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汽车“缺芯潮”下产业链“跪产能”困局如何解？

2021-04-22 11:49:15 创事记作者：经纬创投

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　　文/经纬创投主页君

　　来源：经纬创投（ID：matrixpartnerschina）

　　刘慈欣在他的科幻小说《球状闪电》里，讲述了地球受到一种特殊攻击，导致所有硅基芯片被毁，全世界陷入瘫痪的故事。从手机电脑，到汽车飞机，绝大部分现代产品都离不开芯片，而汽车业，正在经历芯片严重短缺的困境。

　　生产一辆汽车至少需要用到上百颗芯片，并且在很多环节缺少一颗芯片，都会导致无法继续生产。近期缺芯的局面，对汽车业的打击是立竿见影的。根据伯恩斯坦研究公司预测，由于全球范围内汽车芯片短缺，预计今年汽车产量将减少450万辆，相当于全球汽车产量的近5%，包括福特、戴勒姆（奔驰）、FCA（克莱斯勒）均传出停工和减产。

　　在供给端，台积电等Foundry（代工厂）早已昼夜不停地开动生产线，但仍无法解决短缺问题。台积电已经上调了今年的资本支出预算，预计未来三年内将投入创纪录的1000亿美元，以扩大产能。英特尔最近也宣布斥资200亿美元在美国新建两家芯片工厂；三星电子计划在2030年之前投资约1160亿美元，以实现半导体生产能力的多元化。

　　但远水解不了近渴，针对本次最紧缺的八英寸晶圆，台积电、联电、世界先进三大代工厂均趁势上调了价格。但从车企、Tier1（车厂一级供应商），到芯片设计公司，整个汽车产业链仍都在“跪产能”。

　　另一方面，汽车智能化发展飞速，智能座舱、自动驾驶以及中央网关对性能的需求爆发性增长，汽车芯片也迎来了非常重要的变革期。我们十分看好此领域，于2019年2月投资了主做千兆高速车载以太网芯片的景略；在2019年4月投资了主攻智能座舱、智能驾驶、中央网关三大汽车芯片应用的芯驰科技；同期投资了主要覆盖TPMS 芯片、通用接口芯片的琻捷电子，这三家公司都对应了不同的方向。

　　一些对今年形势预判并提前准备的公司，例如芯驰科技，在这一轮“缺芯”大潮中，就提前在台积电等代工厂中预订了足够产能，获得了弯道超车的机会。在这篇研报中，我们先分析今年汽车业到底为什么会缺芯？以及，未来随着电动车普及，以及汽车电子电气架构的改变，汽车芯片和其供应链会发生哪些重要变革：

　　“缺芯潮”到底是缺什么？

　　汽车芯片为什么会短缺？

　　汽车芯片产业链如何运作？

　　在汽车电动化和智能化变革中，汽车芯片产业链会发生哪些颠覆？

　　“缺芯潮”到底是缺什么？

　　汽车芯片主要分为8大类，比手机芯片更为繁杂，并且无论是燃油车还是电动车，都在往智能化方向发展，所以对芯片性能需求也越来越高。

　　这8大类包括：高性能计算芯片（AI芯片/GPU）、微控制器（MCU）、存储芯片（DRAM/Flash）、 CMOS图像传感芯片、显示驱动芯片、模拟芯片（包括无线通讯的功率放大器、音频放大器、传感器等）、功率元器件、传感芯片（压力、流量、惯性、湿度、红外等）。

　　其中，MCU是本次“缺芯潮”中最紧缺的产品之一，传统汽车平均每辆需要70颗以上的MCU芯片，而智能汽车超过300颗。

　　MCU是汽车的微控制单元，也可以理解为各类分散设备的“小脑”，用以实现不同功能，例如不同MCU会分管座位调节、雨刷、空调、影音、动力等不同功能。

　　一些模块的缺芯还不至于导致车企停产，例如像通信、仪表、导航摄像头等可以先把汽车生产出来，之后再加进去。但本次缺芯是有50%的底盘系统所需零部件，底盘缺一个器件，就无法继续生产。

