还在危言耸听?一文看懂汽车芯片的前世与今生

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文/吴鹏飞

在华为事件之后,谈芯片色变是当下中国各行各业的普遍现象。这种对芯片的焦虑,其根本还是因为中国半导体技术的长期落后。正所谓「落后就要挨打」,本国的技术不行,就时刻要防范着是不是会被外国「卡脖子」。

眼下,这种对芯片的焦虑开始从手机蔓延到汽车行业。

近期,一则关于「芯片断供导致部分车企停产」的消息在汽车圈里沸腾,「上汽大众 12 月 4 日停产,一汽大众月初停产……」,国内车市的销量扛把子的南北大众被牵涉其中,让话题更多了些热度。

芯片,这个看似「高大上」似乎只会搭载于精密设备上的硬件,当下居然和「四个轮子,一个沙发」的汽车扯上了关系。一场危机,让很多行外人开始关注汽车芯片,可你真的了解什么是汽车芯片吗?

首先声明,本文并不是绝对严谨的学术文章,而是希望用最接地气的语言为你介绍什么是汽车芯片。

首先什么是芯片?

芯片,业界又叫集成电路,这些电路来会进行运算与处理从而为设备提供性能支撑。

芯片的模样想必大家都有一定的认知,一个小方块,背面有着密密麻麻的触点。方寸小的东西内部都是错综复杂的电路,所以芯片的最大特点就是集成,就是把原本非常繁琐的电路高度集成起来。正是电路的步步集成,我们的智能设备才能做到越来越小。

电脑刚被发明的时候为什么那么大?现代的 PC 为什么越来越轻薄?集成电路功不可没。「每 18 个月,集成电路芯片上所集成的电路的数目就会翻一番,即处理器性能就会翻一番」,这就是半导体行业常讲的「摩尔定律」。

不过随着芯片的快速发展,「摩尔定律」所提出的增长周期开始放缓,由于制成工艺的限制,芯片的体积暂时还没办法无限制的缩小下去。目前最先进的且已量产的制成工艺要数台积电的 5nm,华为的麒麟 9000、高通骁龙 888 都是 5nm 工艺下的产物,代表着当下量产芯片集成度的巅峰。(目前我国能够大规模量产的工艺还是 14nm)

什么是汽车芯片?具体有哪些?

认识了什么是芯片、了解了当下芯片的技术水平,接下来我们言归正传聚焦到今天的主题,也就是汽车芯片。

正如前文所说,芯片的功能是通过集成电路来运算和处理数据的,那么什么样的设备需要数据处理?没错,那就是计算机/电脑。当然,我们这里讲的电脑并不是狭义上的 PC,而是广义上的一种叫法,能够进行数据运算处理的设备我们都可以叫作「电脑」。

汽车芯片的应用就要从汽车电脑的应用开始说起了。

汽车发明直至20 世纪 60 年代,汽车的控制都依靠机械控制,「化油器」就是一个很好的例子,很多老一辈的司机都开过化油器的车子。化油器的工作原理就是根据发动机的不同工作状态需求,自动配比出相应的浓度,输出相应的量的混合气。

机械器件虽然结构接单,质量稳定,但效率不高,所以发动机的电喷和直喷技术应运而生,后两者的共同之处都是可以通过电子信号去精准控制喷油器,从而达到高效率。

随着发动机上的传感器越来越丰富,发动机的进气、温度等等参数都可以被侦测到,这些数据被统一回传到 ECU,ECU 再通过事先编好的程序去针对当时的具体工况精确控制喷油量。

划重点,ECU。

ECU,中文名为电子控制单元,坊间又称行车电脑。这个东西首次出现在 1968 年,当时率先被搭载在了大众的一部车上。ECU 作为一个集成化的部件,它具备一定的信息运算能力,它的能力哪来的?那就需要依靠集成电路,也就是我们今天说的芯片。

改装爱好车常说的「刷电脑」去提升发动机性能,实质上就是通过改写 ECU 原本出厂时预置的程序,改变其原有的喷油逻辑来提升发动机的输出能力。

发动机可以有 ECU,变速箱同样可以有,同理类推。随着汽车的电子化程度越来越高,功能越来越多,汽车所搭载的 ECU 们也越来越多,ECU、VCU、MCU、HCU…… 五花八门。一部传统的豪华汽车搭载一百多个 ECU 都是常有的事情,而这些各式各样的 「U」 背后都是一个个的芯片。

