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          比亞迪的芯事:半導體產業的縮影與鴻溝

          來源:愛卡汽車 瀏覽次數:74 發布日期:2022-09-22

          近年來,汽車產業除了原材量價格上漲之外,聽到最多的就是“缺芯”,一顆小小的芯片身價甚至翻了上百倍,即便如此仍然是“一芯難求”,這也導致全球各大車企都曾因為缺少芯片進而選擇減產甚至停產。但就是在這樣的大環境下,有一家車企卻能獨善其身,它就是那個連芯片都要自己造的比亞迪。

          比亞迪半導體

          一、目前國內芯片產業現狀

          半導體號稱是科技界的“原油”,沒有半導體產品,任何科技產品都沒法生產。但是,國內目前的芯片產業依然重度依賴進口,不論是汽車領域還是其他高新技術產業都受到波及。

          在2021年,芯片成為我國第一大進口商品,是石油的兩倍還多,進口額近4400億美元,約2.8萬億人民幣。芯片進口額占GDP比例接近2.45%,中國每年進口集成電路的金額占中國所有進口金額的16%,也就是說每進口6塊錢的商品中,就有1塊錢是芯片,而這個數據還是在被美國制裁之后的數據。

          芯片

          我們確實應該感謝美國的“當頭一棒“,讓我們意識到芯片對于國家科技發展的重要性。從2019年5月華為芯片被制裁開始,中美貿易戰已經過去整整3年多的時間,國家也在近些年開始大力發展半導體產業,到2021年中國的芯片產能已達到日產10億顆,但這其中還包括了在中國設廠的境外企業,如臺積電,三星,海力士等。所以刨除掉境外企業,目前國內芯片生產依然十分落后。

          芯片

          其實國家早就注意到了這一狀況,并且制定了一系列方案來應對,但到目前為止,并沒有達到預期的效果。2015年《中國制造2025》計劃出爐,半導體自制,成為該計劃的重點核心產業。2025計劃中設定:到2020年,半導體自給率達到40%,2025年要達到70%。

          如今已經2022年,如果將所有國內生產的芯片都算上(很多都是低端芯片),自給率也只有36%,而2019年我國芯片自給率為30%左右,也就是說兩年的時間自給率增加了6%,平均每年增加僅3%,如果按照這個增速,到2025年我國芯片自給率也僅僅達到48%,與70%自給率這個目標相去甚遠。要達到2025年70%自給率這個目標,國產芯片仍然還有很遠的路要走。所以說,目前中國的芯片生產能力不足,很容易被卡脖子,尤其是高端芯片的生產以及汽車芯片。

          芯片

          根據2021年中汽協數據,我國汽車芯片自給率只有5%左右,這也是為何上海疫情爆發之后,許多汽車主機廠因為缺少芯片而停產的原因所在,就是因為太過于依賴進口芯片。

          二、一段芯事:比亞迪自研芯片歷史

          提起比亞迪,很多人的第一印象是個汽車品牌。其實,在半導體領域,比亞迪也堪稱國產芯片“先行者”。比亞迪在2002年成立IC(集成電路)設計部,與造車和電池計劃幾乎同時起步。目前,比亞迪芯片已經在多個領域實現應用甚至是盈利。比亞迪擁有已授權專利1167 項,建立起了完整的自主知識產權體系,在芯片設計、晶圓制造、模塊封裝與測試、系統級應用測試等環節均有一定建樹。特別是在功率半導體、車規級芯片IGBT、SiC的研發方面,比亞迪有著5年打破外企壟斷,13年追平國際一流的輝煌業績。

          比亞迪半導體

          IGBT,又稱“絕緣柵雙極型晶體管”,它像是一種承擔“開關”功能的半導體器件,通過在電子設備中的高效快速開關,完成電流類型的轉換和放電規模掌控。IGBT器件類型有很多,比如應用于高鐵領域的、航天領域的、汽車領域的,乃至工程設備領域的等等,而比亞迪聚焦的就是車規級IGBT芯片。

          2009年成功研發出第一代IGBT芯片,一舉打破了國外的技術壟斷,并且在2018年,比亞迪還推出了IGBT4.0芯片。截止2020年底,比亞迪IGBT芯片累計裝車已超100萬輛,單車行駛里程超100萬公里。

