一山還比一山高,擁有智能座艙、智能駕駛的智能電動汽車對MUC、功率器件提出了什么新要求?
前言:
近年來,隨著前沿科技不斷向汽車領(lǐng)域涌入,企業(yè)不斷往純電動趨勢發(fā)展,在汽車不斷往智能化、電動化和網(wǎng)聯(lián)化的過程中智能電動汽車應(yīng)運而生。據(jù)億歐智庫測算,2021年中國智能電動汽車銷量約為133.3萬輛,2022年1-9月累計銷量達247.6萬輛,預(yù)計2022年將超400萬輛,2025年將達到838.2萬輛,在新能源汽車銷量中的滲透率達到61.7%。隨著智能電動汽車在新能源汽車中的滲透率逐漸提高,智能電動汽車將成汽車產(chǎn)品競爭主戰(zhàn)場。那么智能電動汽車對MCU、功率器件有著什么樣的要求呢?未來市場空間是怎么樣的呢?
智能電動汽車對MCU、功率器件的要求和挑戰(zhàn):一山還比一山高
億歐汽車將智能電動汽車(SEV)定義為搭載動力電池,能以電能為驅(qū)動動力,擁有OTA升級能力,并配備人車交互智能座艙或L2級及以上智能駕駛功能的車輛。智能電動汽車智能駕駛、智能座艙對MCU、功率器件提出了更高的要求。
車規(guī)級認證的“大山”
MCU、功率器件要應(yīng)用到汽車上首先是必須要符合車規(guī)級標準和規(guī)范,相對于消費型和工業(yè)型的芯片,汽車半導體在環(huán)境、可靠性、供應(yīng)周期等方面有更高的要求。
汽車芯片與其他芯片的區(qū)別
眾所周知,車規(guī)級MCU企業(yè)在進入整車廠的供應(yīng)鏈體系前,一般需符合三大車規(guī)標準和規(guī)范:在設(shè)計階段要遵循的功能安全標準ISO26262,在流片和封裝階段要遵循的AEC-Q001~004以及IATF16949,以及在認證測試階段要遵循的AEC-Q100/Q104。ACE-Q認證測試方法主要有加速環(huán)境應(yīng)力測試、加速壽命模擬測試、封裝組合整裝測試、芯片晶圓可靠度測試、電氣特性確認測試、瑕疵篩選監(jiān)控測試、封裝凹陷整合測試。
同樣,車規(guī)IGBT和sic功率器件也是如此。汽車IGBT模塊測試標準主要參照AEC-Q101和AQG-324,同時車企會根據(jù)自己的汽車類型特點提出相應(yīng)的要求,主要測試方法有參數(shù)測試、ESD測試、絕緣耐壓、機械振動、機械沖擊、高溫老化、低溫老化、溫度循環(huán)、溫度沖擊等。 一般來說,車規(guī)級IGBT需要2年左右的車型導入周期。 與 IGBT 類似,SiC 同樣具有高電壓額定值、高電流額定值以及低導通和開關(guān)損耗等特點,因此非常適合應(yīng)用在智能汽車中,sic器件的滲透率也在提高。車規(guī)sic功率器件也需要經(jīng)過AECQ-101車規(guī)的可靠性認證。
另外,萬國半導體元件(深圳)有限公司市場經(jīng)理何黎認為:“新能源汽車對于SiC器件的要求,除了滿足最基本的AECQ-101車規(guī)的可靠性認證和客戶設(shè)計的效率以及相關(guān)的余量要求外,優(yōu)化柵氧化層設(shè)計保證器件柵氧化層可靠性也至關(guān)重要。”
智能電動汽車MCU需跨越高性能“大山”
跨越了車規(guī)級MCU標準認證這座“大山”之后,智能電動汽車MCU還需要做到更高性能。智能電動汽車相比于傳統(tǒng)的燃油汽車,智能汽車在智能駕駛、智能座艙等功能越來越復雜,這就意味著對MCU的性能有著更高的要求。傳統(tǒng)燃油汽車靠汽油發(fā)動機提供動力,電動汽車則需要靠電機來進行驅(qū)動,高效能電機驅(qū)動系統(tǒng)搭載高性能驅(qū)動器,而MCU是驅(qū)動器的控制核心,所以電動驅(qū)動對于 MCU 性能要求也更嚴格。當下,大部分車規(guī)級MCU芯片的CPU主頻為100MHz,CPU主頻達到200MHz、300MHz的MCU芯片就已經(jīng)可以被業(yè)內(nèi)認定為高性能MCU芯片。
值得一提的是,芯馳科技在4月份發(fā)布了芯馳E3系列MCU芯片。這款芯片在車規(guī)可靠性標準AEC-Q100達到Grade 1級別,而在功能安全等級則達到ASIL-D級別,CPU主頻高達800MHz,具有高達6個CPU內(nèi)核,是現(xiàn)有量產(chǎn)車規(guī)MCU中性能最高的產(chǎn)品,填補國內(nèi)高端高安全級別車規(guī)MCU市場的空白。
