“缺芯”中的智能汽車芯片到底是什么？

按照國(guó)際通行的半導(dǎo)體產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)方式劃分：汽車半導(dǎo)體可以分為四類：集成電路（微控制器、模擬 IC、邏輯 IC、存儲(chǔ)芯片），分立器件，傳感器和執(zhí)行器、光電子器件共四大類。根據(jù) HIS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì) 2025 年全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)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(chǔ) IC 約 87 億美元、微控制器約 85 億美元、光學(xué)半導(dǎo)體約 66 億美元、傳感器與執(zhí)行器約 63 億美元。

按照半導(dǎo)體在智能汽車上具體的應(yīng)用領(lǐng)域劃分：汽車半導(dǎo)體可分為與智能化相關(guān)的計(jì)算芯片、存儲(chǔ)芯片、傳感與執(zhí)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)，隨著處理事件復(fù)雜性的日益提升，亦存在將幾種不同類型的芯片集成在一起，形成系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）。通常，SoC 芯片中包含一個(gè)或多個(gè)處理器、存儲(chǔ)器、模擬電路模塊、數(shù)模混合信號(hào)模塊以及片上可編程邏輯，從而可以有效地降低電子/信息系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

• 計(jì)算及控制芯片：此類芯片以微控制器和邏輯 IC 為主，主要用作計(jì)算分析和決策。與人體大腦類似，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(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列器件）、ASIC（專用芯片）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(jì)算的 AI 芯片等。

• 存儲(chǔ)芯片：主要用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，具體包含 DRAM（動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器）、SRAM（靜態(tài)存儲(chǔ)器）、FLASH（閃存芯片）等。

• 傳感芯片：主要用于探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或其他所需形式傳遞給其他設(shè)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(dá)）。

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

• 能源供給芯片：主要用于保證和調(diào)節(jié)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(qū)動(dòng)芯片等）、晶體管（IGBT、MOSFET 等）、二極管、晶閘管等。

從芯片類型上來(lái)看，傳統(tǒng)用于中央計(jì)算的 CPU 已無(wú)法滿足智能汽車的算力需求，集合 AI 加速器的系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）應(yīng)運(yùn)而生。在分布式架構(gòu)時(shí)代，ECU 是汽車功能系統(tǒng)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E/E 架構(gòu)由分布式向域控制器/中央計(jì)算升級(jí)的進(jìn)程加快，域控制器（DCU）正取代ECU 成為智能汽車的標(biāo)配。在此升級(jí)過程中，僅依靠 CPU 的算力與功能早已無(wú)法滿足汽車智能化所需，將 CPU 與 GPU、FPGA、ASIC 等通用/專用芯片異構(gòu)融合的SoC 方案被推至臺(tái)前，成為各大 AI 芯片廠商算力軍備競(jìng)賽的主賽道。

SoC 中各處理器芯片各司其職，其中 CPU 負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算和任務(wù)調(diào)度；GPU 作為通用加速器，可承擔(dān) CNN 等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)，將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)承擔(dān)主要計(jì)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(qiáng)化學(xué)習(xí)等順序類機(jī)器學(xué)習(xí)中表現(xiàn)優(yōu)異，在部分成熟算法領(lǐng)域發(fā)揮著突出作用；ASIC 可實(shí)現(xiàn)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(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，計(jì)算芯片可以劃分為智能座艙芯片和自動(dòng)駕駛芯片、車身控制芯片。

（1）智能座艙芯片

芯片結(jié)構(gòu)：以“CPU+功能模塊”的 SoC 異構(gòu)融合方案為主。以高通智能座艙主控計(jì)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(xiàn) hypervisor 和 QNX 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間小于 3 秒，Android 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間小于 18 秒，倒車影像啟動(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(dá) 2.1GHz 的 64 位四核處理器（Qualcomm? Kryo? CPU），用于對(duì)所有硬件資源的調(diào)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(xiàn)一芯多屏；（3）DSP，采用Qualcomm? Hexagon? 680 DSP，能夠在不增加 CPU 負(fù)載的情況下，支持 8 個(gè)攝像頭傳感器同時(shí)輸入；（4）LTE 調(diào)制解調(diào)器模塊，確保車輛在行駛過程中獲得持續(xù)的移動(dòng)連接性。除此之外，該芯片可搭載高通深度學(xué)習(xí)軟件開發(fā)包(SDK)——Qualcomm 驍龍神經(jīng)處理引擎(NPE)，從而可集成基于機(jī)器學(xué)習(xí)的先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)。

