文|半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫
汽車芯片中，負責(zé)計算處理的主要有MCU和SoC。傳統(tǒng)應(yīng)用，特別是燃油車，MCU所占比重很大，SoC用量很少。隨著新能源汽車，以及智能化水平的提高，SoC用量大幅增加，有超過MCU之勢，那么，車用MCU還有未來嗎？本文討論一下這個話題。
MCU應(yīng)用廣泛，你能想到的各種商業(yè)、工業(yè)、消費類電子設(shè)備，絕大多數(shù)都會用到MCU，在所有應(yīng)用中，汽車對MCU的性能、可靠性、安全性的要求是最高的，同時也是MCU最大的應(yīng)用領(lǐng)域，2021年，在整個MCU市場中，車用部分占比達到38%-40%。目前，汽車 MCU市場規(guī)模約為80億美元，2022-2025年CAGR為11%，高于MCU行業(yè)平均水平。
在單車用量方面，以一輛奧迪豪華型SUV為例，共使用了38個MCU，其中，動力系統(tǒng)使用2個，底盤和安全系統(tǒng)使用12個，ADAS使用6個，信息娛樂系統(tǒng)使用8個，車身和其它系統(tǒng)使用了10個MCU。這樣的用量并不算多，有的汽車能用到近百個MCU。
價格方面，汽車MCU的ASP顯著高于其它應(yīng)用，2021年達到3.1美元。自2020年以來，因為供不應(yīng)求，汽車MCU價格上漲16%，2021年上漲22%，在所有應(yīng)用類型MCU中漲價幅度最大。Yole預(yù)計，未來汽車MCU的價格仍將處于高位。
在所有精度（位數(shù)）的MCU中，32位是主流，占比接近77%，16位約為18%，8位占5%左右。32位的營收占比達77%，出貨量占比約40%，因此，32位MCU在汽車市場占比最大，市場規(guī)模約為58億美元。
01、汽車MCU的當(dāng)下與未來
以上簡單介紹了汽車MCU市場的宏觀情況，下面看一下MCU在汽車中的具體應(yīng)用情況。
在汽車電動化、智能化普及之前，汽車的各個功能塊由ECU（Electronic Control Unit）控制，MCU則是ECU的核心，除了MCU，ECU還集成了存儲器（ROM、RAM）、輸入/輸出接口（I/O）、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），隨時監(jiān)控各種汽車運行數(shù)據(jù)（剎車、換擋、速度、航向角等），以及汽車運行的各種狀態(tài)（加速、打滑、油耗、前車距離等），并根據(jù)預(yù)先設(shè)計的程序邏輯計算各種傳感器送來的信息，處理后把各個參數(shù)發(fā)送給相關(guān)的執(zhí)行模塊，執(zhí)行各種預(yù)定的控制功能。這種架構(gòu)一般稱為分布式。
隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、電氣化在汽車應(yīng)用的深入和普及，汽車電子電氣（E/E）架構(gòu)逐漸從分布走向集中，以減少車輛線束，提高內(nèi)部信息流轉(zhuǎn)效率。分布式架構(gòu)下，汽車各功能模塊相互獨立，僅需MCU即可滿足所需算力。當(dāng)電子電氣架構(gòu)向集中式演進時，算力也趨向于集中，僅依靠傳統(tǒng)MCU已難以滿足計算需求，這加速了車用SoC芯片的發(fā)展。當(dāng)前，自動駕駛和智能座艙芯片以CPU、GPU和NPU等AI加速器組成的SoC 芯片為主流，并集成在域控制器中。域是將傳統(tǒng)ECU控制進一步集中，形成幾大功能塊，可概括為整車控制域（VDC， Vehicle Domain Controller），智能駕駛域（ADC，ADAS/AD Domain Controller），智能座艙域（CDC，Cockpit Domain Controller）。未來，在基于域的集中式架構(gòu)基礎(chǔ)上，還將向域融合（中央集成）的帶狀架構(gòu)方向發(fā)展，它進一步簡化了架構(gòu)，功能更加集中。
域控制架構(gòu)下，控制芯片將朝著MCU+SoC方向發(fā)展，SoC芯片并不能替代所有MCU。一方面，不是所有系統(tǒng)都有必要接入SoC，比如讓轉(zhuǎn)向燈閃耀的控制方式，如果不用MCU方案，全部接入SoC會形成一個星形網(wǎng)絡(luò)，不僅導(dǎo)線數(shù)量會增加，管理難度也會大增。另一方面，需要一些MCU作為SoC芯片的安全冗余。
