編者按：2021年以來，“芯片荒”無疑是汽車行業(yè)最受關(guān)注的話題。疫情、自然災(zāi)害等因素帶來的影響是階段性的，但全球政治環(huán)境帶來的影響將成為常態(tài)。隨著自動駕駛的快速發(fā)展，車用芯片是否也會遭遇與華為類似的尷尬局面？為探其究竟，《汽車觀察》特別邀請自動駕駛科技公司禾多科技撰寫分析報告，厘清自動駕駛芯片的技術(shù)分布與產(chǎn)業(yè)鏈格局，從而探索中國技術(shù)進步與替代國際傳統(tǒng)供應(yīng)商的可能性。

（接上期）

（二）ASIL-D級MCU芯片

1.技術(shù)現(xiàn)狀

MCU（Microcontroller Unit）指微控制單元，可以理解成一個嵌入式的微電腦，對發(fā)動機、制動系統(tǒng)、空調(diào)、照明和車窗等一系列功能進行控制。隨著電子/電氣系統(tǒng)逐漸復(fù)雜化，為了實現(xiàn)汽車電子/電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，系統(tǒng)風(fēng)險等級評估標(biāo)準(zhǔn)——ASIL等級（Automotive Safety Integrity Level，汽車安全完整性等級）應(yīng)運而生。ASIL分為四個等級，分別為A、B、C、D。D是最高等級，意味著整個系統(tǒng)范圍內(nèi)單點故障率不超過1%。在自動駕駛汽車的域控制器中，MCU芯片負責(zé)提供高可靠性的輸出，因此要求達到ASIL-D等級。

2.產(chǎn)品趨勢

目前，能夠獨立開發(fā)ASIL-D級別的MCU芯片的廠商依舊是極少數(shù)，以薩瑞、恩智浦為代表的傳統(tǒng)巨頭具備明顯優(yōu)勢。應(yīng)用在ADAS中的系統(tǒng)芯片，大多在ASIL-B或C級。為了在ADAS系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)上達到ASIL-D級，大部分廠商目前的解決方案是利用多枚B或C級芯片建立一個冗余系統(tǒng)，通過ASIL分解原則達到D級標(biāo)準(zhǔn)。但是如此一來，會出現(xiàn)成本高與功耗大的問題。

而對于使用ASIL-B級MCU芯片的汽車來說，即便通過冗余系統(tǒng)設(shè)計，使整車電子系統(tǒng)達到了ASIL-D級，目前也只能滿足ADAS的需求。如果想要實現(xiàn)高階自動駕駛，獨立使用ASIL-D級標(biāo)準(zhǔn)的MCU芯片將是必要的。目前整個業(yè)界正在快馬加鞭地部署“高性能計算系統(tǒng)”，即SoC芯片，為自動駕駛提供足夠的算力，與此同時，自動駕駛汽車上品類繁多的汽車控制子系統(tǒng)，必須具備高級別的安全性。所以除了大算力運算所需的SoC芯片外，在面對某些臨界安全問題時，ASIL-D級別的MCU將保證自動駕駛汽車在極限狀態(tài)下的可靠性。

目前，ASIL-D級的MCU芯片制程通常在28nm左右，并非高端制程，但是它為了降低軟件故障風(fēng)險而采取了獨特的lockstep（鎖步）結(jié)構(gòu)，即內(nèi)核冗余技術(shù)，對芯片設(shè)計的要求很高。鎖步結(jié)構(gòu)是主內(nèi)核配備一個影子內(nèi)核，兩個內(nèi)核同時執(zhí)行相同的指令，再利用比較器去查找差異，一旦其中一個內(nèi)核出現(xiàn)故障，比較器將啟動糾正措施。例如恩智浦希望基于現(xiàn)有的ASIL-B級ARM核，應(yīng)用鎖步架構(gòu)達成ASIL-D級。由于鎖步架構(gòu)對于芯片的設(shè)計能力要求高，很多芯片設(shè)計能力出眾卻缺乏汽車電子領(lǐng)域經(jīng)驗的廠商，視此為“彎道超車”的機會，也試圖參與ASIL-D級MCU芯片市場的競爭。比如ARM和Synopsys（美國新思科技）正在布局推出具備雙核鎖步（Dual Core Lockstep）處理器的ASIL-D級MCU。

