作者:暢秋
汽車芯片中,負責(zé)計算處理的主要有MCU和SoC。傳統(tǒng)應(yīng)用,特別是燃油車,MCU所占比重很大,SoC用量很少。隨著新能源汽車,以及智能化水平的提高,SoC用量大幅增加,有超過MCU之勢,那么,車用MCU還有未來嗎?本文討論一下這個話題。
MCU應(yīng)用廣泛,你能想到的各種商業(yè)、工業(yè)、消費類電子設(shè)備,絕大多數(shù)都會用到MCU,在所有應(yīng)用中,汽車對MCU的性能、可靠性、安全性的要求是最高的,同時也是MCU最大的應(yīng)用領(lǐng)域,2021年,在整個MCU市場中,車用部分占比達到38%-40%。目前,汽車 MCU市場規(guī)模約為80億美元,2022-2025年CAGR為11%,高于MCU行業(yè)平均水平。
在單車用量方面,以一輛奧迪豪華型SUV為例,共使用了38個MCU,其中,動力系統(tǒng)使用2個,底盤和安全系統(tǒng)使用12個,ADAS使用6個,信息娛樂系統(tǒng)使用8個,車身和其它系統(tǒng)使用了10個MCU。這樣的用量并不算多,有的汽車能用到近百個MCU。
價格方面,汽車MCU的ASP顯著高于其它應(yīng)用,2021年達到3.1美元。自2020年以來,因為供不應(yīng)求,汽車MCU價格上漲16%,2021年上漲22%,在所有應(yīng)用類型MCU中漲價幅度最大。Yole預(yù)計,未來汽車MCU的價格仍將處于高位。
在所有精度(位數(shù))的MCU中,32位是主流,占比接近77%,16位約為18%,8位占5%左右。32位的營收占比達77%,出貨量占比約40%,因此,32位MCU在汽車市場占比最大,市場規(guī)模約為58億美元。
01、汽車MCU的當下與未來
以上簡單介紹了汽車MCU市場的宏觀情況,下面看一下MCU在汽車中的具體應(yīng)用情況。
在汽車電動化、智能化普及之前,汽車的各個功能塊由ECU(Electronic?Control Unit)控制,MCU則是ECU的核心,除了MCU,ECU還集成了存儲器(ROM、RAM)、輸入/輸出接口(I/O)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC),隨時監(jiān)控各種汽車運行數(shù)據(jù)(剎車、換擋、速度、航向角等),以及汽車運行的各種狀態(tài)(加速、打滑、油耗、前車距離等),并根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序邏輯計算各種傳感器送來的信息,處理后把各個參數(shù)發(fā)送給相關(guān)的執(zhí)行模塊,執(zhí)行各種預(yù)定的控制功能。這種架構(gòu)一般稱為分布式。
隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電氣化在汽車應(yīng)用的深入和普及,汽車電子電氣(E/E)架構(gòu)逐漸從分布走向集中,以減少車輛線束,提高內(nèi)部信息流轉(zhuǎn)效率。分布式架構(gòu)下,汽車各功能模塊相互獨立,僅需MCU即可滿足所需算力。當電子電氣架構(gòu)向集中式演進時,算力也趨向于集中,僅依靠傳統(tǒng)MCU已難以滿足計算需求,這加速了車用SoC芯片的發(fā)展。當前,自動駕駛和智能座艙芯片以CPU、GPU和NPU等AI加速器組成的SoC 芯片為主流,并集成在域控制器中。域是將傳統(tǒng)ECU控制進一步集中,形成幾大功能塊,可概括為整車控制域(VDC, Vehicle Domain Controller),智能駕駛域(ADC,ADAS/AD Domain Controller),智能座艙域(CDC,Cockpit Domain Controller)。未來,在基于域的集中式架構(gòu)基礎(chǔ)上,還將向域融合(中央集成)的帶狀架構(gòu)方向發(fā)展,它進一步簡化了架構(gòu),功能更加集中。
域控制架構(gòu)下,控制芯片將朝著MCU+SoC方向發(fā)展,SoC芯片并不能替代所有MCU。一方面,不是所有系統(tǒng)都有必要接入SoC,比如讓轉(zhuǎn)向燈閃耀的控制方式,如果不用MCU方案,全部接入SoC會形成一個星形網(wǎng)絡(luò),不僅導(dǎo)線數(shù)量會增加,管理難度也會大增。另一方面,需要一些MCU作為SoC芯片的安全冗余。
