【6千字长文】车载芯片的技术沿革与趋势分析

【本文是读者投稿。6千字长文，规格严谨。】

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什么是芯片？什么是汽车芯片？

芯片，通俗地说，就是一块小硅片集成了许多微小的电子元件，如晶体管、电阻、电容等元件通过复杂的电路连接在一起，形成一个功能强大的整体。

可以把芯片想象成电子设备的心脏和大脑，它能够处理信息、控制各种操作。

汽车芯片是指应用于汽车电子系统中的各类集成电路芯片,是实现汽车电子化、智能化、网联化的关键组件。

随着现代汽车技术的发展,芯片在汽车中的应用越来越广泛,从传统的发动机控制、安全气囊、ABS等,到智能座舱、自动驾驶、车联网等前沿领域。

芯片无处不在。

汽车芯片按照功能种类划分，大致可分成以下几类：

类别	功能描述	产品举例
主控/计算类芯片	MCU (Microcontroller Unit)：用于实现各种电子控制单元 (ECU) 的控制功能，例如发动机控制、变速箱控制、车身控制等。SoC (System-on-Chip) 芯片：集成多个处理器内核、硬件加速单元、存储控制器等，用于实现信息娱乐、自动驾驶等高度集成的功能。	NXP S32K1xx 系列 MCU：用于汽车电子控制单元，如发动机管理、底盘控制等。 Qualcomm 8195/8295：智能座舱。 NVIDIA orin：大算力芯片。
功率半导体	包括 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)和 MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)等，用于汽车电源管理与电机控制。	Infineon IGBT 模块：用于电动汽车的电机驱动。 STMicroelectronics MOSFET：用于汽车电源管理和电路开关。
传感器	包括 CIS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) 图像传感器、加速传感器等，用于采集汽车内外部环境的各种数据。	Sony IMX586 图像传感器：用于车载摄像头，支持高分辨率图像采集。 Bosch MEMS加速传感器：用于车辆动态控制和安全系统。
无线通信及车载接口类芯片	用于车载无线通信，例如蓝牙、Wi-Fi、5G 等。	Qualcomm 5G 芯片：用于车载 5G 通信。 Broadcom Wi-Fi/Bluetooth 芯片：用于车载无线连接。
车用存储器	用于存储程序代码、数据等。	Micron NOR Flash 存储器：用于存储汽车的启动代码和固件。 Samsung eUFS 存储器：用于车载娱乐系统和导航数据。

这些芯片在汽车的各个领域发挥着关键作用,构成了汽车电子系统的核心。

随着汽车智能化、电动化的发展,芯片的种类与数量还将进一步增加。

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汽车芯片的发展历程

1、汽车电子化进程与芯片需求

20世纪70年代,随着微电子技术的发展,汽车开始应用单片机实现电子控制，标志着汽车电子化的开端。

此后，随着排放法规日益严格、安全需求不断提升，以及消费者对车辆性能、舒适性、娱乐性的要求越来越高，汽车电子化进程不断加快,电子控制单元(ECU)的数量从最初的几个发展到现在的上百个，芯片的用量也从几十颗增加到几千颗。

2、汽车芯片技术的演进

早期（20世纪末）

主要使用8位和16位MCU（微控制器单元），主要用于发动机控制等单一功能

21世纪初

32位MCU开始大量应用

DSP（数字信号处理器）、存储器和接口芯片开始在汽车中普及

近年来（2010年代以后）

ADAS（高级驾驶辅助系统）、信息娱乐和车联网等新兴领域崛起

高性能处理器如CPU和GPU开始在汽车中使用

存储容量更大的闪存和DRAM开始在汽车中使用

3、市场格局与代表厂商

汽车芯片市场高度垄断,前五大供应商占据了超过50%的市场份额。

1) 恩智浦(NXP)是全球最大的汽车芯片供应商,在车身与舱内电子、汽车雷达等领域处于领先地位;

2) 英飞凌(Infineon)在汽车功率半导体领域全球第一;

3) 德州仪器(TI)在信号链与接口芯片等方面表现突出;

4.) 瑞萨电子(Renesas)在车载MCU市场占据重要地位;