3.市場規(guī)模

在地緣化政治摩擦和半導(dǎo)體缺貨漲價的行業(yè)現(xiàn)狀下，國產(chǎn)化MCU越發(fā)成為公眾的焦點。

出于成本控制與定制化的需求，主機廠和一級供應(yīng)商往往會與MCU芯片供應(yīng)商建立戰(zhàn)略聯(lián)盟關(guān)系，共同開發(fā)產(chǎn)品，以獲得穩(wěn)定的MCU芯片供應(yīng)。

目前，中國市場的MCU芯片基本被外方品牌占據(jù)，主要因為國外MCU產(chǎn)品在產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性與口碑方面占據(jù)優(yōu)勢，而且國內(nèi)主機廠已經(jīng)與國外成熟的供應(yīng)商建立了穩(wěn)定的合作關(guān)系。近年來，我國也涌現(xiàn)了一批國產(chǎn)的MCU芯片供應(yīng)商，但是它們需要從提升產(chǎn)品質(zhì)量與保證產(chǎn)能供應(yīng)兩個方面發(fā)力，逐步打破外方的市場壟斷。

總體看國產(chǎn)MCU芯片，不論是市場份額還是技術(shù)先進性，都無法和國外企業(yè)相比。對于中國企業(yè)而言，目前主流產(chǎn)品還停留在8位MCU，占比50%左右。16/32位MCU占比分別為20%左右（ASIL-D級MCU一般都在32位以上，甚至64位）。這意味著，國內(nèi)MCU應(yīng)用領(lǐng)域多集中在低端電子產(chǎn)品，中高端電子產(chǎn)品市場依舊被外方壟斷。

中國MCU企業(yè)想跳出8位MCU低端產(chǎn)品的困境，需要積極研發(fā)32位及以上ASIL-D級MCU芯片，進軍中高端產(chǎn)品和發(fā)展通用型芯片及其解決方案。而建立MCU生態(tài)一直是中國MCU芯片的短板，對于獲得ARM內(nèi)核授權(quán)的中國MCU芯片企業(yè)來說，ARM多年打造的生態(tài)環(huán)境是一個很好的跳板，但需打造出差異化。中國MCU企業(yè)正加強與中國軟件企業(yè)合作，打造自主可控的嵌入式系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境。目前比亞迪半導(dǎo)體、華大北斗和杰發(fā)科技等都在積極研發(fā)ASIL-D級別的MCU芯片，預(yù)計2023年將會面世。

?附：MCU芯片市場震蕩

新冠疫情暴發(fā)，帶來了芯片短缺問題。一方面，隨著全球汽車消費升級，汽車電子化趨勢日益顯著，全球?qū)囕dMCU芯片的需求持續(xù)增加;但另一方面，MCU處于低端制程，利潤率低，以臺積電為代表的MCU制造商沒有擴產(chǎn)的動力。最后受疫情影響，芯片制造商暫時停產(chǎn)，原本就存在的供需矛盾更為突出，甚至出現(xiàn)了斷供的現(xiàn)象 。

需要澄清的是，我國市場的“缺芯”問題只是目前國際供應(yīng)鏈格局與疫情下市場變動引起的，與中美貿(mào)易摩擦關(guān)系不大。

三、自動駕駛芯片供應(yīng)鏈?zhǔn)崂?/b>

我國自動駕駛行業(yè)的供應(yīng)鏈與技術(shù)對美的依賴程度越高，則面臨的風(fēng)險越大。因此，我們嘗試剖析自動駕駛行業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈條，找到目前美國占主導(dǎo)地位的環(huán)節(jié)，確認風(fēng)險點，認清在目前美方基本掌握芯片產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈權(quán)力的背景下，中國自動駕駛產(chǎn)業(yè)面臨著供應(yīng)鏈權(quán)力和政治風(fēng)險的雙重威脅。

