半導體技術是所有現代汽車的核心，這毋庸置疑。基于半導體技術的計算機在車輛中的使用可以追溯到20世紀60年代，當時它被部署在動力系統應用中，如燃油噴射、變速箱控制和早期駕駛員輔助（如防滑控制）等。早期的發展重點是發動機控制、改善排放以及牽引力控制、防抱死制動等駕駛員輔助功能。
在過去幾十年中，特別是本世紀之交以來，微控制器（MCU）在車輛中的應用和普及率與日俱增，現在幾乎控制了車輛運行的方方面面。現在MCU用于處理大多數電子驅動系統，如車窗、電動調節后視鏡、信息娛樂、音頻系統、方向盤控制等，在整個汽車上傳遞輸入、執行驅動和執行計算。這也使公眾對汽車的認知轉變為“車輪上的電腦”。
自動駕駛半導體增速最快
IDTechEx剛剛發布的“汽車半導體2023-2033”報告認為，汽車半導體市場的10年復合年增長率將達到9.4%，而用于ADAS和自動駕駛的半導體將以29%的10年復合年率增長。因此，自主將是汽車半導體行業的福音。相關應用包括汽車自動化、ADAS、連接、信息娛樂和電氣化，不僅需要更多的MCU，更需要先進和密集處理的尖端半導體技術。
不同車輛應用的半導體晶圓價值
隨著電動汽車在市場上站穩腳跟以及自動駕駛功能的出現，該行業正處于第二次汽車半導體應用熱潮的開始。用于自主技術的傳感器和高性能計算機需要由稀有材料制成的半導體，以及使用最先進處理技術的硅片；電氣化也需要在功率電子和電池管理系統中消耗大量的半導體，前者將從硅過渡到性能更高的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）技術。
一段時間以來，業界一直認為自動駕駛汽車即將到來，但在某些方面它已經出現。就在上個月，繼2022年在德國獲得認證后，梅賽德斯-奔馳S級在美國獲得了SAE L3認證。其意義在于，S級往往是汽車行業的潮流引領者，在未來十年，L3技術的汽車價位將逐步下降。即使是L4車輛現在也在一些城市建立了存在。在美國亞利桑那州鳳凰城，任何人都可以使用Waymo的完全無人駕駛自動出租車，前提是路線和最終目的地在選定的地理圍欄區域內。
自動駕駛汽車需要更多半導體
ADAS和自動駕駛汽車有望以其所能提供的超人安全性徹底改變運輸業，其能力源于依靠先進半導體技術提供最佳性能的傳感器和計算機。因此，ADAS和自動駕駛汽車將成為汽車半導體市場增長的一大動力。三個因素將共同推動高增長率：L3和L4自動駕駛汽車的出現和采用以及所需的傳感器；汽車傳感器向更先進的半導體過渡；將高性能計算應用于車輛。
IDTechEx的研究表明，在ADAS采用方面，2021年全球售出的新車中，有39%在發貨時配備了足夠的ADAS功能，以符合L2標準。這些汽車至少配備了自適應巡航控制和車道保持輔助系統。2021發貨的另外39%為L1，剩下的只有12%為L0或沒有任何自動化技術。
L3車輛也已進入市場。2021年，本田傳奇在日本被授予L3，出貨100輛。2022年，梅賽德斯S級在德國獲得了L3認證，年銷量在10萬輛左右。
在自動駕駛系統中，半導體的作用更是當仁不讓，從L3開始需要比ADAS系統更多的傳感器。L4 Robotaxi將擁有更全面的傳感器套件，以提供商用車輛所需的魯棒性。L3及以上車輛極有可能至少使用一個激光雷達（LiDAR），這將推動高價值半導體的增長。由于計算負荷遠高于ADAS車輛，L4乘用車和Robotaxi可能會使用重復的計算機系統實現冗余。此外，高度自動駕駛車輛的豪華特性將使整個車輛中MCU的使用量增加。
來看看ADAS系統中有哪些半導體。在更先進的車輛中，ADAS/AD處理器執行傳感器融合、目標檢測、路徑規劃和請求車輛行動等功能。這些功能使用非常高端和先進的單元，通常是3-7nm FinFET。
攝像頭MCU處理來自攝像頭的數據，并執行一些ADAS功能，例如車道保持輔助和自動緊急制動。通常采用40nm CMOS或90nm SiGe BiCMOS，更先進的可能使用28nm Si CMOS FD SOI。攝像頭圖像傳感器基于CMOS，采用大多數成熟節點，如65nm、90nm和130nm。
