2020年11月26日，中國汽車供應(yīng)鏈峰會(huì)上，一場頒獎(jiǎng)典禮正在舉行，汽車芯片企業(yè)頗受關(guān)注。然而當(dāng)集成電路類獎(jiǎng)項(xiàng)頒給上汽英飛凌時(shí)，本該上臺(tái)領(lǐng)獎(jiǎng)的CEO王文學(xué)卻“失蹤”了。當(dāng)時(shí)的他正忙著給德國總部打電話，調(diào)集芯片。
這位在汽車半導(dǎo)體從業(yè)十余年的專家已經(jīng)嗅到了危機(jī)的臨近，他在事后接受采訪時(shí)連聲說， “其實(shí)我們的產(chǎn)業(yè)鏈一點(diǎn)都不安全，一點(diǎn)都不安全[1]。”
2020年第四季度開始，全球汽車行業(yè)遭遇了史無前例的芯片短缺，并且延續(xù)至今。
根據(jù)咨詢機(jī)構(gòu)AutoForecast Solutions的數(shù)據(jù)，2021年全球車企因缺芯減產(chǎn)1000萬輛，其中中國地區(qū)減產(chǎn)200萬輛，超過了豐田當(dāng)年在中國的全部銷量。這意味著幾千億的損失，而罪魁禍?zhǔn)變H僅是一些售價(jià)幾塊到幾十塊不等的小芯片。
一位芯片公司高管說，2021年中國幾乎所有車企都派出了一位副總級(jí)別的高層常駐上海，他們的任務(wù)只有一個(gè)，搞到芯片，尤其是最為緊缺的MCU。
MCU（Mcrocontroller Unit，微型控制單元）俗稱單片機(jī)，凡是在需要計(jì)算機(jī)程序控制的地方，都可以見到它的身影，小到電動(dòng)玩具、手機(jī)，大到家電、汽車。
如今一輛汽車中需要用到數(shù)十到上百枚MCU，用于車身、底盤、動(dòng)力系統(tǒng)、智能駕駛以及娛樂系統(tǒng)的控制，一旦缺了其中關(guān)鍵的一枚，汽車就生產(chǎn)不出來。
盡管卡住了車企的脖子，但單從技術(shù)上來看，MCU并沒有那么難——高難度的手機(jī)Soc擁有CPU、GPU、存儲(chǔ)、基帶等各種功能模塊，內(nèi)建百億晶體管，以7nm工藝生產(chǎn)，僅設(shè)計(jì)費(fèi)用就是幾個(gè)億美元；與之相比，MCU內(nèi)只有CPU、存儲(chǔ)、外設(shè)，CPU內(nèi)核能夠在公開市場上購買（通常是Arm），生產(chǎn)工藝則可以采用比7nm落后五代的40nm。
盡管打造一枚國產(chǎn)汽車MCU的技術(shù)壁壘不算高，但芯片供應(yīng)危機(jī)重創(chuàng)汽車行業(yè)時(shí)，依然沒有一家足夠強(qiáng)大的本土MCU芯片公司站出來成為車企的堅(jiān)實(shí)后盾。
那么問題來了，在中國有意提升芯片自主化比例，難度更高的手機(jī)SoC、超算芯片都能完成國產(chǎn)替代的今天，理論上更容易突破的MCU，中國企業(yè)為何在汽車上遲遲打不開局面？
01
高墻：高風(fēng)險(xiǎn) 低回報(bào)
2018年12月，國內(nèi)首顆車規(guī)級(jí)32位MCU芯片亮相。MCU按數(shù)據(jù)帶寬可分為8位、16位、32位，位數(shù)越大代表性能越好，定位越高端。比如小家電和電動(dòng)玩具用8位MCU就夠，而汽車電子、物聯(lián)網(wǎng)則需要更多32位支撐。
打響突破第一槍的不是MCU廠商，而是本土的地圖廠商四維圖新。一年之前，四維圖新瞅準(zhǔn)了汽車智能化的機(jī)會(huì)，斥資36億收購了聯(lián)發(fā)科旗下汽車電子部門杰發(fā)科技。
