汽车芯片MCU领域:国际三巨头牢牢把持 中国本土企业发力破局_SIL:BEACH价格

MCU,又称微控制单元,广泛用于车内几十种次系统中,如悬挂、气囊、门控等,是汽车电子系统内部运算、处理的核心。MCU是汽车电子控制单元的重要组成部分。ECU又称为汽车的“行车电脑”,主要通过车载传感器信息、总线数据的采集和交互来判断车辆状态,并结合驾驶员的意图,借助执行系统来操控汽车。

近年来,车规级MCU市场规模增长迅速,据ICInsights数据,2020年全球车用MCU销售额近65亿美元,预计未来3年涨幅可达24.6%。2021年车用MCU销量已占MCU整体销售额的超过40%。单车MCU用量不断提升,来自中信证券数据,每辆传统汽车平均用到70颗以上MCU,智能汽车则超300颗。

从技术角度来讲,MCU目前主要有3种:8位、16位、32位。其中,8位工作频率在16-50MHz之间,具有简单耐用、低价的优势;32位MCU工作频率最高,处理能力、执行效能更好,应用也更广泛,通过采用先进制程工艺,32位价格也在逐渐降低。而夹在中间的16位,因缺乏优势,市场不断被挤压,目前出货比例最低。

32位MCU是汽车MCU市场主流,并且随着汽车架构集成度的提升,推动车用MCU向32位升级,成为当前主流。据电子工程专辑数据,2020年其占比已超过车用MCU的60%。台积电在2021年三季度年与2020年三季度的产量相比,用于汽车MCU的晶圆厂产能增加60%,比疫情前水平还高出30%。其中,在具体产品类别上,有机构统计数据显示,超过四分之三的汽车MCU销售来自32位微控制器,去年营收预计将达到58亿美元,16位和8位的营收预计分别为13亿美元和4.41亿美元。同时,由于市场供应紧张,32位汽车MCU出厂价格在2021年上升13%。前段时间英飞凌的TC397,代理商官方信息无库存、交货周期为43周,报价更是高达近千元人民币。

车厂、芯片厂商往往根据成本、空间、功耗、性能等因素,采用不同位数MCU的组合方案。在车身应用层面,3种MCU有各自主要应用领域,32位主要集中在车身控制、仪表盘、驾驶辅助系统等。

全球性缺“芯”

是中国本土厂商在MCU领域的新机遇

由于车载MCU具有较高的技术壁垒,而国外厂商技术积累深厚,前三大巨头瑞萨、NXP、英飞凌的市占率高达90%,欧美第一梯队在技术积累、供应关系上具有先发优势。但市场过于集中的风险,在“缺芯”危机中也凸显出来,MCU首当其冲,成为“缺芯”主角。整车厂普遍开始通过更多渠道采购芯片、增加供应商备选,来缓解芯片短缺的问题。“缺芯”危机从另一个角度理解也是国产MCU厂家的新机遇。

国内车规级MCU厂家,目前有十几家,其中7家已有产品发布,如杰发科技、赛腾微电子、琪埔维等。这些厂家主要集中在车身域,包括汽车灯、车窗、雨刮器等。根据博世经典五域,整车主要分为自动驾驶域、底盘域、信息娱乐域、车身域、动力总成域等。相比其他4类,车身域在价值量上相对较低。

全球“缺芯潮”中,国内MCU厂家机会,主要有2大层面:

首先,是车身域增量的国产替代。以前只应用在高端车的功能,如车载无线充、氛围灯控制、流水尾灯控制等,现在大量运用在中低端车。据赛腾微电子数据,目前约10万辆左右的家用轿车有这样的增量需求。

其次,动力域、底盘域的技术创新。本土MCU虽然进入了智能表计、高端智能家电等领域,但是中高端应用领域工控、高端家电、医疗、汽车依然被日系、欧美系厂商把持。

数据来源:电子发烧友

目前国内做MCU有两种发展模式:一种是跟随策略,通过购买内核和外设IP完成设计仿制国外厂家;这样做有两个缺陷,一个是买来的IP都是通用IP,做了很多冗余设计,造成了成本浪费;另外一个是不清楚买来的IP有哪些缺陷及在哪些应用场景下会失效,这样会影响产品的可靠性,品质不可控。另外一种模式是自主创新,从内核到外设,所有的IP都是自主研发,能完全掌握产品的特性。可以设计出用在工控、强干扰工作环境的高可靠性MCU,有很好的可靠性和稳定性。

图源:NXP

国内MCU企业被资本市场看好

但未来竞争激烈

在中国集成电路产业迅猛发展的重大机遇以及全球车规芯片“缺芯涨价”的大背景下,从2020年至今,仅中国市场,汽车级MCU的投资金额就超过200亿元。资本也开始涌入:

2021年底,苏州旗芯微半导体有限公司宣布完成新一轮融资,投资方包括上汽旗下尚颀资本、小米产投、经纬恒润、顺为等。该公司基于ArmCortex-M4的32位车规级MCU芯片FC4系列已开始流片,预计2022年第一季度可以拿到工程样品。

苏州云途半导体的亿元A轮融资,首款车规级32位MCU芯片YTM32B1L系列产品已经量产,主要应用于传感器控制、EPS、T-Box、TPMS、座椅、电动尾门、车窗以及车灯控制等中低端应用。公司今年即将量产的第二款车规级MCU是ASIL-B等级YTM32B1M系列产品。后续公司将主要投入功能安全ASIL-D等级应用于汽车电驱电控和域控制器的多核产品。

