2022年10月11日 | 电动/自动驾驶挑战待解　车载芯片供应链灵活应万变

车用晶片缺货潮尚未完全缓解，加上汽车技术朝向电气化跟自驾演进的趋势下，整车所需的晶片数量大幅上升，现有的晶片产能还未能满足市场需求。同时车用晶片的功能与算力不断增加，封装技术变得更为複杂，验证流程也因此拉长，发展自驾与电动技术过程中挑战重重。车用晶片缺货除了因疫情影响产能，新的汽车功能需求也是导致车用晶片供不应求的原因。车用晶片市场同时面对晶片缺货带来的影响，以及晶片功能与数量需求的转变，晶片供应商需要从强化IC可靠度及与车厂直接互动两方面应对，精准开发电动/自驾车所需晶片，弹性应对产业变化。

IC Insights认为，导致汽车晶片缺货的主因是2021年开始，汽车晶片的需求突然大幅成长，而非原有的产能不足。相较2020 年，零组件供应商在2021年的晶片出货量增加30%，成长幅度大于2021年全球晶片出货量的22%成长率。且相较COVID-19疫情尚未爆发的2018年，2021年晶片供应商出货给汽车产业的晶片数量成长27%。

电动车市与疫情同步发酵

电动车需求大幅成长的时间点在2019年，几乎与疫情同步发生。资策会MIC资深产业分析师何心宇(图1)分析，2019年欧洲推出严格的碳排规则，要求车厂增加一定比例的电动车，该规则在2021执行，大幅助长欧洲的电动车发展。中国长期是发展电动的主力，尤其当特斯拉在中国设厂，在地化生产让电动车在中国更近一步成为蔚为风潮的产品。随著特斯拉的出货量成长，车用晶片的需求也增加。电动车的晶片需求与传统油车最大的差别在于使用先进製程晶片的比例，燃油车只需要5% 的先进製程晶片，电动车的先进製程晶片比例则大幅提升到50%。然而IDM厂的产能以传统製程为主，而如果要取得晶圆代工厂的先进製程产能，则需要与消费电子竞争，因此汽车电气化同步面对整体车用晶片供货不足，以及先进製程的车用晶片供应难以快速增加的挑战。

图1　资策会MIC何心宇资深产业分析师

乘用车自驾多有挑战

与电动车同步发展的自驾应用也面临重重挑战。何心宇认为，可以从乘用车与商用环境两个层面观察自驾车发展。首先，乘用车受限于技术、法规与车厂的责任归属，从Level2的驾驶辅助进展到Lev e l3 以上的全自驾还需要很长一段时间。原先市场预估自驾的乘用车有机会在2025年上路，但是目前人工智慧的技术还无法协助汽车系统针对路况，做出完善的决策。从Google Waymo长期投入自驾研发，却尚未有显著的成果，可得知自驾相关的人工智慧技术难度高。各国法规方面，多数国家针对自驾车只开放部分路段，或者仅颁布相关的使用伦理，例如发生事故的时候，尽可能撞车不要撞人，并未全面同意自驾的乘用车上路。第三个因素则来自车厂的顾虑，目前各国的自驾法规倾向由製造商担负事故责任，一旦发生车祸，车厂除了事故赔偿，后续的召回也需要支出庞大的成本。上述情况让自驾长期停留在辅助驾驶的阶段，达到全自驾的难度较高。

虽然乘用车的自驾难以实现，但是封闭区域的自驾应用，例如物流园区、机场、工业园区、矿区等环境，已经有不少的自驾应用案例。因为封闭环境的环境因素单纯，不会有行人及交通号志，因此可以透过少量及客製化的形式实现Level3以上的自驾。未来物流产业也可以採用全自驾与辅助驾驶并行的形式，例如美国的物流车需要聘请两个驾驶，当物流业实现园区内自驾，以及园区外辅助驾驶的应用，业者仅须聘请一个驾驶，并透过辅助驾驶系统避免超速或疲劳驾驶等危险状况，即可大幅减少人力成本。

工研院电子与光电系统研究所所长张世杰(图2)同样认为，近期尚难看到全自驾汽车上路。Level3自驾所需的算力非常高，可能是Level2的十倍到百倍，需要採用价格高昂的高效能运算(HPC)晶片，应用成本较高。同时汽车为了提高自驾等级，也需要大量部署雷达、影像感测器与LiDAR，系统设计变得相当複杂。加上Level2的辅助驾驶仍有不少进步空间，技术还能更精准、顺畅，因此预期未来三到五年的汽车仍以Level2为主流。

