中国自动驾驶芯片的现状、机遇与风险（二）

编者按：2021年以来，“芯片荒”无疑是汽车行业最受关注的话题。疫情、自然灾害等因素带来的影响是阶段性的，但全球政治环境带来的影响将成为常态。随着自动驾驶的快速发展，车用芯片是否也会遭遇与华为类似的尴尬局面？为探其究竟，《汽车观察》特别邀请自动驾驶科技公司禾多科技撰写分析报告，厘清自动驾驶芯片的技术分布与产业链格局，从而探索中国技术进步与替代国际传统供应商的可能性。

（接上期）

（二）ASIL-D级MCU芯片

1.技术现状

MCU（Microcontroller Unit）指微控制单元，可以理解成一个嵌入式的微电脑，对发动机、制动系统、空调、照明和车窗等一系列功能进行控制。随着电子/电气系统逐渐复杂化，为了实现汽车电子/电气系统的安全稳定，系统风险等级评估标准——ASIL等级（Automotive Safety Integrity Level，汽车安全完整性等级）应运而生。ASIL分为四个等级，分别为A、B、C、D。D是最高等级，意味着整个系统范围内单点故障率不超过1%。在自动驾驶汽车的域控制器中，MCU芯片负责提供高可靠性的输出，因此要求达到ASIL-D等级。

2.产品趋势

目前，能够独立开发ASIL-D级别的MCU芯片的厂商依旧是极少数，以萨瑞、恩智浦为代表的传统巨头具备明显优势。应用在ADAS中的系统芯片，大多在ASIL-B或C级。为了在ADAS系统标准上达到ASIL-D级，大部分厂商目前的解决方案是利用多枚B或C级芯片建立一个冗余系统，通过ASIL分解原则达到D级标准。但是如此一来，会出现成本高与功耗大的问题。

而对于使用ASIL-B级MCU芯片的汽车来说，即便通过冗余系统设计，使整车电子系统达到了ASIL-D级，目前也只能满足ADAS的需求。如果想要实现高阶自动驾驶，独立使用ASIL-D级标准的MCU芯片将是必要的。目前整个业界正在快马加鞭地部署“高性能计算系统”，即SoC芯片，为自动驾驶提供足够的算力，与此同时，自动驾驶汽车上品类繁多的汽车控制子系统，必须具备高级别的安全性。所以除了大算力运算所需的SoC芯片外，在面对某些临界安全问题时，ASIL-D级别的MCU将保证自动驾驶汽车在极限状态下的可靠性。

目前，ASIL-D级的MCU芯片制程通常在28nm左右，并非高端制程，但是它为了降低软件故障风险而采取了独特的lockstep（锁步）结构，即内核冗余技术，对芯片设计的要求很高。锁步结构是主内核配备一个影子内核，两个内核同时执行相同的指令，再利用比较器去查找差异，一旦其中一个内核出现故障，比较器将启动纠正措施。例如恩智浦希望基于现有的ASIL-B级ARM核，应用锁步架构达成ASIL-D级。由于锁步架构对于芯片的设计能力要求高，很多芯片设计能力出众却缺乏汽车电子领域经验的厂商，视此为“弯道超车”的机会，也试图参与ASIL-D级MCU芯片市场的竞争。比如ARM和Synopsys（美国新思科技）正在布局推出具备双核锁步（Dual Core Lockstep）处理器的ASIL-D级MCU。

3.市场规模

在地缘化政治摩擦和半导体缺货涨价的行业现状下，国产化MCU越发成为公众的焦点。

出于成本控制与定制化的需求，主机厂和一级供应商往往会与MCU芯片供应商建立战略联盟关系，共同开发产品，以获得稳定的MCU芯片供应。

目前，中国市场的MCU芯片基本被外方品牌占据，主要因为国外MCU产品在产品质量稳定性与口碑方面占据优势，而且国内主机厂已经与国外成熟的供应商建立了稳定的合作关系。近年来，我国也涌现了一批国产的MCU芯片供应商，但是它们需要从提升产品质量与保证产能供应两个方面发力，逐步打破外方的市场垄断。

总体看国产MCU芯片，不论是市场份额还是技术先进性，都无法和国外企业相比。对于中国企业而言，目前主流产品还停留在8位MCU，占比50%左右。16/32位MCU占比分别为20%左右（ASIL-D级MCU一般都在32位以上，甚至64位）。这意味着，国内MCU应用领域多集中在低端电子产品，中高端电子产品市场依旧被外方垄断。