          比亞迪半導體

          目前,比亞迪已經研發成功IGBT6.0,采用了90納米工藝制程,在所有車用芯片中是最小的。與幾納米的手機芯片不同,車載芯片的技術核心是工藝的成熟度,由于其特殊的使用環境,車載芯片也不需要做到那么小,車載芯片更重視的是可靠性、耐用性以及制造成本。并且從比亞迪的招股書中可以看到,比亞迪IGBT采用IDM模式,能夠自行設計、制造與封裝。

          比亞迪半導體

          比亞迪IGBT已經連續三年拿下車規級IGBT模塊全球第二、國內廠商第一的成績,但與排名第一的英飛凌相比,差距還是相當懸殊的。目前,英飛凌依然占據國內份額的60%-70%之間,而比亞迪則穩定在15%左右。當然,這與比亞迪長期奉行“自用優先”的發展路線也有關聯。不過,隨著比亞迪半導體的拆分上市,未來幾年比亞迪IGBT的市場表現將有巨大的上升空間。

          但隨著市場對電動車型的電池容量、電機功率、充電效率和損耗的要求提高,IGBT器件受制于材料特性,性能明顯出現瓶頸,器件和車廠紛紛轉向SiC(碳化硅技術)。據研究數據顯示,在750V高壓狀態下,碳化硅(SiC)部件比相同的硅基IGBT部件能效增加8-12%,傳導損耗減少14%。此外,碳化硅可以在高頻狀態下穩定工作,得益于此,以該材料制作的控制芯片不僅可以實現更快的開關頻次(約為IGBT的5-10倍),同時開關損耗比前者下降了75%,這就為相應的軟件管理策略預留了更大的空間。

          比亞迪半導體

          而在SiC模塊領域,比亞迪目前已經推出1200V 1040A SiC功率模塊,突破了高溫封裝材料、高壽命互連設計、高散熱設計及車規級驗證等技術難題。在2020年7月推出的比亞迪漢EV(參數|詢價),通過配備自研的碳化硅電機驅動控制器,達成了3.9秒的0-100km/h加速時間和更亮眼的續航里程。

          雖然比亞迪在SiC領域有了比較大的突破,但從全球碳化硅市場占比看,比亞迪還排不上名次。目前科銳(CREE)占據了全球45%的市場份額,日本羅姆(Rohm)的子公司SiCrystal占據20%,II-VI占13%;中國企業方面,天科合達占到5.3%,山東天岳為2.6%,目前主要的市場份額仍掌握在以美歐日為首的國家手中。

          三、哪些環節會卡脖子?

          · 生產設備靠二手進口

          雖然比亞迪半導體在車規級功率器件方面處于國內領先的地位,但受制于中國整體芯片產業水平,比亞迪的芯片產業鏈并不完善。尤其在制造設備上,比亞迪只能通過購買二手設備的方式提升產線生產率,并表示,8英寸晶圓二手設備在市場上也處于供不應求狀態。

          比亞迪半導體

          目前,長沙比亞迪半導體有限公司8英寸汽車芯片生產線9月5日順利完成安裝,開始進行生產調試,預計10月初正式投產,可年生產車規級芯片50萬片。但是該條生產線的光刻機、刻蝕機、離子注入機等關鍵設備均為進口,共208臺套、1133箱,貨值約8.9億元。

          受制于國內芯片產業的整體水平,比亞迪在最關鍵的芯片設計工具EDA則完全受制于人。目前行業排名第一的英飛凌,是由德國西門子半導體部門拆分而來,而西門子EDA又是世界第三大EDA開發公司,靠著這層關系,英飛凌可以毫無障礙地使用最先進的EDA開發工具。

          比亞迪半導體

          反觀比亞迪方面,按照比亞迪在招股說明書中的描述,一直以來,比亞迪僅能通過購買舊版設備的方式,提升研發和生產效率。而隨著海外三大EDA巨頭Synopsys、Cadence、Siemens加入斷供行列,比亞迪要追趕英飛凌的研發腳步,也將更加艱難。

          不過,在EDA軟件開發方面,國內也開始了全方位布局。國內EDA企業,在全定制模擬電路設計和數字前后端領域,已經積累了豐富的技術經驗。相信在不久的將來,國內EDA開發工具也將陸續面世。

