電動(dòng)/自動(dòng)駕駛挑戰(zhàn)待解　車載芯片供應(yīng)鏈靈活應(yīng)萬(wàn)變

車用晶片缺貨潮尚未完全緩解，加上汽車技術(shù)朝向電氣化跟自駕演進(jìn)的趨勢(shì)下，整車所需的晶片數(shù)量大幅上升，現(xiàn)有的晶片產(chǎn)能還未能滿足市場(chǎng)需求。同時(shí)車用晶片的功能與算力不斷增加，封裝技術(shù)變得更為複雜，驗(yàn)證流程也因此拉長(zhǎng)，發(fā)展自駕與電動(dòng)技術(shù)過(guò)程中挑戰(zhàn)重重。車用晶片缺貨除了因疫情影響產(chǎn)能，新的汽車功能需求也是導(dǎo)致車用晶片供不應(yīng)求的原因。車用晶片市場(chǎng)同時(shí)面對(duì)晶片缺貨帶來(lái)的影響，以及晶片功能與數(shù)量需求的轉(zhuǎn)變，晶片供應(yīng)商需要從強(qiáng)化IC可靠度及與車廠直接互動(dòng)兩方面應(yīng)對(duì)，精準(zhǔn)開(kāi)發(fā)電動(dòng)/自駕車所需晶片，彈性應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)變化。

IC Insights認(rèn)為，導(dǎo)致汽車晶片缺貨的主因是2021年開(kāi)始，汽車晶片的需求突然大幅成長(zhǎng)，而非原有的產(chǎn)能不足。相較2020 年，零組件供應(yīng)商在2021年的晶片出貨量增加30%，成長(zhǎng)幅度大于2021年全球晶片出貨量的22%成長(zhǎng)率。且相較COVID-19疫情尚未爆發(fā)的2018年，2021年晶片供應(yīng)商出貨給汽車產(chǎn)業(yè)的晶片數(shù)量成長(zhǎng)27%。

電動(dòng)車市與疫情同步發(fā)酵

電動(dòng)車需求大幅成長(zhǎng)的時(shí)間點(diǎn)在2019年，幾乎與疫情同步發(fā)生。資策會(huì)MIC資深產(chǎn)業(yè)分析師何心宇(圖1)分析，2019年歐洲推出嚴(yán)格的碳排規(guī)則，要求車廠增加一定比例的電動(dòng)車，該規(guī)則在2021執(zhí)行，大幅助長(zhǎng)歐洲的電動(dòng)車發(fā)展。中國(guó)長(zhǎng)期是發(fā)展電動(dòng)的主力，尤其當(dāng)特斯拉在中國(guó)設(shè)廠，在地化生產(chǎn)讓電動(dòng)車在中國(guó)更近一步成為蔚為風(fēng)潮的產(chǎn)品。隨著特斯拉的出貨量成長(zhǎng)，車用晶片的需求也增加。電動(dòng)車的晶片需求與傳統(tǒng)油車最大的差別在于使用先進(jìn)製程晶片的比例，燃油車只需要5% 的先進(jìn)製程晶片，電動(dòng)車的先進(jìn)製程晶片比例則大幅提升到50%。然而IDM廠的產(chǎn)能以傳統(tǒng)製程為主，而如果要取得晶圓代工廠的先進(jìn)製程產(chǎn)能，則需要與消費(fèi)電子競(jìng)爭(zhēng)，因此汽車電氣化同步面對(duì)整體車用晶片供貨不足，以及先進(jìn)製程的車用晶片供應(yīng)難以快速增加的挑戰(zhàn)。

圖1　資策會(huì)MIC何心宇資深產(chǎn)業(yè)分析師

乘用車自駕多有挑戰(zhàn)

與電動(dòng)車同步發(fā)展的自駕應(yīng)用也面臨重重挑戰(zhàn)。何心宇認(rèn)為，可以從乘用車與商用環(huán)境兩個(gè)層面觀察自駕車發(fā)展。首先，乘用車受限于技術(shù)、法規(guī)與車廠的責(zé)任歸屬，從Level2的駕駛輔助進(jìn)展到Lev e l3 以上的全自駕還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間。原先市場(chǎng)預(yù)估自駕的乘用車有機(jī)會(huì)在2025年上路，但是目前人工智慧的技術(shù)還無(wú)法協(xié)助汽車系統(tǒng)針對(duì)路況，做出完善的決策。從Google Waymo長(zhǎng)期投入自駕研發(fā)，卻尚未有顯著的成果，可得知自駕相關(guān)的人工智慧技術(shù)難度高。各國(guó)法規(guī)方面，多數(shù)國(guó)家針對(duì)自駕車只開(kāi)放部分路段，或者僅頒布相關(guān)的使用倫理，例如發(fā)生事故的時(shí)候，盡可能撞車不要撞人，并未全面同意自駕的乘用車上路。第三個(gè)因素則來(lái)自車廠的顧慮，目前各國(guó)的自駕法規(guī)傾向由製造商擔(dān)負(fù)事故責(zé)任，一旦發(fā)生車禍，車廠除了事故賠償，后續(xù)的召回也需要支出龐大的成本。上述情況讓自駕長(zhǎng)期停留在輔助駕駛的階段，達(dá)到全自駕的難度較高。

