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汽车电子,从哪几个层面为汽车市场注入了活力?

2020-11-26 黄烨锋 阅读:
智能化的电动车,在抽象层级结构上分成了感知层、决策层与执行层。这三个层级也代表了汽车半导体市场未来巨额的市场增量。其中感知层代表的是各类传感器产品,如摄像头、雷达、速度角度传感器等;决策层则是指计算控制芯片,如ECU、MCU等;而执行层就是电机、电控、转向等系统了,半导体在其中参与的主要是功率器件。

本月月初的全球CEO峰会上,比亚迪半导体总经理陈刚就提过智能化的电动车,在抽象层级结构上分成了感知层、决策层与执行层。这三个层级也代表了汽车半导体市场未来巨额的市场增量。HToednc

其中感知层代表的是各类传感器产品,如摄像头、雷达、速度角度传感器等;决策层则是指计算控制芯片,如ECU、MCU等;而执行层就是电机、电控、转向等系统了,半导体在其中参与的主要是功率器件。HToednc

昨天在上海举办的中国国际汽车电子高峰论坛上,参与的企业恰好包含了这三个层级。比如博世的产品就涵盖了执行层、感知层(与决策层),豪威则是典型的感知层供应商,而高通则更偏向决策层。另外还有像特斯拉、蔚来汽车这样的整车厂参与。这让我们有机会去更全面地了解现如今汽车电子行业的发展情况。HToednc

本次活动是由上海市科学技术协会、中国(上海)自由贸易试验区临港新片区管理委员会指导,由上海市集成电路行业协会主办,以及Aspencore、上海集成电路产业投资基金联合举办的。HToednc

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汽车电子巨额的市场增量

上海市科学技术协会党组成员、副主席陈丽在开场致辞时就提到,英国刚刚宣布将燃油乘用车与货车的禁售时间提前到了2030年,以实现英国的净零排放目标。而且英国的“禁燃令”实际上已经两度提前。这一点实则就是汽车行业大变局写照的具体体现。“汽车电子在新的历史时期,正在深刻改变行业,改变我们的生活。”HToednc

博世汽车部件(苏州)有限公司总经理,博世汽车电子中国区总裁Georges Andary则再度提到了汽车半导体市场,汽车电子及半导体成本分布,如下图所示:HToednc

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这张图的蓝色柱状条代表的是汽车电子成本占比,红色折线则代表每辆汽车中的半导体价值。Andary呈现的这份数据来源为IHS和德勤。预计到2030年,汽车电子在整车中的成本占比会达到45%,这是个不断攀升的过程。这也就为涉足汽车领域的电子及半导体企业提供了莫大的机遇。HToednc

而且很多此前并未参与汽车市场的半导体企业,典型如Intel、英伟达等现如今也参与到了汽车市场的竞争中来。这都是市场参与者期望从更广大的市场价值里分一杯羹的体现。HToednc

2010年的汽车内部,代码规模在1000万行左右。涉及的系统主要包括了电子稳定程序、防抱死制动系统、安全气囊、车身电子系统等。现如今汽车内部更多地加入了传感器,执行层采用更先进的功率器件,且控制层的算力在提升。汽车电子带来的,是未来车内3-5亿行的代码规模量。自动驾驶、车联网、智能座舱、信息娱乐系统等都成为未来智能网联车的关键。HToednc

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博世展位上展示的晶圆HToednc

“传统汽车的系统集成特点,包括了硬件驱动功能;系统及部件级安全;车内网络;具有专用集成电路能力的分布式功能。”Andary说,“而将来的特色,则至少包含了软件驱动功能;以服务为导向的系统设计;系统及组件级安全与保障;高带宽的车联网;半导体系统解决方案。”HToednc

去年年末我们在《构建一个时代:汽车电子与软件架构的10大趋势预测》一文中就已经提到了从技术层面上来看,汽车电子对汽车整个产业带来了翻天覆地的变化。博世半导体面向汽车领域所推的MEMS系统(如ESP系统、主动悬架、座椅舒适系统、安全气囊等)、ASIC芯片(如应用于电子驱动控制的、车内网络、电源管理芯片等)、功率半导体器件(逆变器、DCDC转换器、车载充电器等),以及最终构成系统(如ADAS、跨域软件解决方案等),可以认为是当代汽车电子对汽车产生革新的相对具体的写照了。HToednc

一辆车要配几颗摄像头?

