电动车爆发，半导体准备好了吗？

近日，特斯拉实现三大突破：订单业内称雄，市值问鼎万亿，股价突破千元。

据报道，全球最大的汽车租赁公司之一Hertz Global日前向特斯拉订购10万辆电动汽车，订单金额高达42亿美元，一举成为电动汽车有史以来最大一笔交易，并锁定了特斯拉约10%的年产能。此外，特斯拉三季度在华收入31.13亿美元，同比大增78.5%。特斯拉Model 3成为9月份欧洲新车销量第一的全电动汽车。

回看国内市场，中国电子商会智能电动汽车专委会发布的“2021年三季度新能源乘用车终端销售销量数据”报告显示，当季乘用车终端汽车市场出现两极分化走势，新能源乘用车增量明显，今年前三季度，我国新能源汽车前三季度产销分别完成216.6万辆和215.7万辆，同比分别增长了1.8和1.9倍。预计2021年纯电动乘用车终端销量将超过200万辆，占比将超过10%。

同时，结合世界各国给出的禁售燃油车时间表：

来源：ST公开信息整理

这些数据无一例外都表明了电动汽车市场正在呈现出“爆发式增长”的态势。同时，电动汽车火爆的背后，整个产业链无疑也将获得更多的机会和更广阔的市场空间。

据中国汽车工业协会的数据显示，，每辆传统内燃机汽车需要500-600颗芯片，而到了新能源汽车时代，单车芯片用量升至1000-2000颗。同时随着新能源汽车的起量，对于半导体芯片的需求与日俱增，2020年，车用芯片市场达到439亿颗的市场规模（市场价值约339亿美元），预计到2026年将达到903亿颗（市场规模约655亿美元）。

数据来源：中国汽车工业协会；图源：ST

在巨大的市场前景和增长趋势下，追溯产业链来看，智能电动汽车硬件的三个基本要素为电芯、功率芯片和高算力芯片，这是三根最基本的柱子。

顺着这个思路，本文围绕当下比较火热的SiC功率器件以及车载高算力AI芯片做一些探讨，在电动汽车爆发的趋势下，半导体芯片行业是否做好了准备。

碳化硅需求爆发

众所周知，电动汽车的电驱动主要由电机、减速器和控制器三部分组成，电机中最关键的是电机控制器，而电机控制器中最核心的是IGBT功率控制模块，IGBT可以理解为一个用来掌控电能的开关，电能的转化输出等控制都通过它，其成本约占据电机驱动系统的一半，属于第二代功率半导体器件。

而比IGBT性能更领先的第三代技术便是碳化硅（SiC），SiC是一个比IGBT更先进的控制器芯片，能够承受更大范围的电压、更大的电流，且体积更小、开关损耗更低，省电的同时工作频率也更高，能够满足高性能等全方面的需求。

《Silicon Carbide in the UK Electric Vehicles andBeyond》：SiC与电池和电机功率的关系

在SiC车用市场，特斯拉是无人不知，无人不晓，有说法称SiC是特斯拉成名的关键。2018年，特斯拉在Model 3的前后电机控制器都使用了SiC模块，成为了第一个吃螃蟹的人，一举点醒了芯片市场，促使芯片产业将芯片材料由硅转向SiC。

此外，特斯拉发布的Model S Plaid也采用了SiC MOSFET。据业内人士表示，SiC将逆变器减重57%，将电池续航提升了6%以上，助力ModelS Plaid速度超越了布加迪。成本方面，有业内人士表示，特斯拉的SiC模块成本已与硅基IGBT相差无几，采用SiC的整车成本可以从电池、汽车空间以及散热系统等方面降低2000美元。

有数据统计，预计今年将有100万辆以上的电动汽车采用SiC的主逆变器。而特斯拉未来两年的需求就将吃掉现有全球产能，业内从今年早些时候开始，就已经掀起了一波汹涌的投资浪潮。

按照估算，今年预计有101.1万台纯电动汽车采用了SiC的主逆变器，整体的规模主要是跟着特斯拉的需求在扩大规模。同时，以特斯拉Model3、比亚迪汉为代表的车型在逆变器中采用SiC功率模块只是车用SiC器件的起步，未来随着SiC在车载充电器、DC/DC转换以及充电桩中渗透率提升，市场空间有望快速扩大。

Wolfspeed表示，预计到2022年，SiC在电动车用市场空间将快速增长到24亿美元，是2017年车用SiC整体收入（700万美元）的300多倍；罗姆测算，到2026年几乎所有搭载800V动力电池的车型采用SiC方案都将更具成本优势。

在SiC领域，Wolfspeed是行业引领者。据日本东京研究公司Patent Result专利统计显示，涉足SiC半导体基板的美国科锐（Cree，即现在的Wolfspeed）排在首位，第2~5位则都是日本企业：罗姆、住友电工、三菱电机、电装。

