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留给国产MCU突围的时间不多了

发布日期:2022-06-20 来源:远川研究所作者:网络

 2020年11月26日,中国汽车供应链峰会上,一场颁奖典礼正在举行,汽车芯片企业颇受关注。然而当集成电路类奖项颁给上汽英飞凌时,本该上台领奖的CEO王文学却“失踪”了。当时的他正忙着给德国总部打电话,调集芯片。

这位在汽车半导体从业十余年的专家已经嗅到了危机的临近,他在事后接受采访时连声说,“其实我们的产业链一点都不安全,一点都不安全[1]。”
2020年第四季度开始,全球汽车行业遭遇了史无前例的芯片短缺,并且延续至今。
根据咨询机构AutoForecast Solutions的数据,2021年全球车企因缺芯减产1000万辆,其中中国地区减产200万辆,超过了丰田当年在中国的全部销量。这意味着几千亿的损失,而罪魁祸首仅仅是一些售价几块到几十块不等的小芯片。

一位芯片公司高管说,2021年中国几乎所有车企都派出了一位副总级别的高层常驻上海,他们的任务只有一个,搞到芯片,尤其是最为紧缺的MCU。
MCU(Microcontroller Unit,微型控制单元)俗称单片机,凡是在需要计算机程序控制的地方,都可以见到它的身影,小到电动玩具、手机,大到家电、汽车。
如今一辆汽车中需要用到数十到上百枚MCU,用于车身、底盘、动力系统、智能驾驶以及娱乐系统的控制,一旦缺了其中关键的一枚,汽车就生产不出来。

尽管卡住了车企的脖子,但单从技术上来看,MCU并没有那么难——高难度的手机Soc拥有CPU、GPU、存储、基带等各种功能模块,内建百亿晶体管,以7nm工艺生产,仅设计费用就是几个亿美元;与之相比,MCU内只有CPU、存储、外设,CPU内核能够在公开市场上购买(通常是Arm),生产工艺则可以采用比7nm落后五代的40nm。
尽管打造一枚国产汽车MCU的技术壁垒不算高,但芯片供应危机重创汽车行业时,依然没有一家足够强大的本土MCU芯片公司站出来成为车企的坚实后盾。
那么问题来了,在中国有意提升芯片自主化比例,难度更高的手机SoC、超算芯片都能完成国产替代的今天,理论上更容易突破的MCU,中国企业为何在汽车上迟迟打不开局面?

01 


高墙:高风险 低回报

2018年12月,国内首颗车规级32位MCU芯片亮相。MCU按数据带宽可分为8位、16位、32位,位数越大代表性能越好,定位越高端。比如小家电和电动玩具用8位MCU就够,而汽车电子、物联网则需要更多32位支撑。
打响突破第一枪的不是MCU厂商,而是本土的地图厂商四维图新。一年之前,四维图新瞅准了汽车智能化的机会,斥资36亿收购了联发科旗下汽车电子部门杰发科技。


四维图新旗下杰发推出的首颗车规级32位MCU
其实在四维图新向汽车MCU跨界之前,国内据称已有上百家MCU厂商,其中不乏年出货量上亿颗的企业,但他们大多对汽车MCU敬而远之。比如兆易创新活跃在工业和消费电子领域,中颖电子则在家电MCU占山为王。
但跨界者的跃跃欲试和老江湖的按兵不动,隐藏着这个行业的残酷事实:汽车MCU对新进入者来说,完全是一桩高风险,低回报的生意。

本土MCU企业芯旺微对高风险有个直观的总结,
车规标准多、研发周期长、隐形成本高、配套要求高、连带责任大
以作为基础门槛的车规为例,汽车MCU的角逐中,芯片的可靠性需求远重于性能需求,因此行业对MCU的不良率要求为需≤1DPPM,即百万分之一,与双色球二等奖的中奖概率相当。而在真正装车应用时,大规模车企常常实际要求的不良率是:0。

为了让芯片满足严苛的安全要求,汽车行业制定了一整套车规级标准,对一枚芯片从设计到制造、封装的全流程进行认证,这会极大地考验MCU企业与上下游的协同。
具体来说,上游的芯片IP提供方需要专门研发“汽车行业专用型IP”,为芯片提供安全冗余。MCU企业基于这些IP设计出属于自己的MCU,便于车规认证。一些MCU企业为了保险,会直接要求上游提供的IP本身即通过功能安全认证。

