劉慈欣在他的科幻小說《球狀閃電》里，講述了地球受到一種特殊攻擊，導致所有硅基芯片被毀，全世界陷入癱瘓的故事。從手機電腦，到汽車飛機，絕大部分現代產品都離不開芯片，而汽車業，正在經歷芯片嚴重短缺的困境。

　　生產一輛汽車至少需要用到上百顆芯片，并且在很多環節缺少一顆芯片，都會導致無法繼續生產。近期缺芯的局面，對汽車業的打擊是立竿見影的。根據伯恩斯坦研究公司預測，由于全球范圍內汽車芯片短缺，預計今年汽車產量將減少450萬輛，相當于全球汽車產量的近5%，包括福特、戴勒姆(奔馳)、FCA(克萊斯勒)均傳出停工和減產。

　　在供給端，臺積電等Foundry(代工廠)早已晝夜不停地開動生產線，但仍無法解決短缺問題。臺積電已經上調了今年的資本支出預算，預計未來三年內將投入創紀錄的1000億美元，以擴大產能。英特爾最近也宣布斥資200億美元在美國新建兩家芯片工廠;三星電子計劃在2030年之前投資約1160億美元，以實現半導體生產能力的多元化。

　　但遠水解不了近渴，針對本次最緊缺的八英寸晶圓，臺積電、聯電、世界先進三大代工廠均趁勢上調了價格。但從車企、Tier1(車廠一級供應商)，到芯片設計公司，整個汽車產業鏈仍都在“跪產能”。

　　另一方面，汽車智能化發展飛速，智能座艙、自動駕駛以及中央網關對性能的需求爆發性增長，汽車芯片也迎來了非常重要的變革期。我們十分看好此領域，于2019年2月投資了主做千兆高速車載以太網芯片的景略;在2019年4月投資了主攻智能座艙、智能駕駛、中央網關三大汽車芯片應用的芯馳科技;同期投資了主要覆蓋TPMS 芯片、通用接口芯片的琻捷電子，這三家公司都對應了不同的方向。

　　一些對今年形勢預判并提前準備的公司，例如芯馳科技，在這一輪“缺芯”大潮中，就提前在臺積電等代工廠中預訂了足夠產能，獲得了彎道超車的機會。在這篇研報中，我們先分析今年汽車業到底為什么會缺芯?以及，未來隨著電動車普及，以及汽車電子電氣架構的改變，汽車芯片和其供應鏈會發生哪些重要變革：

　　“缺芯潮”到底是缺什么?

　　汽車芯片為什么會短缺?

　　汽車芯片產業鏈如何運作?

　　在汽車電動化和智能化變革中，汽車芯片產業鏈會發生哪些顛覆?

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　　“缺芯潮”到底是缺什么?

　　汽車芯片主要分為8大類，比手機芯片更為繁雜，并且無論是燃油車還是電動車，都在往智能化方向發展，所以對芯片性能需求也越來越高。

　　這8大類包括：高性能計算芯片(AI芯片/GPU)、微控制器(MCU)、存儲芯片(DRAM/Flash)、 CMOS圖像傳感芯片、顯示驅動芯片、模擬芯片(包括無線通訊的功率放大器、音頻放大器、 傳感器等)、功率元器件、傳感芯片(壓力、流量、慣性、濕度、紅外等)。

　　其中，MCU是本次“缺芯潮”中最緊缺的產品之一，傳統汽車平均每輛需要70顆以上的MCU芯片，而智能汽車超過300顆。

　　MCU是汽車的微控制單元，也可以理解為各類分散設備的“小腦”，用以實現不同功能，例如不同MCU會分管座位調節、雨刷、空調、影音、動力等不同功能。

　　一些模塊的缺芯還不至于導致車企停產，例如像通信、儀表、導航攝像頭等可以先把汽車生產出來，之后再加進去。但本次缺芯是有50%的底盤系統所需零部件，底盤缺一個器件，就無法繼續生產。

　　像大部分汽車都會配備的ESP(電子穩定控制系統)，是汽車主動安全系統的一部分，能起到防側滑作用，控制它的MCU最近也極度缺貨，這就會導致車企停產。

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　　汽車芯片為什么會短缺?