目前,汽車市場仍以燃油車為主,純電動汽車發(fā)展勢頭很猛,但市占率要超過燃油車,還需要時間。在這種情況下,MCU用量依然可觀,特別是智能座艙、高精度地圖、車身電子等應(yīng)用對MCU需求量大增,所需的MCU數(shù)量和單價都有所提升。大到動力系統(tǒng)、車身控制、電機驅(qū)動控制系統(tǒng)、儀表盤、車載影音娛樂系統(tǒng)、高級安全系統(tǒng)、ADAS,小到車窗、雨刮、電動座椅、倒車雷達和車鑰匙等都需要MCU進行控制。目前,一輛電動汽車上的MCU用量也可達到幾十個,尤其是電門控制系統(tǒng)、自動泊車、先進巡航控制、防撞系統(tǒng)等,對32位MCU的需求量還會顯著提升。
在分布式ECU逐漸向域集中的過程當中,由DCU(域控制器)集成多類ECU實現(xiàn)控制功能的集中。
過去幾年,特別是2014-2018,輔助駕駛發(fā)展方興未艾,玩家以Mobileye、英偉達和傳統(tǒng) MCU廠商為主。人們理想中的自動駕駛功能尚處早期(輔助駕駛),也就是L2級,只有到了L4級,才能真正稱為自動駕駛。目前這個階段,汽車的電子電氣架構(gòu)仍以分布式為主,用智能前視一體機即可實現(xiàn)智駕需求,對芯片算力需求不高,Mobileye在該階段占據(jù)了大部分L1-L2視覺ADAS芯片市場,同時,傳統(tǒng)MCU廠商,如瑞薩、TI的芯片搭載在博世的系統(tǒng)方案中,也占據(jù)大量市場份額。英偉達以通用?GPU架構(gòu)為基礎(chǔ),于2016年推出Tegra Parker SoC,用于特斯拉HW 2.0平臺,將基于GPU的自動駕駛SoC推向市場,但該階段的SoC技術(shù)迭代速度仍較慢,MCU依然有發(fā)展空間。
從中短期來看,L1/L2級輔助駕駛智能汽車仍會占較大的市場比重,由于缺乏路徑規(guī)劃功能且傳感器數(shù)量有限,僅靠傳感器端的MCU便足已完成融合、決策任務(wù),分布式架構(gòu)仍為主流,因此,中低端ADAS加速普及將帶動MCU用量提升。而在L2+及更高級別智能汽車中,SoC芯片將逐漸替代MCU,但部分底盤交互高實時性任務(wù)仍需要?MCU來完成,ADAS域控制器仍會搭載至少一個MCU,以保障系統(tǒng)功能安全。
除了輔助駕駛系統(tǒng),其它功能域,如座艙、儀表、動力、車身控制等,對MCU的用量需求各有不同。
隨著座艙越來越智能化,MCU用量將減少。智能座艙實現(xiàn)的功能繁多,包括信息娛樂、人機交互等,為了實現(xiàn)這些先進功能,需要更高性能的芯片,使得MCU地位呈下降趨勢。以儀表盤和抬頭顯示(HUD)這兩個座艙功能為例,儀表盤的性能提升使MCU的主控地位被高算力處理器取代,HUD功能,特別是AR-HUD需要處理的信息量很大,處理器需要系統(tǒng)級芯片SoC。
在動力域,傳統(tǒng)燃油車的動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機和變速箱,這兩個部件各有一個MCU,一個發(fā)動機主控MCU和一個變速器主控MCU。純電動汽車動力系統(tǒng)包括整車控制模塊,電機控制器模塊,電池管理模塊三個部分,動力域控制器集中控制上述三個部分,這個系統(tǒng)需要更多的MCU,估計每輛車會比傳統(tǒng)燃油車多用至少5個。
車身控制系統(tǒng)所用的MCU數(shù)量相對穩(wěn)定,變化不大,原因在于車身域技術(shù)較為成熟且使用生命周期長,實現(xiàn)這些功能對芯片算力的要求較低,所用的MCU價格也較低。
總之,MCU在傳統(tǒng)功能的控制應(yīng)用上仍有一席之地,而在座艙和自動駕駛方面的用量會明顯減少。隨著汽車電子電氣架構(gòu)進一步發(fā)展,座艙域和自動駕駛域也有融合趨勢,直至實現(xiàn)全車中央計算機控制架構(gòu),未來可能還有云端電腦對汽車進行控制。
汽車半導(dǎo)體細分市場規(guī)模預(yù)測(億美元,按2021年規(guī)模排序),來源:中泰證券
從上邊這個表格可以看出,在可預(yù)見的未來幾年,雖然各種汽車芯片,特別是SoC的增長率很高,但總體市場規(guī)模最大的依然是MCU。
在可預(yù)見的未來之后,隨著燃油車占比下降,純電、智能化汽車占比大幅增加,MCU的總體用量會有所下滑。
