业安全的“卡脖子”技术。
全球汽车芯片市场增长强劲
目前全球消费电子市场增长放缓,汽车芯片将成为未来全球半导体市场的增量驱动主力。随着新能源驱动和智能驾驶渗透率迅速攀升,智能新能源汽车芯片市场年复合增长率将高达21%。
据统计,2017年全球半导体市场规模达4203亿美元,其中汽车芯片市场占374.7亿美元,占比8.9%。而到2022年,全球半导体市场规模将达5426.4亿美元,增长29.1%,其中汽车芯片市场占656.6亿美元,占比上升到12.1%,增长达75.2%。
2019年,全球汽车芯片市场规模约为475亿美元,但我国自主汽车芯片产业规模不到150亿元,约占全球的4.5%。与此同时,我国汽车产业规模占全球市场达30%以上。汽车芯片占比与汽车产业占比存在巨大差距。
值得注意的是,我国汽车用芯片进口率达95%,先进传感器、车载网络、三电系统、底盘电控、ADAS(高级驾驶辅助系统)、自动驾驶等关键系统芯片全部为国外垄断,我国自主汽车芯片多用于车身电子等简单系统。随着全球经济合作态势日益复杂,进口渠道风险对汽车产业和国民经济存在致命影响。
从一辆汽车单车芯片成本均值看,2019年芯片成本约400美元/车,2022年将达到600美元/车左右。预计2022年我国汽车市场约达2500万辆,由此估算我国汽车芯片市场可达150亿美元,成为千亿级市场,约占全球市场规模的22%,甚至更高。汽车芯片市场孕育着巨大的市场机会和潜力空间,中国企业有必要把握这个市场机会。
车规芯片垄断态势亟待突破
由于汽车面临的环境复杂多样,因此要求车规芯片具备“高安全性、高可靠性、高适应性、高稳定性”等特征,能满足耐高温变动、抗震动等要求,能适应在世界各地最极端的气候和地理环境条件下持续工作,甚至要求实现零缺陷。
例如,消费级芯片要求适应的温度范围一般在0~40℃,工业级芯片工作温度在-10~70℃,而车规芯片的工作温度则要求在-55~175℃。在使用寿命方面,车规芯片往往需要达到15~20年。同时,车规芯片还要求具有高性价比,以适应汽车成本控制需求。
汽车电子包括车身控制、底盘控制、智能驾驶、安全系统等,均需要通过芯片实现功能,因此汽车芯片处于汽车电子产业链的最基础地位。
近年来,智能新能源汽车的芯片应用快速增长,其应用范围包括动力、车身、底盘控制、车载网络、信息娱乐及安全、ADAS、自动驾驶等方面。一辆智能新能源汽车上将有上百枚芯片,但核心功能主要应用7类芯片,包括感知、控制、计算、通讯、存储、安全、功率。尤其是功率芯片,未来单车成本将突破350美元,占整车芯片成本的一半左右。
而在这些关键芯片领域,几乎全部为外国企业垄断,中国企业自主率不到5%。这意味一方面我国急需在这些方向加大自主创新,另一方面也意味着在这些方向上中国企业有很大的发力空间。
在产业发展过程中,新研发的芯片不是直接就可以上车应用的,还需要通过Tier2(车厂二级供应商)、Tier1(车厂一级供应商)、OEM(汽车厂商,主机厂)等供应链流程。
车规芯片需要经过严苛的认证流程,包括可靠性、质量管理、功能安全等方面的验证。因此一款芯片一般需要2-3年时间完成车规认证,并最终进入整车厂供应链,而一旦进入供应链,一般就会拥有长达5-10年的供货周期。
国产车规芯片之所以推广困难,正是因为高安全与高可靠标准、长供货周期、与中下游零部件厂商和整车厂长久合作关系,造成目前汽车芯片格局十分稳定,半导体企业、零部件供应商、整车厂商形成的强绑定供应链,推高了行业壁垒。
从现实看,欧美日目前已形成稳定供应链格局。国内,Tier1所需汽车电子芯片,通过资助开发和跨境收购有所突破,但Tier2所需半导体部件,国产能力几乎为零。尽管中国现有很多汽车芯片设计企业,均很难真正进入到车企的供应链体系中。
建立创新生态是解决问题关键
产业创新生态联动发展,是解决“卡脖子”问题的核心手段,是国家“十四五”中长期科技发展规划和国家新能源汽车产业规划的重要议题。
