本文來(lái)自微信公眾號(hào)“與非網(wǎng)eefocus”，作者/劉洪。
半導(dǎo)體技術(shù)是所有現(xiàn)代汽車的核心，這毋庸置疑?；诎雽?dǎo)體技術(shù)的計(jì)算機(jī)在車輛中的使用可以追溯到20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)它被部署在動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用中，如燃油噴射、變速箱控制和早期駕駛員輔助（如防滑控制）等。早期的發(fā)展重點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)控制、改善排放以及牽引力控制、防抱死制動(dòng)等駕駛員輔助功能。
在過(guò)去幾十年中，特別是本世紀(jì)之交以來(lái)，微控制器（MCU）在車輛中的應(yīng)用和普及率與日俱增，現(xiàn)在幾乎控制了車輛運(yùn)行的方方面面?，F(xiàn)在MCU用于處理大多數(shù)電子驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，如車窗、電動(dòng)調(diào)節(jié)后視鏡、信息娛樂(lè)、音頻系統(tǒng)、方向盤控制等，在整個(gè)汽車上傳遞輸入、執(zhí)行驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行計(jì)算。這也使公眾對(duì)汽車的認(rèn)知轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;車輪上的電腦”。
自動(dòng)駕駛半導(dǎo)體增速最快
IDTechEx剛剛發(fā)布的“汽車半導(dǎo)體2023-2033”報(bào)告認(rèn)為，汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)的10年復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到9.4%，而用于ADAS和自動(dòng)駕駛的半導(dǎo)體將以29%的10年復(fù)合年率增長(zhǎng)。因此，自主將是汽車半導(dǎo)體行業(yè)的福音。相關(guān)應(yīng)用包括汽車自動(dòng)化、ADAS、連接、信息娛樂(lè)和電氣化，不僅需要更多的MCU，更需要先進(jìn)和密集處理的尖端半導(dǎo)體技術(shù)。
不同車輛應(yīng)用的半導(dǎo)體晶圓價(jià)值
隨著電動(dòng)汽車在市場(chǎng)上站穩(wěn)腳跟以及自動(dòng)駕駛功能的出現(xiàn)，該行業(yè)正處于第二次汽車半導(dǎo)體應(yīng)用熱潮的開始。用于自主技術(shù)的傳感器和高性能計(jì)算機(jī)需要由稀有材料制成的半導(dǎo)體，以及使用最先進(jìn)處理技術(shù)的硅片；電氣化也需要在功率電子和電池管理系統(tǒng)中消耗大量的半導(dǎo)體，前者將從硅過(guò)渡到性能更高的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術(shù)。
汽車中的半導(dǎo)體分布，ADAS/AD是汽車中增長(zhǎng)最快的半導(dǎo)體應(yīng)用
來(lái)源：IDTechEx
一段時(shí)間以來(lái)，業(yè)界一直認(rèn)為自動(dòng)駕駛汽車即將到來(lái)，但在某些方面它已經(jīng)出現(xiàn)。就在上個(gè)月，繼2022年在德國(guó)獲得認(rèn)證后，梅賽德斯-奔馳S級(jí)在美國(guó)獲得了SAE L3認(rèn)證。其意義在于，S級(jí)往往是汽車行業(yè)的潮流引領(lǐng)者，在未來(lái)十年，L3技術(shù)的汽車價(jià)位將逐步下降。即使是L4車輛現(xiàn)在也在一些城市建立了存在。在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城，任何人都可以使用Waymo的完全無(wú)人駕駛自動(dòng)出租車，前提是路線和最終目的地在選定的地理圍欄區(qū)域內(nèi)。
自動(dòng)駕駛汽車需要更多半導(dǎo)體