图源：日经中文网

纵观全球SiC产业格局，当下SiC市场主要由欧美日把持。具备成熟SiC底材生成能力的供应商都被国际半导体生产商所掌控，包括Wolfspeed、SiCrystal、NORSTEL等，国外半导体厂商掌握着SiC底材的定价权；欧洲以晶片、SiC器件和制造为主，代表公司有英飞凌、意法半导体等；日本在设备和模块方面较具优势，典型企业有罗姆、三菱电机、富士电机等。这些实力较为雄厚的SiC大厂成为车厂所依赖的对象。

从全球几大SiC大厂的发展战略来看，ST最早量产并大量应用于特斯拉，并用较低的价格抢占市场份额，以达到规模经济，其2019年收购Norstel，向上垂直整合发展，且在向8英寸过度。与此同时，Wolfspeed和罗姆也通过向下垂直整合的方式推动产品开发，并向8英寸过渡以达到器件级别的价格竞争力；而英飞凌则是遵循12英寸硅基IGBT和SiC双轮发展，在封装上有规模价格优势。

此外，还包括一些Tier1厂商和主机厂也在布局参与第一梯队的竞争。博世、大陆等Tier 1厂商都纷纷推出了电驱动模块，且部分已经量产落地，凭借自身在机械制造领域的深厚经验，在电机、减速器领域的优势较为明显。同时，在主机厂布局方面，芯聚能半导体总裁周晓阳表示，吉利汽车、大众及比亚迪等企业布局OBC领域，特斯拉、丰田、本田、比亚迪，吉利及蔚来等企业积极布局主驱，而DC-DC领域主要有特斯拉、吉利汽车、比亚迪等公司。由于行业发展很快，目前这个领域会有越来越多的玩家进入。

而国内的一些SiC企业也开始加入这个行列，渐渐分得一杯羹。衬底领域，国内较为领先的企业有天科合达、山东天岳等，根据CASA统计，2020年上半年两家SiC衬底合计市占率市占率达到7.9%；外延领域国内较领先的企业有瀚天天成、东莞天域等；器件设计方面，国内泰科天润、斯达半导、中车时代、基本半导体等也在加快SiC器件研发及扩产。

此外，三安光电在底材生成、模块设计和封装环节具备了一定的能力，是国内少有的形成SiC垂直产业链布局的厂商，目前已完成650V和1200V SiC器件的布局。三安光电在长沙投资160亿于SiC等化合物三代半垂直产业链，资本开支力度远超国外厂商，并且还通过收并购等操作向衬底等上游延伸。目前，公司完成SiC器件产品线的覆盖，但距离世界一流水平还有一定差距。

整体来看，目前国内外产业链在各环节仍有一定差距。国外衬底正从6英寸向8英寸转移，国内仍处于4英寸至6英寸过渡阶段；国内外延质量较国外仍有提升空间；SiC二极管国内外发展均较成熟，但国内MOSFET进度较缓；封装设备国产化率低；国内 SiC车规级产品可靠性验证经验欠缺；仅少数领域应用开始渗透，未来批量应用空间更大。

技术和产业的升级机遇期往往千载难逢，国产企业肯定不会放过这个机会。对电动车产业链来讲，特斯拉用SiC在前，400V电池系统的技术和市场红利被特斯拉赢者通吃。如果国产电动车品牌再去深度耕耘400V平台，将会长期在品牌定位、快充和整车技术上被特斯拉压制。

国产电动车品牌要做出绝对优势，只能主动寻求差异化，另辟蹊径，大刀阔斧的快速占领800V电池系统的品牌记忆、超级快充、整车技术和市场定位高地，才能在超级快充和整车效率上超越竞争对手。电池走800V系统，主驱走SiC路线，能把国产电池电机和国产SiC功率芯片串起来，同时快速拉通国内SiC技术和供应资源，能走出具有优势的中国新能源汽车产业之路。

尽管目前800V对于整体的绝缘提出了挑战，但其已经成为了一个高端车挑战的平台，相比400V的主要优势来自于高功率下的效率差异和快充差异。据了解，目前开发大功率快充在新造车浪潮里处在一个加速状态，在800V和未来1200V版本的高压电芯当中，SiC将大显身手，2023年基本是市场大爆发的状态。

另外，单晶尺寸的增加往往会伴随结晶质量的下降，SiC衬底从1-8英寸不等，主流尺寸为4~6英寸。尺寸越大，生产效率越高，但生产品质越难控制，因此目前6英寸主要用于二极管，4英寸主要用于MOSFET。由于6英寸的硅晶圆产线可以升级改造成用于生产SiC器件，所以预计6英寸SiC衬底的高市占率会维持较长时间。据Wolfspeed官方介绍，世界领先的SiC芯片制造商从6英寸晶圆量产转向8英寸量产，使每个晶圆的芯片数产出近乎翻倍，可满足全球对于卓越的电动车动力系统日益增长的需求。