中国MCU企业想跳出8位MCU低端產品的困境，需要积极研发32位及以上ASIL-D级MCU芯片，进军中高端产品和发展通用型芯片及其解决方案。而建立MCU生态一直是中国MCU芯片的短板，对于获得ARM内核授权的中国MCU芯片企业来说，ARM多年打造的生态环境是一个很好的跳板，但需打造出差异化。中国MCU企业正加强与中国软件企业合作，打造自主可控的嵌入式系统生态环境。目前比亚迪半导体、华大北斗和杰发科技等都在积极研发ASIL-D级别的MCU芯片，预计2023年将会面世。

 附：MCU芯片市场震荡

新冠疫情暴发，带来了芯片短缺问题。一方面，随着全球汽车消费升级，汽车电子化趋势日益显著，全球对车载MCU芯片的需求持续增加;但另一方面，MCU处于低端制程，利润率低，以台积电为代表的MCU制造商没有扩产的动力。最后受疫情影响，芯片制造商暂时停产，原本就存在的供需矛盾更为突出，甚至出现了断供的现象 。

需要澄清的是，我国市场的“缺芯”问题只是目前国际供应链格局与疫情下市场变动引起的，与中美贸易摩擦关系不大。

三、自动驾驶芯片供应链梳理

我国自动驾驶行业的供应链与技术对美的依赖程度越高，则面临的风险越大。因此，我们尝试剖析自动驾驶行业全产业链条，找到目前美国占主导地位的环节，确认风险点，认清在目前美方基本掌握芯片产业供应链权力的背景下，中国自动驾驶产业面临着供应链权力和政治风险的双重威胁。

芯片产业具有技术尖端、技术迭代周期较短、资本消耗巨大等特点，其国际竞争中强愈强、弱愈弱的 “马太效应”明显，产业链权力稳定生成， 垄断格局趋于固化。

（一）上游环节：原材料和生产设备

芯片产业供应链的最上游包括原材料供应与生产设备供应两大部分。

1.芯片原材料

在半导体原材料供应商中，日本企业的优势非常明显。对于芯片制造而言，获取优质的原材料是不可或缺的前提条件，然而在原材料環节，一般只有少数几家厂商能够掌握高标准的提纯和加工技术。以硅片这一最基础的原料为例，2020年，来自日本、中国台湾、德国和韩国的五家龙头企业垄断了超94%的全球市场份额。其中，来自日本的信越与胜高，更是作为五大龙头企业中的双雄足足占据了半壁江山，展现了日本在半导体原材料供应环节的超强实力。

可以说，日本原材料供应商凭借自身对相关技术控制的绝对优势，在芯片供应链的上游获得了巨大的话语权（卖方权力），但是考虑到美国对日本的技术扶植以及特殊的美日政治关系，美国几乎可以与日本同享此卖方权力。

2.芯片生产设备供应

在芯片生产设备供应环节中，光刻机是最为核心的设备。光刻机领域由荷兰的阿斯麦尔和日本的尼康、佳能三家企业所垄断。其中，生产先进制程芯片所需的极紫外（EUV）光刻机完全由阿斯麦尔垄断。这种光刻机价值连城，单台售价超过1亿美元，被认为是 “钞票印刷机”。由于高度依赖该企业提供的光刻机，英特尔、三星和台积电等全球主要芯片制造商争先为其提供研发资金以换取股份，这体现了阿斯麦尔的卖方权力。不过，虽然阿斯麦尔是一家荷兰公司，但其背后依然是美国资本，其崛起也与美国的支持密不可分，美国掌握着最大的 “隐形权力”。

在技术标准上：1997 年，美国政府、企业和科研机构牵头组建 EUV LLC 前沿技术组织，制定了EUV光源的技术标准。在美国的帮助下，阿斯麦尔被允许加入EUV LLC前沿技术组织，获得了生产极紫外（EUV）光刻机的资格，而另外两大巨头尼康和佳能却被排除在外。美国从而在技术标准上，一手扶植了阿斯麦尔在该领域的垄断地位。

在核心技术上：美国掌握着EUV光刻机的核心技术。2020年10月5日，美国商务部工业与安全局（BIS）发布决议，禁止向非瓦森纳成员的国家（中国不在该协定内），进行六项“新兴技术”的技术转让，其中就包括两项EUV光刻机的核心技术。

在国际政治上，美国还可以利用《瓦森纳协定》直接干预荷兰政府向中国出口光刻机。早在2018年，中芯国际便以高价从阿斯麦尔处订购了一台 EUV光刻机，但在美国干预之下，本应于2019年交付的这台高端光刻机至今仍未被放行，这直接钳制了中国高端芯片的研制能力。

