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缺芯潮下,国产车规MCU突围战

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人工智能
作者:甲子光年
2022-05-11 14:59
国产MCU大逆袭。

作者 | Amelie 范文婧

编辑 | 赵健

出品 | 甲子光年

2021年开始,国产MCU芯片火了。

根据企名片数据,2021年至今不到18个月里,MCU领域投融资事件共24起,仅去年一年的融资就达到15起,与2015年~2020年六年内融资数量总和持平。

具体到车规MCU,2020年7月成立的云途半导体,至今已经完成五轮融资;芯驰科技和芯旺微在融资阶段均受到了资本市场的热切追捧,两年里芯旺微完成了四轮融资,而芯驰科技在天使轮的融资金额即过亿;成立于2014年的芯路CHIPWAYS、航顺等公司,自2021年开始也有两轮融资,融资金额均过亿;其他一些公司如芯钛、曦华科技、澎湃微等,最近一年在融资与产品发布时也均受到了不少关注。

不仅融资频率和金额升高,一些车企及产业资本也纷纷入场布局。2021年11月,国内汽车Tier1(一级供应商)保隆科技领投MCU初创公司云途半导体,并达成深度合作;12月,功率器件公司汇川科技与小米旗下基金也加入投资方的行列,连国内的主机厂也变身投资方,在芯钛科技2021年10月和2022年2月的两轮融资里,均可见上汽、广汽等车企的身影。

对于国内的MCU企业来说,市场的变化也非常显著。不少MCU厂商表示,2020年之前,公司一般会留有1~3个月的库存水位,目前公司的产能已经被订满。云途半导体CEO耿晓祥表示,年初的时候,公司前三季度产能就已分配完;杰发科技产品及市场总监李清庐也表示, 2022年公司和多家代工厂进行深入合作争取更多的产能,同时已提前开始布局2023年产能。不少国内MCU公司向「甲子光年」感叹,“需要取舍,因为要保证每个客户都有是不可能的”。

MCU也被称为微控制单元,是将CPU、SRAM、Flash、 计数器及其它数字和模拟模块集成到一颗芯片上,构成一个小而完善的微型计算机系统。MCU主要可以分为消费级、工业级、车规级和军用级。其中,MCU在汽车电子的应用广泛,车身控制、电机系统、车内信息娱乐系统都需要用到MCU。与消费类MCU相比,车规MCU对芯片的安全性和稳定性有较高的要求。

过去,国内的车规MCU一直被美日欧的大厂所垄断。根据IC Insight的报告,瑞萨、恩智浦、德州仪器、英飞凌、赛普拉斯、意法半导体六家公司一直为车规MCU最大的供应商,2020年六家的全球份额超过95%。在中国亦是如此,车规MCU的国产化率低于5%。“缺芯”让国产MCU受到关注。一方面,疫情影响了MCU制造和封装的产能;另一方面,新能源汽车的发展又极大催生了车企对MCU的需求。缺芯潮由此到来,为国产MCU带来上车测试的机会窗口。

那么,国产MCU企业能否抓住这次“历史性机会”?「甲子光年」采访了MCU领域的创业公司云途、芯驰、杰发、CHIPWAYS、紫光芯能等企业,以及使用MCU的Tier1、MCU领域的投资人,一起来探寻“国产MCU的逆袭姿势”。

1.缺芯潮撕开了一条大裂缝

2020年底开始,国际大厂MCU的价格一路上升。

一家国内的Tier1厂商向「甲子光年」透露,许多国际大厂中国代理商手上的“现货价格”已经超过了原价的10倍、20倍,像是恩智浦、意法半导体较为成熟的MCU系列产品,2019年左右的价格一般为二十多元,到2021年现货价已经涨到三五百元。

