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中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链
盖世汽车 周晓莺余有言 2023-10-27 09:16:21
核心提示:被“卡脖子”的国产芯片产业链,中国正突围。

智能电动汽车的发展,让汽车产业从“马力”时代跃迁到“算力”时代,这自然和车规级芯片产业的发展密不可分。而自主车规级芯片的崛起,又与本土芯片产业链完整度息息相关。

在经历了缺芯危机、半导体产业“卡脖子”之痛、地缘政治角力等一系列挑战之后,构建自主安全可控的产业链体系,提升芯片产业链韧性成为重中之重。上几期我们系统地聊了聊全球芯片产业链和目前市场竞争格局,具体到中国市场,本土芯片相关产业链的进程又如何呢?本期我们就来重点聊一聊这个话题。

上游:芯片设计比肩国际,IP核、EDA突破难度

·芯片设计

芯片设计是中国在半导体芯片产业链上中下游三大环节中,少数能基本比肩世界领先水平的环节。根据相关数据显示,2022年中国IC设计业销售约为4235.3亿元,全球占比10.9%。截至2022年底,中国IC设计企业增长到了3200多家,涵盖了各个细分领域。

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

图片来源:中国集成电路设计业2022年会(ICCAD)

具体到汽车芯片,按照功能分类,大致可以分为主控芯片、功率芯片、传感器芯片、存储芯片、信息安全芯片、驱动芯片、通信芯片、电源芯片、模拟芯片等。在这些领域,传统芯片设计公司如华为海思、紫光展锐、兆易创新、韦尔股份等,凭借深厚的积累,都在加速布局。

今年成都车展期间,华为最新一代车规级芯片麒麟9610A在江淮旗下全新MPV瑞风RF8上首发亮相,200k DMIPS的算力不仅超过高通座舱芯片8155,据称性能还紧逼高通最先进的车规级芯片8295。

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

图片来源:微博@定焦数码

需要指出的是,汽车的电动化与智能化发展,对车规级芯片不断提出新的功能需求,一批专门聚焦在汽车芯片的新兴设计公司在这几年应运而生,如寒武纪、地平线、黑芝麻智能、芯驰科技、芯擎科技等,正在车规级芯片赛道上与国际友商同台竞技。

如地平线的大算力智能驾驶芯片征程5,最高算力达到128 TOPS,在性能上对标英伟达。据地平线透露,下一代征程6将采用7nm工艺,预计将在2023年底至2024年上市,算力最高的版本会超过Orin。

自动驾驶与智能座舱对算力的高要求,将车规级芯片的战局也逐渐“卷”至先进工艺,除了地平线,国内芯擎科技智能座舱芯片“龍鹰一号”、黑芝麻智能的武当C1200皆用上了7nm。

随着先进工艺节点不断向前演进,芯片设计的复杂度也在大幅提升。作为背后重要支撑的IP核与EDA工具环节成为关键,其不仅是目前国内受“卡脖子”最为严重的地方,也是国产替代的重点。

·核心IP

IP核若出现任何一个小瑕疵,都有可能影响到整个复杂芯片设计的成败,这决定了半导体IP是一个高垄断性赛道。

目前,国产IP产业自给率不足10%,国内绝大部分芯片都建立在海外厂商的IP授权或架构授权之上。这种模式虽然在开发效率上有一定的优势,但一旦国际形势有变,就很容易被“卡脖子”。所以过去几年,不少本土企业,比如芯原股份、华大九天、地平线、寒武纪、平头哥等纷纷在该领域发力。

作为大陆地区唯一一家跻身全球前十的IP厂商,芯原股份目前从智能座舱到自动驾驶技术均有布局,其相关芯片设计流程也已获得ISO26262汽车功能安全管理体系认证。

据统计,国内已经出现超50家IP核相关厂商。而像中芯国际这样的代工厂,其实也在利用自身的晶圆厂优势跟合作伙伴进行IP核技术的积累。

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

图片来源:IPnest《2022年设计IP报告》

值得一提的是,在汽车产业智能化、电动化、网联化趋势下,汽车芯片越来越迈向高端化,在要求更先进的工艺节点和封装技术、更高的集成度和复杂度的同时,也要求更高性能的IP和高速接口通讯技术,这对IP企业也提出了更高要求。

在此过程中,Chiplet(即芯粒或小芯片)技术被寄予了推动接口IP以及整个半导体IP产业发展的希望。事实上,不仅仅是IP产业,包括EDA、封装、Fab等多环节都在拥抱Chiplet技术,该技术也被认为是延续摩尔定律,以及国产芯片突围的绝佳路径。

简单来说,Chiplet就是将单颗SOC芯片的功能拆分成众多小芯片(Chiplet die),然后运用高级封装技术拼装成一个大的系统芯片,从而实现一种新形式的IP复用。Chiplet不仅可以大幅提高芯片良率,还可以降低设计的复杂度和设计成本。