5) 意法半导体(ST)则在车载传感器芯片领域独具优势。

6) 此外,博世、英伟达(NVIDIA)、高通、三星等跨行业巨头也在积极布局汽车芯片市场。

7) 国内厂商如华为海思、地平线、寒武纪、君正等也在不同领域发力,力图在新一轮汽车产业变革中占据一席之地。

4、当前与未来趋势

受智能手机市场启发，高度集成的SoC（系统级芯片）开始在汽车中崭露头角。

这些SoC芯片集成了多个处理器内核、硬件加速单元和高速接口，有望大幅简化汽车电子系统的架构，提升性能和能效

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汽车芯片的关键技术

1、车规级可靠性与测试

汽车芯片的可靠性要求远高于消费电子产品。

车规级芯片需要在恶劣的温度、湿度、振动、电磁干扰等环境下长时间稳定工作，一般要求故障率低于十亿分之一(0-1 PPM)。

为了达到这一目标,汽车芯片需要采用特殊的制造工艺、封装形式与测试方法,如采用宽温域(-40℃~150℃)的制造工艺,使用陶瓷、金属等高可靠封装,进行加速寿命测试(AEC-Q100)等。

同时,还需要进行功能安全(ISO 26262)、信息安全等方面的设计和验证,以确保芯片在系统层面的可靠性和安全性。

2、高算力SoC芯片

随着自动驾驶、智能座舱等新兴应用的崛起,汽车对芯片的算力需求急剧上升

目前L2+级别自动驾驶所需的算力已达到10-20TOPS(每秒万亿次运算)，而L4级以上自动驾驶则需要数百TOPS甚至更高的算力。

为了满足这一需求,业界开始开发专用的汽车高算力SoC芯片。

这类芯片集成多个高性能CPU、GPU、NPU、DSP等异构计算单元，搭配高带宽存储器和高速接口，可在一颗芯片上实现数百TOPS的算力，同时兼顾低功耗与车规可靠性。

代表产品如英伟达的Xavier、Orin系列,地平线的征程系列等。

3、功率半导体与电源管理

电动汽车和智能汽车的兴起,对车载电源系统提出了更高的要求。

功率半导体如IGBT、MOSFET、SiC、GaN器件在新能源汽车的电机驱动、DC/DC转换、OBC等领域发挥着关键作用，直接影响着电动汽车的续航里程、充电速度等关键性能指标。

同时，随着汽车电子系统的复杂度不断提高,高效、可靠、集成度高的电源管理芯片也变得越来越重要。

多相控制器、智能功率模块(IPM)、PMIC等产品可有效简化汽车电源系统的设计，提高能源利用效率。

4、汽车网络通信技术

汽车内部各个子系统之间需要实时、可靠地交换大量数据，这就需要高速、高带宽、高可靠的汽车网络通信技术。

目前,主流的汽车网络如CAN、LIN、FlexRay等已经无法完全满足日益增长的数据传输需求，新一代车载以太网技术如100BASE-T1、1000BASE-T1开始崭露头角。

同时,基于以太网的音视频传输协议如AVB/TSN也在汽车中得到应用。下一代车载网络还将支持多Gbps的数据传输速率，并引入基于以太网的车载服务框架(Some/IP)，以支撑更加智能、高效的车载信息服务。

5、传感器与数据融合

传感器是汽车感知内外部环境的"眼睛"和"耳朵"。

当前,汽车已广泛使用了各种成像传感器(可见光、红外、夜视等)、雷达传感器(毫米波、超宽带等)、激光雷达(LiDAR)、超声波传感器等。

随着自动驾驶的发展,对环境感知的需求将进一步提高,多传感器融合技术受到越来越多的关注。

通过将不同传感器采集的数据进行时空配准、特征提取、目标识别与跟踪等，可以获得对车辆周边环境更加全面、精确的认知，为自动驾驶决策与控制提供可靠输入。

传感器融合芯片通常集成高性能DSP、硬件加速器、片上存储等资源,可支持高达每秒数万帧的多传感器数据并行处理。

6、软件定义汽车趋势下的芯片需求

随着汽车智能化、网联化的发展,软件在汽车中的作用日益凸显。

"软件定义汽车"理念开始崛起,通过软硬件解耦、中央计算平台、车载操作系统、OTA升级等技术，可以实现汽车功能的快速迭代与按需定制，极大提升用户体验。

在此趋势下,对汽车芯片的需求也发生了变化。软件定义汽车需要支持多个虚拟机同时运行的高性能SOC，需要存储大量代码与数据的高容量存储芯片，需要多合一的车身域控制器，以及支持实时操作系统(RTOS)、AUTOSAR等软件标准的芯片平台。

