中国汽车芯片发展战略研究：特征、挑战及对策

郑 彬，乔英俊

(中国工程院战略咨询中心，北京 100088)

0 引言

以大数据、云计算、人工智能、第五代移动通信等为代表的新一代信息技术，正在深刻改变汽车产业的发展进程，汽车产业呈现出电动化、网联化、智能化、共享化的 “新四化”特点。在汽车产业的变革发展中，汽车芯片广泛应用于环境感知、决策控制、网络通信、人机交互、电力电气等车上应用领域，其作用地位日益显著。

中国是汽车生产和消费大国，截至2020年，中国汽车产销量连续12年居世界第1位[1]。中国汽车产业已形成比较完备的产业体系，在企业发展、产销规模、研发创新、中国品牌、新能源和智能汽车发展等方面均取得了长足进步[2]。同时，中国集成电路产业规模不断增长。据中国半导体行业测算，2020年中国集成电路销售收入达到8848亿元，平均增长率达20%，为同期全球产业增速的3倍, “十三五”时期中国集成电路产业技术创新不断取得突破，企业实力稳步提高，在设计、制造、封测等产业链上涌现出一批新的龙头企业[3]。中国汽车和集成电路产业的快速发展，为汽车芯片发展提供了广阔的市场空间和应用前景。

在深入推进创新驱动发展战略的进程中，科技创新对中国各行业、各领域的引领作用更加显著。汽车芯片作为集成电路工业领域重要应用之一，具有技术密集、高门槛、高可靠性的特点。大力发展中国汽车芯片产业，在设计、制造、检验测试等环节加快提升自主创新能力，逐步扭转产业链关键环节与技术受制于人的局面，对于推动集成电路和汽车产业高质量发展，具有重要引领作用，更是建设科技强国，实现高水平科技自立自强的应有之义。

与此同时，2020年以来的汽车芯片短缺，从现实层面更加凸显发展中国汽车芯片的紧迫性。根据咨询公司AlixPartners最新数据，由于疫情因素导致的芯片短缺，2021年全球减产770万台汽车，损失达到2100亿美元。全球芯片产能释放受阻、消费电子芯片需求暴涨、汽车行业超预期复苏等因素的叠加是导致汽车芯片短缺的直接原因。从长远看，随着汽车网络化、智能化速度加快，汽车制造逐步向 “硬件构建基础，软件实现赋能”方向发展，汽车芯片在整车框架结构中的地位越来越重要。半导体器件更加广泛的出现在汽车工业应用中，在智能汽车上的部署已占整车成本的35%左右，预计到2030年将增加到50%。汽车产业对芯片需求不断扩大，一旦全球产业链再次出现 “断” “堵”问题， “缺芯”现象将再次出现。因此，在新形势下大力发展汽车芯片，对于进一步强化产业链安全、提升产业链韧性，促进中国半导体产业和汽车产业参与国际合作，培育竞争新优势，具有更加紧迫的现实意义。

针对于此，本文从梳理汽车芯片发展概况出发，分析当前中国汽车芯片发展面临的挑战，并从提升自主创新能力、加快建立标准规范体系、完善政策支持措施、加强专业人才培养与引进等方面提出了对策建议。

1 汽车芯片发展概况和特征

1.1 汽车芯片细分品类众多，应用场景不断拓展

汽车芯片是指用于车载环境下车体控制和电子功能控制的半导体器件。目前平均每辆车搭载的半导体器件约1600个，分布于汽车各个设备与系统。在车上应用领域主要包括：环境感知、决策控制、网络/通信、人机交互和电力电气等。按照功能种类划分，可分为控制类芯片、功率类芯片、传感器芯片和存储芯片4种类型。①控制类芯片：按集成度分主要有MCU (微控制单元)和SoC (系统级芯片)；②功率类芯片：主要包括IGBT (绝缘栅双极型功率管)和MOSFET (场效应管)两种主流结构，低压MOSFET一般用于燃油车，IGBT和高压MOSFET一般用于电动汽车；③传感器芯片：分为车辆感知和环境感知两大类传感器芯片；④存储器芯片：分为 RAM (随机存取存储器)和Flash (闪存)。汽车芯片产品分类见表1。

