汽车新定义 02篇 | 国产汽车芯片加速崛起,新“芯”之火,可以燎原

原标题:汽车新定义 02篇 | 国产汽车芯片加速崛起,新“芯”之火,可以燎原

出品 | 搜狐汽车研究室

作者 | 鲁楠

编辑 | 李德辉

摘要:

1. 汽车芯片市场持续增长,受智能网联渗透影响,逻辑IC和存储IC快速发展,竞争格局发生转变;

2. 欧美日芯片企业在诸多领域占据主要市场份额,本土企业加速追赶,在AI计算和C-V2X领域表现突出;

3. 集成电路产业基础薄弱,自给能力不足,车规级芯片的高技术门槛和固化的产业格局是制约我国汽车芯片发展的重要因素;

4. 加大政策牵引,聚焦关键领域,鼓励创新驱动,强化产业链协同是我国汽车芯片产业崛起的必由之路。

一直以来,我国并没有摆脱汽车产业“大而不强”,集成电路产业“缺芯少魂”的困难局面。尤其在汽车芯片领域,国外企业长期割据,本土企业几无立锥之地。

所幸近年来我们也看到来自华为、地平线、寒武纪等一些自主厂商的曙光。面对逐渐升级的科技制裁,产业形势日趋严峻,我们不禁有这样的疑问,自主厂商的红旗到底能打多久?

1930年,大革命失败后红军革命暂时进入低潮,毛主席在准确分析革命局势后对党内悲观思想做出纠正,指出:“星星之火,可以燎原。这就是说,现在虽只有一点小小的力量,但是它的发展会是很快的。它在中国的环境里不仅是具备了发展的可能性,简直是具备了发展的必然性。”

90年后的今天,我们认为自主芯片厂商燃起的星星之火,乘着汽车“新四化”的东风,也一定可以实现燎原之势。

在汽车新定义的第一篇”汽车新定义 | 如何重新定义汽车,请由芯片先回答”中我们介绍了芯片在汽车智能化的进程中发挥的重要作用,第二篇我们将具体梳理全球汽车芯片产业格局,分析我国汽车芯片企业面临的主要挑战,并探讨产业突围的可行路径。

01 汽车芯片产业格局如何?

在上一篇文章中我们提到,很难将汽车芯片从汽车半导体的范畴中完全划分出来,所以对于汽车芯片的产业规模,我们将从汽车半导体整体市场规模和部分重点领域来看。

l 汽车芯片市场规模与产业结构

据IHS预测,2020年全球汽车半导体市场规模预计超过450亿美元,约占全球半导体市场的10%,2018-2025年复合增长率约为7.1%,预计2025年全球市场规模将达到630亿美元。

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从市场结构来看,当前模拟IC规模占比最高,达到28%,2019年市场规模为116亿美元。逻辑IC、存储IC、微控制器市场规模分别为50亿美元、36亿美元、71亿美元。

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受智能网联持续渗透的影响,未来汽车半导体中增长最快的领域为逻辑IC和存储IC,预计2018-2025年将保持超过12%的年复增长,在汽车半导体市场中的占比显著提升。

反应在系统上,2019年ADAS和信息娱乐系统半导体市场规模分别为54亿美元和108亿美元,是除新能源系统外增长最快的领域,2018-2025年复合增长率分别为16.8%和5.7%。

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就全球半导体市场的竞争格局来看,优势企业主要集中于美国、欧洲地区的德国、法国、荷兰、瑞士等,亚太地区的日本、韩国、中国和以色列等。

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恩智浦、瑞萨电子、英飞凌、意法半导体、德州仪器等传统汽车芯片巨头具备丰富的产品布局和领先的技术实力,2019年占据全球汽车芯片50%的市场份额。

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由于设计、生产等方面的技术差距较大,至今我国未形成具备国际竞争力的汽车芯片供应商,整体在汽车芯片领域的市场份额极低。

2019年全球汽车电子控制单元供应商销量Top 50中,中国企业在逻辑IC中市场占比为5.2%,模拟IC市场占比为1.38%,存储IC市场占比为4.15%,分立器件占比为1.56%,光学半导体占比7.64%。

