汽车“芯事”如何解？专访中星微CTO张亦农

一面是多家主力车企因为芯片紧缺宣布减产停产,一面是消费电子企业、互联网企业、传统及智能整车企业跑步进入汽车“造芯”赛道,汽车芯片市场与产业的表现可谓“冰火两重天”。近期,中星微电子集团宣布与一汽集团组建汽车芯片联合实验室。围绕汽车行业受到“缺芯潮”的冲击为何格外严重,如何看待各类企业下场造芯的市场逻辑,以及汽车芯片的升级方向等议题,记者专访了中星微电子集团CTO张亦农。

三个原因导致汽车缺芯格外严重国内产业应“危中寻机”

记者:目前全行业都受到“缺芯潮”的冲击,但汽车行业受到的影响格外严重,通用、大众、福特、丰田等多家车企都出现部分车型或工厂减产停产的情况。为什么“缺芯”对汽车行业的冲击更加明显?

张亦农:汽车行业受“缺芯”影响比其他行业严重,是汽车行业本身的特性决定的。

首先,设计、制造、封测等芯片产业链主要环节,对于汽车芯片的备货和产能预留相对保守。

汽车芯片的种类虽多,但单一的汽车芯片和消费电子芯片相比,量还是很小,供应商很难将汽车芯片作为产能保障的优先项。据统计,2020年全球汽车销量约为7803万辆,相比消费电子并不算是一个非常大的量。比如手机一年有十几亿部的销量,每一部搭载至少十几种芯片,包括毛利率最高的先进制程芯片。相比之下,汽车行业的芯片用量没有那么大,晶圆和封测厂在预留产能的时候就比较保守。这是汽车相比其他行业缺芯更加严重的原因之一。

对于设计企业来说,汽车芯片门槛高,对故障率的要求是百万分之一以下,运行周期在15年以上,远远超过一般消费领域的标准。厂商要制造合格的芯片,需要投入相当的资金和精力,且验证周期漫长,成本上汽车芯片也无法在消费电子芯片复用。加上从2019年开始,汽车产业出现销量上的萎缩,2020年新冠肺炎疫情导致整车企业在上半年进一步缩小订单量,设计厂商下单的时候会以销定产,偏于保守,为2020年下半年的“缺芯潮”埋下伏笔。

二是8英寸产线向国内迁移的过程,被地缘贸易摩擦阻断。本次芯片紧缺主要集中在8英寸晶圆,这也是汽车芯片主要采用的晶圆。本来8英寸产线作为老旧工艺,正处在从国外向国内自然迁移的过程中。贸易摩擦导致8英寸产线的零部件和易耗品供应受阻,很多产线还没有组装完成就被“卡了脖子”。也因为8英寸晶圆短缺,造成了整个行业的报复性囤货,导致恶性循环。

三是汽车芯片的战线太长,“卡住”一个就卡住了整车的生产。汽车芯片涉及中央处理器、MCU、存储单元、功率半导体等,显示屏、CMOS摄像头、LED灯等均由芯片控制。仅MCU就有面向变速箱、底盘、制动等系统的各种类别,一辆汽车里面有30多个MCU,有一款不能及时供货,就会卡住整车的生产。

记者:您认为汽车行业应该如何应对缺芯困境?

张亦农:从认知角度和市场角度来看,“缺芯”也是一种机遇。

首先,“缺芯”可以带来一个正常的市场认知。汽车芯片的研发成本不低。同等性能、同样功能的前提下,本土企业芯片售价通常只有国际企业的60%—70%,甚至更低,把毛利空间压缩得很小。这种先入为主的认知问题成了国内芯片突围的阻碍。在芯片紧缺的情况下,车企被倒逼启用国内芯片,车厂与芯片厂“坐下来”把芯片方面的各种问题解决掉,把芯片质量提升上去,对于国内产业整体提升大有益处,有技术积累的国内芯片企业也有机会脱颖而出。由短缺倒逼了选型,由选型修正了认知,由认知塑造了品牌,最终提升了业界对本地芯片设计公司的信心。逐渐抹去国内芯片就是中低端、只能搞低价竞争的思维定式。

同时,中国连续多年成为全球最大的汽车消费市场,可以通过市场牵引把传统汽车芯片的短板补上来。在智能驾驶方面,中国无论是车厂还是芯片厂商,都与国际厂商站在同一条起跑线上。尤其中国是最先从新冠肺炎疫情中恢复生产生活秩序的国家,就算汽车芯片的底子差一点,那“笨鸟先飞”,可以利用这段时间飞得再远一点。

“造芯”要掌握两个平衡市场终会选择少数产品

记者:近年来,汽车芯片市场非常热闹。除了恩智浦、瑞萨、英飞凌等老牌厂商,地平线、黑芝麻等一批半导体新锐,高通、英伟达、华为等消费电子巨头,比亚迪、吉利、北汽等整车企业纷纷入场造芯。您如何看待车用市场的“造芯热”?