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

图片来源:半导体行业观察

对IP厂商而言,最大的机会便来自于IP硬化为Chiplet,即一些半导体IP核以硅片的形式提供,旨在以Chiplet的形式实现IP的“即插即用”和“重复利用”。不同功能的IP可灵活选择不同的工艺,平衡与芯片的性能与成本,并减少芯片设计时间和风险。

当然,IP硬化也充满了挑战,半导体行业资深人士表示,这需要Chiplet融入到系统中,更早期的规划和封装选择对其影响很大,设计时需要考虑的问题更全面、综合。

·“芯片之母”——EDA

对比IP核,做EDA的难度可以说是有过之而不及。上篇提到,全球EDA市场主要由国际三巨头Synopsys、Cadence、西门子EDA所垄断,即便在中国大陆,三巨头也占据超过90%的市场份额。当然,随着芯片行业受关注程度日益加深,EDA国产化也不断被提上日程。尤其在2018年之后,国产EDA进入了快速发展阶段。

据相关统计数据显示,在全球近120家EDA企业中,仅中国就占据了70多家。过去数年里,以华大九天、概伦电子、广立微等为代表的本土力量,在政策、资本和市场的多重驱动下,均迎来了不错的发展。

目前,国内EDA发展主要有以下几个特点:

一、全流程、全细分领域的覆盖能力不够。

本土EDA软件工具已经在部分模块上实现研发销售,但除了华大九天能在模拟电路和显示面板方面做到全流程工具支持以外,其它企业多只能提供点工具。作为国内EDA龙头,华大九天已经打造了包含车规模拟EDA工具、车规数字EDA工具和车规平板显示EDA工具等在内的较为完善的汽车电子国产EDA解决方案。

二、在先进工艺方面短板明显。

本土EDA全流程最高支持工艺与国际存在代差。国际三巨头产品已经能够支持2nm,而国内虽有概伦电子、广立微、思尔芯点工具能够达到3nm/4nm,华大九天部分产品支持5nm,但主流水平仍停留在28nm、40nm等。今年3月底,华为宣布芯片设计EDA工具团队联合国内EDA企业基本实现14nm以上EDA工具的国产化,并将在2023年完成全面验证,成为国产EDA新的突破。

三、其他产业链环节支撑能力跟不上。

国内不仅在制造和封测环节对EDA的支持能力较为薄弱,也缺乏持续验证和迭代的配套IP库,国产EDA可用性差、效率低。此外,本土产业生态尚待完善,人才缺失严重。 

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

华大九天模拟电路设计EDA工具;图片来源:华大九天官网

中游:晶圆制造逐渐“看齐”巨头,材料与设备仍高度依赖海外

·晶圆制造

在制造领域,本土企业正在慢慢崛起。根据集微咨询统计,2022年中国本土晶圆代工产业规模为1035.8亿元,同比增长47.5%。2023年,在全球市场需求普遍下滑的情况下,中国主要晶圆制造企业预计增加产能60.2万片/月。

另据TrendForce数据,2023年第二季度,在全球晶圆代工企业中,中芯国际、华虹集团和晶合集成分别位列第五、第六和第十名,三家晶圆厂的市场份额共占为9.6%,环比增长0.7个百分点。

尽管在严格意义上,国内要落后世界最先进工艺节点(3nm)五代水平,但是车规芯片是一个极为看中可靠性和安全性的领域,且大部分汽车芯片都能用28nm工艺及以上来制造,所以即使台积电把持着先进工艺的绝对话语权,但以中芯国际为代表的本土代工厂,未来在汽车芯片行业仍有很大的发展空间。

包括华虹半导体,凭借成熟制程在新能源市场的快速扩容中一路高歌猛进,为此还扩建了无锡二期项目(九厂),工艺节点覆盖65nm到40nm先进特色IC和高端功率器件,聚焦12英寸车规级工艺制造平台。

三安光电则正朝着碳化硅(SiC)专业晶圆代工厂目标迈进。今年6月,三安光电拿下了与意法半导体的长期供应合同,成为本土碳化硅企业进击市场的又一代表。

当然,晶圆制造水平的提升,也有赖于背后的半导体材料与设备。事实上,此两大环节与上文提及的EDA工具、IP核皆是整个芯片产业链发展的必然支撑,并且国产替代的难度也非同一般。

·半导体材料

半导体材料是国内对外依存度较高的一大领域,尤其是高端晶圆制造材料,包括高端光刻胶、CMP抛光垫、靶材、大硅片等细分领域对外依存度高达90%以上,EUV更是处于空白状态。一直以来,国内主要集中在技术壁垒较低的封装材料方面。

不过,受益通信、汽车电子、人工智能等终端市场需求旺盛,叠加政策引导,中国半导体市场持续增长,半导体材料行业也随之快速发展。SEMI数据显示,2016-2022年国内半导体材料市场规模由68亿美元提升至129.8亿美元,CAGR达9.7%,增速高于全球。