如果针对汽车电子构造的崭新市场,选一个更具体的角度来做剖析,那么在CMOS图像传感器(CIS)市场上有一席之地的豪威科技面向汽车市场所推的CIS,显然是很具说服力的。豪威集团高级副总裁王崧多次强调说,虽然手机是CIS市场的绝对大头,但汽车则是“高速成长市场,单车可用摄像头数目很可观”。HToednc

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那么未来的汽车究竟会装多少颗摄像头呢?“最传统的汽车,后视会配1颗摄像头;现在有了环视,四周都能看到,环视系统在20万元以上的汽车上基本上都有;再往后就是ADAS,做L2实现防碰撞,至少需要4颗摄像头,既需要拍到画面,又需要定位测距——而且通常会有双目在同一个位置做对比,还需要防LED闪烁、HDR做完美融合;再来是流媒体后视,需要3颗摄像头;最后,还有装载于车内的驾驶员监控系统,现在的大货车、公交车上都已经能看到了。”HToednc

“所以基本上会有大约13颗摄像头,只不过现在的汽车主要在做的还是最初的后视和环视。”王崧说。而且未来数年内,单车摄像头的数量增长还表现出一个比较有趣的态势。HToednc

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“汽车CIS市场的成长是最快的。”这张图所体现的是,后视与环视以相对平稳的速度增长,而前视——典型如防碰撞之用的则成为重要的增量市场;且流媒体后视,尤其是流媒体的主后视(CMS)“明年后年会成为爆发点”,驾驶员监控系统(DMS)“未来也会成为爆发点。”HToednc

“这就和金字塔需求一样,先满足基本的后视与环视需求;然后再是防碰撞的前视;随后是流媒体后视;最后是驾驶员监控。”王崧谈到,“多个点,一波一波推动,所以汽车电子的CIS成长性非常好。”HToednc

除了车载摄像头的数量变化,如今的摄像头也正帮助满足更高的要求。包括弱光可视性、更低的功耗、更小的尺寸;更具代表性的是,豪威将HDR与防闪烁做融合。“从2005年到现在我们一直在探索怎样同时满足这两个特点。”HToednc

我们在豪威的展台上就看到了OX03C10、OX08B4C这样的产品。豪威标称140dB HDR和LFM(LED闪烁抑制)的汽车人眼视觉应用图像传感器,即是兼具了HDR和防闪烁这两者看似矛盾点的特性融合。HToednc

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豪威展台展示的OX08B4C图像传感器HToednc

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OX03C10图像传感器展示HToednc

与此同时,不同领域的CIS技术正在做“跨界融合”,如HDR这项技术原本就是汽车CIS的需求,毕竟车灯、路灯都很容易造成拍摄画面的大光比场景;豪威的汽车CIS也正加入越来越多的特性,典型如PureCel Plus像素,包括DTI深槽隔离、CFA传统组合的变化、像素结构BSI对FSI的替换、以及豪威科技的夜鹰技术等。HToednc

车载摄像头CIS的这些技术趋势,以及市场增量无不体现着汽车电子对于整个汽车行业的变革和影响有多深远。当然,CIS只是其中的一部分。HToednc

决策层的进化

当天发言,在汽车电子决策层部分最有发言权的应该就是高通了。高通的汽车业务专注在四大关键领域,分别是数字座舱、车载网联与蜂窝车联网C-V2X、ADAS与自动驾驶、云侧终端管理。HToednc

通讯、信号处理和计算一直都是高通的强项。“未来的智慧交通是整合了人、车、路、云一体化的综合性智慧交通。这离不开三个基础技术的支撑。”高通公司中国区汽车事业部负责人艾和志表示,“首先是基于5G的连接技术,包括C-V2X技术,以及基于AI的自动驾驶技术,同时数字座舱提供的车内个性化驾乘体验也是智慧出行的重要组成部分。”HToednc

其中的C-V2X是高通于6年前引入的一个概念,并带到3GPP完成了标准化。C指的是Cellular,而V2X是指Vehicle to Everything——包括了车到车、车到基础设施、车到人、车到网络的连接。C-V2X已经在中国、韩国、日本、欧洲进行了测试。在5G的发展之下,C-V2X在向5G V2X演进。今年7月,Rel-16版本确定,也首次完成了基于5G框架的5G V2X。HToednc

高通的5G NR Rel-15 modem已经集成了C-V2X,也就将C-V2X与4G/5G联网能力、高精度定位解决方案做了融合。高通官方提供的参考设计另外包括了WiFi、蓝牙、电源管理等方案,Tier 1企业也就能够基于参考设计提供整个前装或者后装的OBU设备。HToednc

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而在自动驾驶部分,高通今年年初推出了骁龙Ride平台,支持三个层级的自动驾驶系统,分别是L1/L2级主动安全(30 TOPS等级设备算力);L2+级ADAS;以及L4/L5级完全自动驾驶(超过700 TOPS算力)。这个平台中包含了安全系统级芯片、安全加速器和自动驾驶软件栈。软件栈包含了高精度定位与地图融合、C-V2X、感知算法。HToednc