目前，汽車市場仍以燃油車為主，純電動汽車發(fā)展勢頭很猛，但市占率要超過燃油車，還需要時間。在這種情況下，MCU用量依然可觀，特別是智能座艙、高精度地圖、車身電子等應(yīng)用對MCU需求量大增，所需的MCU數(shù)量和單價都有所提升。大到動力系統(tǒng)、車身控制、電機驅(qū)動控制系統(tǒng)、儀表盤、車載影音娛樂系統(tǒng)、高級安全系統(tǒng)、ADAS，小到車窗、雨刮、電動座椅、倒車雷達和車鑰匙等都需要MCU進行控制。目前，一輛電動汽車上的MCU用量也可達到幾十個，尤其是電門控制系統(tǒng)、自動泊車、先進巡航控制、防撞系統(tǒng)等，對32位MCU的需求量還會顯著提升。
在分布式ECU逐漸向域集中的過程當(dāng)中，由DCU（域控制器）集成多類ECU實現(xiàn)控制功能的集中。
過去幾年，特別是2014-2018，輔助駕駛發(fā)展方興未艾，玩家以Mobileye、英偉達和傳統(tǒng) MCU廠商為主。人們理想中的自動駕駛功能尚處早期（輔助駕駛），也就是L2級，只有到了L4級，才能真正稱為自動駕駛。目前這個階段，汽車的電子電氣架構(gòu)仍以分布式為主，用智能前視一體機即可實現(xiàn)智駕需求，對芯片算力需求不高，Mobileye在該階段占據(jù)了大部分L1-L2視覺ADAS芯片市場，同時，傳統(tǒng)MCU廠商，如瑞薩、TI的芯片搭載在博世的系統(tǒng)方案中，也占據(jù)大量市場份額。英偉達以通用 GPU架構(gòu)為基礎(chǔ)，于2016年推出Tegra Parker SoC，用于特斯拉HW 2.0平臺，將基于GPU的自動駕駛SoC推向市場，但該階段的SoC技術(shù)迭代速度仍較慢，MCU依然有發(fā)展空間。
從中短期來看，L1/L2級輔助駕駛智能汽車仍會占較大的市場比重，由于缺乏路徑規(guī)劃功能且傳感器數(shù)量有限，僅靠傳感器端的MCU便足已完成融合、決策任務(wù)，分布式架構(gòu)仍為主流，因此，中低端ADAS加速普及將帶動MCU用量提升。而在L2+及更高級別智能汽車中，SoC芯片將逐漸替代MCU，但部分底盤交互高實時性任務(wù)仍需要 MCU來完成，ADAS域控制器仍會搭載至少一個MCU，以保障系統(tǒng)功能安全。
除了輔助駕駛系統(tǒng)，其它功能域，如座艙、儀表、動力、車身控制等，對MCU的用量需求各有不同。
隨著座艙越來越智能化，MCU用量將減少。智能座艙實現(xiàn)的功能繁多，包括信息娛樂、人機交互等，為了實現(xiàn)這些先進功能，需要更高性能的芯片，使得MCU地位呈下降趨勢。以儀表盤和抬頭顯示（HUD）這兩個座艙功能為例，儀表盤的性能提升使MCU的主控地位被高算力處理器取代，HUD功能，特別是AR-HUD需要處理的信息量很大，處理器需要系統(tǒng)級芯片SoC。
在動力域，傳統(tǒng)燃油車的動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機和變速箱，這兩個部件各有一個MCU，一個發(fā)動機主控MCU和一個變速器主控MCU。純電動汽車動力系統(tǒng)包括整車控制模塊，電機控制器模塊，電池管理模塊三個部分，動力域控制器集中控制上述三個部分，這個系統(tǒng)需要更多的MCU，估計每輛車會比傳統(tǒng)燃油車多用至少5個。
車身控制系統(tǒng)所用的MCU數(shù)量相對穩(wěn)定，變化不大，原因在于車身域技術(shù)較為成熟且使用生命周期長，實現(xiàn)這些功能對芯片算力的要求較低，所用的MCU價格也較低。
總之，MCU在傳統(tǒng)功能的控制應(yīng)用上仍有一席之地，而在座艙和自動駕駛方面的用量會明顯減少。隨著汽車電子電氣架構(gòu)進一步發(fā)展，座艙域和自動駕駛域也有融合趨勢，直至實現(xiàn)全車中央計算機控制架構(gòu)，未來可能還有云端電腦對汽車進行控制。
汽車半導(dǎo)體細分市場規(guī)模預(yù)測（億美元，按2021年規(guī)模排序），來源：中泰證券
從上邊這個表格可以看出，在可預(yù)見的未來幾年，雖然各種汽車芯片，特別是SoC的增長率很高，但總體市場規(guī)模最大的依然是MCU。
在可預(yù)見的未來之后，隨著燃油車占比下降，純電、智能化汽車占比大幅增加，MCU的總體用量會有所下滑。