身处中游的MCU厂商,则要在设计出芯片后,花费12-18个月进行大量测试,保证芯片能够耐受住AEC-Q100标准认证中的高低温冲击、复杂电磁环境、极端震动实验等考验,满足功能安全要求,让芯片在量产装车后能够在各种工况下,安全运行10-15年。
跨界入局的四维图新便体会到了厂商的艰辛。2018年,杰发的利润仅达到承诺的65%,随后两年收入则从5亿降至3亿,财报在分析了一番外部因素后,诚恳地表示“ 芯片研发投入比预期要高,研发周期较预期略长。”

而在下游的制造环节,芯片生产企业(晶圆厂)与封装厂则必须根据IATF 16949要求,建立专门的车规芯片产线,进行6-12个月的认证,期间不得生产其他产品。
对可靠性的极度要求,使得MCU车规认证标准严苛、条目繁多、流程漫长,再加上芯片设计、装车测试等环节,企业需要在无业绩的情况下投入短则三年长则五年,这直接劝退了绝大多数观望者。曾在中芯国际任职的一位半导体分析师称,车规的存在成倍地放大了国内外MCU芯片的差距。



另外需要说明的是,上面描述的是国内MCU企业清一色采用的fabless模式,资产模式轻,与一体化垂直整合的IDM模式有所区别。
就算跨过了门槛,汽车MCU的市场故事,对新进入者来说也不够性感——在2021年之前,这是一个总量不大、毛利较低、需求增长平缓、格局相对稳固的细分市场。

2020年,MCU的价格已连年下降,最低时平均价格逼近0.6美元一颗,当年汽车MCU市场规模为65亿美元,仅占全球半导体市场规模的1.5%。总量较小的同时,MCU的毛利率也不算高,即使是行业龙头瑞萨,毛利率也才47%。

相比之下,以移动处理器为主业的高通,手机SoC销售均价高达20-30美元,2020年毛利率则超过66%,一个季度的营业额就力压汽车MCU行业一整年业绩。
汽车MCU“撅着屁股捡钢镚”的经营模式,使得市场份额集中到成立时间久、具有规模效应的汽车半导体头部企业手中。瑞萨、恩智浦、英飞凌、德仪、微芯、意法等厂商通过并购整合,占据了汽车MCU超过90%市场。



固化的行业格局带来了一个结果,海外MCU大厂在长期量产实践中,和下游达成了稳固的客户关系,建设了丰富的“失效场景库”以及芯片失效溯源机制,能够将芯片越做越安全,同时也以芯片为基础建立了开发生态。

对车企来说,这意味着更换MCU的机会成本极高。即便有本土企业咬牙拿出了符合车规的MCU,但Tier-1、车企出于安全考虑和生态切换的投入,也很少吸纳其作为主力供应商。因此,在汽车MCU领域,国内企业几乎连亏本售卖打价格战的资格都没有,只能在一些不涉及汽车安全的部位猥琐发育。

2019年,四维图新的MCU出货量仅为数百万颗,已经在汽车MCU摸爬滚打7年的芯旺微,该业务营收则为3000万元,与国外大厂差了两个数量级。
直到一只黑天鹅出场,打破了僵局。

02 


窄门:短暂的机遇期

2021年,在地震、雪灾、火灾对晶圆厂的轮番洗礼和订单错配下,汽车MCU的供应日益吃紧,海外大厂相继涨价。而在8月,国内车企陷入了彻底断炊的恐惧中,原因是千里之外的疫情,阻断了一块汽车MCU的生产。
在国内,博世的ESP车身稳定系统占据70%份额,该系统需要的MCU采购自意法半导体(ST)。但在当时,ST位于马来西亚的芯片封装厂因疫情停产,传导到国内,新车因缺芯开不下产线。投机者则借机大发横财,芯片黑市一度将原价13元的MCU炒上了4000元一枚的天价[2]。


博世中国执行副总裁徐大全的朋友圈截图
缺芯事件,让国内车企彻底意识到,海外芯片企业+海外零部件巨头的MCU供应链并没有想象中那样稳固。扶持本土汽车MCU公司保供的进程陡然加速国产汽车MCU在2021年迎来了井喷。
此前在工控和消费电子领域观望的兆易创新、中颖电子,紧急上马车规级MCU项目,计划2022年量产。在2021年最后半个月,琪埔维、芯旺微、旗芯微、云途半导体相继完成亿元融资,创下了国产汽车MCU融资密度纪录。就连四维图新后来也在财报中扬眉吐气,其汽车MCU业务在2021年同比暴增了10倍。

