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汽車缺芯片和不缺芯片有什麼區别

汽車 更新时间:2024-12-29 03:56:46

汽車缺芯片和不缺芯片有什麼區别(你隻知汽車缺芯)1

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。

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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!

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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。

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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 。

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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消費級

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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。

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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。

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汽車半導體分類

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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。

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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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