車規級MCU國產替代僅1%，我國新能源車狂奔下的反思
“一個MCU，全國上百家在幹”——這樣的大背景下，MCU（Microcontroller Unit，微控制單元）芯片需要我們費大力氣突破。
01
首個國產開源車規級芯片發佈
MCU芯片究竟在汽車中扮演怎樣的角色？
在整個半導體生態中，微控制單元(Microcontroller Unit；MCU) 就是我們俗稱的“單片機”。MCU內部的功能部件主要是CPU、存儲器（程序存儲器和數據存儲器）、I/O端口、串行口、定時器、中斷系統、特殊功能寄存器等八大部分，還有一些諸如時鐘振盪器、總線控制器和供電電源等輔助功能部件。
從手機、PC再到汽車，“中國芯”承載了多少人的期盼與奮鬥。
“一片原價28元的芯片，賣到了2800塊。”很難想到，一顆芯片身價暴漲100倍的現象，正是中國汽車市場上真實發生的一幕。2020年下半年全球缺芯荒，源於疫情爆發與新能源汽車需求上升。全球MCU市場受到晶圓廠產能下降的影響，意法半導體、恩智浦、Microchip等廠商延長交貨期，全球汽車供應鏈面臨缺貨危機。
2021年3月，瑞薩發生火災，進一步加劇了緊張的芯片供應鏈。同年，恩智浦和英飛凌的美國工廠因暴風雪停產，意法半導體歐洲工廠因罷工加劇了全球車用MCU缺貨。 芯片短缺的風暴，使得中國汽車產業的發展迎來前所未有的挑戰，也帶給了汽車行業深刻的反思，掀起了一場芯片“國產替代”的浪潮。
9月下旬，長城汽車董事長魏建軍發佈微博表示，長城汽車自主研發的紫荊M100芯片成功點亮。該芯片是國內第一個基於‘RISC-V’架構研發的車規級芯片，也是長城汽車培育的首顆技術芯片。依託開源架構，既避免被歐美技術限制，又保證架構拓展的可能性。芯片雖小，但能量和意義巨大，承載着國家使命與時代責任。長城汽車將不斷努力，推動中國汽車產業邁向新高度。
在技術層面，紫荊M100芯片是基於開源RISC-V架構開發的車規級芯片，打破了傳統上依賴國際主流架構（如ARM，封閉自研架構）的局面。在產業層面，紫荊M100是國產化程度最高的芯片，達到國產化三級水平，它的廣泛應用等同於推動實現汽車芯片產業鏈的自主可控。
儘管有了吃第一隻螃蟹的長城，但根據數據顯示，海外MCU市佔率超80%，中國還處於追趕階段。紫荊M100芯片的到來，只是意味着開源指令集RISC-V芯片在我國汽車行業的首次產業化應用。
02
國產替代率僅1%的車規級MCU
曾經的“缺芯潮”，曾讓全球汽車企業陣痛。
隨着汽車電動化和智能化的推進，對芯片的需求大幅增加。傳統燃油車每輛車大約需要500-600個芯片，而新能源汽車則需要1000-2000個芯片，其中MCU（微控制單元）芯片的需求尤爲突出。然而，全球疫情、消費電子需求旺盛等因素進一步擠壓了汽車芯片的產能。晶圓廠的產能調整和擴產速度不及需求增速，使得汽車芯片供應緊張。
再加上地區貿易衝突和投機者的囤貨行爲，車規級MCU芯片誇張地漲價5-20倍，令車企苦不堪言。單單2021年一年，全球汽車市場累計減產量預計達130.36萬輛，Rivian等品牌更因零部件短缺而下調了全年產量預期。
在這場缺芯潮下，我國也出現了部分新能源汽車價格上漲，並且交付時間延長的情況，而理想、小鵬等車企更無奈實行不同程度減配交付。
車規級MCU一直都是我國汽車芯片的薄弱環節，可究竟有多薄弱呢？
據芯科集成聯合創始人、資深技術市場總監王超介紹:“按照一些專業的評估機構，國產車規級MCU在國內市場佔有率應該是有3%-5%。但是按照我們跟客戶實際去溝通，比如南方某大小OEM/主機廠，雖然其研發能力也很強，什麼樣的國產MCU都願意去測試，但是實際上國產替代率也就1%左右。從一個角度來看，不管是從存量市場還是從增量市場來說，對於國內的車規級MCU廠商來說，存在着巨大的替代增長空間。"