　　綜合各方訪談，我們總結了四大原因，其中最重要的，是市場各方對疫情后需求反彈的預測失誤。

　　首先我們需要知道一點，汽車芯片相比于手機芯片，供貨周期是更長的。消費電子芯片各種規格要求沒有那么高，所以有時候某顆芯片不行時，可以很快找到替代品。

　　但汽車芯片要符合車規級，安全系數要求很高，比如穩定性、耐高溫低溫等等，認證非常難。例如最經典的AEC-Q認證，需要各種被動件、主動件測試，消費電子一般會做到500h循環，但汽車芯片一般要做到1000h才行;高溫極限也需要做到150℃。過了AEC-Q認證，可靠性就基本能得到保證，但其測試周期很長，不能說換就換。

　　而從產能角度來看，建廠導入設備往往需要2年時間，所以車規芯片較難通過新建產能迅速提升供給量，主要還是通過現有產能的供需調配。

　　無論是車企還是各級供應商，都是依靠對未來半年至一年銷量的準確預測，去芯片代工廠預訂產能，像臺積電這樣的大廠，也是按照這些需求，提前半年至一年安排自身的產能。在歷史上，這些預測也一直比較準確。

　　但新冠疫情完全打亂了節奏，大部分車企都沒有準確預測到2020年下半年開始的強勁回升。拿反彈最強勁的中國市場來看，2020年上半年汽車銷量一直下滑，但到7月份突然反轉，反彈越來越強勁，8-12月份竟然出現了10-20%的增長，一下子恢復到疫情前的水平。

　　但這時候芯片廠的產能，卻還是按照2020上半年的預測來安排，既有庫存到年底已經被一掃而空，但新訂單卻急速增加，各家車企或是各級供應商只能“八仙過海各顯神通”地去“跪產能”。

　　以上所說的預測失誤是第一個原因，也是最主要的原因。第二個原因則是疫情造成了社交隔離，人們足不出戶使得全球消費電子銷量大增，例如筆記本電腦、平板電腦等，消費電子也一樣對芯片需求激增，而有一些原材料是共同的。

　　當2020年三季度開始，汽車廠商們感受到回暖，開始想提高訂單量時，晶圓代工廠28納米以上的產能早被消費電子產品預訂占滿，從而對汽車芯片形成擠壓。

　　第三個原因出在汽車芯片的原材料晶圓產能上。像臺積電這樣的晶圓廠，把硅片制成晶圓，然后再拿到下游的封測廠切割、封裝、測試。

　　晶圓主要分為8英寸和12英寸，這次缺芯潮的問題主要出在8英寸上。通常越先進的工藝，越需要大晶圓，也就是12英寸的，例如16納米和28納米的芯片，都是需要12英寸的晶圓。

　　但本次缺芯潮中，缺貨的主要是一些頗為傳統的MCU芯片，他們主要是由8英寸晶圓制成。8英寸是非常成熟的工藝，利潤率并不高，最近幾年，很多廠商開始青睞12英寸晶圓，一些8英寸晶圓廠陸續關停，產能本身就不太充裕。

　　根據研究機構Gartner Inc.的數據，去年的芯片制造設備開支中，有27%用于該行業最先進芯片的生產設備，這些芯片通常用于智能手機、高端個人電腦和數據中心。而用于生產更成熟和商品化芯片的設備僅約為11%。

　　未來隨著汽車智能化程度越來越高，肯定需要算力更大、制程更先進的工藝，但當下是過渡期，很多車企下的訂單依然是傳統的MCU，也就是8英寸，晶圓代工廠也不愿為此大規模投資擴充產能，造成了需求大但供給小的局面。

　　第四個原因就是汽車智能化本身帶來的芯片需求暴漲。以車載攝像頭為例，L2平均需要配備3-4顆攝像頭，但隨著智能駕駛等級提升，L2至L3平均需要配置7-8顆攝像頭;L4就要配置10-15顆;L5則有可能要15顆以上。