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而在数字座舱部分,“现在的车内不仅有显示屏,还有AR/抬头显示屏;后视镜不仅支持后视功能,而且还支持流媒体播放;副驾驶、乘客后座都配有显示屏;左视镜、右视镜都具备计算机视觉功能。”艾和志说,“整车厂和Tier 1供应商都在超宽显示屏、多显示屏、多摄像头和音箱方面加大了研发投入。这都对车规级芯片的算力提出了更高的要求,还需要兼顾发热和能效的问题。”HToednc

所以针对数字座舱,高通目前已经发展到第三代平台:集成了高通一向以来擅长的CPU、Adreno GPU、Hexagon DSP和AI Engine,实现图形图像多媒体、计算机视觉和AI等功能。HToednc

已经采用高通上述方案的车企或者汽车行业其他层级的企业已经有不少。比如C-V2X应用,在此前基于中国协议标准的C-V2X“新四跨”暨大规模先导应用示范活动中,40余家整车厂中的绝大部分都采用了高通的9150 C-V2X芯片组。而在数字座舱部分,艾和志给出的数据是,“包括奥迪、捷豹路虎、本田、吉利、广汽、长城、比亚迪、理想、领克、小鹏、威马等在内,全球有19家主流汽车制造商都采用了高通的信息影音和数字座舱解决方案。”HToednc

这些体现在智能网联车的决策层,还是具备了相当的代表性的。HToednc

整车厂:向自动驾驶迈进

参与本次高峰论坛的主要两家整车厂分别是蔚来汽车与特斯拉。这两家企业呈现的重点都是自家汽车产品的智能化特色。而且这两家企业有个共性,即与传统整车厂的OEM+整体解决方案不同,是以几乎从头打造智能网联车的方式,来“完全掌握技术开发”。不过两家企业的技术路径也仍然是有差异的。HToednc

蔚来汽车副总裁和自动化驾驶系统负责人章健勇主要介绍的是蔚来汽车开发的NIO Pilot系统,这是个自动辅助驾驶系统。“我们从2018年10月开始的1.1版本推送带报警辅助功能的ADAS功能,包括车道偏离、远近光自动控制、前后碰撞预警、车辆盲点监控、后侧来车预警、车道变换预警、侧方开门预警等。到后续遵循3个月一次版本迭代的节奏,功能不断升级。”HToednc

“后续加入自适应巡航等功能。到2.0版本,加入了包括高速辅助驾驶、拥堵辅助驾驶、全自动泊车等功能。今年年初推出融合的环视泊车;今年10月,我们也推出了领航辅助功能。”HToednc

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这里的领航辅助功能是导航系统、高精度地图与NIO Pilot自动辅助驾驶系统的融合。用章健勇的话来说是“从无到有的自主研发,到硬件冗余。”“整个系统软硬件都是自己内部开发的。”“而且系统内加入了冗余基础设施。更多算法能够在后续迭代中不断加进去。”HToednc

其特色比如在高速公路及城市高架路上,实现自动进出匝道和切换主干道;自动调整车速、智能变换车道及超越慢车。是“全球第二家实现领航辅助功能的车企,”而且“在全系车型上实现推送,相比特斯拉则不仅覆盖高速公路,而且也覆盖城区快速路和高架路;全程智能控速;还有更多场景的人机交互与细节打磨。”HToednc

其技术亮点包括了全局规划路径、高精度地图/定位、智能换道、智能并线算法、多重限速来源、智能交互。而且针对中国场景进行了优化和转向验证。比如说匝道场景在国内有不同的种类。因此蔚来汽车在进入匝道场景做了比较多的测试和分类优化。HToednc

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从某个程度来说,蔚来汽车扮演的角色实则也触及到了上游。特斯拉中国总技术工程总监王文佳也特别展示了特斯拉汽车的Autopilot自动辅助驾驶系统,包括自动辅助变道、自动辅助导航、智能召唤、自动紧急制动、自动泊车、侧撞预防等。HToednc

不过在我们看来,特斯拉汽车最具“自研”属性的应该就是此前我们撰文提过多次的FSD(Full Self-Driving Computer)自动驾驶芯片及系统级计算机方案了——这颗芯片是此前特斯拉用于替代英伟达GPU的自研产品,也让特斯拉在汽车电子的决策层上更具话语权。HToednc

王文佳也特别提到了这颗人工智能芯片:“为自动辅助驾驶系统开发人工智能芯片时,我们发现市场上没有成本合理、低功耗的系统。使用传统CPU、GPU或者其他相似的产品会耗费数百万的功率,而且后备箱还会被GPU巨大的冷却系统占据;成本高昂、占空间,而且还高能耗。”HToednc