智能電動汽車MCU需跨越高算力“大山”
另外,智能駕駛對于MCU算力也有要求。隨著智能駕駛逐漸部署到車上之后,L2級別的自動駕駛,計算能力大致需要10 TOPS計算能力,L3級別自動駕駛汽車需要100 TOPS以上的算力,到L3+級別自動駕駛汽車的算力級別已經(jīng)上升到1000 TOPS以上。整個汽車的算力已經(jīng)達到上百TOPS 甚至是1000TOPS 的水平。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測要做到L5 級的自動駕駛,整體的汽車算力需要達4000TOPS。這對于MCU是一個挑戰(zhàn)。
對此,國民技術(shù)股份有限公司(下稱“國民技術(shù)”)市場總監(jiān)程維解釋道:“智能電動汽車與傳統(tǒng)燃油車的主要區(qū)別在于,用電機替代了燃油車發(fā)動機,而動力電池自身的重量又讓電動車的重心更低,電機控制的四驅(qū)系統(tǒng),不需要發(fā)動機功率達到峰值才能得到最大扭矩。基于上述特點,智能汽車對芯片的運算速度,可靠性比傳統(tǒng)燃油車要高很多。另外,隨著智能電動汽車的進一步發(fā)展,各個模塊中軟件升級是一個區(qū)別于傳統(tǒng)汽車的新問題,這要求我們的汽車MCU具備安全OTA升級的功能。
國民技術(shù)6月份發(fā)布的車規(guī)MCU N32A455采用40nm工藝量產(chǎn),產(chǎn)品已通過AEC-Q100測試,并被列入工信部汽車電子國產(chǎn)芯片替代指導目錄,該產(chǎn)品具備高可靠性、高性能、集成加密算法引擎和安全存儲等優(yōu)勢,已在部分車廠及零部件廠商中實現(xiàn)導入,主要應(yīng)用在氛圍燈、升窗器、門控、車鑰匙、中控屏、OBC、等節(jié)點控制的場景,進入批量供貨階段。”
MCU、功率器件在智能電動汽車中的市場
據(jù)億歐智庫測算,2021年中國智能電動汽車銷量約為133.3萬輛,2022年1-9月累計銷量達247.6萬輛,預(yù)計2022年將超到400萬輛,2025年將達到838.2萬輛,在新能源汽車銷量中的滲透率達到61.7%,中國智能電動汽車銷量持續(xù)增長。在國家“雙碳”目標的推動下,電動汽車會進一步取代燃油車,智能電動汽車2025年是更大的市場。
MCU在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用市場規(guī)模大,一輛傳統(tǒng)汽車就需要用到70顆以上的MCU芯片。相對于傳統(tǒng)汽車,新能源汽車對芯片的需求多的多。智能汽車需要的MCU芯片超300顆,其增長部分主要用在智能座艙、車身穩(wěn)定性以及安全性方面。若按照每臺智能電動汽車需要300顆MCU芯片,億歐智庫智能電動汽車2022年將超400萬輛,2025年將達到838.2萬輛測算,2022年智能電動汽車MCU芯片需求量將超12億顆,2025年將超25.15億顆。
上海靈動微電子股份有限公司靈動產(chǎn)品市場總監(jiān)王維表示“短期來看,車規(guī)芯片仍處于短缺狀態(tài),與快速增長的國內(nèi)智能電動汽車的市場份額相比,更多的高品質(zhì)國內(nèi)車規(guī)級MCU將被導入。靈動在今年9月發(fā)布首款車規(guī)MCU MM32A0140后,將陸續(xù)發(fā)布MM32A5高性能車規(guī)和MM32AS車規(guī)電機系列。”
據(jù)了解,我國車規(guī)級芯片國產(chǎn)滲透率不到5%,國產(chǎn)汽車MCU廠商有比亞迪半導體、兆易創(chuàng)新、杰發(fā)科技、中微半導、國民技術(shù)、靈動微等。未來,智能電動汽車國產(chǎn)替代市場空間較大。
智能電動汽車
IGBT是新能源汽車除電池之外成本第二高的元器件。東方財富調(diào)研顯示,車規(guī)級IGBT模塊成本已占到新能源汽車整車成本的8-10%。新能源汽車中,動力系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及配套的充電樁都將拉動功率器件的需求。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測預(yù)計 2025 年 全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模將達到 44 億美元,年復合增速約 48.8%,是電動化趨勢下的汽車功率半導體中最受益品種。