雷達MCU用于預處理來自收發器的數據，采用40nm以上工藝，未來趨勢是集成到收發器中，需要40nm及以下工藝。雷達收發機（Si和SiGe）生成雷達信號并將回波轉換回電子數據，通常使用90nm節點的SiGe BiCMOS制成。一些tier 2正在過渡到40-45nm Si CMOS，趨向于集成MCU的雷達SoC。未來的技術將使用28nm CMOS、22nm FD-SOI及更小的器件。
激光雷達MCU預處理數據并將數據中繼到ADAS/AD域控制器。激光雷達的激光發生器、激光探測器和激光驅動器中使用多種半導體，包括Si、GaN、InP、GaAs、InGaAs、Ge等。
傳感器的三個趨勢
對于傳感器，不僅是更多，而且還需要使用更昂貴、更先進的半導體技術來實現性能更高的傳感器。例如，之前雷達已經使用了相當成熟的90nm SiGe BiCMOS技術，但對更好性能的需求意味著下一代4D成像雷達將采用40nm及以下節點的SiCMOS技術。隨著節點尺寸的減小，這些雷達將獲得性能，但也將增加成本。
最近，激光雷達價格一直在下降，其采用率也在不斷提高。它是L3及以上級別車輛的關鍵傳感器，但由于其帶來的安全優勢，它也將開始穿透L2及以下級別。近紅外激光雷達目前部署最多，其探測器可以建在硅上，因此非常便宜。但激光雷達的趨勢是短波紅外，在提供性能優勢的同時需要更昂貴的InGaAs探測器。因此，激光雷達將越來越多地采用并向更高價值的半導體類型過渡。
令人感興趣的是激光雷達驅動的非硅基半導體需求的增長。如今，大多數激光雷達在近紅外（NIR）區域工作，典型波長為905nm，這可以通過硅光電探測器實現。然而，未來的激光雷達很可能使用典型波長為1550nm的短波紅外（SWIR）區域。1550nm激光雷達發布的壓倒性優勢顯示了這一趨勢。
雖然特斯拉一直在公開反對激光雷達，但自主領域的其他主要參與者Waymo、Cruise、戴姆勒和本田等都在其高度自動化的車輛上使用激光雷達。事實上，截至2022年底，道路上只有兩輛經過SAE L3認證的車輛（在某些情況下不需要駕駛員監控）：梅賽德斯S級和本田傳奇。IDTechEx預計，在未來10年內，將有更多高端車輛效仿S級，廣泛采用L3技術。當然，這將推動這些高度先進車輛所需的所有傳感器類型和計算機的半導體需求。
傳感器的趨勢有三：一是隨著自動化程度的提高，車輛周圍的攝像頭將變得越來越多，紅外攝像頭很可能加入其中；二是L3及以上車輛周圍的激光雷達將增加；三是L3及以上車輛典型安裝五個雷達，雷達本身將使用更先進的收發器芯片提供更高的性能。
寫在最后
汽車行業面臨著越來越大的通過電氣化實現脫碳的壓力，2022年電動汽車銷量已增長至所有新車銷量的10%左右，正走出早期采用階段，走向更廣泛的采用。電動汽車的功率電子產品和電池組帶來了額外的需求，推動了半導體行業的增長。
主機廠一直在尋找通過提高車輛效率來擴大續航里程的方法，一個越來越受歡迎的途徑是從硅逆變器轉向碳化硅逆變器。有兩個因素促使特斯拉、梅賽德斯、奧迪和福特、比亞迪、小鵬等電動汽車主機廠轉向碳化硅。首先，一些主機廠正計劃從400V架構過渡到800V架構。較高的電壓降低了實現相同功率所需的電流量，減少了動力傳動系統中的歐姆損耗，提高了效率。碳化硅更適合更高的電壓，因此是比硅更明智的選擇。采用碳化硅的第二個原因是，在400V時，碳化硅也比硅更高效，這就是為什么像特斯拉這樣的玩家會感興趣，盡管其現有的400V增壓器網絡很難過渡到800V。
總之，未來的汽車將更加先進，并要求半導體行業取得更多進步；自主性不僅僅是驅動一個產業，而是將帶動整個汽車半導體行業的發展。
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