四維圖新旗下杰發(fā)推出的首顆車規(guī)級(jí)32位MCU
其實(shí)在四維圖新向汽車MCU跨界之前，國內(nèi)據(jù)稱已有上百家MCU廠商，其中不乏年出貨量上億顆的企業(yè)，但他們大多對(duì)汽車MCU敬而遠(yuǎn)之。比如兆易創(chuàng)新活躍在工業(yè)和消費(fèi)電子領(lǐng)域，中穎電子則在家電MCU占山為王。
但跨界者的躍躍欲試和老江湖的按兵不動(dòng)，隱藏著這個(gè)行業(yè)的殘酷事實(shí)：汽車MCU對(duì)新進(jìn)入者來說，完全是一樁 “高風(fēng)險(xiǎn)，低回報(bào)” 的生意。
本土MCU企業(yè)芯旺微對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)有個(gè)直觀的總結(jié)，“車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)多、研發(fā)周期長、隱形成本高、配套要求高、連帶責(zé)任大”。
以作為基礎(chǔ)門檻的車規(guī)為例，汽車MCU的角逐中，芯片的可靠性需求遠(yuǎn)重于性能需求，因此行業(yè)對(duì)MCU的不良率要求為需≤1DPPM，即百萬分之一，與雙色球二等獎(jiǎng)的中獎(jiǎng)概率相當(dāng)。而在真正裝車應(yīng)用時(shí)， 大規(guī)模車企常常實(shí)際要求的不良率是：0。
為了讓芯片滿足嚴(yán)苛的安全要求，汽車行業(yè)制定了一整套車規(guī)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)一枚芯片從設(shè)計(jì)到制造、封裝的全流程進(jìn)行認(rèn)證，這會(huì)極大地考驗(yàn)MCU企業(yè)與上下游的協(xié)同。
具體來說，上游的芯片IP提供方需要專門研發(fā)“汽車行業(yè)專用型IP”，為芯片提供安全冗余。MCU企業(yè)基于這些IP設(shè)計(jì)出屬于自己的MCU，便于車規(guī)認(rèn)證。一些MCU企業(yè)為了保險(xiǎn)，會(huì)直接要求上游提供的IP本身即通過功能安全認(rèn)證。
身處中游的MCU廠商，則要在設(shè)計(jì)出芯片后，花費(fèi)12-18個(gè)月進(jìn)行大量測試，保證芯片能夠耐受住AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證中的高低溫沖擊、復(fù)雜電磁環(huán)境、極端震動(dòng)實(shí)驗(yàn)等考驗(yàn)，滿足功能安全要求，讓芯片在量產(chǎn)裝車后能夠在各種工況下，安全運(yùn)行10-15年。
跨界入局的四維圖新便體會(huì)到了廠商的艱辛。2018年，杰發(fā)的利潤僅達(dá)到承諾的65%，隨后兩年收入則從5億降至3億，財(cái)報(bào)在分析了一番外部因素后，誠懇地表示“ 芯片研發(fā)投入比預(yù)期要高，研發(fā)周期較預(yù)期略長。”
而在下游的制造環(huán)節(jié)，芯片生產(chǎn)企業(yè)（晶圓廠）與封裝廠則必須根據(jù)IATF 16949要求，建立專門的車規(guī)芯片產(chǎn)線，進(jìn)行6-12個(gè)月的認(rèn)證，期間不得生產(chǎn)其他產(chǎn)品。
