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中國汽車年產量從 1999 年的 183 萬輛增長至 2022年的 2702 萬輛，全球占比從 3%提升至近50%。其中，新能源汽車在中國的發展勢頭尤為迅猛，據中國汽車工業協會統計，2022年中國新能源汽車產銷分別完成705.8萬輛和688.7萬輛，同比分別增長96.9%和93.4%。中國汽車工業展現出強大發展韌性。
對中國半導體產業來說，一個新的汽車時代正揭開帷幕，一個新的汽車芯片時代也已經到來。業界預測，2025年將成為芯片本土化供應的關鍵節點。那么，國內半導體企業準備好了嗎？
為探索國內半導體企業在汽車領域的發展路徑，芯師爺特別策劃“國產汽車芯片應用”專題。本文是該專題第一篇文章，將關注國內車規MCU產品發展概況。
? MCU--汽車ECU的核心 ? ?
MCU（Microcontroller Unit；簡稱MCU，中文翻譯為微控制單元）?是把中央處理器、存儲、定時器、輸入輸出接口集成在同一個芯片上的微控制單元，也稱單片機。MCU主要用于自動控制的產品和設備，可應用于工業、汽車、通訊與計算機、消費類電子領域。
與消費級和工業級芯片相比，車規級MCU對產品的環境要求、可靠性要求和供貨周期要求較高。
針對車規芯片，汽車市場還有專門的認證流程。在汽車領域，芯片應用可分為前裝市場和后裝市場，前裝指汽車出廠前，在車廠內完成的零部件安裝，后裝則指汽車出廠后進行的零部件安裝，也有企業將前裝市場稱To B（TO Business，面向企業）市場，后裝稱 To C（TO Customer，面向個人）市場。
芯片要進入前裝市場中需要通過嚴苛的AEC-Q100、IATF16949、 ISO26262三大車規芯片認證系統，是嚴格意義上的“車規芯片”；而在后裝市場，由于應用的場景對芯片的可靠性和性能要求較低，性能滿足需求的芯片不通過車規認證也可上車。2019年之前，國內的MCU產品應用大多聚集在前裝市場，近年來隨著市場和芯片原廠技術的成熟，前裝市場成了國內MCU主攻戰場。
車規芯片要通過車規認證難度大，周期長，從流片至量產出貨，往往需要3-5年時間。在前兩年的缺芯極端環境中，這一周期有縮短的空間。某家***原廠曾向芯師爺表示：其MCU芯片在2021年僅一年就通過了車規認證，順利上車。不過值得注意的是，該款MCU并非這家原廠首款通過車規認證的產品，快速上車的背后是該原廠在汽車領域已深耕多年。
需要注意的是，AEC-Q100、ISO26262認證也有等級之分，即使同為車規芯片，不同應用場景中，對車規芯片的認證標準要求也不一樣。
在短則一年長則三五年的漫長認證期間，芯片供貨商并不能從汽車廠商中獲得實際收入。不過，車規芯片供貨商福氣在后頭——一旦某款芯片成功打入整車前裝市場供應鏈，即可享受在汽車正常使用周期內，至少10年以上的供貨期，長期收益可觀。
車規MCU通過認證之后，怎么用呢？
在汽車領域，汽車電子控制單元（Electronic Control Unit，以下簡稱ECU）是汽車專用微機控制器，有“行車電腦”、“車載電腦”之稱。而MCU芯片是ECU的核心運算器件，承擔ECU的運算功能，汽車上每個 ECU 單元需要搭載一個 MCU 芯片，隨著汽車智能化和電動化提升，單車 MCU 芯片用量需求可達幾十至數百顆。
產品性能由低到高分布，應用于汽車領域的MCU的規格種類一般可分為8位、16位、32位三種。MCU的位數是指每次 CPU 處理的二進制數的位數，位數越多，數據有效數越多，精確度越高，運算誤差越小，在CPU運算速度一樣的情況下，位數越多，處理速度越快，所以是衡量MCU 性能的一個重要指標。小到車窗、空調和座椅等簡單操控，大到車身控制、發動機管理，甚至是智能駕駛，MCU都參與其中。根據應用環境和安全考慮標準差異，汽車電子系統方案選擇的MCU規格有所不同。