ADAS和自動(dòng)駕駛汽車有望以其所能提供的超人安全性徹底改變運(yùn)輸業(yè)，其能力源于依靠先進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)提供最佳性能的傳感器和計(jì)算機(jī)。因此，ADAS和自動(dòng)駕駛汽車將成為汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)增長(zhǎng)的一大動(dòng)力。三個(gè)因素將共同推動(dòng)高增長(zhǎng)率：L3和L4自動(dòng)駕駛汽車的出現(xiàn)和采用以及所需的傳感器；汽車傳感器向更先進(jìn)的半導(dǎo)體過(guò)渡；將高性能計(jì)算應(yīng)用于車輛。
IDTechEx的研究表明，在ADAS采用方面，2021年全球售出的新車中，有39%在發(fā)貨時(shí)配備了足夠的ADAS功能，以符合L2標(biāo)準(zhǔn)。這些汽車至少配備了自適應(yīng)巡航控制和車道保持輔助系統(tǒng)。2021發(fā)貨的另外39%為L(zhǎng)1，剩下的只有12%為L(zhǎng)0或沒(méi)有任何自動(dòng)化技術(shù)。
ADAS功能的采用
L3車輛也已進(jìn)入市場(chǎng)。2021年，本田傳奇在日本被授予L3，出貨100輛。2022年，梅賽德斯S級(jí)在德國(guó)獲得了L3認(rèn)證，年銷量在10萬(wàn)輛左右。
在自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中，半導(dǎo)體的作用更是當(dāng)仁不讓，從L3開始需要比ADAS系統(tǒng)更多的傳感器。L4 Robotaxi將擁有更全面的傳感器套件，以提供商用車輛所需的魯棒性。L3及以上車輛極有可能至少使用一個(gè)激光雷達(dá)（LiDAR），這將推動(dòng)高價(jià)值半導(dǎo)體的增長(zhǎng)。由于計(jì)算負(fù)荷遠(yuǎn)高于ADAS車輛，L4乘用車和Robotaxi可能會(huì)使用重復(fù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余。此外，高度自動(dòng)駕駛車輛的豪華特性將使整個(gè)車輛中MCU的使用量增加。
來(lái)看看ADAS系統(tǒng)中有哪些半導(dǎo)體。在更先進(jìn)的車輛中，ADAS/AD處理器執(zhí)行傳感器融合、目標(biāo)檢測(cè)、路徑規(guī)劃和請(qǐng)求車輛行動(dòng)等功能。這些功能使用非常高端和先進(jìn)的單元，通常是3-7nm FinFET。
攝像頭MCU處理來(lái)自攝像頭的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行一些ADAS功能，例如車道保持輔助和自動(dòng)緊急制動(dòng)。通常采用40nm CMOS或90nm SiGe BiCMOS，更先進(jìn)的可能使用28nm Si CMOS FD SOI。攝像頭圖像傳感器基于CMOS，采用大多數(shù)成熟節(jié)點(diǎn)，如65nm、90nm和130nm。
雷達(dá)MCU用于預(yù)處理來(lái)自收發(fā)器的數(shù)據(jù)，采用40nm以上工藝，未來(lái)趨勢(shì)是集成到收發(fā)器中，需要40nm及以下工藝。雷達(dá)收發(fā)機(jī)（Si和SiGe）生成雷達(dá)信號(hào)并將回波轉(zhuǎn)換回電子數(shù)據(jù)，通常使用90nm節(jié)點(diǎn)的SiGe BiCMOS制成。一些tier 2正在過(guò)渡到40-45nm Si CMOS，趨向于集成MCU的雷達(dá)SoC。未來(lái)的技術(shù)將使用28nm CMOS、22nm FD-SOI及更小的器件。
激光雷達(dá)MCU預(yù)處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)中繼到ADAS/AD域控制器。激光雷達(dá)的激光發(fā)生器、激光探測(cè)器和激光驅(qū)動(dòng)器中使用多種半導(dǎo)體，包括Si、GaN、InP、GaAs、InGaAs、Ge等。
傳感器的三個(gè)趨勢(shì)
對(duì)于傳感器，不僅是更多，而且還需要使用更昂貴、更先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)性能更高的傳感器。例如，之前雷達(dá)已經(jīng)使用了相當(dāng)成熟的90nm SiGe BiCMOS技術(shù)，但對(duì)更好性能的需求意味著下一代4D成像雷達(dá)將采用40nm及以下節(jié)點(diǎn)的SiCMOS技術(shù)。隨著節(jié)點(diǎn)尺寸的減小，這些雷達(dá)將獲得性能，但也將增加成本。