话说回来到「缺芯」事件,事实上缺的就是这类「芯」。这类芯片市场成熟,工艺简单,售价低廉,并不像高端手机的芯片一样蕴含高端科技而被「垄断」。

那么为什么会缺芯?中汽协在近期给出了权威的解读。

1、近年来,全球芯片行业产能投资相对保守,供需不平衡问题在新冠肺炎疫情前就已经有所表现。而疫情的突袭,导致了部分企业对于今年下半年中国汽车市场发展趋势预判及准备不足。

2、在5G技术发展推动之下,2020年消费电子领域对芯片的需求在快速增加,芯片产能遇到挑战,抢占了部分汽车芯片的产能。

3、欧洲和东南亚受第二波新冠肺炎疫情的影响,主要芯片供应商降低产能或关停工厂的事件陆续发生,这进一步加剧了芯片供需失衡。

4、伴随汽车电动化、智能化、网联化程度的不断提高,推动全球车用芯片的需求将快于整车销量增速。

所以根本不是什么「卡脖子」,而是疫情加上汽车智能化的大跃进导致的市场供需关系变化。所以不是人云亦云的技术封锁、更不是贸易限制,只是简单的产能不足。

不过,看到这别高兴太早。有组残酷的数据我必须告诉你,2019 年,我国自主汽车芯片产业规模仅占全球的 4.5 %,我国汽车用芯片进口率超 90%。说出来你可能不信,就连一个看似「不起眼」的胎压监测芯片,直至去年才由四维图新旗下的杰发科技实现完全自主设计的国产量产。

所以对于中国这样一个新车销量巨大的国家来说,如果真的被「卡脖子」绝对是一件可怕的事情。

肯定有人会提出疑问,你不是说这些芯片技术上不复杂嘛?我们为什么还这么依赖进口。在这里,你需要明确一个概念,那就是汽车芯片和消费级芯片的区别。汽车芯片首先需要满足一定的性能指标,最重要的还要满足车规级的要求,行业有相关的标准叫 ISO26262、AEC-Q100。

实现前者并不困难,但在实现性能指标的同时还要满足车规就非常困难了。什么是车规?简单来说就耐高温、耐低温、防尘防水防颠等等的指标,汽车的行驶环境多种多样,且生命周期远远高于数码产品,所以这些对于可靠性的要求会比数码产品的要严苛太多太多了。

继续说一个可能会令人沮丧的消息,ECU 芯片仅仅是汽车芯片最底层的一部分,往上还有更为复杂的计算芯片,也就是我们常说的车机芯片、自动驾驶芯片。这块领域,我国依然处于一个落后状态,我们一样一样讲。

车机芯片

车机芯片这块,目前市面主流的车机芯片基本都出自于高通。2014 年,高通以 602A 杀入车载市场,目前新车装车最多的要数高通骁龙 820A,了解手机数码的朋友肯定不会对 820 这个代号陌生,骁龙 820 是 2016 年高通推出的旗舰手机芯片,820A 则是在此基础上做了一个车规级的改良。

虽然 820 在移动端上已经「落伍」,但 820A 依然是车机芯片中的顶级产品,主流车型的首选。高通非常聪明,它通过收购汽车芯片巨头恩智浦的方式把在数码芯片的优势带到了车载领域并持之以恒地扩大自己的领先,所谓的第三代智能座舱芯片也已经箭在弦上。

这枚代号 8155 的车载芯片(车规版骁龙 855)采用 7nm 工艺,性能是 820A 的三倍,功耗却是其 1/4,支持 WiFi6、蓝牙 5.0,为了满足中端市场,高通还出了一个基于骁龙 6150 的车载版 6155,性能略逊于 8155。比 8155 更强的还有基于骁龙 865 的车载版 8195,支持 WIFI 6、蓝牙 5.1,还内置了 5G。

高通在高端车机芯片领域基本已经处在「垄断状态」,面对英特尔、联发科这些宿敌的围剿也丝毫没有露怯。

就这个时候,中国品牌地平线杀了出来。其征程 2 代芯片得到了长安的认可,该芯片采用 16nm 工艺,具备 4tops 的算力,为长安 UNIT 的座舱赋能,是全球首个上车量产的国产芯片。

当然,除了地平线以外,国内还有许多自研车机芯片的企业,他们坚信芯片市场广阔,自己能够分得一杯羹。但想要得到主机厂和 Tier 1的认可并不容易,所以目前正式上车量产的寥寥。

自动驾驶芯片

自动驾驶芯片是近年来行业内讨论的热点,自动驾驶作为当代智能电动车最大的增长点,各家都在思考自动驾驶芯片的走向。目前主机厂的思路分为两派,一派是特斯拉独领风骚的「自研路线」,另一派则是「买买买」。