芯片產(chǎn)業(yè)具有技術(shù)尖端、技術(shù)迭代周期較短、資本消耗巨大等特點，其國際競爭中強愈強、弱愈弱的 “馬太效應(yīng)”明顯，產(chǎn)業(yè)鏈權(quán)力穩(wěn)定生成， 壟斷格局趨于固化。

（一）上游環(huán)節(jié)：原材料和生產(chǎn)設(shè)備

芯片產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的最上游包括原材料供應(yīng)與生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)兩大部分。

1.芯片原材料

在半導(dǎo)體原材料供應(yīng)商中，日本企業(yè)的優(yōu)勢非常明顯。對于芯片制造而言，獲取優(yōu)質(zhì)的原材料是不可或缺的前提條件，然而在原材料環(huán)節(jié)，一般只有少數(shù)幾家廠商能夠掌握高標(biāo)準(zhǔn)的提純和加工技術(shù)。以硅片這一最基礎(chǔ)的原料為例，2020年，來自日本、中國臺灣、德國和韓國的五家龍頭企業(yè)壟斷了超94%的全球市場份額。其中，來自日本的信越與勝高，更是作為五大龍頭企業(yè)中的雙雄足足占據(jù)了半壁江山，展現(xiàn)了日本在半導(dǎo)體原材料供應(yīng)環(huán)節(jié)的超強實力。

可以說，日本原材料供應(yīng)商憑借自身對相關(guān)技術(shù)控制的絕對優(yōu)勢，在芯片供應(yīng)鏈的上游獲得了巨大的話語權(quán)（賣方權(quán)力），但是考慮到美國對日本的技術(shù)扶植以及特殊的美日政治關(guān)系，美國幾乎可以與日本同享此賣方權(quán)力。

2.芯片生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)

在芯片生產(chǎn)設(shè)備供應(yīng)環(huán)節(jié)中，光刻機是最為核心的設(shè)備。光刻機領(lǐng)域由荷蘭的阿斯麥爾和日本的尼康、佳能三家企業(yè)所壟斷。其中，生產(chǎn)先進制程芯片所需的極紫外（EUV）光刻機完全由阿斯麥爾壟斷。這種光刻機價值連城，單臺售價超過1億美元，被認為是 “鈔票印刷機”。由于高度依賴該企業(yè)提供的光刻機，英特爾、三星和臺積電等全球主要芯片制造商爭先為其提供研發(fā)資金以換取股份，這體現(xiàn)了阿斯麥爾的賣方權(quán)力。不過，雖然阿斯麥爾是一家荷蘭公司，但其背后依然是美國資本，其崛起也與美國的支持密不可分，美國掌握著最大的 “隱形權(quán)力”。

在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上：1997 年，美國政府、企業(yè)和科研機構(gòu)牽頭組建 EUV LLC 前沿技術(shù)組織，制定了EUV光源的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在美國的幫助下，阿斯麥爾被允許加入EUV LLC前沿技術(shù)組織，獲得了生產(chǎn)極紫外（EUV）光刻機的資格，而另外兩大巨頭尼康和佳能卻被排除在外。美國從而在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上，一手扶植了阿斯麥爾在該領(lǐng)域的壟斷地位。

在核心技術(shù)上：美國掌握著EUV光刻機的核心技術(shù)。2020年10月5日，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）發(fā)布決議，禁止向非瓦森納成員的國家（中國不在該協(xié)定內(nèi)），進行六項“新興技術(shù)”的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，其中就包括兩項EUV光刻機的核心技術(shù)。

在國際政治上，美國還可以利用《瓦森納協(xié)定》直接干預(yù)荷蘭政府向中國出口光刻機。早在2018年，中芯國際便以高價從阿斯麥爾處訂購了一臺 EUV光刻機，但在美國干預(yù)之下，本應(yīng)于2019年交付的這臺高端光刻機至今仍未被放行，這直接鉗制了中國高端芯片的研制能力。

因此在標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和政治，美國都牢牢控制著世界EUV光刻機的供應(yīng)。