雖然經過多年發展，車規級MCU的國產替代率有所上升，但從目前大多資料顯示也未能超過5％。
車規級MCU之所以國產化率低，主要還是因爲其具有較高的技術壁壘。車規級MCU對產品的使用環境（如溫度、溼度、電磁兼容性等）、可靠性、安全性、一致性、使用壽命和長期供貨能力的要求極高。
這些要求使得其研發難度大，週期長，投資風險高。此外，車規級MCU需要在複雜的汽車工作環境中保持穩定運行，因此其設計和製造標準遠高於消費級和工業級MCU。
國內芯片設計企業在高端芯片設計方面，如複雜處理器架構和高精度模擬電路的設計，與國際先進水平存在較大差距。特別是在智能駕駛所需的大算力芯片設計上，國內企業的產品在性能、功耗和集成度等關鍵指標上往往難以與國際巨頭的產品相抗衡。
同時，車規級MCU芯片供應鏈依賴性強，全球車規級MCU市場長期以來被國際廠商如瑞薩、恩智浦、英飛凌等佔據，這些廠商佔據了超過95%的市場份額。由於傳統燃油車市場長期由外資品牌主導，整車供應鏈也由外資把控，新進國產供應商切入前裝市場的難度極高。
此外，車規級MCU芯片認證流程複雜且週期長，也讓不少MCU廠商選擇放棄。車規級MCU芯片想要進入車企供應鏈，往往需要通過ISO 26262、AEC-Q100、IATF 16949等多個嚴苛的認證體系，整個認證過程通常需要3-5年時間，認證週期長且不確定性大，使得新進入者難以快速切入市場。
03
汽車電子的核心部件
MCU芯片的應用能夠將真實世界的各種物理量，通過傳感器轉換爲電信號，經信號調理，再通過放大器進行放大，然後通過ADC把模擬信號轉化爲數字信號，在MCU或CPU或DSP等處理後，再經由DAC還原爲模擬信號，最後通過功率驅動器實現輸出。
然而，具體到汽車上，MCU芯片又能起怎樣的作用呢？
車規級芯片按功能主要可分爲主控芯片(MCU/SoC)，功率芯片(IGBT)，傳感器芯片(CIS)和存儲芯片(Memory)四大類，車規芯片廣泛應用於汽車的動力系統、智能座艙及自動駕駛系統。在汽車電子中，小到車窗和座椅調節，大至動力總成，車身控制，電池電機控制，整車熱管理系統，均有MCU的參與。
MCU芯片本身是一個非常龐大的系統，從行業來看，可以分爲消費、工業和車規三個大方向，再往細分，消費裡面有做家電的，家電裡面還分白電黑電小家電智能家居，黑電裡光電視就是超大的市場了，家居里面什麼掃地機器人、智能音箱、攝像頭、智能門鎖，各自都有一塊市場，還有電動兩輪車、電動牙刷、電子秤、電子醫療之類的子市場，工業裡面如電梯、水電氣表、電機控制、變頻、光伏逆變器之類的，可以細分再細分。
不同領域對於MCU芯片性能的要求有所不同，這裡通常用位數來劃分。MCU（微控制器）芯片中的8位、16位等參數，主要指的是該MCU的“字長”或“數據總線寬度”，即MCU在一次運算中能夠處理的數據位數，通常位數值越大，應用的領域也就越高端。
當前汽車MCU主要是8位、16位、32位產品，8位MCU主要用於比較基礎的控制功能，如座椅、空調、風扇、車窗、門控模塊等控制。16位MCU主要用於下車身，如引擎、電子剎車、懸吊系統等動力和傳動系統。32位MCU契合汽車智能化，主要用於座艙娛樂、ADAS、車身控制等高端智能和安全的應用場景。
據不完全統計，國內做MCU的廠商已經超過了一百家，其中當然可以分爲兼容MCU和特色MCU兩大陣營。不過大部分公司都堆積在低端的8位、M0+和M3(主要是STM32F103兼容料)領域。