张亦农:“造芯热”表明产业互联网化已经慢慢从IT、消费电子、安防监控等领域,延伸到汽车领域。这种垂直整合具有积极意义,而且每家公司都有自己的逻辑。

在整车企业看来,汽车是一个载体,芯片是一个个提供功能和控制的节点,把这些“点”放入载体,由点入面,就构成了一辆汽车。

互联网企业觉得万物皆为计算机,汽车只是一个壳子很大的外设。有了处理器和操作系统,把外设套上去,由里及表,也构成了一辆汽车。

既然每一家企业或者每一个领域的企业都有各自的逻辑。那么车厂、芯片企业都加入了造车热潮,产生各种各样的融合和创新,这本身是件好事,但是要注意两个平衡。

一是要注意不计成本的投入和企业盈利能力之间的平衡。如今企业造芯,言必谈L3、L4,动辄5纳米、7纳米,算力力争100TOPS以上。那么投入会非常大,流片一次将耗费上千万美金,需要上百人的团队,购入多种EDA。这些投入摊销到一颗芯片上,成本是非常高的。

如果汽车一年的销量维持在七千万辆左右,一个车企有500万辆销路,已经是一个超大型企业了。但是这个量级在芯片行业里面,不算一个很大的数字,这就意味着每一颗芯片均摊的固定成本都是惊人的。无论企业多么不计成本地投入,终归要追求盈利。如果这个平衡把握的不好,可能变得“一地鸡毛”。

另外要把握好概念创新和持久战之间的平衡。L4以上的自动驾驶芯片还是一个未知领域,没有5—10年的积累很难取得突破。很多面向消费领域的国产芯片,比如手机主芯片,从概念到成熟历经了十几年的积累,而汽车的造芯标准更加严苛。企业想要长久,必须脚踏实地、真刀真枪地进行研发和积累。

记者:未来各类企业造芯的差异化空间在哪儿?

张亦农:虽然下场造芯的企业很多,但大家对汽车的定义和发展逻辑是不一样的。

BAT等互联网企业的视角是提供一个OS,通过底层OS把所有的生态环境团结在一起。

家电企业也在造车,在他们看来,汽车是客厅的延伸,在家里面就可以监控车舱的情况,他们打造客厅娱乐中心的经验也可以带到汽车空间里。

中星微电子集团过去10多年专注于安防监控领域,在图像视频处理、安全、人工智能等有着长期的积累,我们可以从智能感知、公共安全入手,把成功经验带到汽车芯片行业。

因为从不同的角度入手,每个企业会关注提供不同的用户体验。这意味着,未来买车可能像买手机一样,会有不同用户群体关注打游戏的性能、拍照的美颜效果、屏幕的尺寸像素等各方面的体验。而每一种功能、每一种体验,都需要芯片作为底层支撑。在这种趋势下,汽车芯片会形成一个相对健康,“几花齐放”的竞争格局,但不会是百花齐放的局面。可以说,每一种逻辑被真正证明之前,都可以去尝试。但是市场可能仅仅认可1—2种产品逻辑,选择1—2个赢家。

两大升级方向带来机遇内功与标准引领创新

记者:下一阶段汽车芯片技术和产品的升级方向是什么?“新四化(电动化、网联化、智能化、共享化)”趋势将为车载芯片带来哪些机会和挑战?

张亦农:升级的方向还是比较多样的,有两个大方向可以考虑。

一个是我们所谓的“喧宾夺主”,也就是原本作为锦上添花的属性,通过“新四化”成为重要甚至主要属性。

举个例子,手机本来是打电话的,但是现在消费者购买手机,不会关注打电话的原生属性,反而更关注屏幕分辨率、美颜效果、以及联机玩游戏是否卡顿等附加属性。

汽车行业也是一样。它的原生属性是把人从一个地点运输到另一个地点。互联网企业、芯片企业进入这个行业以后,将颠覆原先的认知,企业会认为在汽车把乘客送到其他地点的过程中,不仅让他们坐在车上,还让他们坐在一个特定的空间里。围绕着实施自动驾驶后这个空间的第二属性——比如能否车上办公、能否车载娱乐、能否成为化妆间等,与汽车原生属性没有多大关系,却有机会成为主流选车标准。

这种“喧宾夺主”,为芯片企业创造了大量机会。毕竟“新四化”的每一“化”都离不开芯片,芯片是画龙点睛的那一“画”。

第二个趋势是汽车芯片架构从分立走向分域再走向集中控制。现在的汽车芯片架构是分立式的,可能一辆汽车里面散落了100多个芯片,各司其职。在“新四化”的基础上,汽车控制芯片分布正经历着从分立向分域演进的过程,典型的架构依据汽车电子部件功能将整车划分为动力总成、车辆安全、车身电子、智能座舱和智能驾驶等几个域。再演化下去,未来的极致形态可能是从分域向集中演进,汽车芯片里也会诞生最强大脑,成为整个汽车的主芯片。

为什么最终走向集中控制?除了芯片本身按摩尔定律演进中,高门槛芯片不断“吃”低门槛芯片的不可抗规律,还有其他推手。

首先,汽车要做容灾备份。如果基于一颗芯片或者同一块板子上的一组芯片进行集中控制,只要插一块相同的板子就可以进行容灾备份了。

其次,今后汽车作为一个超大的电子产品载体,每一颗控制芯片都有软件程序。采用集中控制的芯片架构,修车只需要检测中央控制的芯片或者芯片组就可以了。而分立式的架构中,每一块芯片都要单独做软件的升级更新和维修检测,这显然是不现实的。把绝大部分功能集中到一颗或者有限的几颗芯片,汽车的升级换代才是一个可控的过程。

从分立到分域再到集中控制,预计有一个20年的演进过程。需要厂商不断去改良并丰富芯片功能,这个过程中也会诞生大量的机会。

记者:您认为国内企业该如何提升汽车芯片的基础创新能力?