（二）中游環(huán)節(jié)：芯片設(shè)計、制造與封測

芯片供應(yīng)鏈的中游包括芯片設(shè)計、制造與封裝測試三大核心環(huán)節(jié)，并衍生出了兩種生產(chǎn)模式。

第一種生產(chǎn)模式為一體化制造 （IDM）模式，即一家企業(yè)集芯片設(shè)計、制造與封裝測試三大核心環(huán)節(jié)為一體。采用該生產(chǎn)模式的企業(yè)主要有美國的英特爾和美光科技 、韓國的三星和SK海力士，四者均在全球半導(dǎo)體供應(yīng)商中穩(wěn)居前列，特別是英特爾與三星更是以營收的絕對優(yōu)勢穩(wěn)居前二 。

第二種生產(chǎn)模式則進一步細化了中游三大核心環(huán)節(jié)的分工，由一些企業(yè)專門負責(zé)芯片的設(shè)計與銷售，同時將制造、封裝與測試環(huán)節(jié)外包給其他代工廠。在這種模式中，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的分工更加細化，各環(huán)節(jié)企業(yè)之間的相互聯(lián)系也更為緊密。

下文討論芯片設(shè)計、制造與封測環(huán)節(jié)，都是在第二種生產(chǎn)模式下。

1.芯片設(shè)計

芯片的設(shè)計主要包括具體設(shè)計與基礎(chǔ)設(shè)計，在具體設(shè)計方面，主要包括：邏輯器件、DAO和存儲器。而在基礎(chǔ)設(shè)計方面主要包括：基礎(chǔ)設(shè)計原理、EDA軟件和IP核。芯片設(shè)計是知識技能密集型業(yè)務(wù)，占整個行業(yè)研發(fā)支出的65%。

在芯片具體設(shè)計領(lǐng)域，邏輯芯片設(shè)計市場，美國占67%，而中國幾乎為零。在存儲器方面，美國占29%，中國占7%，長江存儲、武漢新芯和合肥長鑫等存儲器廠商的崛起將有助于增加中國在這一領(lǐng)域的份額。在DAO方面，美國占37%，中國占7%，美國的TI和ADI長期占據(jù)全球模擬芯片市場龍頭地位。芯片基礎(chǔ)設(shè)計上，美國一直是基礎(chǔ)理論研究的世界人才匯聚地。在EDA/IP細分領(lǐng)域，美國占主導(dǎo)地位（74%），而中國僅占3%;美國享有絕對優(yōu)勢 ，高通、博通和英偉達三家美國芯片設(shè)計公司以壓倒性的高營收遙遙領(lǐng)先。

（1）芯片具體設(shè)計

邏輯器件是處理“0”和“1”的數(shù)字芯片，是所有設(shè)備計算和處理的構(gòu)建模塊，約占芯片具體價值鏈的42%。邏輯類別主要包括：微處理器（比如CPU、GPU和AP）、微控制器（MCU）、通用邏輯器件（比如FPGA），以及連接器件（比如WiFi和藍牙芯片）。

存儲器芯片用來存儲數(shù)據(jù)和代碼信息，主要有DRAM和NAND兩大類，約占芯片具體價值鏈的26%。DRAM只能暫時存儲數(shù)據(jù)和程序代碼信息，存儲容量一般比較大;NAND俗稱閃存，即便掉電也可以長期保存數(shù)據(jù)和代碼，手機的SD卡和電腦的SSD固態(tài)硬盤都使用這類存儲器芯片。

DAO代表分立器件、模擬器件，以及其他類別的器件（比如光電器件和傳感器），約占芯片具體價值鏈的32%。二極管和晶體管都是分立器件;模擬器件包括電源管理芯片、信號鏈和RF器件;其他類別的器件占比不高。

近年來，中國芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)鏈基本形成，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到5176億元，擁有海思半導(dǎo)體（海思為華為的全資子公司，以下簡稱為“華為海思”）、北京紫光展銳科技有限公司及中興微電子等一批龍頭企業(yè)。高端芯片設(shè)計能力與國際先進水平的差距逐步縮小，尤其是華為海思取得了顯著進步，2020年上半年在全球芯片設(shè)計公司排名中位居第四。但在美國對華為的禁令之下，海思接下來或?qū)⑾萑胼^為艱難的處境，其他芯片設(shè)計公司必將趁機收割海思的市場份額。