从国民经济的高质量安全发展、汽车产业供应链的自主可控、汽车芯片产业的巨大市场机遇看,实现车规芯片的国产化和自主化,具有十分重要的战略意义、现实意义和经济效益。
目前,国内车规芯片面临的核心问题,是标准体系不健全、测试认证平台缺失、技术研发能不足、关键产品缺乏应用、车规工艺缺乏积累等,导致生态建设严重不足。
解决的措施,一是要聚焦重点方向,即聚焦感知、控制、计算、通讯、存储、安全、功率等车规芯片,联合产业链上下游协同攻关,突破自主车规芯片的关键技术攻关和典型产品研制。
二是建设共性平台,组织产业链上下游开展供需衔接、共性技术研发、可靠性评测、功能安全审核、车规级认证及质量审核等,打通自主车规芯片上车应用通道。
三是完善标准布局,依托共性技术平台,建设中国车规芯片标准体系,用于车规芯片检测认证,先形成团体标准,同步推进国家标准和行业标准,并积极参与国际标准制定。
四是强化推广应用,依托共性技术平台,成立全国跨行业车规芯片创新与产业联盟,联合芯片、软件、零部件、整车等各环节企业,研发自主车规芯片的通用硬件基础平台,向汽车厂商推广应用。
建立自主汽车芯片创新生态探索实践
成立于2018年3月的国家新能源汽车技术创新中心(简称“国创中心”),是科技部与北京市推动的我国汽车行业领域唯一一个国家级技术创新中心,也是目前唯一一个以市场化资源配置为机制,以企业法人为主体的国家级技术创新中心。
秉承共商、共建、共治、共享、共用的原则,围绕“一个中心、二个高地、三个平台”,国创中心积极服务于国家实施创新驱动发展战略和汽车产业转型升级发展需要,奋力朝着建设具有全球影响力的新能源汽车共性、前沿关键技术的集成创新中心迈进。
以“国家使命、行业需求”为指引,国创中心开展了车规芯片、燃料电池、智能网联、电子电控、开源平台、混合动力六大“高光”领域攻关。
在车规芯片领域,国创中心充分发挥体制机制创新优势,加快关键核心技术攻关,在科技部、工信部共同支持下,牵头联合汽车产业和芯片产业上下游企业和机构100余家,于2020年9月19日成立了“中国汽车芯片产业创新战略联盟”,目标是实现车规芯片自主安全可控,大规模提升科技产出质量和转化效率,形成产业创新生态的“热带雨林”,提升产业核心竞争力,推进产业经济健康发展。
目前,在测试验证平台建设方面,国创中心投资约1.3亿元建设了芯片的车规评测软硬件能力;投资约1亿元建设了中国车规芯片评价测试标准和对标评测数据中心。近四千平方米的车规半导体测试实验室即将投入使用,该实验室包括环境、机械、电子可靠性、电性能、功能安全等试验室和数据中心。
为推动车规芯片上车验证,国创中心在北京市科委支持下,以北汽相关车型为基础,搭建了首个纯电动乘用车开源验证平台,可为自主汽车芯片快速上车应用提供实车功能性正向验证服务,促进国产汽车芯片优化提升。
围绕功率芯片,国创中心联合高校院所、行业机构、企业等成立了车规半导体测试认证工作组,构建车规半导体标准体系框架,编制通用标准和专用测试标准,整合第三方测试机构资源,明确测试认证技术路线。目前,工作组已完成3项专用测试标准的初稿,并与8家第三方功率半导体测试机构合作,共建车规芯片测试平台,并已对9款功率器件/模块进行认证及对标测试。
国创中心开展了面向智能新能源汽车应用的“三域一网关”新型电子电气架构的预研工作,开发的开放式的顶层系统架构和模块化的硬件通用平台,可提供标准化应用层软件接口,帮助相关企业迅速开发出差异化电控产品,用于搭载自主汽车芯片并快速上车应用。
国创中心还搭建了知识产权共享平台,并筹建了汽车电子与车规芯片基金。知识产权共享平台作为产业供需双向衔接的公共服务平台,以知识产权运营为抓手,汇聚行业内外、国内外创新资源,提供汽车产业核心技术专利群和前沿技术专利包。汽车电子与车规芯片基金将投资孵化自主车规芯片设计企业,以及应用自主车规芯片的汽车电子企业。
未来,国创中心将立足“创新型、平台型、开放型、伙伴型”的理念,为构建中国新能源汽车产业创新生态加力助推。
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