知識性|故事性|趣味性

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本文已在新能源汽車百年微信公衆号首發。

今日語錄：認清生活的真相之後，依然純粹而熱烈地活着。

寫一篇高質量的文章真是太難了，平時上班太忙，下班後那點時間根本不夠，所以隻能用周末的時間搗鼓一篇。我一直想不明白，有些公衆号日更一篇是怎麼做到的？

此外，寫什麼主題也讓我挺糾結的，一方面，我希望通過寫作的過程讓自己得到提高；另一方面，也力求文章能有知識性、故事性和趣味性。

自疫情以來，汽車缺芯一直是個問題，供應商提的最多的話題就是保供，主機廠在選取供應商時，也會着重考慮交付問題。

缺芯問題為何在汽車行業如此突出？是因為汽車上用的芯片數量多嗎？怎麼沒有聽到手機因為缺芯而無法交付的問題？…

如果你也有同樣的疑問，那麼本文值得一讀。

一輛汽車究竟需要多少芯片？

在回答這個問題之前，做一些知識鋪墊是有必要的。

芯片是什麼？我在網上找了很多資料，定義各不相同。百度百科：芯片是半導體原件産品的統稱，聽上去比較抽象。還有将芯片與集成電路（integrated circuit, 簡稱IC）混為一談的。還是一位知乎博主說的比較到位：芯片的本質是半導體 集成電路。

上圖就是一個芯片，隻有指甲蓋那麼大，上面集成了100多億個晶體管！

芯片很脆弱，用外殼封裝後，才是你通常看到的樣子。

晶圓（又稱矽晶片）是芯片的載體，其原材料是矽，矽由沙子中提煉而來，純度達99.999999999%（小數點後7-9個9，甚至12個9）。高純度多晶矽首先會被加工成圓柱形的單晶矽，形成矽晶棒，再經研磨、抛光、切片，得到矽晶圓片，也就是晶圓。晶圓的尺寸（直徑）一般為6英寸（約150mm）、8英寸（約200mm）、12英寸（約300mm）規格不等。一片晶圓能切十幾K到上百K芯片。

晶圓

那我們平時說的14nm、10nm、7nm、5nm芯片又是什麼意思？納米（nm）是芯片的制程，是平面晶體管時代（1997年之前）的叫法，那個時候是指晶體管上栅極的長度，這個長度越短，晶體管開閉的速度就越快，芯片性能也就越好。再說直白一點，無論多麼先進的芯片，本質上都是對1和0這種二進制指令的處理，而晶體管的開閉就代表了1和0 。

不同形态的晶體管

到了1999年，出生于中國，先後畢業于台灣大學、美國加州大學伯克利分校的現任美國國家工程院院士、中國科學院外籍院士—胡正明，發明出了鳍式場效應晶體管，晶體管栅的長度大幅度縮小，遠遠小于晶體管其他部位尺寸。2012年之後，又出現了一種叫FinFET的3D晶體管，更沒有辦法用單一尺寸來衡量芯片的制程，自此，單純用晶體管栅長度命名芯片制程已經沒有意義。但為了統一性、延續性，業界依然遵循“0.7倍”命名法，即我們通常聽到的14nm、10nm、7nm、5nm。看了這篇文章，不要跟别人問，為什麼沒有6nm的芯片？鬧笑話！

有了上面的知識儲備，你就很容易理解，我國芯片短缺，主要缺的是高端芯片。世界上有很多國家可以自行制造低端芯片，但無法造出14nm、7nm、5nm這樣的高端芯片，我國也不例外。華為很牛逼，不僅因為他的5G技術，他還可以設計5nm的芯片，但是空有設計不行，國内沒有制造5nm芯片的設備和技術，在美國的制裁下，有這種設備和技術的代工廠也無法為華為提供服務。