与此同时,即使不购买高价的现货芯片,普通订购芯片的交货周期也频频延长,从过往的6个月左右,延长到了平均12个月,更有一些芯片公司开出了36个月的预计交货周期。保隆科技事业部总经理表示,即使等待了12个月,交付情况也不堪理想。“像我们这样用量大的客户满足率大概70%左右,而如果是小客户,满足率可能只有20~30%。”

同为自动驾驶Tier1的MINIEYE和魔视智能,都曾借助主机厂的力量向晶圆厂争取产能。MINIEYE联合创始人杨广告诉「甲子光年」:“市场上缺芯的紧张氛围很强烈,如果Tier1 去向原厂要产能遇到困难,这时候车企亲自下场,或能让原厂适度地多给到支持。”

这种支持通常仅限于供应链极度紧缺之时,无法保证立竿见影的效果。杨广表示,“实在没有芯片又要急着交货的时候,只能会去买高价的现货”。

MCU之所以难买,是因为疫情的影响下,供给端和需求端都发生了变化。

需求端来看,近年来新能源汽车和智能汽车的发展,极大地激发了对MCU芯片的需求。作为一款负责“执行”的芯片,过去一辆车上需要二三十片,而在新能源车上则至少需要七八十片,甚至超过100片。举例来说,传统汽车的雨刮器是手动的,但新能源车上会根据雨量传感器的感应效果来智能执行,则会用到更多MCU;车把手会根据乘坐者的到来而自动弹出,相较于传统车型的机械式,需要新的MCU;又比如新能源车内部的氛围灯,需要近十颗MCU来控制,有时候甚至需要更多。

从供给端来看,车规级MCU芯片有60%~70%在台积电制造。由于疫情影响,业内均预计汽车的销量会降低,于是2020年台积电降低了对车规MCU产能的分配。而疫情之后新能源车终端销量的攀升,直接导致了供应链缺芯。更进一步,由于车规MCU对安全性和可靠性有着极高的需求,产线搭建相比其他类型的芯片也更为复杂,一般需要五年左右,缺芯难以快速缓解。

说到底,缺芯的根源是制造端的产能有限,所以不管是Tier1还是主机厂去要产能,都注定无法保供。并且,美国、日本、欧洲的车规芯片厂之所以能够发展至今,也是得益于当地车企的发展。在缺芯潮下,他们也一定会更倾向于优先保供当地的车企。

面对断货压力,国内的车企和Tier1开始将目光转向国内。

下游释放出对MCU产能的需求,国产芯片厂商也希望把握这次历史性的机遇。要知道,MCU上车的测试成本大、周期长,一经认证一般都会供货十年以上,如果不是因为缺芯,国产厂商要进入车企供应链非常困难,有时候芯片厂商上车测试都要排队好几年。

许多过往不做MCU的车规芯片企业,新开出了MCU产品线,比如杰发科技、芯驰、CHIPWAYS、航顺、紫光芯能、比亚迪、芯钛、恩狄、旗芯微等。其中,杰发、芯驰、CHIPWAYS都拥有SoC产品线,自缺芯潮之后均有发布新研发的MCU芯片。

杰发科技和CHIPWAYS其实在缺芯之前就开始研发MCU,芯路CHIPWAYS创始人兼董事长秦岭告诉「甲子光年」:“SoC的设计包含了控制部分,所以由设计过SoC的团队再设计MCU会相对容易。而且对于汽车用户而言,相对于一辆车只用一块的SoC芯片,有更多的场景中会使用MCU产品。”杰发科技则认为,伴随着中国汽车和智能汽车的发展,偌大的车规MCU市场,需要有中国的芯片。

一些曾经专注于消费、工业级的MCU公司,也纷纷尝试入局车规MCU。其中上市公司兆易创新、复旦微等已经获得了一些上车机会,而创业公司如芯旺微、灵动微电子、澎湃微电子、曦华科技等,转向车规MCU后也在这波浪潮中受到投资人的关注,获得了多轮融资。