虽然在传统汽车半导体领域严重落后,但在智能网联的发展浪潮中,中国企业并没有继续充当看客。凭借自动驾驶和车联网领域的迅速发力,涌现出一批突出企业,如华为、地平线、黑芝麻、芯驰科技等。

l 汽车芯片细分领域规模与竞争格局

进一步我们聚焦功能芯片、主控芯片、存储芯片、通信芯片、功率芯片等市场价值链重点领域,为大家介绍一下市场结构和竞合关系。

  • 功能芯片领域

微控制器当前市场规模为71亿美元,并以2.8%的年复增长率保持稳定增长,预计2025年将增长至89亿美元。

微控制器领域,MCU占据主要的市场份额,随着汽车处理复杂运算和控制功能的需求提升,32位MCU为行业应用主流,8位和16位市场需求减弱。

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在MCU领域,英飞凌、瑞萨、恩智浦、ST为头部企业,均具有覆盖不同应用和功能的完整MCU产品线。并且近年加快并购步伐,市场进一步集中,排名前五的国外MCU厂商已占据全球约80%的市场份额。

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国内MCU公司在市场份额上与国外企业差距巨大。上市公司中颖电子、兆易创新、东软载波都涉及汽车电子领域,但市占率极少。杰发科技于2018年收获车规级MCU芯片订单,标志国内首款通过AEC-10 Grade1的车规级MCU正式量产上市,打破国外技术垄断。

  • 主控芯片领域

逻辑IC中,SoC系统级芯片需求逐年增长,将占据市场核心地位,预计2025年市场规模有望达到82亿美元,目前呈现出传统汽车芯片厂商和ICT厂商群雄逐鹿的竞争格局。

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瑞萨电子、恩智浦、德州仪器等传统汽车芯片企业是当前量产环节的主导力量,凭借深厚的汽车芯片设计经验,在嵌入式计算处理器领域与汽车软件、系统开发商深度绑定,能够更好地协同车辆控制,把控功能安全需求。

英伟达、高通、Intel虽为传统ICT企业,近年来在汽车主控芯片领域大举布局,现已跻身全球汽车半导体前25,主打ADAS、自动驾驶以及智能座舱领域的芯片设计,具备传统芯片企业难以比拟的算力优势。除Intel Mobileye的EyeQ系列芯片广泛应用于ADAS、高通骁龙820A大量应用于车机系统,其他产品多处于研发应用和预量产阶段。

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我国企业主要发力AI计算领域,基于人工智能领域的研究突破,开发出一系列面向自动驾驶、座舱智能化应用的处理芯片,但现阶段芯片产品及势能较为薄弱,总体处于研发和车规级认证阶段。华为基于昇腾、昇腾、麒麟系列芯片实现了汽车智能计算平台的完整布局,地平线率先将AI芯片实现量产上车。

  • 存储芯片领域

在汽车存储IC领域,智能座舱和自动驾驶的应用导致汽车程序、数据量激增,LPDDR(低功耗内存)和NAND(闪存)等高性能的存储器件成为重点需求,2019年市场规模分别约为8亿美元和10亿美元,2018-2025年预计保持16%和21%的年复增长。

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三星、海力士、镁光全球存储三巨头引领存储芯片技术的发展潮流,同时在汽车ADAS、信息娱乐系统中提供多种行业解决方案,从NAND、eMMC到容量更大、读写更快的UFD、PCLe SSD,紧跟自动驾驶和车联网带来的大数据量、大带宽吞吐需求。

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国内企业近年来逐渐实现存储技术突破,面对智能汽车给车载存储带来的机遇,兆易创新与合肥长鑫密切合作,2019年推出GD25全系列SPI NOR FLASH,满足AEC-Q100标准,是目前唯一全国产化车规存储器解决方案;宏旺半导体推出eMMC/DDR/LPDDR/SSD/DIMM等嵌入式存储、移动存储,拓展汽车电子应用领域。