　　汽車界目前的兩大趨勢——智能化和電動化，都需要大量用到芯片。智能化需要算力大的智能中控芯片、算法芯片、傳感器芯片;電動化增加的部分主要是電機控制器，包括后驅、前驅、雙電機，以及需要功率半導體控制鋰電池，芯片需求比傳統燃油車多很多。

　　目前傳統汽車半導體平均單車價值在475美元，而智能電動車單車價值可達600美元以上。

　　在這場“跪產能”的混戰中，一些公司因為出色的人脈關系和預測能力，更早執行了預訂更多芯片產能的計劃，得以獲得彎道超車的機會。

　　芯馳科技CEO仇雨菁就提前下了“預訂更多產能”的判斷。作為一家芯片設計創業公司，要想說服臺積電等大型代工廠預留更多產能也不容易。首先你需要跟供應商保持一個長期良好關系，這一點主要靠創始團隊過往資歷，要證明自己有量產芯片的經驗，而非做一個用來演示的芯片，來贏得他們的信任。

　　另外就是要對市場水溫的變化敏感。仇雨菁坦言，她也是在與業內各路朋友的日常交流中，感知到2020年下半年開始汽車芯片產能會奇缺，所以這個決策也是一個非常綜合的考量。

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　　汽車芯片產業鏈如何運作?

　　在分析汽車電動化和智能化所帶來的顛覆之前，我們先來看看汽車芯片產業鏈是如何運作的。

　　汽車芯片產業鏈與消費電子類似，也是芯片設計、制造及封裝測試三大環節。設計是高度技術密集型，制造是資本及技術密集型，封裝測試是勞動密集型。

　　在全球分工合作的背景下，如今主要有兩種業務模式，第一是傳統的集成制造(IDM)模式，一家公司把上下游都做了，代表企業為三星和英特爾;另一種是垂直分工模式，分為芯片設計商(Fabless，例如高通、聯發科)、芯片制造廠(Foundry，例如臺積電、中芯國際)和芯片封測廠(Package&Testing)。

　　這次“缺芯潮”主要是卡在Foundry的制造環節。例如本次最緊缺的MCU，全球很多產能集中在臺積電。同時，MCU的芯片設計商在產業鏈中的地位較低，大多為博世、大陸等Tier1之下的Tier2，或是汽車廠的三級供應商，格局穩定但缺乏活力，利潤率偏低，廠商擴產意愿低，因而當產能緊張時，產能得不到保障。

　　一顆芯片從設計到量產，中間的每一個環節都充滿風險，仇雨菁在芯片行業工作了20多年，她總結“做芯片的人，膽子是越來越小的”。

　　在芯片業，無論是投資機構還是尋找合作方，一個團隊的歷史記錄是非常重要的，大家幾乎都是依靠這個來做判斷，是否值得投資或合作。

　　因為芯片從設計、流片、量產，過程復雜，一些問題能夠在流片后的樣品階段看出來，然后當你小批量出貨的時候，一些問題也能夠通過測試抓出來，但仍然還有一些致命問題不會體現，直到大量出貨后才會看到。所以芯片的量產，是比把芯片設計出來、流片成功更難的事情。

　　據我們調研了解，某些不夠好的芯片，就是在出了百萬片、千萬片甚至上億片的時候，不一致性出現了。車規級芯片要求的是，在高溫低溫、或是電壓有抖動等極端情況下，芯片的工作表現都穩定。同時，車企客戶還會把芯片應用在不同場景下，包括接入一些外部設備，這些都需要在參考設計中提前考慮到。

　　并且，一顆成熟的芯片產品，并不是說今天生產出來就好了，隨著使用的人越來越多，后續還會不停地遇到新問題，需要持續維護更新。

　　所以在芯片業，有經驗的人才是最寶貴的。對于一個“芯片人”，從業10年之內，都算新手，需要去遵循很多前人設下的規則。例如做芯片設計時的時鐘同步，就必須要遵循Double Think的規則，確保從一個時鐘域到另一個時鐘域的同步做對。在入行初期，很多新手也不知道為什么要這么做，只知道師傅這么講，也就得這么做。