因此在标准、技术和政治，美国都牢牢控制着世界EUV光刻机的供应。

（二）中游环节：芯片设计、制造与封测

芯片供应链的中游包括芯片设计、制造与封装测试三大核心环节，并衍生出了两种生产模式。

第一种生产模式为一体化制造 （IDM）模式，即一家企业集芯片设计、制造与封装测试三大核心环节为一体。采用该生产模式的企业主要有美国的英特尔和美光科技 、韩国的三星和SK海力士，四者均在全球半导体供应商中稳居前列，特别是英特尔与三星更是以营收的绝对优势稳居前二 。

第二种生产模式则进一步细化了中游三大核心环节的分工，由一些企业专门负责芯片的设计与销售，同时将制造、封装与测试环节外包给其他代工厂。在这种模式中，半导体产业的分工更加细化，各环节企业之间的相互联系也更为紧密。

下文讨论芯片设计、制造与封测环节，都是在第二种生产模式下。

1.芯片设计

芯片的设计主要包括具体设计与基础设计，在具体设计方面，主要包括：逻辑器件、DAO和存储器。而在基础设计方面主要包括：基础设计原理、EDA软件和IP核。芯片设计是知识技能密集型业务，占整个行业研发支出的65%。

在芯片具体设计领域，逻辑芯片设计市场，美国占67%，而中国几乎为零。在存储器方面，美国占29%，中国占7%，长江存储、武汉新芯和合肥长鑫等存储器厂商的崛起将有助于增加中国在这一领域的份额。在DAO方面，美国占37%，中国占7%，美国的TI和ADI长期占据全球模拟芯片市场龙头地位。芯片基础设计上，美国一直是基础理论研究的世界人才汇聚地。在EDA/IP细分领域，美国占主导地位（74%），而中国仅占3%;美国享有绝对优势 ，高通、博通和英伟达三家美国芯片设计公司以压倒性的高营收遥遥领先。

（1）芯片具体设计

逻辑器件是处理“0”和“1”的数字芯片，是所有设备计算和处理的构建模块，约占芯片具体价值链的42%。逻辑类别主要包括：微处理器（比如CPU、GPU和AP）、微控制器（MCU）、通用逻辑器件（比如FPGA），以及连接器件（比如WiFi和蓝牙芯片）。

存储器芯片用来存储数据和代码信息，主要有DRAM和NAND两大类，约占芯片具体价值链的26%。DRAM只能暂时存储数据和程序代码信息，存储容量一般比较大;NAND俗称闪存，即便掉电也可以长期保存数据和代码，手机的SD卡和电脑的SSD固态硬盘都使用这类存储器芯片。

DAO代表分立器件、模拟器件，以及其他类别的器件（比如光电器件和传感器），约占芯片具体价值链的32%。二极管和晶体管都是分立器件;模拟器件包括电源管理芯片、信号链和RF器件;其他类别的器件占比不高。

近年来，中国芯片设计产业链基本形成，产业规模达到5176億元，拥有海思半导体（海思为华为的全资子公司，以下简称为“华为海思”）、北京紫光展锐科技有限公司及中兴微电子等一批龙头企业。高端芯片设计能力与国际先进水平的差距逐步缩小，尤其是华为海思取得了显著进步，2020年上半年在全球芯片设计公司排名中位居第四。但在美国对华为的禁令之下，海思接下来或将陷入较为艰难的处境，其他芯片设计公司必将趁机收割海思的市场份额。

我国目前从事自动驾驶芯片设计的公司，除了华为海思外，地平线与黑芝麻也颇具代表性。其中地平线能够支持高阶自动驾驶的J5芯片已在2021年5月流片成功，黑芝麻的自动驾驶芯片官宣将在2022年量产，但是两者所占市场份额依然不大。

（2）芯片基础设计

虽然目前国内有一定的芯片具体设计能力，但是在基础设计领域：相关的基础科学与EDA软件、IP核，与美国差距较大。

半导体基础科学

半导体的基础研究主要是半导体基础材料和化学工艺的研究，是半导体的设计制造实现技术突破与商用化的源动力。一项研究成果大约需要10到15年的时间才能达到商业化阶段，例如，Extreme Ultra-Violet（EUV）技术从最初的概念到进入晶圆厂实施阶段花了将近40年。而基础科学的研究是长远且回报周期慢的，一般都依靠国家给予的研发直接投入，因此，一国的研发投入在一定程度上可以体现国家对于基础研究的重视程度。在半导体领域，世界科技强国的基础研发投入一般约占总研发投入的15%-20%。例如在美国，基础研究一直稳定在总研发的16%-19%，中国目前只有约5%-6%的研发支出用于基础研究，但过去20年中国一直在缩小竞争前研究和总研发支出之间的差距。