芯旺微电子近日宣布完成数亿元C1轮融资,基于自研KungFu内核的车规级32位MCU产品已实现大规模量产,同时进入了韩国现代、德国大众等海外车厂供应链体系。本轮融资资金将用于投入车规级芯片的研发和市场推广,包括ASIL-D等级应用于汽车发动机和域控制器的多核产品。此前,产品主要用于车身控制、汽车电源与电机、汽车照明和智能座舱等中低端应用场景。

CHIPWAYS同样在去年底宣布完成A+轮3亿元融资,将主要用于车规级传感和控制类芯片的系列化业务。公司是国内唯一一家同时实现ASIL-B和ASIL-C级MCU量产的汽车半导体厂商。

除新锐企业外,一些下游传统行业巨头也在杀入这个赛道。2022年初,美的集团宣布开始投产MCU控制芯片,全年产量约1000万颗,未来将继续提高芯片产量,同时还将计划布局汽车级芯片。包括芯驰科技、芯擎科技在内的几家从汽车级SoC切入汽车市场的玩家,也正在布局车规级MCU的研发。

事实上,目前,外资车规级MCU厂商的产品线,从低端到高端应用的MCU芯片单价差异巨大。以32位MCU为例,从不到几十元到近千元人民币不等。而目前,国内大部分MCU初创公司都是以Arm核快速切入,价格普遍在几元到几十元不等。由于缺芯并非“常态”,同时因为汽车行业需求天花板明显,目前国内数十家企业挤入汽车MCU赛道,可以预见,未来竞争将会非常激烈。

高性能集成式MCU将取代低端MCU

随着整车电子架构的集中化趋势加速,单车MCU的用量和种类也将出现“缩减”。MCU的性能将进一步提升,高端MCU将“吃掉”过去很多低端MCU的用量。比如,几家头部的汽车级MCU大厂已经在瞄准未来汽车跨域高性能MCU的研发,将多个应用集成到单个芯片,集成虚拟化功能,允许多个要求ISO26262ASILD功能安全级别的软件系统独立运行。

如,现代汽车和三星电子合作,两家公司未来将计划联合开发10nm汽车级AP处理器,这种集成芯片将可能取代目前刹车、安全气囊、车身控制等多个部件所需的MCU。在一些半导体厂商看来,在CPU和MCU之间传统界限正在被打破。

接下来市场竞争的门槛将不仅仅要符合AEC-Q100,还要达到相应的功能安全和信息安全等标准。对于国产MCU厂商来说,市场门槛也在不断上升。

在过去几年时间,全球围绕半导体产业的整合还在继续,且有不断深化和加速集中的趋势。这其中,汽车行业是传统半导体巨头的重点赛道。而高性能MCU是智能汽车赛道的未来主角。近日,英飞凌宣布推出最新Aurix处理器,通过几个额外的硬件加速器显著提高性能,基于28nm工艺,计划于2024年下半年量产。最重要的是,新版本现在还支持虚拟化概念,满足更多应用领域。

图源:英飞凌

Aurix基于英飞凌TriCore架构,到目前为止这款MCU已经在汽车市场出货大约3.2亿颗,并且在对功能安全性要求更高的应用领域占据头部市场份额。

作为新一代TC4x,在原有TriCore架构基础上,增加了一个并行处理单元(PPU)和一个可扩展的SIMD矢量处理器,旨在覆盖不同的AI拓扑的要求,目的是满足新的汽车电子架构的升级,适应从分布式向集中式的需求变化。

除了更高的时钟频率外,PPU将上一代Aurix计算能力提高78%;信号处理单元(SPU)接管了多传感器融合信号处理的计算,与上一代相比,性能提高了4倍。总体性能来看,英飞凌会给出的数据在ASIL-D条件下提供了60%的性能增长,同时考虑到了ISO21434网络安全标准。

图源:英飞凌

另一个亮点,就是支持Hypervisor,第一代TC4x最多支持8个虚拟机。目前,英飞凌正在与Synopsys合作,提供为PPU开发软件所需的优化编译器、调试器、模拟器和库。此外,为了加快客户的开发速度,还将增加Matlab对自动代码生成的支持。

此外,TC4x支持全新的SOTA功能,满足远程分析和诊断功能。同时,配备了5Gbit汽车以太网、PCI-E等高速通讯接口,以及CAN-XL和10BASET1S汽车以太网。

而在英飞凌之前,瑞萨在两年前推出的RH850/U2A,就是一款集成了基于硬件的虚拟化辅助功能,同时保持传统RH850产品的快速、实时性能的跨域MCU特点。

在去年底,瑞萨再次发布一组功能更强大的MCU——RH850/U2B,将多个应用集成至单个芯片,完成从用于车身和底盘控制系统的RH850/U2A到高性能RH850/U2B的全场景应用覆盖。同时,通过与瑞萨用于智能汽车中央网关系统的R-CarS4SoC相结合,RH850/U2B可以用于全新区和域控制应用,同时满足成本、安全和加密等车辆系统所需的严苛要求。全新计算加速器IP、硬件虚拟化机制的Hypervisor、支持安全、快速的零等待OTA软件更新、双区嵌入式闪存以及多个AES128锁步模块实例,用于无冲突、确定安全性和安全通信是这款高性能MCU的突出亮点。

因此,总体看,在MCU领域,除了中低端产品的市场替代,高起点研发投入的门槛还在不断提高。同时,中低端产品可能被高性能MCU替代的趋势也愈发明确。国内本土企业想迎头赶上并实现超越,我们不得不说,要有很长的路要走。

就技术发展趋势而言,未来MCU的方向,除了不断扩展算力、支持虚拟化,同时考虑到未来智能汽车各个核心模块的应用,一种可扩展的统一架构的MCU以及集成的软件开发环境,最大限度地减少各种应用程序的开发负载和提升重用率,成为下游客户的最优选择。

链接参考:国内车规级MCU厂家名单整理!

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金宝趣谈

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