雖然乘用車的自駕難以實(shí)現(xiàn)，但是封閉區(qū)域的自駕應(yīng)用，例如物流園區(qū)、機(jī)場(chǎng)、工業(yè)園區(qū)、礦區(qū)等環(huán)境，已經(jīng)有不少的自駕應(yīng)用案例。因?yàn)榉忾]環(huán)境的環(huán)境因素單純，不會(huì)有行人及交通號(hào)志，因此可以透過(guò)少量及客製化的形式實(shí)現(xiàn)Level3以上的自駕。未來(lái)物流產(chǎn)業(yè)也可以採(cǎi)用全自駕與輔助駕駛并行的形式，例如美國(guó)的物流車需要聘請(qǐng)兩個(gè)駕駛，當(dāng)物流業(yè)實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)自駕，以及園區(qū)外輔助駕駛的應(yīng)用，業(yè)者僅須聘請(qǐng)一個(gè)駕駛，并透過(guò)輔助駕駛系統(tǒng)避免超速或疲勞駕駛等危險(xiǎn)狀況，即可大幅減少人力成本。

工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)張世杰(圖2)同樣認(rèn)為，近期尚難看到全自駕汽車上路。Level3自駕所需的算力非常高，可能是Level2的十倍到百倍，需要採(cǎi)用價(jià)格高昂的高效能運(yùn)算(HPC)晶片，應(yīng)用成本較高。同時(shí)汽車為了提高自駕等級(jí)，也需要大量部署雷達(dá)、影像感測(cè)器與LiDAR，系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得相當(dāng)複雜。加上Level2的輔助駕駛?cè)杂胁簧龠M(jìn)步空間，技術(shù)還能更精準(zhǔn)、順暢，因此預(yù)期未來(lái)三到五年的汽車仍以Level2為主流。

圖2　工研院電子與光電系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)張世杰

強(qiáng)化晶片可靠度應(yīng)對(duì)新需求

自駕與電氣化趨勢(shì)也為車用晶片驗(yàn)證帶來(lái)挑戰(zhàn)，宜特科技可靠度工程處副總經(jīng)理曾劭鈞解釋，自駕電動(dòng)車產(chǎn)品的應(yīng)用是從單純的人力駕駛，進(jìn)展到系統(tǒng)輔助駕駛的情境。目前先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)已經(jīng)是汽車的標(biāo)配，以及未來(lái)發(fā)展的Level3就代表車用晶片的算力會(huì)大幅增加，採(cǎi)用高效能運(yùn)算技術(shù)。由于算力及晶片數(shù)量增加，在汽車空間有限的情況下， 車用晶片需要從傳統(tǒng)封裝改為採(cǎi)用如SiP或2.5D等先進(jìn)封裝技術(shù)。先進(jìn)封裝的接腳數(shù)(Pin Count)及焊點(diǎn)較多整體結(jié)構(gòu)複雜，失效率因而提高。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)室中可觀察到先進(jìn)封裝遭遇比傳統(tǒng)封裝晶片更多問(wèn)題，包含SiP 封裝的晶片在－40~120度C的環(huán)境下容易失效，為了維持運(yùn)作效能，便需要加強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠度。

此外，電動(dòng)車的駕駛使用情境與燃油車不同，整體的行駛時(shí)間會(huì)大幅增加。因?yàn)槎鄶?shù)電動(dòng)車都會(huì)配備駕駛輔助系統(tǒng)，駕駛輔助系統(tǒng)可減少駕駛的精神消耗，行駛距離增加，就需要面對(duì)車主的里程焦慮及零組件的使用壽命問(wèn)題。當(dāng)駕駛使用輔助系統(tǒng)后開(kāi)車的距離更遠(yuǎn)，或者共享電動(dòng)車單日的行使時(shí)間也較傳統(tǒng)的燃油乘用車長(zhǎng)，例如奧迪便認(rèn)為電動(dòng)車單次的使用時(shí)間會(huì)高達(dá)每天22.5小時(shí)。

