比亚迪的芯事：半导体产业的缩影与鸿沟

[ 爱卡汽车 爱卡独角 SHOW 原创 ]
近年来，汽车产业除了原材量价格上涨之外，听到最多的就是 " 缺芯 "，一颗小小的芯片身价甚至翻了上百倍，即便如此仍然是 " 一芯难求 "，这也导致全球各大车企都曾因为缺少芯片进而选择减产甚至停产。但就是在这样的大环境下，有一家车企却能独善其身，它就是那个连芯片都要自己造的比亚迪。

一、目前国内芯片产业现状
半导体号称是科技界的 " 原油 "，没有半导体产品，任何科技产品都没法生产。但是，国内目前的芯片产业依然重度依赖进口，不论是汽车领域还是其他高新技术产业都受到波及。
在 2021 年，芯片成为我国第一大进口商品，是石油的两倍还多，进口额近 4400 亿美元，约 2.8 万亿人民币。芯片进口额占 GDP 比例接近 2.45%，中国每年进口集成电路的金额占中国所有进口金额的 16%，也就是说每进口 6 块钱的商品中，就有 1 块钱是芯片，而这个数据还是在被美国制裁之后的数据。

我们确实应该感谢美国的 " 当头一棒 "，让我们意识到芯片对于国家科技发展的重要性。从 2019 年 5 月华为芯片被制裁开始，中美贸易战已经过去整整 3 年多的时间，国家也在近些年开始大力发展半导体产业，到 2021 年中国的芯片产能已达到日产 10 亿颗，但这其中还包括了在中国设厂的境外企业，如台积电，三星，海力士等。所以刨除掉境外企业，目前国内芯片生产依然十分落后。

其实国家早就注意到了这一状况，并且制定了一系列方案来应对，但到目前为止，并没有达到预期的效果。2015 年《中国制造 2025》计划出炉，半导体自制，成为该计划的重点核心产业。2025 计划中设定：到 2020 年，半导体自给率达到 40%，2025 年要达到 70%。
如今已经 2022 年，如果将所有国内生产的芯片都算上（很多都是低端芯片），自给率也只有 36％，而 2019 年我国芯片自给率为 30% 左右，也就是说两年的时间自给率增加了 6%，平均每年增加仅 3%，如果按照这个增速，到 2025 年我国芯片自给率也仅仅达到 48%，与 70% 自给率这个目标相去甚远。要达到 2025 年 70% 自给率这个目标，国产芯片仍然还有很远的路要走。所以说，目前中国的芯片生产能力不足，很容易被卡脖子，尤其是高端芯片的生产以及汽车芯片。

根据 2021 年中汽协数据，我国汽车芯片自给率只有 5% 左右，这也是为何上海疫情爆发之后，许多汽车主机厂因为缺少芯片而停产的原因所在，就是因为太过于依赖进口芯片。
二、一段芯事：比亚迪自研芯片历史
提起比亚迪，很多人的第一印象是个汽车品牌。其实，在半导体领域，比亚迪也堪称国产芯片 " 先行者 "。比亚迪在 2002 年成立 IC（集成电路）设计部，与造车和电池计划几乎同时起步。目前，比亚迪芯片已经在多个领域实现应用甚至是盈利。比亚迪拥有已授权专利 1167 项，建立起了完整的自主知识产权体系，在芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试、系统级应用测试等环节均有一定建树。特别是在功率半导体、车规级芯片 IGBT、SiC 的研发方面，比亚迪有着 5 年打破外企垄断，13 年追平国际一流的辉煌业绩。

IGBT，又称 " 绝缘栅双极型晶体管 "，它像是一种承担 " 开关 " 功能的半导体器件，通过在电子设备中的高效快速开关，完成电流类型的转换和放电规模掌控。IGBT 器件类型有很多，比如应用于高铁领域的、航天领域的、汽车领域的，乃至工程设备领域的等等，而比亚迪聚焦的就是车规级 IGBT 芯片。
2009 年成功研发出第一代 IGBT 芯片，一举打破了国外的技术垄断，并且在 2018 年，比亚迪还推出了 IGBT4.0 芯片。截止 2020 年底，比亚迪 IGBT 芯片累计装车已超 100 万辆，单车行驶里程超 100 万公里。