同时，为了确保OTA升级的安全性和可靠性，还需要专用的安全加密芯片,以及高可靠的启动加载、故障诊断与回滚机制。

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汽车芯片面临的机遇与挑战

1、电动化、智能化、网联化趋势带来的市场机遇

在全球"双碳"目标、汽车智能化浪潮的推动下，汽车产业正在经历新一轮变革。

到2035年，全球电动车渗透率有望达到50%以上，高度自动驾驶汽车的渗透率也将超过35%。

与传统汽车相比,电动智能汽车对芯片的需求更大，从数量上看，电动汽车所需芯片数量约为传统汽车的2倍，而L4级以上自动驾驶汽车所需芯片数量更是传统汽车的10倍以上。

从价值量来看，2021年汽车芯片市场规模约为500亿美元，占全球芯片市场的11%，预计到2030年将突破1300亿美元,年复合增长率达10%以上。

对标传统燃油车，电动智能汽车的单车芯片成本将提升数倍,其中自动驾驶相关芯片的价值量最为显著。

可以预见，伴随电动化、智能化、网联化趋势加速，汽车芯片市场仍将保持较高速度增长。

2、全球芯片供应短缺风险

2020年下半年以来,受新冠肺炎疫情、贸易摩擦等因素影响,全球芯片产能供应紧张,汽车行业首当其冲受到冲击。

受制于芯片短缺,全球多家整车厂不得不减产停工,造成数百亿美元的经济损失。这也暴露出汽车供应链的脆弱性。

从芯片供应的角度来看,目前汽车芯片产能主要集中在中国台湾、韩国、日本等亚洲地区，欧美整车厂对亚洲供应链的依赖度较高。

而且汽车用芯片所需的8英寸、12英寸等特殊生产线投资较大、工艺迭代较慢，产能扩张周期长达数年，短期内难以满足快速增长的需求。

根据各方预测，全球汽车芯片短缺问题有可能持续到2023年以后。

未来，汽车产业链如何提高供应链韧性确，保芯片供应安全将成为重要课题。

3、国产替代与自主可控

当前，我国已成为全球最大的汽车产销国，但在关键汽车芯片领域，仍主要依赖国外供应。

以车规级MCU为例，2021年中国大陆厂商的市场份额不足5%，而恩智浦、英飞凌、瑞萨电子、意法半导体等国外厂商合计占据超过90%的市场份额。

在智能座舱、自动驾驶等新兴领域，国外厂商的先发优势更为明显。

可以预见,随着中国汽车产业的转型升级,国产汽车芯片替代将成为必然趋势。

当前,在政策引导下,我国汽车芯片全产业链布局已初步形成,涌现出一批创新型企业，在MCU、电源管理、车载以太网、毫米波雷达等细分领域取得了一定突破。

未来，还需在关键IP、EDA工具、制造工艺、封测等基础领域加大投入,推动关键材料、装备、工艺的国产化,建立自主可控的汽车芯片供应体系，从而从根本上保障我国汽车产业安全。

4、跨界竞争与生态重塑

随着软件定义汽车时代的到来，汽车产业竞争格局正发生深刻变化。

一方面，英特尔、高通、英伟达等科技巨头凭借在芯片、软件、算法等方面的优势，纷纷跨界进入汽车领域，抢占新兴赛道制高点；

另一方面，特斯拉、蔚来等造车新势力则主打软硬件垂直整合路线，力图通过自研芯片、操作系统等核心部件，提升产品溢价与客户粘性。

在双重压力下，传统车企与Tier1供应商也在积极求变，纷纷成立芯片事业部，加大芯片投入，谋求在价值链中占据更多主导权。

可以预见，随着软硬件架构重塑、产业边界重构，汽车行业将形成传统车企、Tier1、科技巨头、造车新势力等多方混战的新生态，跨界合作与生态竞争并存，资源整合能力将成为决定企业成败的关键因素。