随着汽车电气化、智能化的不断发展，特别是自动驾驶技术演进所带来的算力需求和感知需求，汽车芯片的类型和应用也在迅速拓展。传统上用于计算的CPU (中央处理器)已经无法满足自动驾驶的演算要求，集合人工智能加速器的SoC应运而生。根据不同的应用领域，可进一步将人工智能SoC分为智能座舱芯片、自动驾驶芯片以及车身控制芯片。车载摄像头和激光雷达则是智能网联汽车时代的重要传感器，随着高阶自动驾驶车型的落地应用也将持续放量。其中，CIS (CMOS Image Sensor,互补金属氧化物半导体图像

表1 汽车芯片产品分类

传感器)为车载摄像头中价值量最高的芯片，根据IC Insights预测，2025年全球市场规模将达51亿美元；而对CIS所输出的原始数据进行融合计算的ISP (图像信号处理)芯片，则是智能化时代下主机厂差异化竞争的另一焦点。伴随汽车智能化升级趋势，车载通信及存储芯片也将实现量价齐升。由于智能网联汽车算力和传输数据量的不断提升，对存储芯片带宽和容量有了更高的需求。据测算，自动驾驶等级从L2/L3 级升至L4/L5 级的过程中，对存储芯片带宽、容量以及数量的需求将增长数倍以上。同时，随着车联网通信的逐渐落地以及车内通信架构逐渐向以太网升级，汽车中用于V2X (Vehicle to Everything)通信以及以太网通信的芯片需求量也正在快速提升。

1.2 不同于一般消费级芯片，汽车芯片具有高可靠、高安全、高稳定性特点

相对于一般的消费类芯片和工业级芯片，汽车芯片需要满足更高、更严、更极端的车规级要求，主要表现在3个方面。

(1)工作环境的要求更为严苛。由于汽车芯片常常在较为恶劣的外部环境工作，在温度、湿度、发霉、粉尘、防水、EMC (电磁兼容)以及有害气体侵蚀等方面，需要根据不同的功能设置和安装部位，提出高于一般消费类电子产品的指标要求。例如温度，汽车的动力、安全系统要求-40℃～150℃，车身控制系统要求-40℃～125℃，行驶控制系统要求-40℃～105℃，而常规消费类芯片和元器件只需达到0℃～70℃。

(2)可靠性和一致性要求更高。①产品寿命周期。汽车芯片一般遵循汽车整车的设计寿命，要求15年20万公里，远大于消费电子产品寿命要求。②故障率要求。汽车厂家对故障率的基本要求为PPM (百万级之一)量级，部分厂家要求达到PPB (十亿分之一)量级，远高于消费类芯片小于千分之三的故障率要求。③一致性要求。汽车芯片作为汽车零部件之一，在大规模量产同时，要求具有严格的一致性管理和完整的产品故障追溯管理机制，以杜绝因一致性差而可能导致的安全隐患。

(3)具有特别的临界运行要求。汽车在使用过程中，可能会遇到快速起步、急转弯、紧急制动、撞击等可能发生的临界状态。为保证其安全可靠，汽车芯片必须在震动、冲击、高速移动等不同情况下，满足持续稳定的工作要求，并在发生巨大应力时具有充分强度。

1.3 国外汽车芯片标准较为完备，形成了较高的行业壁垒

汽车芯片是汽车电子模块的核心，在使用过程中常处于复杂恶劣环境中，其安全性和可靠性非常关键，需通过严格的汽车认证标准 (技术规范)方能进入整车企业及零部件企业供应链[4]。这些标准 (技术规范)涵盖汽车芯片的设计、制造、认证测试等环节，且大多为国外标准，见表2。

(1)IATF16949 《质量管理体系—汽车行业生产件与相关服务件的组织实施ISO9001的特殊要求》。该标准是基于ISO9001基础的国际汽车行业技术规范，适用于汽车整车厂家和直接的零部件制造商，着重于缺陷防范、减少在汽车零部件供应链中容易产生的质量波动和浪费，是企业进入汽车元器件供应链首先要通过的体系认证。