競(jìng)爭(zhēng)格局：瑞薩、英偉達(dá)、高通、英特爾、三星等廠商憑借優(yōu)越的芯片性能和供應(yīng)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(dá)由于其在手機(jī)、消費(fèi)電子等領(lǐng)域龐大的出貨量及技術(shù)儲(chǔ)備而大幅攤薄新一代架構(gòu)的研發(fā)成本（7nm、5nm 制程的研發(fā)費(fèi)用高昂），因而可率先卡位智能座艙芯片賽道。目前，高通在國(guó)內(nèi)新興旗艦車型上近乎實(shí)現(xiàn)壟斷，其座艙產(chǎn)品迭代速度幾乎與手機(jī)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(jī)一代）。根據(jù)高通數(shù)據(jù)顯示，其 2021 年汽車芯片在手訂單逾 80 億美元，主控芯片月出貨量高達(dá)數(shù)百萬(wàn)顆。國(guó)產(chǎn)廠商方面，華為和地平線分別憑借麒麟 990A 和征程 2 快速出圈，華為與高通類似，擁有強(qiáng)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 的車型，單顆芯片可同時(shí)驅(qū)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(dá)到3.5TOPS（高通最新座艙芯片 SA8155P 為 3TOPS）。而地平線也因其開放的開發(fā)平臺(tái)和完備的工具鏈?zhǔn)艿街鳈C(jī)廠青睞，其征程 2 座艙芯片已獲得長(zhǎng)安 UNI-T車型定點(diǎn)。

（2）自動(dòng)駕駛芯片

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

競(jìng)爭(zhēng)格局：按照供應(yīng)方式可以分為軟硬一體式解決方案和開放式解決方案兩大陣營(yíng)。其中，英特爾（Mobileye）和華為是國(guó)內(nèi)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、算法綁定銷售的全家桶式方案。該方案優(yōu)勢(shì)是能夠幫助自研能力不足的主機(jī)廠快速上車量產(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(jì)算平臺(tái)采用“統(tǒng)一硬件架構(gòu)，一套軟件平臺(tái)，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(dá)和地平線是國(guó)內(nèi)外自動(dòng)駕駛開放式解決方案供應(yīng)商的代表，二者均擁有完全開放的生態(tài)和完備易用的工具鏈，OEM 廠商可以在芯片、算法中的任意層次購(gòu)買服務(wù)。目前，英偉達(dá)自動(dòng)駕駛解決方案已被眾多新勢(shì)力廠商及自主品牌所采用，包括小鵬、理想、蔚來(lái)等新勢(shì)力品牌，以及上汽智己等自主品牌；地平線在自動(dòng)駕駛落地方面也在持續(xù)推進(jìn)當(dāng)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(yīng)商，將搭載兩顆征程 3 自動(dòng)駕駛芯片。我們認(rèn)為在智能汽車行業(yè)發(fā)展初期，部分 OEM 廠商會(huì)綜合考慮成本、開發(fā)周期、系統(tǒng)穩(wěn)定性等因素而選擇軟硬件一體式解決方案；當(dāng)行業(yè)邁向成熟階段，頭部 OEM 廠商已具備相當(dāng)程度算法開發(fā)能力，將會(huì)傾向于選擇更為開放的計(jì)算平臺(tái)，在完善的開發(fā)工具鏈之上結(jié)合場(chǎng)景自研算法，以滿足差異化需求。

（3）車身控制芯片

芯片結(jié)構(gòu)：車身控制芯片對(duì)算力要求較低，通常以 8 位或 32 位的 MCU 芯片為主。車身控制域的本質(zhì)是在傳統(tǒng)車身控制器（BCM）的基礎(chǔ)上，集成了無(wú)鑰匙啟動(dòng)系統(tǒng)（PEPS）、紋波防夾、空調(diào)控制系統(tǒng)等功能。因而其中的主要芯片仍以車規(guī)級(jí) MCU 為主。根據(jù)芯片數(shù)據(jù)吞吐量的不同，車規(guī)級(jí) 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(shì)，主要應(yīng)用于車窗、車門、雨刮等車身控制領(lǐng)域；32 位MCU 工作頻率最高，處理能力、執(zhí)行效能更好，應(yīng)用也更廣泛，主要應(yīng)用于動(dòng)力域、座艙域等。

同時(shí)，由于 8 位的 MCU 的效能持續(xù)提升，目前已滿足為低階的 16 位 MCU 的應(yīng)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(jù) HIS 數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，2025 年全球車規(guī)級(jí) MCU 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 73.5 億美元，其中 32 位 MCU 占比將達(dá)到 76.6%。

競(jìng)爭(zhēng)格局：外資廠商高度壟斷，行業(yè)“缺芯”事件背景下國(guó)內(nèi)廠商正加速崛起。根據(jù) HIS 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，外資廠商憑借先發(fā)優(yōu)勢(shì)已高度壟斷全球車規(guī)級(jí) 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(guó)內(nèi)車規(guī)級(jí) MCU 市場(chǎng)正加速進(jìn)口替代。目前，國(guó)內(nèi)成熟的車規(guī)級(jí)MCU 供應(yīng)商包括比亞迪電子、杰發(fā)科技、芯旺微等。