我國目前從事自動駕駛芯片設(shè)計的公司，除了華為海思外，地平線與黑芝麻也頗具代表性。其中地平線能夠支持高階自動駕駛的J5芯片已在2021年5月流片成功，黑芝麻的自動駕駛芯片官宣將在2022年量產(chǎn)，但是兩者所占市場份額依然不大。

（2）芯片基礎(chǔ)設(shè)計

雖然目前國內(nèi)有一定的芯片具體設(shè)計能力，但是在基礎(chǔ)設(shè)計領(lǐng)域：相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)與EDA軟件、IP核，與美國差距較大。

半導(dǎo)體基礎(chǔ)科學(xué)

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)研究主要是半導(dǎo)體基礎(chǔ)材料和化學(xué)工藝的研究，是半導(dǎo)體的設(shè)計制造實現(xiàn)技術(shù)突破與商用化的源動力。一項研究成果大約需要10到15年的時間才能達到商業(yè)化階段，例如，Extreme Ultra-Violet（EUV）技術(shù)從最初的概念到進入晶圓廠實施階段花了將近40年。而基礎(chǔ)科學(xué)的研究是長遠且回報周期慢的，一般都依靠國家給予的研發(fā)直接投入，因此，一國的研發(fā)投入在一定程度上可以體現(xiàn)國家對于基礎(chǔ)研究的重視程度。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，世界科技強國的基礎(chǔ)研發(fā)投入一般約占總研發(fā)投入的15%-20%。例如在美國，基礎(chǔ)研究一直穩(wěn)定在總研發(fā)的16%-19%，中國目前只有約5%-6%的研發(fā)支出用于基礎(chǔ)研究，但過去20年中國一直在縮小競爭前研究和總研發(fā)支出之間的差距。

中國新的5年計劃將基礎(chǔ)研究列為重點投入領(lǐng)域，2021年的目標(biāo)比例是GDP的11%，半導(dǎo)體也將作為重中之重得到較為充裕的資源投入。

EDA軟件

EDA（電子設(shè)計自動化）是工程師對芯片進行功能設(shè)計、布局布線、虛擬驗證的計算機輔助軟件，是芯片設(shè)計的必備軟件。EDA軟件位于芯片技術(shù)的最上游，是全產(chǎn)業(yè)最為依賴的工具，深入到每個芯片設(shè)計與制造的流程中。雖然軟件產(chǎn)業(yè)規(guī)模不大（2020年全球市場規(guī)模為105億美元），但EDA可以撬動起萬億以上規(guī)模的芯片產(chǎn)業(yè)鏈。美國在這個領(lǐng)域占據(jù)了絕對的優(yōu)勢，并占據(jù)了95%的市場，從而達到了控制中下游產(chǎn)業(yè)鏈的目的。EDA軟件一旦被禁用，暫時無國產(chǎn)替代，華為就因被禁用EDA軟件，從而喪失了高端芯片的設(shè)計能力。

IP核

IP又稱“知識產(chǎn)權(quán)核”，是已經(jīng)設(shè)計好的具有一定功能的電路模塊，相當(dāng)于芯片設(shè)計的總庫圖書館，所有芯片設(shè)計所需要的技術(shù)都可以從IP核中找到。其主要組成部分是復(fù)雜的功能模塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器等可修改參數(shù)的模塊。

半導(dǎo)體IP核對于整個半導(dǎo)體行業(yè)都非常重要，尤其是近年來產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，全球?qū)χR產(chǎn)權(quán)越來越重視，就更突顯出IP核的重要性。起初各半導(dǎo)體公司有內(nèi)部的IP核部門，專門來開發(fā)維護特定功能的IP核。但隨著SoC設(shè)計越來越復(fù)雜，上市時間卻被不斷縮短，芯片設(shè)計者的任務(wù)變得更加艱巨，很多半導(dǎo)體公司開始采用外部第三方IP核。工程師將購買的功能模塊（一般來說，功能模塊都是驗證通過的，可靠性高）直接放到芯片當(dāng)中，再去修改或者直接進行芯片設(shè)計，從而避免了重復(fù)勞動，大大減輕負擔(dān)。使用IP核已經(jīng)成為行業(yè)趨勢。