  • 通信芯片领域

车载通信领域,当前主要应用为信息娱乐系统中的远程通信ECU和ADAS中应用的V2X无线通信模块,2019年市场规模约为49亿美元,年复合增长率约为7.6%。

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我国经过多年艰苦卓绝的追赶,在4G、5G时代实现后来居上,通信技术和市场应用均处于国际领先地位。在国家对智能网联产业的鼓励和支持下,车载通信取得迅速发展,在C-V2X车联网通信领域走出一条自主化的道路,实现了从芯片、模组、设备、整车、测试认证与运营服务的全产业链覆盖。

IHS 数据显示,中国有望在全球V2X市场上占据领先地位,预计中国将在2020年生产62.9万辆配备C-V2X技术的轻型汽车,并有望在2024年之前始终保持领先地位。

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蜂窝通信领域,华为已累计为全球数百万辆汽车提供4G通信模组,5G模组也已实现量产上车;C-V2X领域,国内涌现出华为、大唐、高新兴、移远通信等为代表的一大批C-V2X芯片/模组企业,华为基带芯片Balong 765 、Balong 5000相继应用于车载单元和路边单元,大唐高鸿顺利实现C-V2X车规级模组DMD3A量产。

国外企业高通与高新兴、移远通信等国内模组厂商广泛合作,推动C-V2X芯片组在中国的推广应用,Autotalks积极与大唐等中国厂商进行C-V2X芯片组级互操作测试。

  • 功率芯片领域

据IHS测算,2019全球汽车功率半导体规模约为59亿美元。其中功率晶体管和晶闸管占比约为46%,IGBT占比约为10%。平均每辆燃油车上功率半导体成本约为500元,每辆纯电动功率半导体的成本约为2800元。

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欧美日国家是全球功率半导体器件的主要供应方,主导着全球功率半导体技术和市场的走向,英飞凌、安生美、意法半导体、三菱、威视等企业长期占据全球70%的市场份额。

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我国大陆和台湾分别占据全球功率半导体10%的市场份额,处于功率半导体器件供应链的相对末端,产品以二极管、晶闸管、低压 MOSFET 等低功率半导体器件为主,90%的器件和设备都需要从国外进口。

在国内新能源产业快速发展的驱动下,功率半导体厂商积极布局。MOSFET方面,闻泰科技占据全球4%的市场份额,华润微电子在国内MOSFET市场占比8.7%;IGBT方面,中国企业主要有株洲中车时代电气、比亚迪、斯达股份、上海先进等。

比亚迪、中车时代已实现车规级产品的量产应用,但总体仍处在构建产业链、提高良率、追赶国际先进技术水平的过程中。

总体而言,虽然传统汽车芯片领域市场格局较为稳定,但在智能网联和软件定义汽车的浪潮下,汽车芯片技术和市场的发展动能逐渐向下游传导、向外围扩散,推动芯片竞争将愈演愈烈。

以往Tier 1通常采购Tier 2的芯片,然后向整车厂销售完整的系统,但如今他们也正探索向芯片设计、系统开发、应用软件的发展路径,以提升行业话语权。德国大陆集团对 Elektrobit 公司(简称 EB)的收购、电装成立全资子公司NSITEXE从事半导体知识产权芯核的设计及研发工作便是这一趋势的印证。

部分汽车制造商正在设计自己的汽车电子芯片(如特斯拉),并将业务活动从核心硬件延伸至链接用户更为密切的软件和操作系统上,以及开展特定服务或提供其他数字内容。

02 我国发展汽车芯片产业面临哪些挑战?