汽車功率器件中,主要以IGBT、MOSFET為主,sic器件也正在加速滲透。據(jù)TrendForce集邦咨詢研究隨著越來越多汽車企業(yè)開始在電驅(qū)系統(tǒng)中導入SiC技術(shù),預(yù)估2022年車用SiC功率元件市場規(guī)模將達到10.7億美元,至2026年將攀升至39.4 億美元。智能電動汽車快速增長也將成為汽車功率器件的黃金賽道。
深圳愛仕特科技有限公司應(yīng)用開發(fā)總監(jiān)余訓斐透露到:在國產(chǎn)自主研發(fā)SiC MOS功率器件的公司中,愛仕特是出貨量最大的企業(yè)之一,總體今年已經(jīng)出貨2KK以上。隨著新能源汽車需求的不斷上升,我們也接到了幾大車企的預(yù)訂單,目前銷售主要還是受限于全球 SiC上游產(chǎn)能情況,隨著產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)能提升,整體銷售量會有大幅度提升。
智能電動汽車發(fā)展趨勢:電子電氣架構(gòu)呈集中式發(fā)展
目前,智能電動汽車電子電氣架構(gòu)呈現(xiàn)集中式發(fā)展趨勢,汽車電子電氣架構(gòu)把汽車中的各類傳感器、ECU、線束拓撲和電子電氣分配系統(tǒng)整合在一起完成運算、動力和能量的分配,進而實現(xiàn)汽車整車的各項功能。隨著汽車卷入到數(shù)字浪潮后,傳統(tǒng)的汽車電子電氣架構(gòu)無論從軟件迭代能力、架構(gòu)復雜度、算力還是數(shù)據(jù)傳輸效率,都已經(jīng)無法滿足。集中式架構(gòu)將分散的ECU集成為更高算力的域控制器(DCU),可減少傳統(tǒng)汽車分布式 ECU網(wǎng)絡(luò)帶來的大量車輛線束、節(jié)約制造成本并避免算力冗余。因此,智能電動汽車電子電氣結(jié)構(gòu)的集中化是不可避免的。同時,這也意味著傳統(tǒng)低性能、低算力的MCU將會被高性能的MCU替代。
國民技術(shù)市場總監(jiān)程維表示:“新的電氣架構(gòu)基本都以域控為主,大多數(shù)車廠會以左中右域來定義車身,國民技術(shù)在2023年Q4將推出一款符合安全等級B的產(chǎn)品,來覆蓋這一領(lǐng)域的應(yīng)用。”
安森美半導體如今是全球十大汽車半導體供應(yīng)商,在圖像傳感器,功率模塊和分立式點火IGBT等汽車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)擁有領(lǐng)先地位,對于在智能電動汽車公司未來布局,安森美中國區(qū)現(xiàn)場應(yīng)用工程總監(jiān)吳志民表示“新能源和智能駕駛汽車取代傳統(tǒng)燃油汽車是未來的主要發(fā)展方向。安森美將順應(yīng)趨勢,發(fā)展智能電源和智能感知技術(shù),加速推動相關(guān)的新技術(shù)變革,以高度差異化的創(chuàng)新產(chǎn)品組合,解決最復雜的技術(shù)挑戰(zhàn),并引領(lǐng)創(chuàng)建一個更安全、 更清潔、更智能的汽車產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)。例如第三代半導體的碳化硅技術(shù),L4自動駕駛感知系統(tǒng)等等。”
結(jié)語:
目前,智能電動汽車正在成為汽車產(chǎn)品中競爭的主戰(zhàn)場。智能電動汽車MCU、功率器件除了要通過車規(guī)級認證的標準之外,還對MCU算力、性能提出了更高的技術(shù)要求。車規(guī)MCU、功率器件當下一直處于短缺狀態(tài),我國車規(guī)級芯片國產(chǎn)滲透率又不到5%,市場缺口大,供需緊張的局面給國產(chǎn)車規(guī)汽車芯片放量機遇。國家支持純電動的政策,市場持續(xù)增長的現(xiàn)象都昭示著智能電動汽車市場的空間利好,企業(yè)應(yīng)早日實現(xiàn)智能電動汽車MCU、功率器件國產(chǎn)替代,搶占智能電動汽車市場地位。
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審核編輯 黃昊宇
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