一直专注于车规MCU的公司,为了把握住上车机会,甚至调整了产品战略。云途半导体CEO耿晓祥告诉「甲子光年」,“我们原计划从中高端切入,但因为当时的缺芯潮,2020年年中我们调整了规划,先做中低端成熟市场,设计出YTM32B1L这个产品系列。”对于云途来说,这个系列迅速打开了市场,为之后高端MCU的推广打下了基础。

不过,获得上车测试的机会只是一个开始,MCU的国产替代之路需要整个产业链的配合。

2.匆匆上位,一次产业链总动员

车规芯片从设计完成到上车量产,需要经过复杂的验证环节。

具体来说,从芯片设计到量产,需要先生产流片、做芯片的封装测试,而后再经历DV(Design Validation)和PV(Product Verification)测试。DV主要测试产品在设计方面的合理性,PV主要验证产品在性能上是否能达到要求。一般芯片厂设计完成后由芯片厂自己先做DV测试,经过调试测试通过后,再交由Tier1做适配开发与DV测试,通过后再交由主机厂进行PV测试。

对于车规芯片而言,在PV的验证环节,除了要测试产品性能之外,也需要测试产品在安全性和可靠性上是否能达到要求,比如在极端温度下的反应、面对故障如何处理等,这些一般统称为功能安全测试。除此之外,一些主机厂和Tier1 对于芯片制造的缺陷率、产品性能的一致性等也会提出要求。

以往,车规芯片验证阶段大致需要12~18个月。但在缺芯潮下,“时间”成了最宝贵的资源,于是整个测试环节需要压缩,有时甚至只需要4~6个月。

这其中当然需要芯片厂有良好的芯片设计能力,但更重要的是Tier1 和主机厂的配合。比如最为显著的是,原来需要分阶段进行的芯片验证工作,在缺芯潮下变得并行了。耿晓祥告诉「甲子光年」,“我们的产品提供工程样品的时候,战略客户就已经开始他们的设计了,等我们的量产样品提供后再做DV实验、DV实验通过后再和车厂合作PV。所以原先要花一年或者一年半时间做的工作,我们一起把它压缩到了半年。”

在这个过程中,Tier1承担了一定风险。Tier1需要在MCU的基础上做适配系统的开发,一家未合作过的公司,开发成本至少会达到百万元,还要再加上几个月人力和设备的成本。

“如果芯片不合格,那这些成本就打水漂了。但是在缺芯潮下,Tier1需要权衡,到底是承担芯片断货的风险,还是百万元投入的风险。”耿晓祥解释道。

Tier1 厂商也开始关注芯片公司的研发进度,更早介入测试。紫光芯能首席市场营销官王旭芳告诉「甲子光年」,一些重要客户会提前基于FPGA芯片原型开始评估验证。“Alpha客户可以基于我们早期的芯片原型进行部分软件部署开发和测试验证,同时他们也会最早拿到流片后的芯片开始后续开发,这样能够极大缩短相关基础软件和应用软件的开发周期。”

为了更快地“上车”,连主机厂的态度也发生了变化。芯片厂本来只是车企供应链上的Tier 2~Tier 3,需要通过对应的Tier1公司才能为车企供货。但在缺芯潮下,主机厂也纷纷主动与芯片厂直接沟通。秦岭博士告诉「甲子光年」,甚至有一些地方政府也会来找他们要产能。“上海、陕西、广西柳州等地方,汽车产业链占GDP比重很大,政府的压力不比主机厂小。”

甚至在一些对安全性要求不高的领域,比如氛围灯、雨刷器等领域,有的主机厂甚至采购了一些未经安全验证的工业、消费类级的MCU来使用。甚至有消费级的MCU公司到了MCU在车上出了问题被召回的时候,也不知道自己的芯片已经在车上使用了。