早年的國產MCU主要是做歐美品牌的兼容替代，通過Pin2Pin模式，以更低的價格去取代，隨着進入者越來越多，替代產品質量良莠不齊，這門生意越來越不具有可持續性，把原本以拼設計爲重點的芯片產業轉變爲以供應量和製造成本取勝的行業。
近年來的缺芯事件，讓國內車企徹底意識到，海外芯片企業疊加海外零部件巨頭的MCU供應鏈並沒有想象中那樣穩固。扶持本土汽車MCU公司保供的進程急需加速：一方面經歷了貿易摩擦的影響及缺芯斷供等危機，OEM整車廠出於芯片供應鏈的安全會十分歡迎和期待國產芯片的出現和早日應用；另一方面，國家的國產化率大規劃要求也倒逼整車廠開始擁抱國產芯片廠商。
04
無懼芯片制裁
MCU國產替代迎來機會窗口
先發優勢和專利技術壟斷，讓海外MCU企業在以車規級MCU芯片的賽道上構築了高高的壁壘。美國在技術創新和先進汽車電子領域通常處於領先地位，一些國際知名的半導體公司，如德州儀器（Texas Instruments）、英特爾（Intel）等，擁有龐大的市場份額。
德國作爲汽車工業的發源地，其主要汽車製造商（如大衆、寶馬、奔馳等）對車規級MCU的需求量大。許多德國公司（如英飛凌（Infineon）、賽米控（STMicroelectronics）等）在這一市場中佔有一席之地。
日本在汽車電子和半導體領域也佔據重要地位，如瑞薩電子（Renesas）和東芝（Toshiba）等公司在車規級MCU市場具有較強的競爭力。
根據IHSMarkit的數據，全球車規MCU的供應中，瑞薩電子佔到 30%，全球前七大供應商均爲美歐日 IDM 大廠，佔據了全球 98%車規 MCU 的市場份額，前面也分析過，國產MCU芯片廠商想要爭奪全球MCU賽道話語權並不容易，但這些年本土新能能源自主品牌的強勢崛起，卻給MCU國產替代一個良機。
新能源汽車的動力革命重塑了全球汽車市場的競爭格局，傳統油車品牌的護城河(發動機和變速箱)將逐漸被三電系統所替代，國產品牌憑藉國內成熟產業鏈和軟硬件創新優勢逐步實現彎道超車，有望帶動本土汽車電子供應鏈的發展，國產 MCU廠商也將迎來市場導入的機會窗口，從而重塑車規MCU市場的競爭格局。
通過數據來看，燃油車時代，單車芯片需求約爲300-500顆，而當下的智能電動車單車芯片搭載量則超過了1000顆，未來L4級別車輛的單車芯片需求更將超過3000顆。以中國汽車行業爲例，2022年整車銷售規模達4.58萬億元，汽車芯片銷售規模爲1219億元，其重要性不言而喻；2030年，中國汽車芯片市場規模預計將達到290億美元，年需求量將超過450億顆。
相較於其他芯片領域，全球車規MCU目前主要以 40nm-90nm 製程爲主流工藝節點，僅少部分豪華車型會部分採用 28nm 製程的MCU。一是由於車載 MCU 本身對算力和集成度的要求不像消費級芯片那麼高，因而無需先進的製程;同時，MCU內置的嵌入式存儲自身製程也限制了MCU製程的提升。
因此，從主流車規MCU的生產工藝節點看，本土芯片代工廠如中芯國際和華虹宏力已經具備自主製造的能力。長期來看，隨着國內各代工廠在成熟製程工藝上的持續優化和產能擴張，輔以RISC-V等開源指令集架構的發展，國內 MCU廠商通過與上游代工廠的通力協作，有望共同推動國產 MCU 性價比不斷升高，以中低階車規 MCU 爲切入口，逐漸導入整車供應鏈體系，逐步實現國產替代。
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編輯｜張毅
審覈｜吳新
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