我国汽车芯片技术与市场全面落后的主要原因是我国芯片产业起步较晚,基础薄弱,同时车规级的开发和量产应用面临诸多制约因素。

l 市场需求旺盛,自给能力不足

为了解我国芯片产业的发展现状,我们主要从产业规模、自给能力以及产业链成熟度进行梳理。

近年来,受物联网、信息通信、汽车电子等产业发展的影响,我国芯片产业市场需求保持高速增长。据中国半导体行业协会统计,2019 年我国芯片产业规模为1084亿美元,同比增长16.2%,但仍不能满足国内消费需求,每年需大量进口芯片。

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根据中国海关数据,2018年我国集成电路的进口额为3120.58亿美金,同比增长19.8%,净进口额为2274亿美金,占据全球市场的58%。

据BCG统计,2018年由中国公司设计和销售的半导体只占全球半导体市场份额的3%,产业链自给能力在14%-33%之间,半导体产业严重受制于人。

从我国芯片产业结构来看,2015年以来IC设计、芯片制造、封装测试市场规模皆保持逐年增长,其中IC设计市场占比最高,芯片制造占比最低。

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设计环节:2018年全球Fabless芯片设计产业产值规模达到1084亿美金,中国大陆企业占比为12%。2018年国内共有1698家IC设计企业,企业营收规模过亿的企业仅208家,其他大部分公司处于起步阶段。

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制造环节:半导体制造是我国芯片产业的严重薄弱环节,从原材料、生产设备到制造工艺,与国外同行存在较大差距。尤其生产设备,当前严重依赖国外厂商,短期内难以实现自给。2018年我国在全球晶圆代工市场规模占比仅为10%。

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封测环节:在全球封测行业市场中,中国台湾地区、中国大陆和美国占据整个封测市场81%的份额,形成了三足鼎立的格局。国内封测企业通过外延式扩张获得了良好的产业竞争力,技术实力和销售规模已进入世界第一梯队。

总体而言,除供应全球20%的封测业务外,我国企业在全球半导体产业链上的诸多环节缺乏存在感,国产化率低、话语权少,亟需加快发展阶段。

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l 汽车芯片产业面临的主要制约因素

由于芯片产业基础薄弱,我国汽车芯片的发展也面临重重困难,既有自身的不足,也有来自外部的限制和打压。

Ø 设计与制造上游受制于人,美国制裁持续升级

从近期美国对中国的科技制裁来看,我国芯片产业的长期薄弱、严重受制于人的局面主要体现在设计和制造的上游,即IP内核、软件工具、制造设备等。

在芯片设计领域,上游IP和EDA软件工具仍严重依赖国外供应商。微控制器、CPU、AI芯片的开发多采用ARM公司的芯片架构和指令集。芯片设计软件EDA也严重依赖美国, Synopsys,Cadence,Mentor Graphics三家在 EDA 行业几乎形成垄断。

在芯片加工领域,我国主要受限于先进制造设备,当前最先进的加工技术节点为14nm。2018年中芯国际花费1.2亿美元购买EUV光刻机,受美国多方阻挠,至今仍未交付。

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短期内,汽车芯片对制造工艺的需求并不如消费电子那么高,40nm以上的工艺应用较为广泛,对低制程芯片产品不会造成太大影响。但长期来看,先进制程是发展趋势,先进工艺平台不可或缺。

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当前美国对中国芯片和科技企业的制裁几近扼住咽喉,制裁举措愈加频繁,实体清单上的企业越来越多,企图从技术、制造、市场等维度全面封杀国内企业的发展。

例如,美国对华的制裁就是设计和生产环节的彻底封锁,直接导致华为在设计端无法获取ARM公司的最新IP架构,长期影响芯片产品竞争力;在生产端,5月15日美国政府发布的新禁令要求台积电在9月14日之后停止向华为供货。

Ø 技术门槛高,资金投入大,新兴芯片厂商生存艰巨

汽车级芯片有着比消费级芯片更高的技术门槛,工作温度覆盖-40℃到155℃,需克服振动、电磁干扰影响,且应保证15年使用周期的高稳定性,供货周期长达30年。

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其次,汽车芯片产业化周期漫长,供应体系门槛高,车规级的认证通常需要3-5年时间,对芯片厂商而言是极大的技术、生产、时间成本的考验。从初始设计到量产落地,用十年磨一剑来形容也并不夸张。

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进入汽车电子主流供应链体系需满足多项基本要求:

  • 满足北美汽车产业所推出的AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200 (被动零件)可靠度标准;
  • 遵从汽车电子、软件功能安全国际标准ISO 26262。
  • 符合ISO 21448预期功能安全,覆盖基于非系统失效导致的安全隐患;
  • 满足ISO21434网络安全,合理保障车辆和系统的网络安全;
  • 符合零失效的供应链品质管理标准ISO/TS 16949规范;

这个领域的领头羊 Mobileye 用了整整8年才获得第一张车企订单,而上市则是在其成立15年之后;英伟达当前主力芯片Xavier的研发耗资达 20 亿美元。

所以对于后进者来说,几乎难以撼动原有市场。

一方面由于行业中各环节和先进技术是叠加式发展的,技术的瓶颈使得短期内很难完成追赶,另一方面行业普遍倾向采购先进产品,市场集中摊薄了开发成本,加上工艺的改进,往往在成本上比落后产品更有优势。

此外,传统汽车领域一级系统供应商与二级芯片供应商普遍存在高度绑定,开发协同效应显著,供应链格局较为稳定,新兴企业难以轻易跻身。如果没有量产车型的支撑,既无法实现自我造血,也无法在真实应用中检验芯片,制约芯片的长期开发迭代。

对于进入汽车芯片产业的新兴企业来说,生存就已经是巨大的挑战。

黑芝麻科技CSO曾代兵表示:“ 试错的成本——动辄千万美元起的损失和至少半年的市场机遇错失——对于很多企业来说简直就是灭顶之灾,并且规格定义、芯片设计、验证、制造、封装等多个环节当中都不容许出错,必须短板也足够强才能活下来。”

03 我国汽车芯片产业突围的可行路径

就当前我国集成电路产业的发展水平而言,短期内较难撼动汽车芯片产业稳定的市场格局。但行业正处在变革的窗口期,长期来看,智能网联和新能源的赛道上我们存在弯道超车的可能。

l 紧抓市场机遇,重点发展自动驾驶、车联网等关键领域

智能网联的发展将为汽车芯片带来巨大的市场空间。据测算,2020年中国乘用智能网联汽车市场规模分别为558亿美元,复合增长率约为19%,2025年将达到1347亿美元。如此大的市场,自然不能再轻易拱手送人。

智能网联领域我国的优势主要表现在自动驾驶(人工智能)和车联网领域。

截至2019年,我国共有745家人工智能企业,不断发展的先进算法和算力,正在加速自动驾驶领域芯片和软件的发展。2019年美国加州车管局(DMV)提交测试报告的33家自动驾驶公司中,中国共11家,并有5家企业进入前十。2020年Waymo自动驾驶算法挑战中地平线获得4项全球第一。

2019年10月 “跨芯片模组、跨终端、跨整车、跨安全平台”的LTE-V2X四跨互联互通应用示范成功完成,充分展现我国覆盖C-V2X全产业环节的技术能力,已具备大力发展C-V2X的基础条件。全国遍地开花的车联网示范区正在持续推动国内C-V2X产业化落地,随着国家政策的有力支持和商业模式的进一步明确,C-V2X芯片/模组、T-BOX、RSU等车、路端设备将迎来迅猛发展。

大力发展自动驾驶和车联网,加快AI芯片、C-V2X芯片组量产应用,有望支撑自主车企和本土汽车芯片企业在智能网联赛道实现弯道超车。

l 促进行业标准统一,加强产业链上下游协同

当前,自动驾驶芯片、C-V2X通信芯片尚未规模化量产,从底层芯片到系统软件、从功能软件到上层应用,产业分工合作的模式仍处于探索之中。对于我国芯片企业和整车企业而言,此时正是大好的追赶时机。

芯片企业需把握发展机遇,积极与整车厂开展合作,以开放合作的芯片平台来推动汽车功能定制化,共同定义适合本土车企应用需求的芯片产品。地平线与长安汽车合作开发的智能驾舱NPU计算平台成功实现量产,即是一个成功案例。