“所以我们开发特斯拉自有的人工智能芯片,具有双系统的特斯拉完全自动驾驶电脑。新一代芯片的神经网络处理器能够同时处理8颗摄像头工作产生的每秒2300帧图像输入,相当于每秒25亿像素,是此前版本的21倍左右;让特斯拉自动驾驶芯片具备深度学习、神经网络、行为预测的潜力。”HToednc

的确现如今的智能网联车,注重自动驾驶功能时普遍开始采用专用的AI芯片以提升能效、降低功耗和所占空间。毕竟电动车对于低能耗、空间利用也有着越来越高的要求。HToednc

另一种未来:氢燃料电池汽车

前面我们在谈的基本上都是“智能网联车”的概念,未来汽车的三要素(或四要素)通常包含了智能、网联(、数字),还有自然就是电动了。有关电动车绿色能源的争议向来颇大,包括锂电池或锂离子电池生产过程可能在上游造成的污染。实际上在绿色能源方面,存在更多实现汽车电动化的方案可选。HToednc

本次高峰论坛上,中国科学院院士、中科院上海技术物理研究所研究员沈学础特别谈了氢燃料电池汽车的未来。沈学础院士将氢燃料电池汽车称作“我国汽车产业的新高峰”,以及“解决我国能源问题的可靠途径”。HToednc

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氢燃料电池是直接将化学能变为电能的一类电池。“氢燃料电池发电的电化学原理是,质子交换层氢氧反应。”沈学础给出的上面这两张图片,比较清晰地表征了氢燃料电池发电原理,以及氢燃料电池的结构,包括其中的双极板。HToednc

实则自氢气在18世纪被发现,以及1838年德国化学家提出燃料电池的原理至今,又经过不同年代的技术发展,“氢燃料电池在研制成功后,就有各种广泛应用:很多社区、商业大楼、潜水艇都可以做电源。”HToednc

而且氢能源具备了储量大、无污染、能量高和氢电互补的重要特性,所以“氢能源可能是人类能源的终极解决方案”——沈学础说,“正因为如此,美国、日本、欧洲和全球很多国家大概10年前就开始关注氢燃料、氢能源,也包括氢燃料电池。我们国家是去年12月11日发布的《国家能源局科技司关于能源技术装备创新支撑能源革命和绿色发展研究等四项课题承担单位公开征集公告》,也开始关注氢能源问题。”HToednc

“氢能是很大的产业链,整个产业链涉及到几万亿美元的规模。从上游的制氢,到中游运氢、储氢和注氢,以及下游的应用,这是个相当大的产业。”“我看新闻报道说,上汽公司已经开始小批量量产氢燃料电池汽车了,这表明氢燃料电池已经在路上。”HToednc

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但沈学础也特别指出,现有结构的氢燃料电池,痛点在于功率密度低、成本高、耐久性低、转换效率低。在沈学础看来,氢燃料电池的突破口在硅极板燃料电池。双极板在燃料电池工作过程中,起到了分配气体、导电、导热、排水等作用,寻找性能优良、成本效益高的双极板新材料和加工方法是燃料电池汽车产业化需要解决的问题。石墨双极板、金属双极板都是其中的方案。HToednc

上面这张图是来自海晫科技研究的碳硅基双极板和电堆。“我的学生又对技术做了进一步的改进。”沈学础说,海晫科技就在做新型氢燃料电池的开发和生产,令晶硅极板燃料电池能够获得高性能低成本的“颠覆性优势”。不过其工艺流程与传统技术似乎是有较大差别的。HToednc

“这项技术还在路上。如果说要走完全程需要100步的话,他现在大约已经做了10步。”HToednc

但总的来说,“在我看来,氢燃料电池汽车是汽车产业的新高峰。”“氢燃料电池、太阳能、新能源,我看到后石油时代正在向我们走来,而且速度一定比我们想象得更快。”HToednc

电动化、智能化、网联化是当前提振汽车行业发展信心的最重要趋势:或者说,是汽车电子市场参与者将汽车市场蛋糕做大的方法。从我们近半年观察涉足车企的半导体企业的营收来看,汽车市场遭遇了行业下行期,以及新冠疫情对出行业务的双重打击。但新能源汽车,外加包含智能网联特性的汽车市场却仍旧是增长点。HToednc

所以无论是传统车企的转向,还是新晋市场参与者的汽车业务布局,“电子”产业都为汽车市场注入了一剂强心针。虽说中国国际汽车电子高峰论坛无法覆盖整个汽车电子市场,却也让我们管中窥豹地看到了当前最前沿的智能网联电动车,在技术和市场发展上都在飞奔。HToednc

责编:Luffy LiuHToednc

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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