對(duì)可靠性的極度要求，使得MCU車規(guī)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)苛、條目繁多、流程漫長，再加上芯片設(shè)計(jì)、裝車測試等環(huán)節(jié)，企業(yè)需要在無業(yè)績的情況下投入短則三年長則五年，這直接勸退了絕大多數(shù)觀望者。曾在中芯國際任職的一位半導(dǎo)體分析師稱，車規(guī)的存在成倍地放大了國內(nèi)外MCU芯片的差距。
另外需要說明的是，上面描述的是國內(nèi)MCU企業(yè)清一色采用的 fabless模式 ，資產(chǎn)模式輕，與一體化垂直整合的 IDM模式 有所區(qū)別。
就算跨過了門檻，汽車MCU的市場故事，對(duì)新進(jìn)入者來說也不夠性感——在2021年之前，這是一個(gè)總量不大、毛利較低、需求增長平緩、格局相對(duì)穩(wěn)固的細(xì)分市場。
2020年，MCU的價(jià)格已連年下降，最低時(shí)平均價(jià)格逼近0.6美元一顆，當(dāng)年汽車MCU市場規(guī)模為65億美元，僅占全球半導(dǎo)體市場規(guī)模的1.5%?？偭枯^小的同時(shí)，MCU的毛利率也不算高，即使是行業(yè)龍頭瑞薩，毛利率也才47%。
相比之下，以移動(dòng)處理器為主業(yè)的高通，手機(jī)SoC銷售均價(jià)高達(dá)20-30美元，2020年毛利率則超過66%，一個(gè)季度的營業(yè)額就力壓汽車MCU行業(yè)一整年業(yè)績。
汽車MCU“撅著屁股撿鋼镚”的經(jīng)營模式，使得市場份額集中到成立時(shí)間久、具有規(guī)模效應(yīng)的汽車半導(dǎo)體頭部企業(yè)手中。瑞薩、恩智浦、英飛凌、德儀、微芯、意法等廠商通過并購整合，占據(jù)了汽車MCU超過90%市場。
固化的行業(yè)格局帶來了一個(gè)結(jié)果，海外MCU大廠在長期量產(chǎn)實(shí)踐中，和下游達(dá)成了穩(wěn)固的客戶關(guān)系，建設(shè)了豐富的“失效場景庫”以及芯片失效溯源機(jī)制，能夠?qū)⑿酒阶鲈桨踩?，同時(shí)也以芯片為基礎(chǔ)建立了開發(fā)生態(tài)。
對(duì)車企來說，這意味著更換MCU的機(jī)會(huì)成本極高。即便有本土企業(yè)咬牙拿出了符合車規(guī)的MCU，但Tier-1、車企出于安全考慮和生態(tài)切換的投入，也很少吸納其作為主力供應(yīng)商。因此，在汽車MCU領(lǐng)域，國內(nèi)企業(yè)幾乎連虧本售賣打價(jià)格戰(zhàn)的資格都沒有，只能在一些不涉及汽車安全的部位猥瑣發(fā)育。
2019年，四維圖新的MCU出貨量僅為數(shù)百萬顆，已經(jīng)在汽車MCU摸爬滾打7年的芯旺微，該業(yè)務(wù)營收則為3000萬元，與國外大廠差了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
02
窄門：短暫的機(jī)遇期
2021年，在地震、雪災(zāi)、火災(zāi)對(duì)晶圓廠的輪番洗禮和訂單錯(cuò)配下，汽車MCU的供應(yīng)日益吃緊，海外大廠相繼漲價(jià)。而在8月，國內(nèi)車企陷入了徹底斷炊的恐懼中，原因是千里之外的疫情，阻斷了一塊汽車MCU的生產(chǎn)。
在國內(nèi)，博世的ESP車身穩(wěn)定系統(tǒng)占據(jù)70%份額，該系統(tǒng)需要的MCU采購自意法半導(dǎo)體（ST）。但在當(dāng)時(shí)，ST位于馬來西亞的芯片封裝廠因疫情停產(chǎn)，傳導(dǎo)到國內(nèi)，新車因缺芯開不下產(chǎn)線。投機(jī)者則借機(jī)大發(fā)橫財(cái)，芯片黑市一度將原價(jià)13元的MCU炒上了4000元一枚的天價(jià)[2]。