在功能定义汽车的驱动下,未来必将迎来“芯片+算法+工具链”协同发展。无论是汽车芯片企业还是Tier 1,联合软件服务商、算法开发商,推进软硬件协同开发是非常必要的,有助于从功能、性能、功效、稳定性和成本等方面创造差异化,更好的实现自动驾驶、智能座舱多元化的功能需求。

产业协同的一项重要前提是,加快建立符合我国产业需求的芯片及汽车计算平台行业标准,实现芯片、软件、中间件、接口协议互通互用,传感器、处理器、执行器数据格式标准化,破除产业发展壁垒。

l 充分发挥创新驱动作用,实现变道突破

国产芯片设计公司在发展过程中,赛道选择非常重要。芯片设计公司的下游应用领域的景气度各不相同,技术更迭速度、性能可靠性要求、竞争格局也是千差万别。

合理规避高专利壁垒和低门槛红海市场,找寻适合我国汽车芯片发展的优势细分领域,有助于在激烈的市场竞争中实现变道超车。

例如,汇顶科技在生物识别领域深耕多年,凭借屏下指纹技术在消费市场远超海外竞争对手,并成功实现指纹芯片在领克汽车的量产应用;亿咖通与云知声的合资企业芯智科技致力于强化语音领域的车端AI处理能力,首款车规级全栈语音 AI 芯片流片成功。

为摆脱硅基半导体落后于人的局面,近年来我国在碳基半导体、碳化硅半导体领域持续开展创新突破,一定程度上提升了我国在全球半导体行业的发言权和地位。适时发展碳化硅半导体、碳基半导体,可规避国外技术垄断,开辟新的蓝海。

l 加强对海外及本土优质资源的并购整合

汽车芯片的种类众多,如完全通过自主研发,会花费较高的时间成本,同时,自研芯片推出后的认证流程、客户更迭也存在不确定性。于是,并购优质企业、整合优秀研发团队成为切入芯片新市场最经济有效的方式。

通过并购赛道优质,产品竞争力强,技术储备完善的龙头企业,不仅可以快速获取先进技术,也可大幅提升原企业业绩表现,同时带来全新的市场与客户,拓宽发展空间。

近年我国半导体设计板块涌现出一系列成功的并购案件,如韦尔股份并购豪威科技、闻泰科技并购安世半导体、北京君正并购北京矽成,闻泰科技收购安世半导体后在全球MOSFET市场提升至第六名。

在美国的制约下,国内半导体行业在欧美市场的并购空间受限,可转而在以色列、俄罗斯等地区开拓市场机会。

l 发挥政策牵引,持续加大产业扶持力度

产业的发展离不开国家政策的支持,自2006年国务院设立“核高基”重大专项,多年来我国从产业政策、重大专项、产业基金等维度对芯片产业的发展给予了大力支持。

为了培育中国芯片产业,2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》出台,建立1380亿元国家集成电路产业投资基金和近1400亿元地方基金。二期基金于2019年成立,注册资本2041.5亿元。二期基金将对国产装备、材料等上游产业链环节加大支持,提升产业基础能力,同时加重IC设计的投资比重。

行业预计围绕IoT/5G/AI/智能汽车等的IC设计、内存、SiC/GaN等化合物半导体可能成为今后投资的三大方向,为汽车芯片的发展带了巨大机遇。

2020年11部委联合发布的《智能汽车创新发展战略》中明确提出推进车规级芯片的研发与产业化,加快智能化系统推广应用,增强产业核心竞争力。

除了持续加大供给端的扶持力度,在尊重市场竞争规则的前提下,或可效仿新能源支持政策,适度提振汽车芯片的市场需求。对搭载汽车智能计算平台、车联网的车型实行补贴,鼓励、引导整车企业提质升级,或可有效促进国内汽车芯片产业发展。

04 结语

中国汽车芯片产业的突破和强大并非一朝一夕之功,需要始于足下,需要遵循产业发展的客观规律。从单点突破到生态突围,紧抓智能网联和新能源发展机遇,中国的新“芯”之火,必将燎原。

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