但是,MCU缺芯的核心在于上游制造端的产能紧缺,产业链的各个环节也开始各显神通向晶圆厂要产能。

杰发科技产品及市场总监李清庐表示,公司较早开始车规芯片业务,与台积电等多个国内外代工厂一直保持非常好的合作关系。

和利资本董事总经理王馥宇告诉「甲子光年」,公司的合伙人团队有数十年就职于国际一流晶圆代工厂的经历,在投资芯驰后,和利资本协助企业与代工厂建立良好的合作关系并获得足够的产能支持。

也有不少企业将目光转向国内。身处上海的主机厂,也会帮助芯片公司,向同样身处上海的晶圆厂要产能。一家芯片公司的CEO向「甲子光年」透露,“比如上汽会帮我们去找华虹谈,汽车和集成电路都对上海GDP的贡献很大,他们目标是比较一致的。”

然而国内的车规产线非常紧缺,需要芯片公司与晶圆厂共同发展。芯驰科技副总裁徐超向「甲子光年」分享,“目前MCU需要用到的制程多为成熟制程(40~90nm),但企业规划和政策引导,晶圆厂近些年都在发展28nm以下的成熟制程,所以产能紧缺。”于是,一些愿意生产MCU的晶圆厂,尝试将原有产能过剩的消费级、工业级MCU产线改造为车规级产线。

耿晓祥告诉「甲子光年」,“我们第一款量产产品是和国内FAB一起合作的,按照车规级来做改造和验证。比如,过往工业级标准对芯片在温度上的要求是0度~85度,但现在车规是-40度~125度,那么产线就需要相应调整。另外,晶圆厂的IP库、EDA开发工具、芯片开发流程也需要相应调整。”

CHIPWAYS也与国内的封测公司通富微电子达成合作,秦岭博士觉得这是国内的公司之间才可能建立起来的联结,“我们需要互相分享产品文档、测试数据,甚至更底层的Database”。

产业链总动员帮助国产MCU获得了上车机会,但相比国际大厂,仍有很长的路要走。

3.国产PK国际,稳定上车并不容易

实际上,如果仅从功能指标上看,国产MCU芯片足以媲美同类国际竞品。

根据MINIEYE联合创始人杨广透露,在缺芯最厉害的2021年,诸如意法半导体的STM 32系列、SPC563系列,以及恩智浦的FS32K系列,都是市面上高度紧缺的型号。杰发科技的产品正是在那时“替补上位”。

替补的选手来自杰发科技两个系列产品:更高性能的AC781x系列,采用ARM® Cortex-M3内核,稍低性能的AC7801x系列,采用ARM® Cortex-M0+内核。「甲子光年」通过对比发现,无论从工作频率、内存,还是工作温度、电压、功耗,两款产品线的参数指标,丝毫不逊于英飞凌、恩智浦同等产品系列。

杨广告诉「甲子光年」,从功能选择和使用上看,国产MCU与国际产品实际并未有太多差别。保隆科技事业部总经理也透露:“现在我们更看重国产MCU功能是否能与进口MCU基本接近,不追求性能更优,最重要的是看产品能够实现功能,同时需要供货稳定、质量稳定。”

真正的区别藏在一眼看不见的地方。和利资本董事总经理王馥宇告诉「甲子光年」,一款高端车规MCU芯片,功能设计可能只占不到50%的时间,剩下大半精力要用在“功能安全与可靠性设计”上,后者才考验功力。

众所周知,车规芯片是出了名的“难做”。在工作温度、运行稳定性、抗干扰性能、使用寿命、低故障率等各个方面,车规芯片都“完虐”消费与工控类芯片。仅以容错率为例,每百万芯片规模中,允许消费芯片出错的数量是300-500个,但车规芯片由于涉及人身安全,容错率无限接近于0。

一个形象的比喻是,如果消费类MCU的工作是正常情况下维护城市秩序,那么高端车规级MCU芯片则要在疫情爆发等恶劣情况下,维护城市运转。“出现了疫情大面积传播这样恶劣的状况,会极大增加物资紧缺、人员紧缺等各种风险,这才是真正考验水平的地方” ,王馥宇表示。