(2)ISO 26262 《道路车辆功能安全》国际标准。该标准是关于汽车电气和电子系统的统一安全标准。该标准提供相关规范及推荐做法，并贯穿产品开发的全过程 (管理、开发、生产、运行、服务、停运)，为系统或组件指定可接受的风险等级，以及记录总体测试流程的方法。目前该项标准已转化为国家推荐性标准GB/T34590—2017 《道路车辆功能安全》。

(3)AEC (美国汽车电子委员会)系列标准。AEC是由美国主要汽车厂商和零部件供应商组成，为建立一套通用的零件资质及质量系统标准而设立的专门机构。AEC主要是针对车载应用、汽车零部件、车载电子等方面发布的标准规范以及质量管理控制体系，以提高车载电子的稳定性和标准化。AEC系列标准主要包括AEC-Q100 《基于失效机理的汽车用集成电路应力试验鉴定要求》、AEC-Q101 《基于失效机理的汽车用分立器件应力试验鉴定要求》、AEC-Q102 《基于失效机理的汽车用半导体光电器件应力试验鉴定要求》，AEC-Q200 《基于失效机理的汽车用无源元件应力试验鉴定要求》等。

另外，由于AEC没有审查、认证机制，相关产品一般依据AEC的测试规范完成试验后，厂商以 “自我声明”方式说明自己的产品通过AEC认证，用户可依据报告内容进行抽查或验证。

表2 国外汽车芯片主要标准

2 汽车芯片市场及产业链现状

(1)汽车 “新四化”驱动车载半导体快速发展，车规级芯片供需错配矛盾突出，产业规模与市场需求不匹配的状况加剧。

汽车 “新四化”成为车载半导体行业快速增长的核心驱动力。根据麦肯锡数据统计，预计2025年国内汽车半导体行业规模将达到180亿美元；到2030年该市场规模将达到290亿美元。智能化方面，L3及以上高阶自动驾驶汽车的车载半导体规模占比预计将从2025年的27.8% (50 亿美元)提升至2030年的44.8% (130 亿美元)。电动化方面，随着新能源汽车渗透率的快速提升， “三电系统”将成为重要动力系统之一，进而带来汽车电子零部件成本在整车成本中的比例进一步加重。目前，车规级芯片在传统汽车中的成本约为2300元/车，在新能源汽车中的成本约为4600元/车。在整车结构向电动化、智能化发展的进程中，计算、传感、控制等单元由分布式逐渐转向中央计算式，将导致汽车芯片在类型、数量和价格的占比进一步提高。预计到2025年，平均每辆新能源汽车芯片成本上升至8000元，2030年上至15000元，2025年国内车规级芯片市场规模达1323亿元，2030年将达到3442亿元，存在巨大市场潜力。与此同时，车规级芯片面临 “需求旺盛、供给不足”的境遇，产业规模与市场需求不匹配的状况可能进一步加剧。一方面，由于近两年市场上芯片短缺，出现了人为囤货或故意抬高价格的情况，加剧了 “芯片荒”对汽车产业链的冲击；另一方面，尽管2020年起全球芯片制造厂商开始扩充产能，但还未传导到终端芯片产品供给，短时间内供给不足的局面没有缓解。

(2)营收和利润率相对较低，汽车芯片上中下游技术壁垒较高，汽车芯片细分市场呈现寡头垄断的发展格局。

汽车芯片设计流程长，从立项规划到完成架构算法、代码翻译、仿真验证、工艺选择、时序功耗分析、版图绘制合并、明确测试规范等流程，往往需要6～8年，导致供货周期往往滞后于市场需求变化。同时，受疫情因素影响，芯片供应产能也因人员、物流等环节阻断而产生波动。相较于消费类芯片，汽车芯片应用规模相对较小，在面临疫情和产能的双重压力下，半导体供应商会将市场回报、供应链风险等因素综合考虑，进而提高消费类芯片的生产优先级和产能分配。据德国电子产业协会统计数据，半导体行业仅有十分之一的利润来自汽车客户。例如，台积电的汽车芯片只占其2020年销售额的3%，远低于智能手机的48%和高性能芯片的33%；2020年第4季度，台积电汽车芯片销量比上一季度上升27%，但仍只占该季度总销量的3%。公开资料显示，汽车芯片的需求量份额只占全球芯片市场的10%左右。对大多数半导体企业而言，汽车芯片在其营收和利润率层面吸引力不足是无法回避的事实。