一年时间,国产汽车MCU从门庭冷落,变作风口上的芯。然而,国产汽车MCU能在风口上停留的时间其实有限。
一方面,国外厂商只需要通过扩产就能够解决市场的供不应求。
在2021年芯片短缺后,瑞萨宣布将汽车MCU扩产50%,承接代工订单的台积电也宣布汽车MCU扩产60%。行业预计,2023年随着新一批产线集中投产,汽车MCU的短缺就将得到缓解。
换句话说,留给国产汽车MCU与车企完成绑定的时间只有两年左右。
另一方面,技术趋势很可能将汽车MCU逐渐引向一个更集中化、高端化的市场,这更利好具有深厚技术沉淀的海外厂商。

近些年,汽车电子电气架构逐渐向集中式过渡,在集中式的架构建立起来后,汽车上的MCU用量将减少,一块高性能的MCU将取代多枚中低端MCU。
在高性能汽车MCU领域,英飞凌、瑞萨等相继推出了TC4x、RH850/U2B等产品,芯片拥有更高的时钟频率,更大的内存,一枚芯片能够同时支持多个应用(而不是像传统MCU那样只能运行一个应用),为未来做好了准备。

与之相比,国内仅有少数企业如芯驰发布了面向未来的高性能产品E3,整体目前仍然处于“低端打基础,高端待突破”的局面,芯片主要应用在对汽车安全影响不大、性能要求不高的车身控制等领域。
这意味着,壁垒森严的汽车MCU市场,其实只给国内企业留下了一道窄门,并且已经开始关闭。

03 


命门:卡脖子的老面孔

即便国内汽车MCU芯片企业能够集体崛起,也并不能从根本上解决缺芯的问题。因为在汽车MCU创业热潮中集体涌现的是芯片设计公司,而缺芯的根本原因,是芯片制造环节的产能不足。
事实上,国产汽车MCU面临的,是和国内消费电子高端芯片相似的窘境——掌握关键技术的上游与下游都不在大陆,在消费电子芯片上下游分别把持着命门的Arm与台积电,在汽车MCU领域也卡住了脖子。

在制造环节,台积电在先进制程一骑绝尘的同时,在汽车MCU所需的成熟制程也积累深厚,拥有最多车规级芯片产线,占据了全球70%车规级MCU产能,不仅海外大厂将部分芯片制造向其外包,国内企业杰发、芯驰等也将其作为代工厂。


台积电占据了70%车规级MCU产能

在大陆,车规级MCU产线则处于稀缺状态。
究其原因,此前国内涉足汽车MCU的芯片企业少、规模小,难以形成有效需求。大陆TOP2的芯片代工厂中芯国际、华虹,此前代工的MCU主要是兆易创新、芯海科技等企业用于消费电子、工业领域的芯片。而尚在襁褓中的汽车MCU公司,在缺芯的背景下很难从他们手中要到产能[4]。

而在上游的IP供应环节,由于Arm的强大生态,国内外汽车MCU在芯片设计时绝大多数内核都选择了基于Arm Cortex 的IP,其市场占有率超过50%,仅有少数企业如芯旺微选择自研IP。

不过,改变正在发生。在上游的IP供应方面,国内正试图通过基于开源的RISC-V开发MCU,绕开Arm的垄断。而在制造环节,2021年芯片短缺后,中芯国际投资45亿美元扩产,其中大多数都投向了成熟制程,华虹亦开启扩产进程,国内车规级MCU产线因此有望得以扩张。
今年5月中旬,外媒报道美国有意进一步扩大半导体设备禁令,中芯国际与华虹赫然在列,也让这场MCU国产化运动显得似乎更有必要。

04 


尾声
在MCU国产化的进程中,身处终端的车企如何行动将关系到这一目标的成败。
在本轮缺芯浪潮中,丰田和宝马都与芯片企业达成了紧密的合作关系,对供应链及时掌握,因而反倒在同行的缺芯中抢占市场,2021年新车销量分别上涨9%、7.4%。而国内车企则被全国政协经济委员会副主任、工信部原部长苗圩痛斥“只会在那儿叫唤”。

如果要建立起一个新的国产汽车MCU供应链,车企的供应链管理仅仅穿透至芯片企业其实并不够,还要进一步往芯片IP与芯片制造延伸。
华为在2018年之后的举动,已经留下了可以参照的先例:在上游,华为转向开源的IP生态,基于RISC-V打造芯片;而在下游,华为则选择加码先进封装,绕开先进制程来解决芯片制造问题。
国内汽车MCU需要一个强有力的角色,从而将本土供应链串联起来。
TAG: MCU
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