          · IGBT模塊難有突破

          除了生產工具被卡脖子之外,技術上的限制也是比亞迪要面對的事實。IGBT模塊目前比亞迪已經可以達到行業領先水平,但前面已經說到,IGBT器件受制于材料特性,整體的性能表現已經很難在有所突破。所以各大廠商都開始向SiC方向發展,對于眾多車廠致力于推廣的800V高壓平臺,而適合在高壓環境下工作的SiC材質幾乎是所有推廣800V高壓平臺車企的當前唯一的選擇。

          比亞迪半導體

          · SiC模塊成本頗高

          但比亞迪在SiC模塊方面雖然也取得了一定的成績,雖然起步晚,產品迭代較少,這都影響了比亞迪半導體在SiC模塊方面的發展。同時,成本也成為了比亞迪發展SiC模塊的一個重要因素,比亞迪芯片目前還是以自用為主,所以比亞迪要優先車輛的成本控制。按照目前的市場行情,碳化硅(SiC)器件的價格大約為硅基IGBT器件價格的4到5倍。而造成該現象對的首要原因是碳化硅材質遠高于硅基IGBT材質的硬度。這導致制造碳化硅(SiC)部件的廠商,從設備、工藝、處理到切割的一切都需要進行重新開發。

          但即便是如此,SiC模塊的研發還是不能放棄,因為搭載SiC部件后的車輛可以適當簡化驅動系統散熱設計并削減電池容量,SiC逆變器能夠提升5-10%的續航,并節省400-800美元的電池成本(80kWh電池、102美元/kWh)。而根據日本羅姆(Rohm)公司的推測,到2025年,幾乎所有搭載800V動力電池的車型采用碳化硅SiC方案都將更具成本優勢。

          比亞迪半導體

          四、比亞迪半導體給國內芯片產業的警示

          王傳福和比亞迪半導體高管在接受采訪時都說,造芯片不是因為想造,而是因為買不到。所以比亞迪半導體的強勢方向都是圍繞比亞迪集團發展汽車、光伏所必須的半導體產品。

          而且,比亞迪還坦言其自身也是通過購買二手設備的方式提升產線生產率,并表示,8英寸晶圓二手設備在市場上也處于供不應求狀態。而且比亞迪半導體在芯片設計工具——EDA、IP核,以及其它上游原材料方面,也都不具備自產能力。所以在很多層面還是受制于人。

          比亞迪半導體

          比亞迪半導體所面臨的問題,不僅是自己所面臨的問題,更多的是中國半導體產業鏈的整體性問題。具備IDM(既能設計,又能生產)能力的自主半導體廠家,全部面臨芯片設計軟件、生產設備受限的問題,比亞迪半導體也未能幸免。并且,國內芯片在生產工藝、產品質量上,仍然與業內一線廠家存在一定差距。這些差距,需要國內半導體企業通過不斷的工藝迭代與經驗累積,才能形成突破。

          目前國內很多國內汽車廠商都已經意識到芯片的重要性,也不再輕易相信“全球一體化”這樣的言論,所以都宣布將加快自研芯片的速度。但局限于一個領域并不能對整個產業鏈造成太大影響,而是應該具備為產業鏈造血的能力,而且應該出現更多的、具備孵化產業鏈能力的汽車公司。只是受限于產業發展,終究會被所在產業裹挾,只有跳出產業局限,才能顛覆產業。

          比亞迪半導體

          全文總結:目前國內半導體產業整體發展都慢人一步,主要核心設備還受制于外企。并且半導體的研發是一個長期且投資體量巨大的產業,雖然國內現在從事半導體相關產業的公司如雨后春筍一般冒出,但巨額的資金投入讓這些企業很難能夠設計并生產出高端的芯片,只有像華為、比亞迪這種資金雄厚的企業不怕燒錢、燒時間、燒人才。

          而且,當一樣資源一旦被擺上了戰略的高度,那就必然會陷入大國的博弈。好在如今國內半導體產業得到重視,國家也開始大力扶持,與國際一線廠商之間雖然有差距,但差距也正在逐漸縮小?!凹辛α扛纱笫隆笔俏覀兊膬瀯?,相信在未來,國產半導體不光可以做到自給自足,而是可以向其他產業一樣,完全打破海外的壟斷,將話語權掌握在自己手中。

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