由于汽车芯片对安全性、可靠性要求高，汽车芯片上游的设计及材料、设备，中游的芯片制造和下游的封测等均有较高技术门槛，因此细分市场基本被芯片巨头垄断，竞争格局较为稳定。目前全球汽车芯片前十大供应商恩智浦、瑞萨电子、英飞凌、意法半导体、博世、德州仪器、安森美、罗姆半导体、东芝、亚德诺掌控了全球车用半导体80% 以上的市场份额。中国是全球最大的汽车生产国和消费市场，但汽车芯片自主供给能力不强，90%以上依赖进口。2020年9月咨询公司罗兰贝格发布的相关数据显示，在全球汽车半导体行业前20强中，中国本土企业仅占一席；在中国每年2800万辆的汽车市场中，中国汽车半导体产值占全球不到5%，部分关键零部件进口量为80%～90%。

(3)欧美、韩国、日本、中国台湾地区产业链合作密切，具备汽车芯片全产业链发展先发优势。我国起步较晚，在产业链细分领域均有布局，融合发展与自主研发是现阶段我国汽车芯片发展的主要模式。

全球集成电路产业除英特尔、三星、德州仪器等极少数几家企业能够独立完成设计、制造和封测等所有工序外，总体呈现高度分工协作的格局，如图1所示。在芯片设计、装备、EDA软件等方面，美国、欧洲具有较强优势；制造代工则集中在中国台湾地区、韩国等东亚地区，日本则在半导体材料方面具有突出优势。从产业链来看，中国的芯片设计发展较快，但制造仍为短板，14nm以下先进制程大多需要境外厂商代工，在光刻机、材料等方面依然存在薄弱环节。具体到汽车芯片产业，近年来，华为海思、地平线、上海芯旺、赛腾、比亚迪、大唐电信、黑芝麻、芯驰科技、杰发科技、全志科技、紫光同芯、和芯星通等国内芯片厂商均有芯片产品陆续通过车规级AEC-Q100认证。从技术发展趋势看，越来越多的汽车芯片将采用更为复杂的芯片设计和制造工艺，如三星、特斯拉等厂商都推出了10nm工艺的存储芯片和计算芯片；同时，围绕未来车载场景，为满足功能融合、多模态交互的需求，将图像处理、3D/AR先进显示、神经网络计算等技术异构集成的定制化芯片将不断涌现。从市场运作角度看，科技行业与汽车行业的界限越来越模糊，英特尔、高通等国外芯片巨头纷纷下场汽车芯片领域，通过直接收购独角兽企业进入汽车芯片市场，特斯拉则通过自主研发相关算法，不断优化车载的自动驾驶软件。对照国外龙头企业，中国企业在细分领域基本均有布局，并探索出融合发展和自主创新的道路：一是汽车芯片厂商与整车厂商进行深度融合发展，如地平线与长安汽车、上汽、广汽、一汽、奇瑞汽车和长城汽车等整车厂家开展深度合作。二是汽车企业直接推进芯片自主研发，如比亚迪、北汽、吉利等车企都在尝试自研汽车芯片。在市场占有率方面，我国企业在人工智能芯片、MCU芯片、存储芯片等部分赛道，已经逐步实现量产，正逐步进入供应链环节，见表3。

图1 汽车芯片产品链全景

3 中国汽车芯片发展面临的挑战

尽管中国汽车芯片行业在集成电路和汽车两大产业的带动下，发展势头良好，但由于车规级芯片门槛较高，全球龙头半导体供应商在汽车芯片市场占据主导地位，国内厂商在产业链中缺乏较强的竞争能力，尚未形成大规模批量化供应能力，难以满足国内汽车芯片的实际需求，在全球产业分工格局中总体上处于中低端。