　　像大部分汽车都会配备的ESP（电子稳定控制系统），是汽车主动安全系统的一部分，能起到防侧滑作用，控制它的MCU最近也极度缺货，这就会导致车企停产。

　　汽车芯片为什么会短缺？

　　综合各方访谈，我们总结了四大原因，其中最重要的，是市场各方对疫情后需求反弹的预测失误。

　　首先我们需要知道一点，汽车芯片相比于手机芯片，供货周期是更长的。消费电子芯片各种规格要求没有那么高，所以有时候某颗芯片不行时，可以很快找到替代品。

　　但汽车芯片要符合车规级，安全系数要求很高，比如稳定性、耐高温低温等等，认证非常难。例如最经典的AEC-Q认证，需要各种被动件、主动件测试，消费电子一般会做到500h循环，但汽车芯片一般要做到1000h才行；高温极限也需要做到150℃。过了AEC-Q认证，可靠性就基本能得到保证，但其测试周期很长，不能说换就换。

　　而从产能角度来看，建厂导入设备往往需要2年时间，所以车规芯片较难通过新建产能迅速提升供给量，主要还是通过现有产能的供需调配。

　　无论是车企还是各级供应商，都是依靠对未来半年至一年销量的准确预测，去芯片代工厂预订产能，像台积电这样的大厂，也是按照这些需求，提前半年至一年安排自身的产能。在历史上，这些预测也一直比较准确。

　　但新冠疫情完全打乱了节奏，大部分车企都没有准确预测到2020年下半年开始的强劲回升。拿反弹最强劲的中国市场来看，2020年上半年汽车销量一直下滑，但到7月份突然反转，反弹越来越强劲，8-12月份竟然出现了10-20%的增长，一下子恢复到疫情前的水平。

　　但这时候芯片厂的产能，却还是按照2020上半年的预测来安排，既有库存到年底已经被一扫而空，但新订单却急速增加，各家车企或是各级供应商只能“八仙过海各显神通”地去“跪产能”。

　　以上所说的预测失误是第一个原因，也是最主要的原因。第二个原因则是疫情造成了社交隔离，人们足不出户使得全球消费电子销量大增，例如笔记本电脑、平板电脑等，消费电子也一样对芯片需求激增，而有一些原材料是共同的。

　　当2020年三季度开始，汽车厂商们感受到回暖，开始想提高订单量时，晶圆代工厂28纳米以上的产能早被消费电子产品预订占满，从而对汽车芯片形成挤压。

　　第三个原因出在汽车芯片的原材料晶圆产能上。像台积电这样的晶圆厂，把硅片制成晶圆，然后再拿到下游的封测厂切割、封装、测试。

　　晶圆主要分为8英寸和12英寸，这次缺芯潮的问题主要出在8英寸上。通常越先进的工艺，越需要大晶圆，也就是12英寸的，例如16纳米和28纳米的芯片，都是需要12英寸的晶圆。

　　但本次缺芯潮中，缺货的主要是一些颇为传统的MCU芯片，他们主要是由8英寸晶圆制成。8英寸是非常成熟的工艺，利润率并不高，最近几年，很多厂商开始青睐12英寸晶圆，一些8英寸晶圆厂陆续关停，产能本身就不太充裕。

　　根据研究机构Gartner Inc.的数据，去年的芯片制造设备开支中，有27%用于该行业最先进芯片的生产设备，这些芯片通常用于智能手机、高端个人电脑和数据中心。而用于生产更成熟和商品化芯片的设备仅约为11%。

　　未来随着汽车智能化程度越来越高，肯定需要算力更大、制程更先进的工艺，但当下是过渡期，很多车企下的订单依然是传统的MCU，也就是8英寸，晶圆代工厂也不愿为此大规模投资扩充产能，造成了需求大但供给小的局面。

　　第四个原因就是汽车智能化本身带来的芯片需求暴涨。以车载摄像头为例，L2平均需要配备3-4颗摄像头，但随着智能驾驶等级提升，L2至L3平均需要配置7-8颗摄像头；L4就要配置10-15颗；L5则有可能要15颗以上。

　　汽车界目前的两大趋势——智能化和电动化，都需要大量用到芯片。智能化需要算力大的智能中控芯片、算法芯片、传感器芯片；电动化增加的部分主要是电机控制器，包括后驱、前驱、双电机，以及需要功率半导体控制锂电池，芯片需求比传统燃油车多很多。