電動(dòng)車晶片使用時(shí)間加長(zhǎng)，表示零組件供應(yīng)商對(duì)車廠、模組廠或Tier1的保固目標(biāo)改變。因此驗(yàn)證階段需要改變對(duì)晶片壽命的評(píng)估方法，例如在高溫工作壽命實(shí)驗(yàn)中，原本只要進(jìn)行1,000小時(shí)的就能模擬該零組件3~5年的壽命，但是因?yàn)殡妱?dòng)車的行駛時(shí)間增加，就要模擬3,000小時(shí)以上，才能完整模擬產(chǎn)品的使用壽命，模擬時(shí)間增加或者增加實(shí)驗(yàn)的樣品數(shù)。

IDM廠直面車廠需求

車廠為了掌握晶片供應(yīng)以及未來(lái)電動(dòng)車、自駕車的技術(shù)與規(guī)格，同時(shí)提高未來(lái)面對(duì)晶片缺貨等衝擊的韌性，除了一如往常跟Tier1合作，也增加與IDM廠商及晶圓代工廠的互動(dòng)。何心宇說(shuō)明，一方面是Tier1廠商尚在熟悉電動(dòng)車的電池、電機(jī)、電控技術(shù)，同時(shí)車廠也希望強(qiáng)化對(duì)于晶片規(guī)格與供應(yīng)的掌握度。因此現(xiàn)階段車廠可能直接接觸晶片供應(yīng)商，討論未來(lái)電動(dòng)車的晶片需求。車廠會(huì)向晶圓代工廠提出非正式的供貨協(xié)議，或者要求IDM廠商與特定的晶圓廠簽訂長(zhǎng)期合約，簽約的產(chǎn)能以IDM廠缺乏的先進(jìn)製程產(chǎn)能為主，確保在電動(dòng)車所需的大量先進(jìn)製程晶片能夠穩(wěn)定供貨。

同時(shí)車廠直接向IDM廠提出電動(dòng)車的晶片運(yùn)算、規(guī)格需求。在車廠與供應(yīng)商新的互動(dòng)模式中，可以看到Tier1廠商的角色出現(xiàn)變化。在IDM廠商直接與車廠聯(lián)繫后，Tier1過(guò)去作為兩方溝通橋梁的角色看似被弱化，而IDM廠的話語(yǔ)權(quán)增加。但是IDM廠的技術(shù)以IC設(shè)計(jì)及生產(chǎn)為主，而整車的晶片都需要整合到系統(tǒng)內(nèi)，車廠才能採(cǎi)用相應(yīng)的產(chǎn)品，所以Tier1的系統(tǒng)整合角色還是不可取代，車用晶片仍需要透過(guò)Tier1的系統(tǒng)整合來(lái)實(shí)現(xiàn)完整的車用產(chǎn)品。

車用晶片供應(yīng)商恩智浦半導(dǎo)體(NXP)便認(rèn)為，汽車製造商目前面臨眾多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，包括為了為后續(xù)的汽車技術(shù)演進(jìn)奠定基礎(chǔ)，需要將連接、安全、電氣化功能整合至未來(lái)的軟體定義汽車中。因此汽車OEM廠必須在車輛中整合至少上百個(gè)處理器，并挖掘分散電子控制單元所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以應(yīng)對(duì)車用軟體迅速成長(zhǎng)的趨勢(shì)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，汽車廠商需要轉(zhuǎn)向平臺(tái)化的架構(gòu)演進(jìn)，確保各品牌和不同型號(hào)產(chǎn)品間的一致性，同時(shí)充分運(yùn)用軟體重複使用來(lái)節(jié)省軟體開(kāi)發(fā)成本。

車用晶片市場(chǎng)從2019年底開(kāi)始，面對(duì)內(nèi)外夾攻的挑戰(zhàn)。外部衝擊來(lái)自疫情與國(guó)際局勢(shì)變化，同時(shí)車用晶片本身也面對(duì)電氣化與自駕技術(shù)帶來(lái)的挑戰(zhàn)。電動(dòng)車所需的先進(jìn)製程晶片數(shù)量大幅增加，因此車廠開(kāi)始和IDM廠及晶圓代工廠打交道，希望確保晶片規(guī)格與產(chǎn)能符合需求。自駕的應(yīng)用則需要透過(guò)高算力的晶片來(lái)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)方必須解決先進(jìn)封裝伴隨的晶片失效機(jī)率增加，市場(chǎng)面則還有法規(guī)與車廠態(tài)度等挑戰(zhàn)，近年尚難實(shí)現(xiàn)Level3的全自駕應(yīng)用。車用晶片供應(yīng)鏈面對(duì)多重的變局，產(chǎn)生更靈活的運(yùn)作模式，期望提高晶片供應(yīng)的彈性，為往后可能再發(fā)生的缺貨潮或者其他的風(fēng)險(xiǎn)做足準(zhǔn)備。