市场和技术趋势的不断演进，给整车带来机遇，也是功率芯片和行业厂商的机遇。

SiC业务产业化时间已超10年，直到近年来才一跃成为半导体产业的“希望之星”。全球电动汽车市场的迅速崛起，助推了SiC市场的“主流化”。未来5年将很可能成为崭新的赛道。

罗姆首席战略官Kazuhide Ino曾表示，“芯片厂商已经共同打造了SiC市场，现在到了彼此竞争的阶段。”目前的SiC产业，技术和市场远未定型，鹿死谁手也没有定论。任何参与者都有机会成为大玩家，或者破产出局。

令人欣喜的是，本土企业积极发力，挤压塑造整个链条，在每一个环节都试图渗透介入，俨然已成为SiC功率芯片市场上正在迅速崛起的新势力。

车载高算力AI芯片渐成主流

在早期，汽车电子是以分布式 ECU 架构为主流，每个单独的模块都拥有自己的ECU，此时芯片的计算能力相对较弱。随着汽车电子化程度的提高，复杂的功能推动传统的分布式架构向中心化架构发展，汽车架构从分布到集中，汽车芯片从 MCU 到 AI 芯片汽车电子电气架构正从分布式走向集中式，产生算力更高的域控制器芯片需求。

车规级AI芯片是未来智能化汽车的“大脑”。不同于以CPU运算为主的MCU，在此升级过程中，仅依靠CPU的算力与功能早已无法满足汽车智能化所需，将CPU、GPU、DSP以及FPGA、ASIC等通用/专用芯片异构融合的SoC方案被推至台前，成为各大AI芯片厂商算力军备竞赛的主赛道。自动驾驶对于芯片算力的要求有着质的飞跃，现阶段 L2 级别自动驾驶计算量已达10TOPS、L3级别需要60TOPS、L4级别算力将超过100TOPS。

博世经典的电子电气架构演进图，诠释了汽车电子电气架构将经历的三大阶段、六小阶段的发展历程。

电动汽车电子电气架构演进图（来源：博世）

整车电子电气从分布式走向中心化成为一种趋势，当汽车电子电气架构形成域的概念后，将产生算力更高的域控制器芯片的需求。

以当前各等级自动驾驶汽车的单车价值量的测算值为基准，未来五年随着汽车智能化集成化程度的提升、对AI芯片的要求和性能随之提升，AI芯片的单车价值量会以5%的年复合增长率增长。兴业证券分析师预计，全球汽车级 AI 芯片的市场规模将在2025年达到113亿美元，到2030年达到236亿美元，年复合增长率预计可达30.79%；同时，中国汽车级AI芯片的市场规模将在2025年达到68亿美元，到2030年达到124亿美元以上，年复合增长率预计可达28.14%。

市场应用方面，各大车企今年上市的新车型开启了AI芯片上车的时代，其中英伟达、高通、Mobileye的市场占有率较高：Mobileye在智能驾驶领域起步早，高通、英伟达则分别在智能座舱、自动驾驶领域处于领先位置。同时，自主AI芯片厂商同样具有较强竞争力，以地平线和华为为代表：极狐阿尔法S和赛力斯SF5搭载华为AI芯片和计算平台，岚图FREE和智己L7搭载地平线征程系列芯片。

传统汽车控制类芯片MCU格局基本稳定，而智能驾驶的发展使车载AI芯片迎来多元化的竞争格局。在过去的几十年里，在汽车电子芯片领域，主流供应商以欧美和日本厂商为主，外来者鲜少打破此格局。但是随着汽车行业智能化的发展，芯片和软件在汽车中占比将逐步提升，在此趋势下，在传统的车载MCU厂商如ST、NXP、英飞凌、瑞萨电子等发力研究自动驾驶方案的同时，消费级芯片厂商及人工智能公司也进入车规级领域，比如英特尔，英伟达，高通等。除此之外，国内的一些科技公司开始自主研发芯片产品，如华为、地平线、百度、黑芝麻智能等。

回顾车载AI芯片的发展历程，可划分为两个阶段：

（1）低级别辅助驾驶发展的时代

L1~L2级自动驾驶技术兴起之后，自动驾驶芯片市场长期被Mobileye和赛灵思两个玩家所掌控，截至2020年，前者的年出货量接近2000万片，后者则超过700万片。2020年10 月，AMD宣布收购赛灵思，截止2017年Mobileye称，已有25家汽车制造商的2700万辆汽车使用了其驾驶辅助系统，市场份额超过70%。

Mobileye擅长视觉技术，以计算机视觉技术见长，致力于自动驾驶的视觉方案，主打功能强大、低功耗的EyeQ系列芯片。EyeQ系列产品覆盖国内外各大传统车企和新势力，于2019-2021年密集上市。凭借辅助驾驶领域的高性能、低功耗的技术方案，Mobileye的产品已在福特、上汽、宝马、沃尔沃、威马、长城、广汽、一汽等传统老牌车企以及蔚来、理想、小鹏等造车新势力上上车。

赛灵思擅长感知