目前，比亚迪已经研发成功 IGBT6.0，采用了 90 纳米工艺制程，在所有车用芯片中是最小的。与几纳米的手机芯片不同，车载芯片的技术核心是工艺的成熟度，由于其特殊的使用环境，车载芯片也不需要做到那么小，车载芯片更重视的是可靠性、耐用性以及制造成本。并且从比亚迪的招股书中可以看到，比亚迪 IGBT 采用 IDM 模式，能够自行设计、制造与封装。

比亚迪 IGBT 已经连续三年拿下车规级 IGBT 模块全球第二、国内厂商第一的成绩，但与排名第一的英飞凌相比，差距还是相当悬殊的。目前，英飞凌依然占据国内份额的 60%-70% 之间，而比亚迪则稳定在 15% 左右。当然，这与比亚迪长期奉行 " 自用优先 " 的发展路线也有关联。不过，随着比亚迪半导体的拆分上市，未来几年比亚迪 IGBT 的市场表现将有巨大的上升空间。
但随着市场对电动车型的电池容量、电机功率、充电效率和损耗的要求提高，IGBT 器件受制于材料特性，性能明显出现瓶颈，器件和车厂纷纷转向 SiC（碳化硅技术）。据研究数据显示，在 750V 高压状态下，碳化硅（SiC）部件比相同的硅基 IGBT 部件能效增加 8-12%，传导损耗减少 14%。此外，碳化硅可以在高频状态下稳定工作，得益于此，以该材料制作的控制芯片不仅可以实现更快的开关频次（约为 IGBT 的 5-10 倍），同时开关损耗比前者下降了 75%，这就为相应的软件管理策略预留了更大的空间。

而在 SiC 模块领域，比亚迪目前已经推出 1200V 1040A SiC 功率模块，突破了高温封装材料、高寿命互连设计、高散热设计及车规级验证等技术难题。在 2020 年 7 月推出的比亚迪汉 EV，通过配备自研的碳化硅电机驱动控制器，达成了 3.9 秒的 0-100km/h 加速时间和更亮眼的续航里程。
虽然比亚迪在 SiC 领域有了比较大的突破，但从全球碳化硅市场占比看，比亚迪还排不上名次。目前科锐（CREE）占据了全球 45％的市场份额，日本罗姆（Rohm）的子公司 SiCrystal 占据 20％，II－VI 占 13％；中国企业方面，天科合达占到 5.3％，山东天岳为 2.6％，目前主要的市场份额仍掌握在以美欧日为首的国家手中。
比亚迪：一个连芯片都要自己造的车企
三、哪些环节会卡脖子？
· 生产设备靠二手进口
虽然比亚迪半导体在车规级功率器件方面处于国内领先的地位，但受制于中国整体芯片产业水平，比亚迪的芯片产业链并不完善。尤其在制造设备上，比亚迪只能通过购买二手设备的方式提升产线生产率，并表示，8 英寸晶圆二手设备在市场上也处于供不应求状态。

目前，长沙比亚迪半导体有限公司 8 英寸汽车芯片生产线 9 月 5 日顺利完成安装，开始进行生产调试，预计 10 月初正式投产，可年生产车规级芯片 50 万片。但是该条生产线的光刻机、刻蚀机、离子注入机等关键设备均为进口，共 208 台套、1133 箱，货值约 8.9 亿元。
受制于国内芯片产业的整体水平，比亚迪在最关键的芯片设计工具 EDA 则完全受制于人。目前行业排名第一的英飞凌，是由德国西门子半导体部门拆分而来，而西门子 EDA 又是世界第三大 EDA 开发公司，靠着这层关系，英飞凌可以毫无障碍地使用最先进的 EDA 开发工具。