表3 汽车芯片国内外头部企业

3.1 国产芯片自主创新能力有待加强

汽车芯片属于集成电路产业的细分领域之一，当前中国集成电路产业所面临核心技术受制于人的困境，也在汽车芯片行业集中体现。在芯片设计阶段，许多车规级IP (知识产权)，如DDR PCRE (双倍速率存储高速接口)IP和模拟IP几乎全部依赖国外公司提供；具有自主知识产权的设计软件也较为缺乏，大多采用国外成熟产品。在制造阶段，由于汽车芯片对可靠性和稳定性的要求较高，国内芯片代工企业还没有完全掌握14纳米以下的车规级特色工艺，影响了一部分高端智能化汽车芯片的发展，40纳米成熟工艺的量产能力也有待加强。此外，国内车规级的封装、测试技术也刚刚起步。

3.2 汽车芯片的国家专项标准体系尚不健全

由于汽车运行当中的高可靠性、长寿命等要求，芯片产品在进入汽车零部件供应链时，需要符合相关标准规范。国外汽车芯片产业在发展过程中逐步形成了质量管理标准ISO/TS16949规范和AEC-Q系列标准，并建立起相应的测试认证机构，形成了较完整的标准规范和检测认证体系。近年来中国先后颁布实施了汽车零部件、汽车电子、汽车运行安全等多项规范标准，但由于汽车芯片种类多样性和技术复杂性，针对汽车芯片的国家专项标准至今仍然空缺。标准的缺失导致中国芯片企业对汽车行业的通用规范比较陌生，对汽车行业的技术要求和质量要求了解不深，难以从设计、制造、封测等各环节按照汽车芯片的标准规范来覆盖其产品生产的全过程，为进入汽车零部件供应链带来了困难。与此同时，国内的测试认证机构大多采用国外的标准规范，存在着对标准理解不到位的问题，检测认证结果的权威性、客观性还有待提高。

3.3 中国汽车芯片产业协同发展的生态还未建立

汽车芯片涵盖芯片设计、制造、封测、认证，以及汽车零部件和整车企业等多个上下游环节，涉及汽车和集成电路两大产业。这两大产业的共同特点是发展时间长、产业链延伸广、上下游协同紧密。汽车零部件供应商和整车企业为了维护车辆品质和供应链稳定，多倾向于采购国外成熟的车规级芯片，形成了较固化的供应链和利益共同体。国内芯片企业起步较晚，普遍难以得到车规级产品验证迭代的机会，和最终用户 (车企)尚未形成上下游相互促进的发展格局。国产汽车芯片快速健康发展的产业生态体系尚未完全建立。

3.4 目前存在芯片产能建设较慢与整车架构不断升级的突出矛盾

随着 “缺芯”问题的出现，越来越多的芯片设计、制造企业正在加大资本投入，大力扩充产能，如台积电、英特尔、中芯国际等企业都发布了规模空前的投资扩产计划。与此同时，制造企业的产能扩张导致设备等上游企业的供应周期延长，短期看缺芯问题的解决还需时日。但随着智能网联汽车推动的车辆结构变化，汽车整车架构正在从分布式控制、向域内控制和中央集成控制的方向发展。这种发展趋势会导致传统汽车芯片需求用量和种类逐步降低，目前正在建设的汽车芯片产能存在着投产后市场需求下降的风险。

4 对策建议

2020年以来汽车芯片短缺的状况使全行业更深刻意识到汽车芯片在汽车产业中的战略作用，同时芯片供应缺口客观上为国内企业提供了难得的发展机遇。当前需要各方面共同努力、直面挑战、主动作为、抢抓机遇，全力推动汽车芯片产业迈向中高端，为提升中国汽车产业链、供应链自主保障能力提供有力支撑。