目前，特斯拉電動汽車是集中式架構(gòu)的典型代表。域架構(gòu)下，特斯拉將眾多小型ECU功能全部集成到區(qū)域控制器中，因此，ECU數(shù)量相比ID.4/Mach E等車型少，Model Y、ID.4、Mach E 的ECU用量分別為26、52、51。這比傳統(tǒng)燃油車的ECU少了很多，ECU數(shù)量減少導(dǎo)致MCU的用量下降。
總體來看，MCU應(yīng)用隨汽車電子電氣架構(gòu)發(fā)展而變化，用量會經(jīng)歷一個由少變多，再由多變少的過程。SoC芯片會集成部分低端MCU功能，而且，隨著汽車SoC算力提升，功能不斷強大，會有越來越多的MCU功能被集成進SoC。隨著汽車電子電氣分布式架構(gòu)向域控制發(fā)展，單車MCU用量將從平均30-40個，逐步提升至70-80個，未來，隨著集中式架構(gòu)普及，算力向整車計算平臺集中，汽車MCU的用量又將逐步降低至50-60個左右。
02、汽車MCU市場格局
對于汽車零部件和整車廠商來說，MCU的更新迭代速度較慢，使用周期較長，因此傾向于能提供穩(wěn)定解決方案的供應(yīng)商，較少更換供應(yīng)商。這在很大程度上決定了全球汽車MCU市場長期穩(wěn)定的格局，瑞薩、恩智浦、英飛凌三足鼎立，意法半導(dǎo)體、德州儀器、安森美、微芯等緊跟其后。
不同廠商的側(cè)重點各有不同。例如，英飛凌擅長底盤、動力域控制；恩智浦基于Arm架構(gòu)，打造開放MCU平臺，適合中小客戶，除了ADAS攝像頭控制外，在連接、網(wǎng)絡(luò)、傳感器控制等方面優(yōu)勢顯著，應(yīng)用覆蓋面較廣；瑞薩依靠日本汽車大廠，產(chǎn)品覆蓋高中低端，應(yīng)用覆蓋車身、底盤、動力、智能座艙等。
ADAS方面，瑞薩更擅長攝像頭控制，英飛凌擅長中央安全MCU，恩智浦擅長雷達控制（包括毫米波雷達和超聲波雷達）。
以上都是IDM大廠，汽車MCU晶圓代工也占有較大市場份額，臺積電約占全球車規(guī)級MCU晶圓代工出貨量70%的份額，全球頭部MCU廠商對臺積電的依賴性很強。近兩年，受疫情影響，臺積電減少了車規(guī)級MCU的產(chǎn)能，在市場需求快速攀升的情況下，相關(guān)MCU供不應(yīng)求。
03、中國市場動力倍增
目前，中國汽車芯片自給率不足10%，高度依賴國外企業(yè)，汽車芯片進口率高達95%，用于動力系統(tǒng)、底盤控制和ADAS等功能的關(guān)鍵芯片均被國外巨頭壟斷。而在需求側(cè)，中國汽車市場約占全球份額的30%，是車規(guī)級芯片需求最大的市場。
由于車規(guī)級MCU 認證門檻高、認證周期長，對可靠性、安全性、一致性、壽命等要求很高，中國汽車MCU芯片市場長期被國外廠商占據(jù)。近些年，國內(nèi)已有不少廠商在布局車規(guī)級MCU，如芯旺微、杰發(fā)科技、芯馳科技、比亞迪半導(dǎo)體、兆易創(chuàng)新等。
近年來，中國大陸廠商從與安全性能相關(guān)性較低的中低端車規(guī)級MCU切入，如雨刷、車窗、遙控器、環(huán)境光控制、動態(tài)流水燈等車身控制模塊，并開始研發(fā)汽車智能化所需的高端MCU，如智能座艙、ADAS等。目前，兆易創(chuàng)新、芯?？萍?、國芯科技、比亞迪半導(dǎo)體等廠商均有通過車規(guī)驗證的MCU產(chǎn)品，中穎電子車規(guī)級MCU也已經(jīng)流片。
中國及全球汽車MCU市場規(guī)模預(yù)測，來源：方正證券
保守估計，預(yù)計中國2022-2025年汽車MCU市場規(guī)模分別為32.92，36.02，39.30，42.74億美元，2022-2025年全球汽車MCU市場規(guī)模為85.59，93.66，102.19，111.12億美元。
在25%和30%的滲透率預(yù)期下，中國汽車MCU市場在2021-2025年的CAGR分別為9.24%和11.22%，車規(guī)級MCU市場規(guī)模具有較大增長空間。
目前，中國車規(guī)級MCU行業(yè)正處于導(dǎo)入期，在相對成熟的消費級和工業(yè)級MCU技術(shù)基礎(chǔ)上，車規(guī)級MCU市場大規(guī)模需求會刺激國內(nèi)廠商加大研發(fā)投入力度，能夠優(yōu)先滿足技術(shù)要求并獲取客戶訂單的廠商將快速占據(jù)市場，國產(chǎn)替代潛力巨大。