[ 爱卡汽车 爱卡独角 SHOW 原创 ]
近年来,汽车产业除了原材量价格上涨之外,听到最多的就是 " 缺芯 ",一颗小小的芯片身价甚至翻了上百倍,即便如此仍然是 " 一芯难求 ",这也导致全球各大车企都曾因为缺少芯片进而选择减产甚至停产。但就是在这样的大环境下,有一家车企却能独善其身,它就是那个连芯片都要自己造的比亚迪。
半导体号称是科技界的 " 原油 ",没有半导体产品,任何科技产品都没法生产。但是,国内目前的芯片产业依然重度依赖进口,不论是汽车领域还是其他高新技术产业都受到波及。
在 2021 年,芯片成为我国第一大进口商品,是石油的两倍还多,进口额近 4400 亿美元,约 2.8 万亿人民币。芯片进口额占 GDP 比例接近 2.45%,中国每年进口集成电路的金额占中国所有进口金额的 16%,也就是说每进口 6 块钱的商品中,就有 1 块钱是芯片,而这个数据还是在被美国制裁之后的数据。
如今已经 2022 年,如果将所有国内生产的芯片都算上(很多都是低端芯片),自给率也只有 36%,而 2019 年我国芯片自给率为 30% 左右,也就是说两年的时间自给率增加了 6%,平均每年增加仅 3%,如果按照这个增速,到 2025 年我国芯片自给率也仅仅达到 48%,与 70% 自给率这个目标相去甚远。要达到 2025 年 70% 自给率这个目标,国产芯片仍然还有很远的路要走。所以说,目前中国的芯片生产能力不足,很容易被卡脖子,尤其是高端芯片的生产以及汽车芯片。
二、一段芯事:比亚迪自研芯片历史
提起比亚迪,很多人的第一印象是个汽车品牌。其实,在半导体领域,比亚迪也堪称国产芯片 " 先行者 "。比亚迪在 2002 年成立 IC(集成电路)设计部,与造车和电池计划几乎同时起步。目前,比亚迪芯片已经在多个领域实现应用甚至是盈利。比亚迪拥有已授权专利 1167 项,建立起了完整的自主知识产权体系,在芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试、系统级应用测试等环节均有一定建树。特别是在功率半导体、车规级芯片 IGBT、SiC 的研发方面,比亚迪有着 5 年打破外企垄断,13 年追平国际一流的辉煌业绩。
2009 年成功研发出第一代 IGBT 芯片,一举打破了国外的技术垄断,并且在 2018 年,比亚迪还推出了 IGBT4.0 芯片。截止 2020 年底,比亚迪 IGBT 芯片累计装车已超 100 万辆,单车行驶里程超 100 万公里。
但随着市场对电动车型的电池容量、电机功率、充电效率和损耗的要求提高,IGBT 器件受制于材料特性,性能明显出现瓶颈,器件和车厂纷纷转向 SiC(碳化硅技术)。据研究数据显示,在 750V 高压状态下,碳化硅(SiC)部件比相同的硅基 IGBT 部件能效增加 8-12%,传导损耗减少 14%。此外,碳化硅可以在高频状态下稳定工作,得益于此,以该材料制作的控制芯片不仅可以实现更快的开关频次(约为 IGBT 的 5-10 倍),同时开关损耗比前者下降了 75%,这就为相应的软件管理策略预留了更大的空间。
虽然比亚迪在 SiC 领域有了比较大的突破,但从全球碳化硅市场占比看,比亚迪还排不上名次。目前科锐(CREE)占据了全球 45%的市场份额,日本罗姆(Rohm)的子公司 SiCrystal 占据 20%,II-VI 占 13%;中国企业方面,天科合达占到 5.3%,山东天岳为 2.6%,目前主要的市场份额仍掌握在以美欧日为首的国家手中。
比亚迪:一个连芯片都要自己造的车企
三、哪些环节会卡脖子?
