汽车芯片的神秘面纱

杨梅说商业 2024-03-26 02:48:49

  汽车半导体概念宽广,在汽车电动化、智能化、网联化、共享化等各领域发挥重要作用,其按照功能分为汽车芯片、功率器件、传感器等。 芯片是汽车的核心部分,车规级芯片标准远高于消费级,且认证流程长。 一款芯片一般需要2年左右时间完成车规级认证,进入车企供应链后一般拥有5-10年的供货周期。据IHSMarkit预测,2026年汽车芯片收入增长到676亿美元。

  电子系统在汽车中的应用越来越复杂,作为控制电机动作的模块,车用MCU就是微控制单元是智能电动汽车的运作控制核心。它在一颗芯片上集成了计算核心、存储核心和对外接口等,就像一台完整的小型计算机,可以在不同场景下完成不同的控制功能。汽车是MCU最大的应用场景,小到刮水器、车窗升降、电动座椅调节,大到仪表盘显示、车身稳定、驾驶辅助等功能的实现,都可以看到MCU的身影。一辆汽车中至少包含70个以上的MCU芯片。

  随着IoT、人工智能、边缘计算等技术的发展,汽车各部分的控制逻辑也越来越复杂化和智能化,对Mcu的需求数量也越来越多,计算能力的要求也越来越高。特斯拉自主开发的自动驾驶芯片——FSD芯片(Full Self-Driving Computer)就是一颗典型的车用MCU,为了提高系统安全性,特斯拉做了大量冗余设计,比如一个板卡放两颗FSD芯片,这两颗芯片的供电和数据通路都是独立的且互为备份的。一个很有意思的想法是,这两颗芯片可以进行独立的决策运算,然后互相比对(验证),再得出最终的决策结果。

  如果说大大小小的MCU是汽车的大脑,那么车用传感器就是汽车的神经元,它遍布汽车全身,负责车身状态和外界环境的感知和采集。车用传感器主要采用半导体材料和加工工艺,比如MEMS、磁芯片、光电转换芯片等。传统的汽车传感器按照功能可以分为8种,分别是压力传感器、位置传感器、温度传感器、加速度传感器、角度传感器、流量传感器、气体传感器和液位传感器,主要用于动力系统一车身控制系统和底盘系统中,比如油箱中的液位传感器可以检测油量的多少,防抱死系统中用的加速度传感器可以检测汽车是否紧急制动,发动机供油回路中会有油压传感器以检测供油量等。

  随着辅助驾驶技术的普及,汽车传感器开始向智能化发展,汽车不仅需要感知自身的状态,也需要感知周围的环境,目前常用的环境感知传感器主要包括激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达和摄像头等。它们通常位于车辆的前后保险杠、侧视镜、驾驶室内部或者风窗玻璃上。早期的辅助驾驶技术主要应用于高端车型,随着传感器技术的成熟和成本的下降,越来越多的中低端车型也开始标配辅助驾驶技术。

  2019年12月,闻泰科技以268.54亿元完成对安世半导体79.98%的股权收购;2020年3月,再出资63.34亿元将持股比例增至98.23%。这是我国集成电路产业迄今最大的并购案,也促使闻泰科技的市值从200亿元暴涨至1000亿元以上。为何二级市场如此看汽车辅助驾驶所需传感器好这项交易?其中一个主要原因就是安世半导体是全球汽车功率器件的主要供应商之一,大家看重功率半导体在汽车行业中的广阔应用前景。相关数据表明,传统燃油车上汽车功率器件价值在60美元左右,而电动汽车采用的功率器件价值超过350美元,采用双电机驱动的特斯拉汽车上功率器件的价值更是高达650美元。

  功率半导体主要用于控制电路开断、电压升降、交流和直流转换等,新能源汽车中为了提高效率,一般采用高压电路进行电机驱动,但也需要兼顾仪表盘、电动车窗等低压用电需求,因此需要频繁进行电压变化。汽车上用到的主要功率半导体有IGBT、MOSFET、二极管等。传统功率器件一般采用硅基的工艺,虽然价格便宜,但是在高压大电流的应用场景下,效率会有一定程度降低。第三代半导体具有禁带宽度大、漏电流低的特点,特别适合高压场景,是目前全球半导体产业发展的热门方向。

  第三代半导体材料具有更宽的禁带宽度、更高的击穿电场、更高的热导率、更高的电子饱和速率和更高的抗辐射能力,因此更适合于制作高温高频、抗辐射和大功率器件,通常又被称为宽禁带半导体材料(禁带宽度大于2.2ev),也被称为高温半导体材料。

  2018年,特斯拉Mode13已经把碳化硅MOSFET用到了其主驱动控制器上,以降低传导和开关损耗,特斯拉Mode13的逆变器采用了意法半导体制造的SIC MOSFET,每个逆变器包括了48个SIC MOS一FET,体积比采用硅基IGBT的缩小40%以上,但效率提升10%。

  事实上,汽车芯片的技术水平虽然不高,但对其可靠性、安全性、长效性的要求却极高,毕竟对车企来说,任何不良都有可能导致严重的交通事故。据悉,消费电子芯片的不良率要求只需满足200ppm(万分之二),而汽车芯片的要求是1ppm(百万分之一);另在使用寿命要求上,消费电子芯的片要求使用寿命是10年,而汽车芯片的要求是20年。所以说,汽车芯片的技术提升还需要时间和挑战。

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