中国新的5年计划将基础研究列为重点投入领域，2021年的目标比例是GDP的11%，半导体也将作为重中之重得到较为充裕的资源投入。

EDA软件

EDA（电子设计自动化）是工程师对芯片进行功能设计、布局布线、虚拟验证的计算机辅助软件，是芯片设计的必备软件。EDA软件位于芯片技术的最上游，是全产业最为依赖的工具，深入到每个芯片设计与制造的流程中。虽然软件产业规模不大（2020年全球市场规模为105亿美元），但EDA可以撬动起万亿以上规模的芯片产业链。美国在这个领域占据了绝对的优势，并占据了95%的市场，从而达到了控制中下游产业链的目的。EDA软件一旦被禁用，暂时无国产替代，华为就因被禁用EDA软件，从而丧失了高端芯片的设计能力。

IP核

IP又称“知识产权核”，是已经设计好的具有一定功能的电路模块，相当于芯片设计的总库图书馆，所有芯片设计所需要的技术都可以从IP核中找到。其主要组成部分是复杂的功能模块，如FIR滤波器、SDRAM控制器等可修改参数的模块。

半导体IP核对于整个半导体行业都非常重要，尤其是近年来产业高速发展，全球对知识产权越来越重视，就更突显出IP核的重要性。起初各半导体公司有内部的IP核部门，专门来开发维护特定功能的IP核。但随着SoC设计越来越复杂，上市时间却被不断缩短，芯片设计者的任务变得更加艰巨，很多半导体公司开始采用外部第三方IP核。工程师将购买的功能模块（一般来说，功能模块都是验证通过的，可靠性高）直接放到芯片当中，再去修改或者直接进行芯片设计，从而避免了重复劳动，大大减轻负担。使用IP核已经成为行业趋势。

目前英国的ARM公司作为最大IP核供应商，已经宣布不再开放授权给华为。我国在EDA软件与IP核的技术突破与打破市场垄断，还需要从底层计算机操作系统架构进行颠覆与替代。根据SIA和BCG的报告统计，中国EDA行业虽然有华大九天、概伦电子，以及新兴的EDA初创公司，但整体实力跟美国还相距甚远。在IP核方面，中国只有芯原和Imagination（中资背景的英国公司）在全球市场占据一定的份额。

2.芯片制造

芯片设计完成之后，将由芯片制造商进行代工生产。在这一环节上，中国台湾的企业具有明显优势，尤以台积电为全球芯片代工厂的领军者。

在2020年第二季度中，台积电独占全球超50%的芯片代工份额。台积电是目前已经可以量产5纳米芯片，且已计划于2021年开始向更高端的3纳米发起冲击。此外，作为全球一体化制造 （IDM）模式的领导者三星，目前也实现了5nm制程。

我国在芯片制造环节拥有中芯国际、华虹半导体和华润微电子等龙头企业，其中中芯国际已经实现 28nm制程量产（高分辨率光刻机并没有实现国产，中芯国际的28nm生产线使用的是原有进口光刻机，或者通过多次曝光等生产工艺手段实现28nm制程），落后于7nm制程的国际先进水平两到三代。芯片制造属于高技术附加值生产，但是其核心生产能力依然依附于芯片生产设备（比如光刻机）供应商，从台积电与三星迫于美方压力拒绝为华为代工的结果来看，芯片制造产业依然牢牢把控在美方手中。

3.芯片封测

相比于芯片设计与制造，芯片封测环节的技术门槛较低，总体呈现市场充分竞争的局面，我国也有很多技术成熟的企业。因此，该环节上国家和企业对技术的垄断控制能力相对较弱，卖方权力也相对较小。

（三）下游环节：芯片应用

芯片产业的下游集聚着众多的芯片采购商。这些具备存储、计算、处理等各种功能的芯片可以被用于民用领域，如智能手机、通信基站设备和自动驾驶汽车等。2020年全球半导体产业下游的最大需求端为通信领域，该领域贡献了约三分之一的总需求，计算机领域与消费电子领域则紧随其后。

但相比于上中游的供应端，下游需求端的企业明显更加分散，全球十大芯片系统厂商的采购金额之和只占到全球总采购额的40%左右，与自动驾驶相关的芯片采购商仅有华为。而整体自动驾驶产业相比传统电子消费相比，其购买量更是微乎其微，这意味着我国自动驾驶行业在芯片应用端难以形成买方权力。

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