特斯拉自研的 FSD 芯片,一块板块集成了两枚 FSD 芯片,号称总晶体管数量达 120 亿个,总算力达到了惊人的 144TOPS。目前这套方案已经在万千的 Model 3 上得以量产,体验上可以说是无可挑剔。

与之相对应的供应商产品无外乎两个品牌,一个是英伟达,一个是 Modileye。NVIDIA 在 2018 年 CES 上发布了 Xavier 平台,在几年的演变下来,N 家的自动驾驶芯片更上了几层楼。

在英伟达最新的发布会上,老黄拿出了一枚 Ampere 架构的旗舰产品 A100,号称是世界上最高效的深度学习芯片,这枚芯片采用 7nm 工艺,内置了 542 亿个晶体管。基于此芯片,英伟达推出了目前世界上算力最强的自动驾驶芯片方案——Drive AGX Robotaxi。

从命名上不难看出,这套方案是针对 Robotaxi 量身定做的,与前代产品相比,它功耗更高,算力更是水涨船高,两枚A100 芯片加持结合双 GPU,该平台的总算力达到了 2000tops,完全是冲着 L4/L5 这样高级别自动驾驶去的。

这么强的算力对于目前的自动驾驶车来说肯定是严重过剩的,所以老黄做了两手准备,Drive AGX Orin 横空出世,总算力达到了 200tops,设计功耗 45w,无论是功耗还是算力都要强于特斯拉 FSD。该方案发布之后,英伟达的忠实粉丝小鹏汽车第一时间宣称会将是该平台首批合作伙伴。

同样是「买买党」,同样是新造车头部选手,蔚来信仰的是视觉为先的 Mobileye。2017 年蔚来 ES8 首发搭载了 Mobileye EyeQ4 芯片,该芯片算力为 2.5tops,在当时已属先进。

2019 年 CES 上,Mobileye 再度拿出了迭代之后 EyeQ5 芯片,新芯片将在明年正式量产,首批搭载的车型就有蔚来即将发布的全新平台的轿车之上。

虽然和 Mobileye 打得火热,但蔚来心中另有打算。

今年下半年,陆续有关于蔚来要自研芯片的风声传出。8 月份,自动驾驶公司Momenta 前研发总监任少卿入职蔚来,担任助理副总裁,直接向李斌汇报;无独有偶,11 月,前 OPPO 硬件总监、小米芯片和前瞻研究部门总经理白剑加入蔚来汽车,担任硬件副总裁,也直接向李斌汇报。

一番招兵买马,蔚来在内部已经成立了一个「Smart HW」项目,似乎要开始热火朝天地干起自研芯片的业务。显然,特斯拉在软硬件上的尝到的甜头让李斌心里犯痒。从长远来看,自研芯片可以把主动权握在自己手里,不再受限于人的同时还可以更好地匹配软件研发。好处数不胜数就是前期投入巨大,而且十分费时费力。

同样在钻研自动驾驶芯片的新造车还有杭州的零跑,依托大华的背景,这家公司成立以来就对芯片满怀执念。今年的广州车展上,零跑的首款 SUV 发布,这部名为 C11 的新车腹中便藏着零跑自研的凌芯 01 芯片,凌芯 01 采用了阿里旗下平头哥半导体公司提供的「玄铁C860」处理器,两颗芯片加起来的总算力达8.4tops。

有意思的是,零跑只打算自研自动驾驶芯片,而车机芯片则是采购了高通的 8155,这枚芯片的一些特征我已经在前文有过介绍了。

既然车企愿意「买买买」,那么市场上肯定有人要「卖卖卖」。眼瞅着英伟达和 Mobileye 喝酒吃肉,积极的国内创业者肯定也想分一杯羹。

比如我们前文提到的地平线,还有没提到的黑芝麻等等。这类的创业公司都把目光瞄向了汽车芯片领域,座舱、自动驾驶芯片应有尽有,他们正在让中国的芯片市场日渐繁荣。

写在最后

随着汽车智能化越来越高,芯片的地位越来越高。目前不管是什么类型的车载芯片,绝大部分的出货量还掌握在外资品牌的手中。此次「缺芯」事件虽然只是暂时的产能不足,但被「卡脖子」的焦虑并不是杞人忧天。

从整个半导体行业来看,我国的芯片技术仍然落后,所谓时代造就机遇,正是有着这样那样的差距,中国的芯片商大有可为。

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