最近，激光雷達(dá)價(jià)格一直在下降，其采用率也在不斷提高。它是L3及以上級(jí)別車輛的關(guān)鍵傳感器，但由于其帶來(lái)的安全優(yōu)勢(shì)，它也將開始穿透L2及以下級(jí)別。近紅外激光雷達(dá)目前部署最多，其探測(cè)器可以建在硅上，因此非常便宜。但激光雷達(dá)的趨勢(shì)是短波紅外，在提供性能優(yōu)勢(shì)的同時(shí)需要更昂貴的InGaAs探測(cè)器。因此，激光雷達(dá)將越來(lái)越多地采用并向更高價(jià)值的半導(dǎo)體類型過(guò)渡。
令人感興趣的是激光雷達(dá)驅(qū)動(dòng)的非硅基半導(dǎo)體需求的增長(zhǎng)。如今，大多數(shù)激光雷達(dá)在近紅外（NIR）區(qū)域工作，典型波長(zhǎng)為905nm，這可以通過(guò)硅光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)。然而，未來(lái)的激光雷達(dá)很可能使用典型波長(zhǎng)為1550nm的短波紅外（SWIR）區(qū)域。1550nm激光雷達(dá)發(fā)布的壓倒性優(yōu)勢(shì)顯示了這一趨勢(shì)。
按波長(zhǎng)劃分的激光雷達(dá)發(fā)布比例
雖然特斯拉一直在公開反對(duì)激光雷達(dá)，但自主領(lǐng)域的其他主要參與者Waymo、Cruise、戴姆勒和本田等都在其高度自動(dòng)化的車輛上使用激光雷達(dá)。事實(shí)上，截至2022年底，道路上只有兩輛經(jīng)過(guò)SAE L3認(rèn)證的車輛（在某些情況下不需要駕駛員監(jiān)控）：梅賽德斯S級(jí)和本田傳奇。IDTechEx預(yù)計(jì)，在未來(lái)10年內(nèi)，將有更多高端車輛效仿S級(jí)，廣泛采用L3技術(shù)。當(dāng)然，這將推動(dòng)這些高度先進(jìn)車輛所需的所有傳感器類型和計(jì)算機(jī)的半導(dǎo)體需求。
傳感器的趨勢(shì)有三：一是隨著自動(dòng)化程度的提高，車輛周圍的攝像頭將變得越來(lái)越多，紅外攝像頭很可能加入其中；二是L3及以上車輛周圍的激光雷達(dá)將增加；三是L3及以上車輛典型安裝五個(gè)雷達(dá)，雷達(dá)本身將使用更先進(jìn)的收發(fā)器芯片提供更高的性能。
自動(dòng)駕駛車輛的傳感器配置
寫在最后
汽車行業(yè)面臨著越來(lái)越大的通過(guò)電氣化實(shí)現(xiàn)脫碳的壓力，2022年電動(dòng)汽車銷量已增長(zhǎng)至所有新車銷量的10%左右，正走出早期采用階段，走向更廣泛的采用。電動(dòng)汽車的功率電子產(chǎn)品和電池組帶來(lái)了額外的需求，推動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)的增長(zhǎng)。
主機(jī)廠一直在尋找通過(guò)提高車輛效率來(lái)擴(kuò)大續(xù)航里程的方法，一個(gè)越來(lái)越受歡迎的途徑是從硅逆變器轉(zhuǎn)向碳化硅逆變器。有兩個(gè)因素促使特斯拉、梅賽德斯、奧迪和福特、比亞迪、小鵬等電動(dòng)汽車主機(jī)廠轉(zhuǎn)向碳化硅。首先，一些主機(jī)廠正計(jì)劃從400V架構(gòu)過(guò)渡到800V架構(gòu)。較高的電壓降低了實(shí)現(xiàn)相同功率所需的電流量，減少了動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中的歐姆損耗，提高了效率。碳化硅更適合更高的電壓，因此是比硅更明智的選擇。采用碳化硅的第二個(gè)原因是，在400V時(shí)，碳化硅也比硅更高效，這就是為什么像特斯拉這樣的玩家會(huì)感興趣，盡管其現(xiàn)有的400V增壓器網(wǎng)絡(luò)很難過(guò)渡到800V。
總之，未來(lái)的汽車將更加先進(jìn)，并要求半導(dǎo)體行業(yè)取得更多進(jìn)步；自主性不僅僅是驅(qū)動(dòng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)，而是將帶動(dòng)整個(gè)汽車半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。