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未来展望

1、汽车芯片技术发展方向

展望未来,汽车芯片技术将向高算力、高集成、高功能安全、高能效等方向发展。

1）随着自动驾驶、智能座舱等场景渗透率提升,车载芯片算力需求将持续高增长,高达百TOPS甚至更高算力的车规AI芯片将成为主流。

2）与此同时,SOC集成度进一步提高,通过先进封装工艺实现异构计算单元、高密度存储、多芯片互连,支持软件定义汽车灵活配置。

3）在功能安全与网络安全方面,新一代汽车芯片将内建硬件隔离、冗余容错、故障诊断等机制,并支持域控制器安全网关、车外通信安全等新需求。

4）在能效方面,先进半导体材料如GaN、SiC等在车用功率器件中渗透率将大幅提升,芯片制程也将升级至7nm及以下,单位算力能耗不断降低。

5）与此同时,汽车芯片的生态也将发生重大变化,开放式芯片平台、标准化软件框架有望打破传统封闭开发模式,加速软硬件创新与迭代。

2、行业格局演变预测

从竞争格局来看,头部企业有望进一步强化优势地位。

从全球市场来看：

1）恩智浦、英飞凌、瑞萨电子等传统汽车芯片巨头将依托先发优势,保持市场份额领先;

2）英伟达、高通、英特尔等科技巨头将发挥软硬件、生态资源优势,抢占智能座舱、自动驾驶等新兴赛道；

3）博世、法雷奥、大陆等Tier1企业也将凭借系统集成能力,在芯片领域分羹一杯羹。

从国内市场来看：

1）在政策扶持与市场需求双轮驱动下,有望涌现一批具备核心竞争力的本土头部企业,满足国内智能汽车发展需求。

2）同时,伴随电动化、软件定义趋势,具备跨界整合能力的企业(华为、小米、比迪)有望异军突起,抢占新的制高点。

3、政策与产业推动预测

面对汽车芯片的重大机遇与挑战，政府和产业界应携手合作,系统推进相关政策与产业生态建设。

一是加大顶层设计，将汽车芯片列为国家科技重大专项，鼓励基础研究、关键共性技术攻关、产学研用协同创新，提升汽车芯片供应链自主可控水平。

二是完善产业政策,在财税、融资、人才等方面给予政策倾斜,支持汽车芯片企业做大做强,培育具有全球竞争力的本土龙头企业。

三是推动跨界协同，搭建汽车、半导体、互联网、通信等多行业合作平台，促进技术创新与融合应用，鼓励软硬件协同设计、车路协同等新模式探索。

四是加强标准引领，积极参与汽车电子、车联网等国际标准制定，推动车规级芯片、车载操作系统、信息安全等关键领域国家标准建设,抢占新赛道竞争制高点。

五是优化创新环境，加快建设国家汽车芯片创新中心，聚焦前瞻性、颠覆性技术研发,完善开源芯片、开放实验室等创新基础设施，营造开放包容、鼓励创新的良好氛围。

汽车芯片既是汽车产业转型升级的关键支撑，也是国家科技自立自强的重要抓手。

站在新一轮科技革命和产业变革叠加的历史交汇点，唯有协同各方力量，加快构建自主可控、安全可信的汽车芯片能力，才能抓住智能汽车发展的历史性机遇，推动我国从汽车大国向汽车强国迈进，在全球汽车产业新格局中赢得主动、赢得优势、赢得未来。

参考资料

[1]《智能网联汽车技术路线图2.0》,中国智能网联汽车产业创新联盟,2020年10月。

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[3]《汽车芯片产业深度研究报告》,民生证券,2022年3月。

[4]《中国汽车芯片产业发展研究报告(2022年)》,中国汽车芯片产业创新战略联盟,2022年8月。

[5]《车规级芯片技术与市场趋势白皮书(2022)》,eInfochips,2022年9月。

[6]《2021年全球汽车半导体市场调研报告》,Strategy Analytics,2022年2月。

[7]《2022年汽车半导体产业观察》,国际半导体产业协会(SEMI),2022年6月。

[8] Burkacky, O., Deichmann, J., Doll, G., & Knochenhauer, C. (2018). Rethinking car software and electronics architecture. McKinsey & Company.

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[11] Qualcomm. (2022). The Future of Automotive Innovation with Snapdragon Digital Chassis.

[12] NVIDIA. (2022). NVIDIA DRIVE Technology Solutions for the Transportation Industry.

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[14]Infineon Technologies. (2022). Semiconductor Solutions for Automotive Applications.

[15]《未来汽车产业链全景图谱》,艾瑞咨询,2022年5月

[16] 其他互联网资料：知乎、微信公众号等。