4.1 推动跨产业、全链条的协同创新发展

当前，无论集成电路产业还是汽车产业，都将提升自主创新能力，实现关键核心技术突破作为产业发展的内在动力和关键途径。在这一进程中，提升汽车芯片的创新能力最为首要的是推动跨产业、全链条的协同创新发展机制，在顶层设计、需求对接、设计制造等方面加强创新的协同配合和资源的优化配置。首先，需要系统规划中国汽车芯片自主供给的技术路线图和产品图谱，短期应重点考虑当前短缺的芯片产品；长远看，要着眼智能化、网联化发展趋势，按照先易后难、突出优势的原则，分步骤提出国产化替代的关键技术和产品图谱。其次，加强跨产业的需求对接和信息共享，将汽车企业的技术需求、使用要求与芯片企业的设计要求有机结合起来。转变从车企到零部件厂商，再到模组厂商、芯片设计制造厂商的传统链式协同模式，推动各行业上下游一体化协作或定制生产模式，加快研发进度，缩短验证周期，推动集成电路与汽车产业在汽车芯片领域相互融合发展。再次，加强芯片设计制造全链条的关键技术攻关，克服汽车芯片市场碎、散、小特征带来的困难，通过以龙头企业为主的 “一条龙”联合开发，实现高等级车规级IP、先进制程特色工艺以及先进车规级封测技术自主可控。最后，加强全行业对整车架构升级的预判与协作能力，从近远期发展的整体视角，协调好当前汽车芯片产能与高算力芯片产能建设的合理匹配与衔接，一方面要尽快缓解当前缺芯的状况，另一方面也要尽可能回避未来可能出现的整车架构升级带来的落后产能严重过剩局面。

4.2 加快制定汽车芯片国家标准规范和检测认证体系

在汽车芯片领域，标准体系既是重要的方向引领，也是市场推广的重要门槛和条件。中国汽车标准体系构建，需要符合国内汽车产业中长期发展要求，兼顾满足国外主流标准，还应与汽车安全标准和汽车电子标准有机关联起来。建议在国家主管部门和标准化组织指导下，设立汽车芯片标准化工作组，联合整车企业、零部件供应商、芯片企业，以及研究机构、测试机构等单位共同参与，开展技术标准研究和编制、检测规范编制和试点应用等工作。此外，加强第三方检验检测公共服务平台建设，深入研究分析国内外标准体系，创新检验检测方法和技术，不断增强检验检测数据的科学性、准确性和权威性。通过不断完善汽车芯片标准、检测和质量认证体系，增强整车企业和零部件供应商采用国产芯片的信心和意愿，为国产芯片融入汽车产业链供应链提供良好的服务保障。

4.3 不断完善引导产业健康发展的政策措施

中国一直高度重视、大力支持集成电路和汽车产业，出台了一系列政策措施引导产业健康发展。对于汽车芯片行业，一方面要充分利用好集成电路和汽车两大产业现有政策，加强各项支持措施的协同配合，打好 “组合拳”，在科技项目攻关、税收、金融等方面，保持对汽车芯片行业的引导与鼓励。另一方面，需要重点在促进国产芯片应用推广、构建产业生态体系方面加强精准施策。例如，加强对芯片类企业政策激励，探索在设计阶段EDA软件、IP采购实施阶梯式报销，鼓励头部企业进行产业链垂直整合，强化芯片企业设计能力；以供给提升与需求牵引相结合为导向，加强汽车芯片首台套政策支撑，加强国产芯片在整车应用推广和迭代更新，提升首台套产品供给能力和市场认可度；用好首台套保险补偿机制，创新商业保险参与机制，强化保险的风险规避功能，为国产芯片企业进入产业链提供必要的保障，促进技术自主创新与产业健康发展的良性循环，维护好产业链各方利益。

4.4 加强跨学科、多层次专业人才的引进培养

人才是驱动发展的第一资源。汽车芯片行业人才呈现出学科跨度大、细分领域多、培养周期长的特点，中国每年的人才缺口更是在几十万以上。中国汽车芯片领域的人才培养，应坚持自主培养和高端引进相结合。一方面，充分利用集成电路一级学科建设优势，大力推动产教融合，鼓励企业与高校加强合作，根据技术发展、产业动态，共同编制汽车芯片领域教材；共建产教融合型人才实训基地，为学生参与芯片设计、制造提供实践机会，吸引高校毕业生进入汽车芯片行业。另一方面，加强汽车芯片领域专业人才培训与引进。与其他芯片行业相比，汽车芯片行业需要大量检测、认证、质量体系管理的专业人才，应重点加强集成电路和汽车产业的交叉培训，以及标准体系、检测认证的专业培训。同时，继续扩大国际高端人才交流与引进，特别是吸引高水平管理人才和科技领军人才在国内发展，为其提供良好的干事创业平台，构建充分体现知识、技术等创新要素价值的收益分配机制，让事业激励人才，让人才成就事业。