· 生产设备靠二手进口
虽然比亚迪半导体在车规级功率器件方面处于国内领先的地位,但受制于中国整体芯片产业水平,比亚迪的芯片产业链并不完善。尤其在制造设备上,比亚迪只能通过购买二手设备的方式提升产线生产率,并表示,8 英寸晶圆二手设备在市场上也处于供不应求状态。
受制于国内芯片产业的整体水平,比亚迪在最关键的芯片设计工具 EDA 则完全受制于人。目前行业排名第一的英飞凌,是由德国西门子半导体部门拆分而来,而西门子 EDA 又是世界第三大 EDA 开发公司,靠着这层关系,英飞凌可以毫无障碍地使用最先进的 EDA 开发工具。
不过,在 EDA 软件开发方面,国内也开始了全方位布局。国内 EDA 企业,在全定制模拟电路设计和数字前后端领域,已经积累了丰富的技术经验。相信在不久的将来,国内 EDA 开发工具也将陆续面世。
· IGBT 模块难有突破
除了生产工具被卡脖子之外,技术上的限制也是比亚迪要面对的事实。IGBT 模块目前比亚迪已经可以达到行业领先水平,但前面已经说到,IGBT 器件受制于材料特性,整体的性能表现已经很难在有所突破。所以各大厂商都开始向 SiC 方向发展,对于众多车厂致力于推广的 800V 高压平台,而适合在高压环境下工作的 SiC 材质几乎是所有推广 800V 高压平台车企的当前唯一的选择。
但比亚迪在 SiC 模块方面虽然也取得了一定的成绩,虽然起步晚,产品迭代较少,这都影响了比亚迪半导体在 SiC 模块方面的发展。同时,成本也成为了比亚迪发展 SiC 模块的一个重要因素,比亚迪芯片目前还是以自用为主,所以比亚迪要优先车辆的成本控制。按照目前的市场行情,碳化硅(SiC)器件的价格大约为硅基 IGBT 器件价格的 4 到 5 倍。而造成该现象对的首要原因是碳化硅材质远高于硅基 IGBT 材质的硬度。这导致制造碳化硅(SiC)部件的厂商,从设备、工艺、处理到切割的一切都需要进行重新开发。
但即便是如此,SiC 模块的研发还是不能放弃,因为搭载 SiC 部件后的车辆可以适当简化驱动系统散热设计并削减电池容量,SiC 逆变器能够提升 5-10% 的续航,并节省 400-800 美元的电池成本(80kWh 电池、102 美元 /kWh)。而根据日本罗姆(Rohm)公司的推测,到 2025 年,几乎所有搭载 800V 动力电池的车型采用碳化硅 SiC 方案都将更具成本优势。
王传福和比亚迪半导体高管在接受采访时都说,造芯片不是因为想造,而是因为买不到。所以比亚迪半导体的强势方向都是围绕比亚迪集团发展汽车、光伏所必须的半导体产品。
而且,比亚迪还坦言其自身也是通过购买二手设备的方式提升产线生产率,并表示,8 英寸晶圆二手设备在市场上也处于供不应求状态。而且比亚迪半导体在芯片设计工具—— EDA、IP 核,以及其它上游原材料方面,也都不具备自产能力。所以在很多层面还是受制于人。
目前国内很多国内汽车厂商都已经意识到芯片的重要性,也不再轻易相信 " 全球一体化 " 这样的言论,所以都宣布将加快自研芯片的速度。但局限于一个领域并不能对整个产业链造成太大影响,而是应该具备为产业链造血的能力,而且应该出现更多的、具备孵化产业链能力的汽车公司。只是受限于产业发展,终究会被所在产业裹挟,只有跳出产业局限,才能颠覆产业。
而且,当一样资源一旦被摆上了战略的高度,那就必然会陷入大国的博弈。好在如今国内半导体产业得到重视,国家也开始大力扶持,与国际一线厂商之间虽然有差距,但差距也正在逐渐缩小。" 集中力量干大事 " 是我们的优势,相信在未来,国产半导体不光可以做到自给自足,而是可以向其他产业一样,完全打破海外的垄断,将话语权掌握在自己手中。
精彩内容回顾:
国产芯片产业的瓶颈比想象的大