8位MCU成本/功耗低，便于開發，性能可滿足大部分低階控制場景需要，廣泛應用于基礎功能如風扇、雨刷、天窗，座椅控制等汽車領域。
16位MCU，運算能力介于8位和32位MCU之間，主要應用為動力傳動系統，如引擎控制、齒輪與離合器控制和電子式渦輪系統等；也適合用于底盤機構上，如懸吊系統、電子式動力方向盤、扭力分散控制和電子幫輔、電子剎車等。
32位MCU運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統等領域。
從價格上來說，一般8位MCU的單價小于1美元，16位MCU的單價在1-5美元之間，32位MCU價格在5-10 美元之間，部分高端產品在 10 美元以上。但在市場極端缺貨情況下，汽車MCU的單價波動幅度極大，TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣到5000元一顆，此后該芯片單價一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車市場出貨的晴雨不一，芯片價格也隨之共振。
近年來，由于汽車智能化和電動化快速發展，汽車電子面臨的應用場景越來越復雜，32位MCU的用量正逐步提高，用量提升進一步降低了32位MCU的單價，在性能要求提高和產品單價降低的同步驅動下，目前32位MCU在汽車領域應用占比最高。
“32位MCU在汽車領域占比接近80%，是主流。從產品趨勢上看，未來32位產品占比還將繼續提升，主要是對16位產品的替代。隨著汽車對精細化控制需求的增加，32位產品在傳動和安全在經過一段時間驗證之后，占比還會上升。”杰發科技高級產品經理涂超平向芯師爺介紹道。
近兩年中，據芯師爺觀察，國內MCU廠家一般也是選擇32位MCU作為其車規產品線首發產品。
除了產品規格，架構選擇也是影響MCU在汽車領域應用的一大因素。一是架構在一定程度上可節省程序運用占用內存空間和降低中斷延遲，可影響MCU產品性能；二則由于邊緣政治的沖突，出于對供應鏈安全的考慮，部分汽車廠商也會有意識選擇采用供應安全系數更高的架構芯片。
目前在消費電子、工控、醫療等領域中，MCU主要以ARM內核架構為主，RISC－V架構也在逐步興起中；在汽車領域，Arm Cortex-M內核沿襲了其在其他領域的優勢，國產MCU廠家大多采用這一系列構架，只在具體的系列上有所不同；也有少數MCU廠家另辟蹊徑采用公開指令集自研內核，如成立于2012年的芯旺微電子自研的KungFu內核、成立于2001年的蘇州國芯科技PowerPC架構C*Core，自研架構的優勢在于產權自主，但也面臨生態建設的挑戰，需要企業投入大量精力建設。
? 國內芯片原廠卷向車規MCU ? ?
長期以來，由于汽車MCU市場準入門檻高及汽車市場在全球中以海外品牌為主，全球汽車MCU的供貨主要由海外大廠把控，格局較為穩定；國內半導體廠商主要在消費和中低端工控領域競爭，汽車MCU產品市場占比低。
據 Omdia 統計，2021 年全球前 5 大 MCU 生產廠商分別為 NXP（17.3%）、瑞薩電子（16.8%）、意法半導體（15.4%）、英飛凌（13.9%）以及微芯科技（12.6%），CR5約76%。更早些的數據顯示，全球MCU市場中前十供應商市占達95%以上，且均為海外企業，換而言之，國產MCU市占不足5%。
市占反映出，整體而言現階段國內車規芯片仍處于起步階段。2021年的汽車缺芯潮曾一度加速了國內MCU應用進展：當時芯片價格暴漲，各類型汽車芯片價格普遍上漲了5倍到20倍，盡管如此，依然“一芯難求”，其中MCU芯片最為緊缺，國內芯片原廠的車規MCU在這個時期獲得了不少汽車大廠的青睞，贏得了許多車場導入認證的機會，但由于國內MCU產品選型不夠豐富，能趕上這趟紅利期的企業并不多。
國內車規MCU芯片廠商大多也還停留在車身控制領域，少數幾家有將產品布局邁向了對安全和性能要求更高的動力集成領域，具備國產替代的能力。這與國內MCU原廠在汽車市場發力晚有直接的聯系，據芯師爺不完全統計，目前國內有23家芯片企業布局了車規MCU產品線，產品線概況如下：