缺芯事件，讓國內(nèi)車企徹底意識(shí)到，海外芯片企業(yè)+海外零部件巨頭的MCU供應(yīng)鏈并沒有想象中那樣穩(wěn)固。扶持本土汽車MCU公司保供的進(jìn)程陡然加速，國產(chǎn)汽車MCU在2021年迎來了井噴。
此前在工控和消費(fèi)電子領(lǐng)域觀望的兆易創(chuàng)新、中穎電子，緊急上馬車規(guī)級(jí)MCU項(xiàng)目，計(jì)劃2022年量產(chǎn)。在2021年最后半個(gè)月，琪埔維、芯旺微、旗芯微、云途半導(dǎo)體相繼完成億元融資，創(chuàng)下了國產(chǎn)汽車MCU融資密度紀(jì)錄。就連四維圖新后來也在財(cái)報(bào)中揚(yáng)眉吐氣，其汽車MCU業(yè)務(wù)在2021年同比暴增了10倍。
一年時(shí)間，國產(chǎn)汽車MCU從門庭冷落，變作風(fēng)口上的芯。 然而，國產(chǎn)汽車MCU能在風(fēng)口上停留的時(shí)間其實(shí)有限。
一方面，國外廠商只需要通過擴(kuò)產(chǎn)就能夠解決市場的供不應(yīng)求。
在2021年芯片短缺后，瑞薩宣布將汽車MCU擴(kuò)產(chǎn)50%，承接代工訂單的臺(tái)積電也宣布汽車MCU擴(kuò)產(chǎn)60%。行業(yè)預(yù)計(jì)，2023年隨著新一批產(chǎn)線集中投產(chǎn)，汽車MCU的短缺就將得到緩解。
換句話說，留給國產(chǎn)汽車MCU與車企完成綁定的時(shí)間只有兩年左右。
另一方面，技術(shù)趨勢很可能將汽車MCU逐漸引向一個(gè)更集中化、高端化的市場，這更利好具有深厚技術(shù)沉淀的海外廠商。
近些年，汽車電子電氣架構(gòu)逐漸向集中式過渡，在集中式的架構(gòu)建立起來后，汽車上的MCU用量將減少，一塊高性能的MCU將取代多枚中低端MCU。
在高性能汽車MCU領(lǐng)域，英飛凌、瑞薩等相繼推出了TC4x、RH850/U2B等產(chǎn)品，芯片擁有更高的時(shí)鐘頻率，更大的內(nèi)存，一枚芯片能夠同時(shí)支持多個(gè)應(yīng)用（而不是像傳統(tǒng)MCU那樣只能運(yùn)行一個(gè)應(yīng)用），為未來做好了準(zhǔn)備。
與之相比，國內(nèi)僅有少數(shù)企業(yè)如芯馳發(fā)布了面向未來的高性能產(chǎn)品E3，整體目前仍然處于“低端打基礎(chǔ)，高端待突破”的局面，芯片主要應(yīng)用在對(duì)汽車安全影響不大、性能要求不高的車身控制等領(lǐng)域。
這意味著，壁壘森嚴(yán)的汽車MCU市場，其實(shí)只給國內(nèi)企業(yè)留下了一道窄門，并且已經(jīng)開始關(guān)閉。
03
命門：卡脖子的老面孔
即便國內(nèi)汽車MCU芯片企業(yè)能夠集體崛起，也并不能從根本上解決缺芯的問題。因?yàn)樵谄嘙CU創(chuàng)業(yè)熱潮中集體涌現(xiàn)的是芯片設(shè)計(jì)公司，而缺芯的根本原因，是芯片制造環(huán)節(jié)的產(chǎn)能不足。
事實(shí)上，國產(chǎn)汽車MCU面臨的，是和國內(nèi)消費(fèi)電子高端芯片相似的窘境——掌握關(guān)鍵技術(shù)的上游與下游都不在大陸， 在消費(fèi)電子芯片上下游分別把持著命門的Arm與臺(tái)積電，在汽車MCU領(lǐng)域也卡住了脖子。