　　目前传统汽车半导体平均单车价值在475美元，而智能电动车单车价值可达600美元以上。

　　在这场“跪产能”的混战中，一些公司因为出色的人脉关系和预测能力，更早执行了预订更多芯片产能的计划，得以获得弯道超车的机会。

　　芯驰科技CEO仇雨菁就提前下了“预订更多产能”的判断。作为一家芯片设计创业公司，要想说服台积电等大型代工厂预留更多产能也不容易。首先你需要跟供应商保持一个长期良好关系，这一点主要靠创始团队过往资历，要证明自己有量产芯片的经验，而非做一个用来演示的芯片，来赢得他们的信任。

　　另外就是要对市场水温的变化敏感。仇雨菁坦言，她也是在与业内各路朋友的日常交流中，感知到2020年下半年开始汽车芯片产能会奇缺，所以这个决策也是一个非常综合的考量。

　　汽车芯片产业链如何运作？

　　在分析汽车电动化和智能化所带来的颠覆之前，我们先来看看汽车芯片产业链是如何运作的。

　　汽车芯片产业链与消费电子类似，也是芯片设计、制造及封装测试三大环节。设计是高度技术密集型，制造是资本及技术密集型，封装测试是劳动密集型。

　　在全球分工合作的背景下，如今主要有两种业务模式，第一是传统的集成制造（IDM）模式，一家公司把上下游都做了，代表企业为三星和英特尔；另一种是垂直分工模式，分为芯片设计商（Fabless，例如高通、联发科）、芯片制造厂（Foundry，例如台积电、中芯国际）和芯片封测厂（Package&Testing）。

　　这次“缺芯潮”主要是卡在Foundry的制造环节。例如本次最紧缺的MCU，全球很多产能集中在台积电。同时，MCU的芯片设计商在产业链中的地位较低，大多为博世、大陆等Tier1之下的Tier2，或是汽车厂的三级供应商，格局稳定但缺乏活力，利润率偏低，厂商扩产意愿低，因而当产能紧张时，产能得不到保障。

　　一颗芯片从设计到量产，中间的每一个环节都充满风险，仇雨菁在芯片行业工作了20多年，她总结“做芯片的人，胆子是越来越小的”。

　　在芯片业，无论是投资机构还是寻找合作方，一个团队的历史记录是非常重要的，大家几乎都是依靠这个来做判断，是否值得投资或合作。

　　因为芯片从设计、流片、量产，过程复杂，一些问题能够在流片后的样品阶段看出来，然后当你小批量出货的时候，一些问题也能够通过测试抓出来，但仍然还有一些致命问题不会体现，直到大量出货后才会看到。所以芯片的量产，是比把芯片设计出来、流片成功更难的事情。

　　据我们调研了解，某些不够好的芯片，就是在出了百万片、千万片甚至上亿片的时候，不一致性出现了。车规级芯片要求的是，在高温低温、或是电压有抖动等极端情况下，芯片的工作表现都稳定。同时，车企客户还会把芯片应用在不同场景下，包括接入一些外部设备，这些都需要在参考设计中提前考虑到。

　　并且，一颗成熟的芯片产品，并不是说今天生产出来就好了，随着使用的人越来越多，后续还会不停地遇到新问题，需要持续维护更新。

　　所以在芯片业，有经验的人才是最宝贵的。对于一个“芯片人”，从业10年之内，都算新手，需要去遵循很多前人设下的规则。例如做芯片设计时的时钟同步，就必须要遵循Double Think的规则，确保从一个时钟域到另一个时钟域的同步做对。在入行初期，很多新手也不知道为什么要这么做，只知道师傅这么讲，也就得这么做。

　　当从业经验到了10-15年，很多坑也已经踩过了，就会逐渐明白为什么要遵循这些规则，并且也开始发现，怎么做能绕过既定规则，产生创新。“这是一个不断螺旋式上升的过程。”仇雨菁说，因为芯片的高复杂性，例如一颗芯片有几千个时钟之间的同步，在流片期间大家都难以避免处于极度焦虑状态。

　　除了技术之外，产品定义也是非常重要的。芯片设计不同于互联网软件，互联网软件从产品定义到上线，时间周期非常短，可能是几个月时间，立刻就能看到产品好还是不好。但一颗芯片从产品定义，到设计出来，再到交付给客户真正实现量产，这个周期需要两到三年。

　　在这么长的时间里，如何确保当初设定的产品定义，在未来三年后仍然还是先进的，特别是如今行业变化越来越快，有时候客户提的诉求，并不一定代表了未来的真实需求。

　　此时，如何能够提炼出真实需求，并且这个需求是当下能实现的，也不能太超前，因为市场可能还没开始出现，这就非常考验芯片设计公司的产品定义能力。毕竟一颗车规级芯片的生命周期，需要在5年以上才合格。