制圖：芯師爺
23家國內芯片原廠中，有4家首款車規MCU發布時間在2018年年底前；4家在2019年年底前；3家在2021年年底前；2022年國內迎來MCU產線的爆發，有9家企業在這一年發布其首款MCU產品線；2023年，截止發稿為止，也有3家正式發布了車規MCU產品。
此外，還有不少芯片設計企業正加速車規MCU的研發工作，如力源信息2023年年初通過互動平臺透露，公司自研MCU芯片預計2023年上半年完成AECQ100專業機構認證，上述認證完成后再導入客戶進行客戶端認證；中穎電子也表示其首款32位車規級MCU工程品已于多個客戶端送樣測試。
國內原廠們紛紛盯上汽車MCU賽道并非沒有道理。
從市場需求的角度來看，一方面汽車MCU正迎來量價齊升的快速發展期。傳統汽車單車會平均用到70個MCU左右，而汽車電動化加上智能化的實現則需要用到300多個MCU，MCU的應用領域包括ADAS、車身、底盤及安全、信息娛樂、動力系統等，在車身系統中幾乎無處不在。
另一方面，由于地緣政治的發展，為保障供應鏈安全，政策上已經在鼓勵本土芯片供應鏈的發展，而在汽車MCU這一塊，本土可替代的空間巨大。某知名Tier 1廠商的工程師向芯師爺透露：“政策上對本土化是會有一個引導的，具體的表現是對整個行業的主機廠要求本土芯片的成本要占到供應鏈的一定比例。”
從供應的角度來看，誠然，車規MCU是出了名的技術門檻高、回報周期長的品類。但近年來首度發力車規MCU賽道的國內芯片企業經過在消費電子多年來的歷練和技術積累，已經具備做能滿足大部分汽車場景需要的車規MCU實力。極海汽車電子芯片事業部總監徐學迅向芯師爺表示：“目前極海車規級芯片技術布局與產品規劃充分考慮不同級別的電子架構，滿足汽車電子產品需求、應對挑戰，同時重視迭代升級與可擴展性。”
另一類從創立之初就在做汽車芯片的企業也有十余年的汽車市場和技術積累，在汽車領域已經取得小有成就。據杰發科技涂超平透露：“已有不少國產MCU廠商開始升級轉型，研發高性能MCU芯片，國內客戶的接受度也在同步提升。”再加上這幾年國內“芯投資”風氣旺盛，企業并不缺乏投入研發和等待回報周期的資本，自然也就都兵強馬壯地“上路”了。
外部市場環境中，國內新能源汽車品牌，如比亞迪、小鵬、理想、蔚來等蓬勃發展以及半導體產業日漸成熟，也具備滋養車規MCU成長的實力。“從設計能力看，國產車規級MCU的技術參數在部分領域可以比肩國際大廠，是提高芯片自給率的機會。從工藝制造看，MCU工藝節點集中在40nm及以上的成熟制程，比較先進的車用MCU產品可能會部分采用28nm制程，國內代工廠已經具備相應的制造能力。隨著代工廠在28nm技術的持續優化，國內車規級MCU廠商與上游代工廠加強協作，有望共同推動國內半導體行業再上一個臺階。”杰發科技涂超平補充道。
? 寫在最后 ? ?
總的來說，國內芯片原廠競相涌入汽車MCU市場，對國內整個汽車生態圈來說是好事，由于本土供應的市場“蛋糕”足夠大，更多玩家的加入為汽車MCU領域帶來了更多的人才，有利于提升技術能力，豐富國產車規MCU產品矩陣，實現產業良性競爭，協力從海外大廠手中搶到更多市場的蛋糕。
但在進度上，國內汽車MCU的研發和市場發展還需要進一步加速。2023年，汽車MCU供不應求的局面已經基本得到緩解，國內MCU廠商將面臨國際大廠的反撲，市場壓力不小。上述Tier 1廠商對芯師爺坦言：“不少國產MCU產品和我們的產品是同步開發的，說明芯片還沒有量產，沒有歷史數據，這對于我們的產品開發來說進度有點慢了。”
過去幾年間，中國車規級MCU發展取得了一定成績，產品具備一定的競爭力。未來，在本土供應浪潮和中國新能源汽車品牌及市場持續增長的帶動下，芯師爺期待國內車規MCU繼續加速成長。
審核編輯：劉清
工商網監
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