在制造環(huán)節(jié)，臺(tái)積電在先進(jìn)制程一騎絕塵的同時(shí)，在汽車MCU所需的成熟制程也積累深厚，擁有最多車規(guī)級(jí)芯片產(chǎn)線，占據(jù)了全球70%車規(guī)級(jí)MCU產(chǎn)能，不僅海外大廠將部分芯片制造向其外包，國內(nèi)企業(yè)杰發(fā)、芯馳等也將其作為代工廠。
臺(tái)積電占據(jù)了70%車規(guī)級(jí)MCU產(chǎn)能
在大陸，車規(guī)級(jí)MCU產(chǎn)線則處于稀缺狀態(tài)。
究其原因，此前國內(nèi)涉足汽車MCU的芯片企業(yè)少、規(guī)模小，難以形成有效需求。大陸TOP2的芯片代工廠中芯國際、華虹，此前代工的MCU主要是兆易創(chuàng)新、芯?？萍嫉绕髽I(yè)用于消費(fèi)電子、工業(yè)領(lǐng)域的芯片。而尚在襁褓中的汽車MCU公司，在缺芯的背景下很難從他們手中要到產(chǎn)能[4]。
而在上游的IP供應(yīng)環(huán)節(jié)，由于Arm的強(qiáng)大生態(tài)，國內(nèi)外汽車MCU在芯片設(shè)計(jì)時(shí)絕大多數(shù)內(nèi)核都選擇了基于Arm Cortex 的IP，其市場占有率超過50%，僅有少數(shù)企業(yè)如芯旺微選擇自研IP。
不過，改變正在發(fā)生。在上游的IP供應(yīng)方面，國內(nèi)正試圖通過基于開源的RISC-V開發(fā)MCU，繞開Arm的壟斷。而在制造環(huán)節(jié)，2021年芯片短缺后，中芯國際投資45億美元擴(kuò)產(chǎn)，其中大多數(shù)都投向了成熟制程，華虹亦開啟擴(kuò)產(chǎn)進(jìn)程，國內(nèi)車規(guī)級(jí)MCU產(chǎn)線因此有望得以擴(kuò)張。
今年5月中旬，外媒報(bào)道美國有意進(jìn)一步擴(kuò)大半導(dǎo)體設(shè)備禁令，中芯國際與華虹赫然在列，也讓這場MCU國產(chǎn)化運(yùn)動(dòng)顯得似乎更有必要。
尾聲
在MCU國產(chǎn)化的進(jìn)程中，身處終端的車企如何行動(dòng)將關(guān)系到這一目標(biāo)的成敗。
在本輪缺芯浪潮中，豐田和寶馬都與芯片企業(yè)達(dá)成了緊密的合作關(guān)系，對(duì)供應(yīng)鏈及時(shí)掌握，因而反倒在同行的缺芯中搶占市場，2021年新車銷量分別上漲9%、7.4%。而國內(nèi)車企則被全國政協(xié)經(jīng)濟(jì)委員會(huì)副主任、工信部原部長苗圩痛斥“只會(huì)在那兒叫喚”。
如果要建立起一個(gè)新的國產(chǎn)汽車MCU供應(yīng)鏈，車企的供應(yīng)鏈管理僅僅穿透至芯片企業(yè)其實(shí)并不夠，還要進(jìn)一步往芯片IP與芯片制造延伸。
華為在2018年之后的舉動(dòng)，已經(jīng)留下了可以參照的先例：在上游，華為轉(zhuǎn)向開源的IP生態(tài)，基于RISC-V打造芯片；而在下游，華為則選擇加碼先進(jìn)封裝，繞開先進(jìn)制程來解決芯片制造問題。
國內(nèi)汽車MCU需要一個(gè)強(qiáng)有力的角色，從而將本土供應(yīng)鏈串聯(lián)起來。
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