目前,国内已在电子气体、硅片、湿电子化学品、CMP抛光液等领域有所突破,也出现了不少本土头部企业在这些细分领域积极突围。

比如在关键材料光刻胶领域,晶瑞电材、彤程新材、华懋科技等布局了G/I线、KrF、ArF等相关技术。其中,晶瑞电材的i线光刻胶已向中芯国际等国内大尺寸半导体厂商供货,KrF光刻胶生产及测试线已经建成,部分品种实现量产。

又如在半导体硅片方面有沪硅产业和立昂微等,立昂微旗下子公司已成功拉制出量产型集成电路用12英寸硅单晶棒。在半导体靶材领域则有江丰电子等,根据Frost & Sullivan报告,其在2022年位居全球晶圆制造溅射靶材市场份额第二。

·半导体设备

半导体设备和材料一样,都是半导体制造工艺的基石。

从市场规模来看,中国已成长为全球最大的半导体设备市场,当前中国半导体设备采购市场超80%都被美日荷三国占据。

具体来看,在前道晶圆加工设备方面,像是薄膜沉积、涂胶显影设备、光刻、离子注入这几类核心设备国内还处于相对空白,国产化率几乎不超过5%,且聚焦在中低端;高端光刻机更是完全依赖进口;比较之下,刻蚀、热处理、清洗设备国产化率相对较高,在20%左右,不过总体水平较为落后;国产化进程最快的是去胶设备,高达90%。

在后道封测设备方面,国产化率整体在5%左右,最为核心的IC固晶机、焊线机、磨片机等封装设备的国产化率还要更低。

当然,国产替代也在推动本土半导体设备厂商逐渐崭露头角。据相关统计数据显示,在2020-2023年间,中国本土半导体设备厂商的销售额从9.9亿美元增长至33亿美元,市场占比从7%增加到11%,进步巨大。

其中,本土替代领军者——中微公司,是国内唯一7nm/5nm刻蚀技术设备商,其介质刻蚀机已进入台积电5nm产线;北方华创擅长ICP刻蚀,相关设备也已进入中芯国际产线验证阶段。另外还有盛美上海、屹唐半导体、拓荆科技、华海清科、芯源微、精测电子、长川科技、晶盛机电、富创精密等,也是国内设备代表公司。

下游:封装测试已成为国内芯片产业链最具竞争环节

依托国内日渐完善的半导体产业链和庞大的终端市场,中国封测产业迅速壮大,规模和市场空间全球领先。

据Frost & Sullivan数据预测,中国大陆封测市场2021-2025年CAGR约为7.5%,2025年市场规模将达到3552亿元,占全球封测市场约为75.6%。其中,中国大陆先进封装市场增长迅速,2021-2025年CAGR约为29.9%,预计2025年市场规模达1137亿元。

尤其是长电科技,已经成长为中国大陆第一、世界第三大的芯片封装测试龙头,其临港汽车生产基地预计2025年开始量产。

而通富微电和华天科技则与长电科技一起并称为国内封测“三剑客”,三者也都位居全球半导体封测厂商前十队列。此外,晶方科技作为后起之秀近年来异军突起。这些企业的产品目前也都覆盖了汽车电子领域。

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

图片来源:盖世汽车

时至今日,芯片尺寸不断接近物理极限,先进封装被认为是延续摩尔定律的重要途径,这也使得封测企业迎来良机。

特别是上文提到的Chiplet技术的出现,可以大幅简化汽车芯片迭代时的设计工作和车规流程,同时兼具可靠性。这意味着除了先进工艺,汽车芯片还可以通过架构创新实现算力跨越。对于在工艺制程上相对落后的大陆封测厂而言,这无疑是一个突破口。

而在经过设计、制造、封装测试之后,一颗芯片往往也要进行系统集成。由于该领域技术壁垒并不是很高,所以这也是国产半导体最强势的地方。

系统集成下游应用生态丰富。其中,随着整车发展,车身域控制器也越来越多,为降成本、减少整车重量,集成化需要把所有的功能器件集成到一个总的控制器里面。汽车电子电气架构从传统的分布式快速向中央计算平台架构演进的过程,将给该行业带来巨大的市场空间。 

中国车规芯片系列(3):进击的中国车规芯片供应链

图片来源:盖世汽车研究院

当前,汽车已经成为“轮子上的数据中心”,而芯片又承载着人类最先进的科技。我们可以看到国内的芯片设计与封测产业正逐渐比肩世界领先水平,但也可以看到其他多个核心环节的处处被“卡”。

包括车规级的计算和控制类芯片、传感器、功率半导体、模拟芯片、存储器等主要产品,目前自主率其实并不是很高,仍在逐渐突围中。这些细分领域,在接下来的车规芯片系列视频中也会逐一谈到。

总体上,汽车芯片的国产化无法一蹴而就,但或许,如今的全球供应链大变局,是一次加速奔跑的良机。千里之行始于足下。

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