　　當從業經驗到了10-15年，很多坑也已經踩過了，就會逐漸明白為什么要遵循這些規則，并且也開始發現，怎么做能繞過既定規則，產生創新。“這是一個不斷螺旋式上升的過程。”仇雨菁說，因為芯片的高復雜性，例如一顆芯片有幾千個時鐘之間的同步，在流片期間大家都難以避免處于極度焦慮狀態。

　　除了技術之外，產品定義也是非常重要的。芯片設計不同于互聯網軟件，互聯網軟件從產品定義到上線，時間周期非常短，可能是幾個月時間，立刻就能看到產品好還是不好。但一顆芯片從產品定義，到設計出來，再到交付給客戶真正實現量產，這個周期需要兩到三年。

　　在這么長的時間里，如何確保當初設定的產品定義，在未來三年后仍然還是先進的，特別是如今行業變化越來越快，有時候客戶提的訴求，并不一定代表了未來的真實需求。

　　此時，如何能夠提煉出真實需求，并且這個需求是當下能實現的，也不能太超前，因為市場可能還沒開始出現，這就非?？简炐酒O計公司的產品定義能力。畢竟一顆車規級芯片的生命周期，需要在5年以上才合格。

　　做消費電子芯片和專注于車規級芯片的公司，還是會有所區別。其中一點便是體現在更好的兼容性上，因為手機芯片需要兼容的操作系統和應用場景是非常有限的，但汽車里面操作系統是非常復雜的，有實時的操作系統，還有保證功能安全的操作系統(比如儀表盤)，還要支持安卓等娛樂系統，不能因為在安卓打開了一個APP，就把儀表這邊拖慢。

　　當一些消費電子芯片公司不夠成熟的產品應用在汽車上，就會出現缺陷，不同芯片公司有各自擅長的應用領域。例如專注于車規級的芯馳，可以在同等算力下，實現得更流暢。芯馳在2020年對外發布了9系列汽車芯片產品，提供針對汽車的協同一體化解決方案，包括智能座艙、智能駕駛、中央網關三大應用。

　　要避免這些問題，就需要在芯片底層，從軟件到芯片的架構，做很全面的考量。這直接關系到最終做出來的芯片，是不是適應應用場景、效率能否達到最高、最終在車上跑起來流不流暢，以及外圍適配的這些生態，是不是足夠全，這就包括了語音交互、地圖導航、音樂等等APP能否完整適配。從拿到芯片到最終落地，如何讓適配期更流暢、快速地度過，就是像芯馳創始團隊這樣的“行業老兵”的優勢。

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　　在汽車電動化和智能化變革中，

　　汽車芯片產業鏈會發生哪些顛覆?

　　在我們去年11月的研報《除了理想和小鵬，我們持續重倉智能電動車產業鏈》中，我們詳細分析了智能電動車的底層變革——采用新的電子電氣架構，在此不再過多贅述。

　　總結來說，就是雖然看起來傳統汽車有很多芯片，但整體算力可能還不如手機，也無法在整車層面進行信息交互或是在線升級(OTA)。而在未來智能汽車時代，會打破分布式的設計思維，考慮全面智能化。我們正處于整車電子電氣架構三大發展階段中的第二段：分布式、跨域集中、整車集中。這種電子電氣架構的改變，是真正底層的革命。

　　在新的“域”架構及中央計算架構下，汽車芯片開始跑上億行代碼，這就需要更大算力的芯片，例如SoC芯片。而在算力升級過程中，一場產業鏈變革也悄然發生，傳統Tier1正在被顛覆。

　　按中金公司分析，MCU是芯片級芯片，一般只包含CPU這一個處理器單元，即MCU=CPU+存儲+接口單元;而SoC是系統級芯片，一般包含多個處理器單元，SoC內部通常包括CPU+GPU+DSP+NPU+存儲+接口單元。