目前英國的ARM公司作為最大IP核供應(yīng)商，已經(jīng)宣布不再開放授權(quán)給華為。我國在EDA軟件與IP核的技術(shù)突破與打破市場壟斷，還需要從底層計算機操作系統(tǒng)架構(gòu)進行顛覆與替代。根據(jù)SIA和BCG的報告統(tǒng)計，中國EDA行業(yè)雖然有華大九天、概倫電子，以及新興的EDA初創(chuàng)公司，但整體實力跟美國還相距甚遠。在IP核方面，中國只有芯原和Imagination（中資背景的英國公司）在全球市場占據(jù)一定的份額。

2.芯片制造

芯片設(shè)計完成之后，將由芯片制造商進行代工生產(chǎn)。在這一環(huán)節(jié)上，中國臺灣的企業(yè)具有明顯優(yōu)勢，尤以臺積電為全球芯片代工廠的領(lǐng)軍者。 在2020年第二季度中，臺積電獨占全球超50%的芯片代工份額。臺積電是目前已經(jīng)可以量產(chǎn)5納米芯片，且已計劃于2021年開始向更高端的3納米發(fā)起沖擊。此外，作為全球一體化制造 （IDM）模式的領(lǐng)導(dǎo)者三星，目前也實現(xiàn)了5nm制程。

我國在芯片制造環(huán)節(jié)擁有中芯國際、華虹半導(dǎo)體和華潤微電子等龍頭企業(yè)，其中中芯國際已經(jīng)實現(xiàn) 28nm制程量產(chǎn)（高分辨率光刻機并沒有實現(xiàn)國產(chǎn)，中芯國際的28nm生產(chǎn)線使用的是原有進口光刻機，或者通過多次曝光等生產(chǎn)工藝手段實現(xiàn)28nm制程），落后于7nm制程的國際先進水平兩到三代。芯片制造屬于高技術(shù)附加值生產(chǎn)，但是其核心生產(chǎn)能力依然依附于芯片生產(chǎn)設(shè)備（比如光刻機）供應(yīng)商，從臺積電與三星迫于美方壓力拒絕為華為代工的結(jié)果來看，芯片制造產(chǎn)業(yè)依然牢牢把控在美方手中。

3.芯片封測

相比于芯片設(shè)計與制造，芯片封測環(huán)節(jié)的技術(shù)門檻較低，總體呈現(xiàn)市場充分競爭的局面，我國也有很多技術(shù)成熟的企業(yè)。因此，該環(huán)節(jié)上國家和企業(yè)對技術(shù)的壟斷控制能力相對較弱，賣方權(quán)力也相對較小。

（三）下游環(huán)節(jié)：芯片應(yīng)用

芯片產(chǎn)業(yè)的下游集聚著眾多的芯片采購商。這些具備存儲、計算、處理等各種功能的芯片可以被用于民用領(lǐng)域，如智能手機、通信基站設(shè)備和自動駕駛汽車等。2020年全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)下游的最大需求端為通信領(lǐng)域，該領(lǐng)域貢獻了約三分之一的總需求，計算機領(lǐng)域與消費電子領(lǐng)域則緊隨其后。

但相比于上中游的供應(yīng)端，下游需求端的企業(yè)明顯更加分散，全球十大芯片系統(tǒng)廠商的采購金額之和只占到全球總采購額的40%左右，與自動駕駛相關(guān)的芯片采購商僅有華為。而整體自動駕駛產(chǎn)業(yè)相比傳統(tǒng)電子消費相比，其購買量更是微乎其微，這意味著我國自動駕駛行業(yè)在芯片應(yīng)用端難以形成買方權(quán)力。