功力体现在几处细节,首先是“成本”。车规MCU需要达到高水平的“测试故障覆盖率”,即确保测试向量能够检测到的故障数尽可能多,以保证测试失误率尽可能小。

从99.9%到99.99%、99.999%......测试故障覆盖率每增加一个小数点,设计成本会加倍递增,由此拉开了不同厂商的实力差距。“好比同样解一道题,别人三步就解出来了,你却花了八步还没解完,这里面就是设计方法论的差异,需要长时间摸索而来”,王馥宇告诉「甲子光年」。

另一大差别来自于“Corner Case”的积累。所谓Corner,即少见的极端情况,它往往在大规模上车之后逐渐暴露出来。与自动驾驶领域类似,芯片设计中,Corner Case 的“know-how”建立在足够庞大的数据量之上。

如恩智浦、英飞凌等大厂,在车规MCU方面普遍已有10年以上量产积累,而国内车规MCU产品首次出现,普遍在2015年之后。

杨广表示,在抗干扰能力等方面,国产芯片表现不如国际芯片稳定,往往需要Tier1在整机设计时,做出更多补足的考量,例如,多加一层保护措施,以达到和国际芯片同等的电磁屏蔽效果。

除此之外,由于起步晚,国内MCU开发的工具链与生态还尚未成熟。当前支持芯片开发的软件工具,多被Keil、Eclipse等国外平台所垄断,这给国内芯片厂商带来了额外的适配成本。

紫光芯能首席市场营销官王旭芳告诉「甲子光年」,“如英飞凌等国外大厂,有原厂自己和第三方的开发工具链支持,能做到很好的兼容适配,而要让国外开发工具适配我们自己的芯片,我们起步相对较晚,需要投入更多时间建设工具链生态。”

然而,后发并非全无优势,此时进入的国产厂商也有一些特别的机会。

不止一家厂商强调了自身更“贴心”的服务态度。

耿晓祥告诉「甲子光年」,国外芯片一旦出现质量问题,通常只能找代理商,而非原厂解决,其响应速度、服务质量远不如本土厂商。

王旭芳也解释,在售后服务环节,一旦出现问题,往往会追溯到应用支持和芯片设计两个层级。国际大厂多半在国内有应用支持团队,而核心设计团队base在海外。因此,一旦问题需要追溯到设计层面时,通常沟通反馈的效率比较低,解决问题需要长时间等待。

比服务态度更重要的,还有国产芯片厂商提供的定制化产品服务。例如,一个微小的细节是,部分国外MCU会针对国外某些特定的应用场景或客户,开发特殊的接口资源,但这并非国内所需。故本土芯片厂商会做相应裁剪,以帮助下游节约成本。

也有业内人士透露,国产MCU还存在一个特殊的“国密窗口期”。在车规信息安全方面,我国出台了国密标准,在一定窗口期内,它率先向国产厂商开放,而后待标准成熟,再进一步开放给外资厂商。这便给了国产厂商以“先发优势”。

然而,归根到底,无论是更快的响应速度,还是更定制化的服务,相比于芯片更为根本的高安全、高可靠等特性,都只是小机会点。要能够长期成为一供或二供,拼的还是产品功能安全、稳定性等“硬实力”。

4.穿越周期,终究只是头部厂商的游戏

在车规芯片领域,时间往往以10年为单位计量。

针对同一车型的特定功能点,芯片保供协议一签就是10年起步。这其中,既有供应链安全与稳定的考量,又有成本因素的考虑。

如果下游要将国产芯片替换原来英飞凌、恩智浦等进口芯片,这必定将是一件“动全身”的工作。

由于MCU终究要在软件上跑代码测试,故切换供应商,不止是简单地移植芯片、重新焊接去做测试,而是要重新开发整个设计平台,以适配新型号产品。“考虑到人力、财力,千万级投入是很正常的情况,而且,针对不同原厂,开发平台不可复用。” 王旭芳透露。