反观比亚迪方面，按照比亚迪在招股说明书中的描述，一直以来，比亚迪仅能通过购买旧版设备的方式，提升研发和生产效率。而随着海外三大 EDA 巨头 Synopsys、Cadence、Siemens 加入断供行列，比亚迪要追赶英飞凌的研发脚步，也将更加艰难。
不过，在 EDA 软件开发方面，国内也开始了全方位布局。国内 EDA 企业，在全定制模拟电路设计和数字前后端领域，已经积累了丰富的技术经验。相信在不久的将来，国内 EDA 开发工具也将陆续面世。
· IGBT 模块难有突破
除了生产工具被卡脖子之外，技术上的限制也是比亚迪要面对的事实。IGBT 模块目前比亚迪已经可以达到行业领先水平，但前面已经说到，IGBT 器件受制于材料特性，整体的性能表现已经很难在有所突破。所以各大厂商都开始向 SiC 方向发展，对于众多车厂致力于推广的 800V 高压平台，而适合在高压环境下工作的 SiC 材质几乎是所有推广 800V 高压平台车企的当前唯一的选择。

· SiC 模块成本颇高
但比亚迪在 SiC 模块方面虽然也取得了一定的成绩，虽然起步晚，产品迭代较少，这都影响了比亚迪半导体在 SiC 模块方面的发展。同时，成本也成为了比亚迪发展 SiC 模块的一个重要因素，比亚迪芯片目前还是以自用为主，所以比亚迪要优先车辆的成本控制。按照目前的市场行情，碳化硅（SiC）器件的价格大约为硅基 IGBT 器件价格的 4 到 5 倍。而造成该现象对的首要原因是碳化硅材质远高于硅基 IGBT 材质的硬度。这导致制造碳化硅（SiC）部件的厂商，从设备、工艺、处理到切割的一切都需要进行重新开发。
但即便是如此，SiC 模块的研发还是不能放弃，因为搭载 SiC 部件后的车辆可以适当简化驱动系统散热设计并削减电池容量，SiC 逆变器能够提升 5-10% 的续航，并节省 400-800 美元的电池成本（80kWh 电池、102 美元 /kWh）。而根据日本罗姆（Rohm）公司的推测，到 2025 年，几乎所有搭载 800V 动力电池的车型采用碳化硅 SiC 方案都将更具成本优势。

四、比亚迪半导体给国内芯片产业的警示
王传福和比亚迪半导体高管在接受采访时都说，造芯片不是因为想造，而是因为买不到。所以比亚迪半导体的强势方向都是围绕比亚迪集团发展汽车、光伏所必须的半导体产品。
而且，比亚迪还坦言其自身也是通过购买二手设备的方式提升产线生产率，并表示，8 英寸晶圆二手设备在市场上也处于供不应求状态。而且比亚迪半导体在芯片设计工具—— EDA、IP 核，以及其它上游原材料方面，也都不具备自产能力。所以在很多层面还是受制于人。

比亚迪半导体所面临的问题，不仅是自己所面临的问题，更多的是中国半导体产业链的整体性问题。具备 IDM（既能设计，又能生产）能力的自主半导体厂家，全部面临芯片设计软件、生产设备受限的问题，比亚迪半导体也未能幸免。并且，国内芯片在生产工艺、产品质量上，仍然与业内一线厂家存在一定差距。这些差距，需要国内半导体企业通过不断的工艺迭代与经验累积，才能形成突破。
目前国内很多国内汽车厂商都已经意识到芯片的重要性，也不再轻易相信 " 全球一体化 " 这样的言论，所以都宣布将加快自研芯片的速度。但局限于一个领域并不能对整个产业链造成太大影响，而是应该具备为产业链造血的能力，而且应该出现更多的、具备孵化产业链能力的汽车公司。只是受限于产业发展，终究会被所在产业裹挟，只有跳出产业局限，才能颠覆产业。

全文总结：目前国内半导体产业整体发展都慢人一步，主要核心设备还受制于外企。并且半导体的研发是一个长期且投资体量巨大的产业，虽然国内现在从事半导体相关产业的公司如雨后春笋一般冒出，但巨额的资金投入让这些企业很难能够设计并生产出高端的芯片，只有像华为、比亚迪这种资金雄厚的企业不怕烧钱、烧时间、烧人才。
而且，当一样资源一旦被摆上了战略的高度，那就必然会陷入大国的博弈。好在如今国内半导体产业得到重视，国家也开始大力扶持，与国际一线厂商之间虽然有差距，但差距也正在逐渐缩小。" 集中力量干大事 " 是我们的优势，相信在未来，国产半导体不光可以做到自给自足，而是可以向其他产业一样，完全打破海外的垄断，将话语权掌握在自己手中。
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