此可見，芯片制造業的門檻非常高！疫情原因，産能不足，是導緻芯片短缺的主要原因！

中國的疫情控制的很好，但中國恰恰缺乏高端芯片的制造能力，因此，面對世界範圍内的“芯荒”，中國這個制造大國也無能為力。

疫情以來，芯片短缺已經影響到全球100多個行業，如：手機、汽車、空調等。

因為身處汽車行業，我對汽車缺芯的影響感觸更深。

手機、空調等這些電子産品上用的芯片和汽車上用的不一樣，他們都是消費級的，而汽車上用的大部分芯片都是車規級的。

芯片按照應用場景，可分為軍工級、車規級、工業級和消費級。

芯片級别分類

汽車關系到人身安全，因此，對芯片有特殊要求，即“安全”、“可靠”。手機發熱、死機，不會帶來多大損失，但汽車因為芯片出故障，可能會死人。

百萬芯片量中，消費芯片的允許出錯率是300-500個，而車規級芯片的要求是無限接近于0，每位車主的生命都很重要。這就使得車規級芯片的研發難度大大增加，其設計、研發、驗證周期都很長。

我始終認為，造車要有一種敬畏之心，一切都要以安全為前提，不能拿車主當小白鼠！不要把有安全隐患或自己心裡都沒譜的汽車産品交到市場上去！

車規級芯片光測試費就是消費芯片的5倍。

一款汽車芯片問世後，還要通過多重認證才能得到市場的入場券，如ISO 26262（道路車輛功能安全國際的标準）、AEC-Q100（車用可靠性測試标準）等等。這是對車規級芯片産品安全性、可靠性的驗證，是重要的考量指标。

AEC成員

一輛汽車上用到的芯片數量很多，傳統車上大約500-600顆，現在的汽車上已在1000顆以上了，一些智能化的新能源汽車則更多。注意，不要驚訝，這裡指的是芯片個數，并非控制器（ECU）個數。

汽車半導體分類

汽車芯片應用領域

汽車芯片可分為功能芯片（MCU）、功率半導體（如IGBT、MOSFET）和傳感器3大類。

汽車半導體産業鍊

功能芯片是我們最熟悉的，又稱“微控制單元”或“單片機”，也是汽車上用量最多的。汽車上車身控制系統、信息娛樂系統、動力系統、自動駕駛系統等的正常運行都離不開功能芯片。全球前5大MCU供應商是日本瑞薩電子、歐洲的NXP和英飛淩、美國的德州儀器和微芯科技，占據了82.7% 的市場份額。

功率半導體集成度較低，屬于分立器件，主要包括電動車逆變器和變換器中的IGBT、MOSFET等。IGBT芯片起着交直流轉換的作用,要把220V标準交流電轉換成電池需要的直流電，當在行駛狀态下，IGBT再将電池輸出的直流電轉換成交流電供給交流電機，同時在這一轉換過程中，IGBT芯片還需要實時調控全車電壓，起着變壓器的作用。MOSFET簡稱MOS管，汽車上升壓還是降壓都是随着MOS管的不斷開閉而實現的。

傳感器是汽車的感知系統，負責收集汽車運行的各種工況，如車速、各種介質的溫度、發動機或電機轉速、扭矩、胎壓等，便于汽車“大腦”決策。

汽車是一個複雜的系統，缺少任何一個部件，車輛都無法生産下線。一些傳統器件還好，中國可以自給自足，國内替代方案也比較多。但是一些必須搭載高端芯片的MCU短缺，勢必會導緻主機廠停産。

使用國産化率較高的MCU則會帶來極大的風險，不是因為對國産芯片沒信心，而是因為芯片這個産品需要時間的積累和市場的檢驗，沒有經過百萬、千萬量級的考驗，憑什麼就敢搭載在事關人身安全的汽車上？

但汽車芯片的國産化這條路是一定要走的，隻是方法和節奏要把握好，可以先從一些不影響行車安全的部件上進行逐步替代，而不是搞大躍進！

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