图2　工研院电子与光电系统研究所所长张世杰

强化晶片可靠度应对新需求

自驾与电气化趋势也为车用晶片验证带来挑战，宜特科技可靠度工程处副总经理曾劭钧解释，自驾电动车产品的应用是从单纯的人力驾驶，进展到系统辅助驾驶的情境。目前先进驾驶辅助系统(ADAS)已经是汽车的标配，以及未来发展的Level3就代表车用晶片的算力会大幅增加，採用高效能运算技术。由于算力及晶片数量增加，在汽车空间有限的情况下， 车用晶片需要从传统封装改为採用如SiP或2.5D等先进封装技术。先进封装的接脚数(Pin Count)及焊点较多整体结构複杂，失效率因而提高。验证实验室中可观察到先进封装遭遇比传统封装晶片更多问题，包含SiP 封装的晶片在－40~120度C的环境下容易失效，为了维持运作效能，便需要加强焊点的可靠度。

此外，电动车的驾驶使用情境与燃油车不同，整体的行驶时间会大幅增加。因为多数电动车都会配备驾驶辅助系统，驾驶辅助系统可减少驾驶的精神消耗，行驶距离增加，就需要面对车主的里程焦虑及零组件的使用寿命问题。当驾驶使用辅助系统后开车的距离更远，或者共享电动车单日的行使时间也较传统的燃油乘用车长，例如奥迪便认为电动车单次的使用时间会高达每天22.5小时。

电动车晶片使用时间加长，表示零组件供应商对车厂、模组厂或Tier1的保固目标改变。因此验证阶段需要改变对晶片寿命的评估方法，例如在高温工作寿命实验中，原本只要进行1,000小时的就能模拟该零组件3~5年的寿命，但是因为电动车的行驶时间增加，就要模拟3,000小时以上，才能完整模拟产品的使用寿命，模拟时间增加或者增加实验的样品数。

IDM厂直面车厂需求

车厂为了掌握晶片供应以及未来电动车、自驾车的技术与规格，同时提高未来面对晶片缺货等衝击的韧性，除了一如往常跟Tier1合作，也增加与IDM厂商及晶圆代工厂的互动。何心宇说明，一方面是Tier1厂商尚在熟悉电动车的电池、电机、电控技术，同时车厂也希望强化对于晶片规格与供应的掌握度。因此现阶段车厂可能直接接触晶片供应商，讨论未来电动车的晶片需求。车厂会向晶圆代工厂提出非正式的供货协议，或者要求IDM厂商与特定的晶圆厂签订长期合约，签约的产能以IDM厂缺乏的先进製程产能为主，确保在电动车所需的大量先进製程晶片能够稳定供货。

同时车厂直接向IDM厂提出电动车的晶片运算、规格需求。在车厂与供应商新的互动模式中，可以看到Tier1厂商的角色出现变化。在IDM厂商直接与车厂联繫后，Tier1过去作为两方沟通桥梁的角色看似被弱化，而IDM厂的话语权增加。但是IDM厂的技术以IC设计及生产为主，而整车的晶片都需要整合到系统内，车厂才能採用相应的产品，所以Tier1的系统整合角色还是不可取代，车用晶片仍需要透过Tier1的系统整合来实现完整的车用产品。

车用晶片供应商恩智浦半导体(NXP)便认为，汽车製造商目前面临众多严峻挑战，包括为了为后续的汽车技术演进奠定基础，需要将连接、安全、电气化功能整合至未来的软体定义汽车中。因此汽车OEM厂必须在车辆中整合至少上百个处理器，并挖掘分散电子控制单元所产生的数据，以应对车用软体迅速成长的趋势。为了实现这个目标，汽车厂商需要转向平台化的架构演进，确保各品牌和不同型号产品间的一致性，同时充分运用软体重複使用来节省软体开发成本。

车用晶片市场从2019年底开始，面对内外夹攻的挑战。外部衝击来自疫情与国际局势变化，同时车用晶片本身也面对电气化与自驾技术带来的挑战。电动车所需的先进製程晶片数量大幅增加，因此车厂开始和IDM厂及晶圆代工厂打交道，希望确保晶片规格与产能符合需求。自驾的应用则需要透过高算力的晶片来实现，技术方必须解决先进封装伴随的晶片失效机率增加，市场面则还有法规与车厂态度等挑战，近年尚难实现Level3的全自驾应用。车用晶片供应链面对多重的变局，产生更灵活的运作模式，期望提高晶片供应的弹性，为往后可能再发生的缺货潮或者其他的风险做足准备。