愈靠近车身控制、刹车系统等高安全等级的功能点,这种“锁定”供应商的现象愈是明显。据魔视智能王学海透露,Tier1的芯片供应商一般会选两家,一家为主、一家做备选。一旦锁定了AB两个供点,后面的供应商将很难切入。

对于高端MCU厂商而言,局势变得较为清晰:缺芯潮下,下游受制于产能,急于改变AB供点均由国际芯片原厂占据的局面,开始密集地“换挡”。

然而,这种窗口期并不会持续太久。

保隆科技事业部总经理认为,机会最多再维持一年:“如果说今年之内,厂商还没有被验证稳定可靠的产品推向市场的话,市场将被先来者占据,后面再发力难度会很大。”

芯驰科技副总裁徐超则从另一个角度诠释了“窗口期”的机会。徐超透露,随着汽车愈发智能化,车企正采用一种更为智能化的新式平台架构——将整车分为5-6个功能区域,每个区域设置单独的“区域控制器”,通过高性能MCU去支撑整个区域的核心控制与运算,以此提高终端智能化水平。

新的设计架构对MCU性能提出了更高要求。然而,即便是放眼全球,能同时满足高性能、高安全等级的MCU产品亦屈指可数。据此,徐超判断,“5-10年内,基于车企新架构的需求,一批新的高性能MCU产品将被推向市场。这一赛道也将角逐出头部玩家,形成稳定的竞争格局。”

高门槛、高投入的性质,决定了高端MCU市场终将只会是几家头部厂商的角逐。而在低端MCU市场,竞争则显得热闹许多。

有业内人士透露,“凡是做工控MCU的,不管是否有真金白银的投入,没有一家不宣布自己在进军车规MCU了,这至少能‘蹭个热点’。”

收音机、氛围灯、车窗升降、底盘控制、刹车控制……如果把这些安全性能要求从低到高看成一个个细分赛道,那么一辆车内,至少有几十个“细分市场”,藏着各自的“know-how”。王馥宇形容是,“1个蛋糕,在低端市场如果有100家企业去瓜分,那么谁也不会吃到太多。”

秦岭博士亦认为,低端市场终将呈现“百家争鸣”的格局。“因为汽车里面的各个应用是完全不一样的,它不像消费类、通讯类,一款通用芯片打天下,由于客户需求不同,不会存在高度规范化的产品,也就造成了行业最终将呈现百家争鸣的状态。”

更多的担心不是来自国产选手能否抓住机会,而是由于过多选手涌入,造成的竞争秩序混乱。

有业内人士透露,很多下游客户开始尝试拿着最低的市场价格与上游芯片厂商谈判,试图压价。“你不好说是客户的问题还是行业的问题,但价格竞争总是要发生,没有办法。”

亦有人透露,不少国产厂商急于拿着各种认证、测试大肆宣传,这可能对市场判断造成信息干扰。“很多测试只是流程测试,而非真正的产品测试。就好比一个厨师画了一个PPT,展示所有做菜的流程,至于好不好吃,终究还是要看客户品尝过后,给到的市场评价。”

而如果我们把眼光放得更为长远,缺芯潮只会是半导体周期中的一朵浪花,无论是中低端MCU激烈角逐,还是高端MCU寡头之间的PK,市场竞争终将会收敛到产品质量本身。

对于车企而言,其对国产供应商的包容程度,将会是一系列综合因素的权衡:质量肯定是第一位的,安全、稳定的供货能力,是车规芯片领域无法妥协的原则。满足了这一底线,是否有意愿陪伴国产供应商一起成长,也将取决于国产芯片迭代速度,以及下游切换供应商的成本代价。

对国产MCU而言,拿到门票只是开始,迎面而来的,将是一场新的竞争与厮杀。

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