必看！智能電動汽車對MCU、功率器件的新要求

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(yùn)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(jì)銷量達(dá)247.6萬輛，預(yù)計(jì)2022年將超400萬輛，2025年將達(dá)到838.2萬輛，在新能源汽車銷量中的滲透率達(dá)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,相對于消費(fèi)型和工業(yè)型的芯片，汽車半導(dǎo)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(jìn)入整車廠的供應(yīng)鏈體系前，一般需符合三大車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：在設(shè)計(jì)階段要遵循的功能安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262，在流片和封裝階段要遵循的AEC-Q001~004以及IATF16949，以及在認(rèn)證測試階段要遵循的AEC-Q100/Q104。ACE-Q認(rèn)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)主要參照AEC-Q101和AQG-324，同時(shí)車企會根據(jù)自己的汽車類型特點(diǎn)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(jī)械振動、機(jī)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(dǎo)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(dǎo)通和開關(guān)損耗等特點(diǎn)，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(rèn)證。

另外，萬國半導(dǎo)體元件(深圳)有限公司市場經(jīng)理何黎認(rèn)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(rèn)證和客戶設(shè)計(jì)的效率以及相關(guān)的余量要求外，優(yōu)化柵氧化層設(shè)計(jì)保證器件柵氧化層可靠性也至關(guān)重要?！?/p>

智能電動汽車MCU需跨越高性能“大山”

跨越了車規(guī)級MCU標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)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(fù)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(jī)提供動力，電動汽車則需要靠電機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動，高效能電機(jī)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(yán)格。當(dāng)下，大部分車規(guī)級MCU芯片的CPU主頻為100MHz，CPU主頻達(dá)到200MHz、300MHz的MCU芯片就已經(jīng)可以被業(yè)內(nèi)認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100達(dá)到Grade 1級別，而在功能安全等級則達(dá)到ASIL-D級別，CPU主頻高達(dá)800MHz，具有高達(dá)6個(gè)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(bǔ)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(jì)算能力大致需要10 TOPS計(jì)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(gè)汽車的算力已經(jīng)達(dá)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(dá)4000TOPS。這對于MCU是一個(gè)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(jī)替代了燃油車發(fā)動機(jī)，而動力電池自身的重量又讓電動車的重心更低，電機(jī)控制的四驅(qū)系統(tǒng)，不需要發(fā)動機(jī)功率達(dá)到峰值才能得到最大扭矩?；谏鲜鎏攸c(diǎn)，智能汽車對芯片的運(yùn)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(jìn)一步發(fā)展，各個(gè)模塊中軟件升級是一個(gè)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(diǎn)控制的場景，進(jìn)入批量供貨階段?！?/p>

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(jì)銷量達(dá)247.6萬輛，預(yù)計(jì)2022年將超到400萬輛，2025年將達(dá)到838.2萬輛，在新能源汽車銷量中的滲透率達(dá)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(biāo)的推動下，電動汽車會進(jìn)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(dá)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(dǎo)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(jī)系列?！?/p>

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(dǎo)體、兆易創(chuàng)新、杰發(fā)科技、中微半導(dǎo)、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(cái)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(jì) 2025 年 全球新能源汽車 IGBT 市場規(guī)模將達(dá)到 44 億美元，年復(fù)合增速約 48.8%，是電動化趨勢下的汽車功率半導(dǎo)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(dǎo)入SiC技術(shù)，預(yù)估2022年車用SiC功率元件市場規(guī)模將達(dá)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(xùn)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?fù)浜碗娮与姎夥峙湎到y(tǒng)整合在一起完成運(yùn)算、動力和能量的分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車整車的各項(xiàng)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(fù)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(shí)，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(dǎo)體如今是全球十大汽車半導(dǎo)體供應(yīng)商，在圖像傳感器，功率模塊和分立式點(diǎn)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(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)，并引領(lǐng)創(chuàng)建一個(gè)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(dǎo)體的碳化硅技術(shù)，L4自動駕駛感知系統(tǒng)等等?！?/p>

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(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jī)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(shí)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