目前,特斯拉電動汽車是集中式架構(gòu)的典型代表。域架構(gòu)下,特斯拉將眾多小型ECU功能全部集成到區(qū)域控制器中,因此,ECU數(shù)量相比ID.4/Mach E等車型少,Model Y、ID.4、Mach E 的ECU用量分別為26、52、51。這比傳統(tǒng)燃油車的ECU少了很多,ECU數(shù)量減少導(dǎo)致MCU的用量下降。
總體來看,MCU應(yīng)用隨汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展而變化,用量會經(jīng)歷一個由少變多,再由多變少的過程。SoC芯片會集成部分低端MCU功能,而且,隨著汽車SoC算力提升,功能不斷強大,會有越來越多的MCU功能被集成進SoC。隨著汽車電子電氣分布式架構(gòu)向域控制發(fā)展,單車MCU用量將從平均30-40個,逐步提升至70-80個,未來,隨著集中式架構(gòu)普及,算力向整車計算平臺集中,汽車MCU的用量又將逐步降低至50-60個左右。
02、汽車MCU市場格局
對于汽車零部件和整車廠商來說,MCU的更新迭代速度較慢,使用周期較長,因此傾向于能提供穩(wěn)定解決方案的供應(yīng)商,較少更換供應(yīng)商。這在很大程度上決定了全球汽車MCU市場長期穩(wěn)定的格局,瑞薩、恩智浦、英飛凌三足鼎立,意法半導(dǎo)體、德州儀器、安森美、微芯等緊跟其后。
不同廠商的側(cè)重點各有不同。例如,英飛凌擅長底盤、動力域控制;恩智浦基于Arm架構(gòu),打造開放MCU平臺,適合中小客戶,除了ADAS攝像頭控制外,在連接、網(wǎng)絡(luò)、傳感器控制等方面優(yōu)勢顯著,應(yīng)用覆蓋面較廣;瑞薩依靠日本汽車大廠,產(chǎn)品覆蓋高中低端,應(yīng)用覆蓋車身、底盤、動力、智能座艙等。
ADAS方面,瑞薩更擅長攝像頭控制,英飛凌擅長中央安全MCU,恩智浦擅長雷達控制(包括毫米波雷達和超聲波雷達)。
以上都是IDM大廠,汽車MCU晶圓代工也占有較大市場份額,臺積電約占全球車規(guī)級MCU晶圓代工出貨量70%的份額,全球頭部MCU廠商對臺積電的依賴性很強。近兩年,受疫情影響,臺積電減少了車規(guī)級MCU的產(chǎn)能,在市場需求快速攀升的情況下,相關(guān)MCU供不應(yīng)求。
03、中國市場動力倍增
目前,中國汽車芯片自給率不足10%,高度依賴國外企業(yè),汽車芯片進口率高達95%,用于動力系統(tǒng)、底盤控制和ADAS等功能的關(guān)鍵芯片均被國外巨頭壟斷。而在需求側(cè),中國汽車市場約占全球份額的30%,是車規(guī)級芯片需求最大的市場。
由于車規(guī)級MCU 認證門檻高、認證周期長,對可靠性、安全性、一致性、壽命等要求很高,中國汽車MCU芯片市場長期被國外廠商占據(jù)。近些年,國內(nèi)已有不少廠商在布局車規(guī)級MCU,如芯旺微、杰發(fā)科技、芯馳科技、比亞迪半導(dǎo)體、兆易創(chuàng)新等。
近年來,中國大陸廠商從與安全性能相關(guān)性較低的中低端車規(guī)級MCU切入,如雨刷、車窗、遙控器、環(huán)境光控制、動態(tài)流水燈等車身控制模塊,并開始研發(fā)汽車智能化所需的高端MCU,如智能座艙、ADAS等。目前,兆易創(chuàng)新、芯??萍?、國芯科技、比亞迪半導(dǎo)體等廠商均有通過車規(guī)驗證的MCU產(chǎn)品,中穎電子車規(guī)級MCU也已經(jīng)流片。
中國及全球汽車MCU市場規(guī)模預(yù)測,來源:方正證券
保守估計,預(yù)計中國2022-2025年汽車MCU市場規(guī)模分別為32.92,36.02,39.30,42.74億美元,2022-2025年全球汽車MCU市場規(guī)模為85.59,93.66,102.19,111.12億美元。
在25%和30%的滲透率預(yù)期下,中國汽車MCU市場在2021-2025年的CAGR分別為9.24%和11.22%,車規(guī)級MCU市場規(guī)模具有較大增長空間。
目前,中國車規(guī)級MCU行業(yè)正處于導(dǎo)入期,在相對成熟的消費級和工業(yè)級MCU技術(shù)基礎(chǔ)上,車規(guī)級MCU市場大規(guī)模需求會刺激國內(nèi)廠商加大研發(fā)投入力度,能夠優(yōu)先滿足技術(shù)要求并獲取客戶訂單的廠商將快速占據(jù)市場,國產(chǎn)替代潛力巨大。