　　對于MCU市場來說，以前一直被恩智浦、德州儀器、瑞薩半導體等汽車芯片巨頭占據，其他人很少有機會入局。

　　在傳統汽車芯片產業鏈中，芯片提供商是Tier2，往往由恩智浦、德州儀器、瑞薩半導體等做好芯片設計之后，讓臺積電等代工廠制造晶圓和芯片，再讓日月光等公司做封裝測試，之后形成可銷售的MCU芯片產品，最終交付給Tier1做成ECU、DCU等控制器產品裝配上車。

　　但隨著高算力SoC芯片大戰打響，英特爾、高通、華為等消費電子巨頭紛紛入局，這也是很多初創公司的新機會。

　　更重要的是，整車電子電氣架構的變革，也逐漸打破原來車企與Tier1的關系結構，芯片設計供應商的產業鏈地位上升。因為從跨域集中到整車集中，都會牽涉到不同的域，已經無法按以前那樣，把某一個域拆開給到某一家Tier1。所以在新的域之間交互、數據共享的環境下，可能需要車企來牽頭設計整車的電子電氣架構。

　　一些高算力芯片的供應商，也乘此機會開始提供軟硬件結合的解決方案，他們完全可以繞過Tier1直接與車企對接，從而成為“新Tier1”。

　　例如英偉達直接對接了一家電動車車企，在提供硬件平臺的同時，也提供用于做自動駕駛算法開發的工具鏈軟件及仿真環境等;再比如Mobileye也不甘于當Tier2，只向Tier1供應半成品組件，Mobileye也開始負責完整的解決方案堆棧，包括硬件和軟件、驅動策略和控制，以及軟件更新服務。他們都開始獲得更高的利潤率和產業鏈話語權。

　　另一方面，越來越多有研發實力的車企，也開始參與芯片設計，甚至會自己研發。背后的原因是，車企一方面希望掌握核心技術，另一方面希望掌握高算力時代所產生的數據。

　　以前，車企通過Tier1的合作模式是非常常見的，比如車企的底盤、座艙、三電系統都分別由一家來實現，最后OEM整合。但以特斯拉這樣的高科技車企為代表，就是典型的“什么都想掌握在自己手里”，所以一開始是跟Mobileye合作，后來改成跟英偉達合作，現在干脆核心的ADAS加速芯片已經使用自研產品。

　　當然，車企也不可能什么都自己做，Tier1依然有其價值。如今，汽車芯片產業鏈正處于一個新的摸索階段，到底哪些工作是Tier1做，哪些工作是車企來做?但可見的大趨勢是，車企會傾向于掌握一些核心技術，尤其在自動駕駛方面，因為數據、算法對車企來說變得極度重要。

　　例如在“新Tier1”中的Mobileye，它提供的是一個“黑盒式”解決方案，好處是車企可以即拿即用，但壞處是你無法知道里面的算法是什么，也很難去做個性化改動。但未來很多車企希望有自己的算法，并且能夠積累數據，在此基礎上做迭代升級，否則對于使用這種“黑盒式”解決方案的車企來說，同質化太嚴重。

　　如何能做到差異化，將是車企們下一個階段的核心訴求。芯馳看到了這個趨勢，提供的產品是一個可選菜單，比如說攝像頭環視會有ABC三個選項，只提供參考設計，車企還是可以積累自身的數據或研發使用自己的算法。

　　這場因疫情擾亂供應鏈，而引起的“缺芯潮”，料將在2022上半年趨于平息，但本次缺貨的很多傳統MCU芯片，在遠期未來會被逐漸取代。汽車的產業變革自上而下，從動力系統、智能座艙以及自動駕駛，新技術會逐步取代瑣碎的分布式架構。

　　最令人興奮的是，在這場變革中，中國公司逐漸走在前列。到2023-2024年，一批高算力芯片公司將脫穎而出，成為行業新領導者，而車企與Tier1、芯片公司之間的合作模式，屆時也將會有徹底的改變。

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