　　做消费电子芯片和专注于车规级芯片的公司，还是会有所区别。其中一点便是体现在更好的兼容性上，因为手机芯片需要兼容的操作系统和应用场景是非常有限的，但汽车里面操作系统是非常复杂的，有实时的操作系统，还有保证功能安全的操作系统（比如仪表盘），还要支持安卓等娱乐系统，不能因为在安卓打开了一个APP，就把仪表这边拖慢。

　　当一些消费电子芯片公司不够成熟的产品应用在汽车上，就会出现缺陷，不同芯片公司有各自擅长的应用领域。例如专注于车规级的芯驰，可以在同等算力下，实现得更流畅。芯驰在2020年对外发布了9系列汽车芯片产品，提供针对汽车的协同一体化解决方案，包括智能座舱、智能驾驶、中央网关三大应用。

　　要避免这些问题，就需要在芯片底层，从软件到芯片的架构，做很全面的考量。这直接关系到最终做出来的芯片，是不是适应应用场景、效率能否达到最高、最终在车上跑起来流不流畅，以及外围适配的这些生态，是不是足够全，这就包括了语音交互、地图导航、音乐等等APP能否完整适配。从拿到芯片到最终落地，如何让适配期更流畅、快速地度过，就是像芯驰创始团队这样的“行业老兵”的优势。

　　在汽车电动化和智能化变革中，

　　汽车芯片产业链会发生哪些颠覆？

　　在我们去年11月的研报《除了理想和小鹏，我们持续重仓智能电动车产业链》中，我们详细分析了智能电动车的底层变革——采用新的电子电气架构，在此不再过多赘述。

　　总结来说，就是虽然看起来传统汽车有很多芯片，但整体算力可能还不如手机，也无法在整车层面进行信息交互或是在线升级（OTA）。而在未来智能汽车时代，会打破分布式的设计思维，考虑全面智能化。我们正处于整车电子电气架构三大发展阶段中的第二段：分布式、跨域集中、整车集中。这种电子电气架构的改变，是真正底层的革命。

　　在新的“域”架构及中央计算架构下，汽车芯片开始跑上亿行代码，这就需要更大算力的芯片，例如SoC芯片。而在算力升级过程中，一场产业链变革也悄然发生，传统Tier1正在被颠覆。

　　按中金公司分析，MCU是芯片级芯片，一般只包含CPU这一个处理器单元，即MCU=CPU+存储+接口单元；而SoC是系统级芯片，一般包含多个处理器单元，SoC内部通常包括CPU+GPU+DSP+NPU+存储+接口单元。

　　对于MCU市场来说，以前一直被恩智浦、德州仪器、瑞萨半导体等汽车芯片巨头占据，其他人很少有机会入局。

　　在传统汽车芯片产业链中，芯片提供商是Tier2，往往由恩智浦、德州仪器、瑞萨半导体等做好芯片设计之后，让台积电等代工厂制造晶圆和芯片，再让日月光等公司做封装测试，之后形成可销售的MCU芯片产品，最终交付给Tier1做成ECU、DCU等控制器产品装配上车。

　　但随着高算力SoC芯片大战打响，英特尔、高通、华为等消费电子巨头纷纷入局，这也是很多初创公司的新机会。

　　更重要的是，整车电子电气架构的变革，也逐渐打破原来车企与Tier1的关系结构，芯片设计供应商的产业链地位上升。因为从跨域集中到整车集中，都会牵涉到不同的域，已经无法按以前那样，把某一个域拆开给到某一家Tier1。所以在新的域之间交互、数据共享的环境下，可能需要车企来牵头设计整车的电子电气架构。

　　一些高算力芯片的供应商，也乘此机会开始提供软硬件结合的解决方案，他们完全可以绕过Tier1直接与车企对接，从而成为“新Tier1”。

　　例如英伟达直接对接了一家电动车车企，在提供硬件平台的同时，也提供用于做自动驾驶算法开发的工具链软件及仿真环境等；再比如Mobileye也不甘于当Tier2，只向Tier1供应半成品组件，Mobileye也开始负责完整的解决方案堆栈，包括硬件和软件、驱动策略和控制，以及软件更新服务。他们都开始获得更高的利润率和产业链话语权。