张亦农:打造汽车芯片的创新格局,可以用六个字总结:有序、内功、生态。

首先是有序。要避免重复投资和行业无序竞争,集中力量做大做强,而不是扎堆竞争,杀敌一千自损八百。如果企业一味杀价,得不到充足的利润回报,是无法有足够多的资金来支持持续创新的。做到有序、制定标准,是关键的一步,也就是我们所说的标准引领。“垂直域创新”的基础是标准化的制定,追本溯源就是基础技术的创新。以标准带动应用,以应用催生市场,从市场创造需求,从需求挖掘规模,再由规模反哺创新域,形成一个良性循环,是关键核心领域实现重大突破的必然途径。

第二是内功。目前汽车技术创新集中在智能驾驶域和智能座舱域。但是,如同练武底盘要稳一样,做汽车芯片也要敢于攻克汽车底盘和动力控制系统等技术难度高、可靠性门槛高的内功型芯片。过去国外汽车芯片厂商在此有长期积累,也是他们的核心价值所在。本土芯片公司要紧密与汽车厂商衔接合作,根据下游需求锤炼内功,再有标准的引领,芯片创新才能够得到保障。如果解决不了这类问题,一旦再发生全球性的芯片产能短缺,我们的车企还会被束缚。

第三是生态。芯片的创新要兼顾芯片和OS的深度绑定,这是一个全局的概念。在CPU芯片当道的PC时代,因为缺乏OS和应用的布局,国产CPU奋斗了二十多年,至今的投入和产出是不成比例的。在手机时代,国内厂商开始强调生态,自研OS,取得了长足的进展。但是,一旦贸易摩擦导致OS使用受限,我们依然感受到OS不是完全自主的短板。在智能汽车时代,创新需要在生态上更早布局,才能满盘皆活。

记者:中星微电子集团在汽车芯片领域有哪些短期和长期目标?

张亦农:中星微在过去十多年,一直致力于安防监控垂直领域的创新,构建了标准、芯片、平台、集成、数据、服务一体的体系。我们将从三个维度切入汽车芯片布局。

一是结合中星微在图像、视频ISP、图像编解码、机器视觉方面的长期积累,移植安防监控领域里的编解码标准、采集标准、传输标准,由车载多路视频监控的角度切入。在汽车的感知系统中,前置摄像头每小时产生70-300GB数据,ADAS每小时则生成1TB数据,liDAR每小时生成36-252GB数据。这些数据很多需要做编解码才能存储。通过人工智能分析出的结构化数据,也需要做关联存储。由中星微主导并在芯片中支持的结构化的数据通道,可以有序支持这类结构化数据,让检索更方便。目前,中星微提供的车载智能监控解决方案,是将安防领域的积累移植到汽车领域的一种自然衍生。

二是在国密和数据安全上发力。汽车中大量采集的数据,需要保证网络安全、数据安全、人工智能安全和产业安全。前一阵,特斯拉因为数据安全的问题,又站到了舆论的浪尖上。中星微车载智能监控解决方案是目前唯一能提供端、边、云一体,符合国密要求的基于前端信源加密的融合解决方案。

三是在系统集成架构尚在演进,算法还不成熟的时候,中星微提供的人工智能算力作为协处理器更有灵活性。目前的自动驾驶,包含了数采集、数据格式整合、数据处理等多个流水线环节。光是电子控制,就包含发动机控制、动力总成控制、传动系统控制、制动控制、等多个流水线或分立的处理环节,很多环节用到了汽车图像识别人工机器视觉和驾驶决策AI处理器。除此之外,还包括ADAS涉及的自适应巡航控制、自动紧急制动、主动变道辅助等环节,车载信息娱乐涉及的语音识别、手势控制、音频视频播放和存储等环节。这些环节还远远未达到集中处理的阶段,很多域控制处理都是分布处理算力的。未来十年,域控制单元占比将由2020年的29%提升至2030年的43%。在上面提到的众多环节中,中星微已经能提供或计划提供的几T到几十T算力的AI处理器,能基于中星微NPU智能平台支持驾驶员监控系统、ADAS等辅助驾驶功能,并兼顾算力、连通性、功耗、成本、布板面积方面的需求。

未来,中星微将以上述几个领域为抓手,继续向其他车载芯片的种类扩展,深耕ECU领域。开发支持丰富人工智能模型的芯片,训练数据并配合经典算法,走智能摩尔之路和XPU扩张之路,为中国汽车行业的腾飞赋能。(作者:中国电子报 张心怡)