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深掘汽车半导体产业四大“金矿”

高工
2011-05-05 17:33:19    评分

  汽车电子市场在全球范围内持续增长。相关数据显示,中国汽车产量将从2006年的年产500百万辆增长到2010年的年产1,000万辆。伴随汽车产量的直线上升,中国已成为全球汽车电子增长最快速的市场先驱之一。与此同时,汽车中电子控制单元的不断扩充也充分显示了汽车半导体市场蕴含的巨大潜力。

  更安全、更舒适、更环保的汽车的设想一直是汽车OEM厂商、汽车电子系统厂商,以及汽车半导体厂商创新的驱动力。半导体器件提供的更具有成本效益和更大的灵活性的系统解决方案使其成为汽车OEM厂商和汽车电子系统厂商的首选。

  目前,中国市场汽车半导体的主要应用集中在引擎控制、安全气囊、无钥进入、音响、电动助力方向盘、仪表盘和车身电子上。在这些领域中,微控制器(MCU)、GPS芯片、电源管理芯片,以及FPGA器件的大规模应用,将引领汽车半导体市场走上持续发展的快车道,成为汽车半导体产业的四座“金矿”!

  性能日臻完善,MCU即将引燃汽车嵌入式应用市场

  “汽车嵌入式应用市场将由MCU、模拟IC和功率半导体器件点燃,MCU首当其冲。”MicrochipTechnology全球汽车电子市场总监WillieFitzgerald如是说。据CCWResearch最新研究报告显示,2007年至2010年间,中国汽车MCU市场销售额的年度复合增长率将超过30%,预计2007年市场销售额将超过20亿元,2009年市场销售额将接近40亿元,2010年市场销售额将超过50亿元,同比增长率将达到29.3%。其中,发动机电子控制系统(EMS)和汽车音响系统将是两大热点应用领域。

  根据2006年的数据显示,发动机电子控制系统所用MCU已占到总体市场份额的25.3%。瑞萨科技汽车电子市场中心总经理堀田慎吉指出:“使用汽车电子技术提高汽车性能目前已经从原先的从外围设备着手发展到从核心问题着手,也就是减少尾气中的有害物质、节省燃料、提高汽车安全性能等。”实现精密的引擎控制、最优化的传动系统齿轮要求MCU具有很高的性能。目前,瑞萨正在开发内置有200MHz32位SH-2ACPU的引擎控制、传动系统用MCU。目前正在向很多汽车电子厂商供应样品,并将于2010年起搭载在汽车上。同时,更低功耗、更高性能,且搭载有多个SH-2ACPU的MCU产品也在开发当中。随着国Ⅲ排放标准的部署,能满足此种排放标准控制精度的高端微控制器必将成为汽车MCU厂商逐鹿中国市场的“利器”。

  目前在中国,有接近三分之一的汽车电子工程师正致力于汽车信息娱乐系统的开发,这无疑证明汽车音响依然是一个值得汽车MCU厂商关注的火热市场。根据2006年的数据显示,汽车音响所用MCU占总体市场份额达到了22.3%。NEC电子抓住了这一市场契机,推出了针对当前市场越来越多的对压缩格式音乐媒体(MP3、WMA、AAC)需求而设计的汽车音响最新解决方案。该方案中,NEC引用了一款音响专用芯片——被誉为“AudioEngine”的μPD63901,它采用了CPU+DSP的双核结构,具有对MP3、WMA、AAC等解码的功能,并且提供了USB的连接性,可以支持USB存储器、可携式播放器、iPod连接等,适合于要求USB连接功能的汽车音响系统。

  随着汽车娱乐功能的不断扩充与完善,原先单一的汽车音响系统逐步走向影音娱乐与信息一体化的融合。之前仅仅依赖MCU就能实现的汽车娱乐功能已经远远不能满足下一代汽车信息娱乐系统的需求。因此,为了满足对处理能力的更高要求、接口的多样性,以及灵活的数字化控制需求,具有高速数字信号处理能力的DSP成了与MCU并肩作战的不二人选。DSP通常执行计算密集的算法,MCU则负责接口、网络控制等功能,两者集成入单芯片实现分工协作。采用这种“混合”芯片,不但可以降低系统成本和功耗,还可大幅度提高工作效率和性能。恩智浦半导体汽车电子和智能识别产品大中华区高级市场总监张焕麟指出,车载信息娱乐系统将逐步从模拟过渡到数字平台,如汽车收音机正在从模拟信号处理器向DSP转变,实现高清电台、DAB/DRM和XM&Sirrus卫星电台等数字广播。越来越多具有音频和视频功能的多媒体产品将被投放市场。恩智浦此类地面数字广播解决方案已经实现应用,并发布了可以支持不同音频/视频播放标准的PNX9520多媒体处理器。

  市场需求对车用MCU集成度的要求进一步提高,这无疑给用户带来了福音。更高性能的MCU的问世不但减少了外围电路及PCB的尺寸,还缩短了开发周期,降低了系统成本。但不可否认的是,同时这也给汽车半导体厂商带来了更为严峻的挑战——即必须开发出更多MCU与外围器件集成度高的产品以满足市场需要。对此,NEC电子现场应用工程师孟骏提出了解决之道,他表示,作为一种趋势,SoC技术在MCU领域将越来越多地被关注,而NEC电子在将来会有越来越多这样的产品推向中国市场。

  此外,孟骏还认为,持续改进产品的技术工艺也是一项挑战,比如提高MCU的写入次数,扩大存储器容量及提高性能,在汽车电子中还必须实现更高的可靠性与良率,因此,必须针对汽车半导体产品制定一整套的质量控制流程从设计、评价、生产到售后的追溯分析,而目标是1PPM(每百万片里只有一片不良品)。

  实现从单一功能到多元素的融合,GPS应用呈井喷之势

  消费者对汽车导航设备和全球定位系统(GPS)的需求持续高涨。根据iSuppli预测,2012年汽车导航系统出货量将达6,510万台,比2006年的1,980万台增长三倍。EILCompanyLtd.华南区销售总监蒋泳彬指出,信息娱乐系统将是中国汽车半导体市场中最热门的应用领域,面向汽车市场的GPS和视频系统在未来几年将非常快速地成长,而GPS甚至有望将成为汽车的标配。

  目前的GPS芯片市场强手林立,主要有SiRF、u-blox、Ti、ADI、NXP、高通、英飞凌、索尼、意法半导体、Trimble(天宝)、Atmel、SiGe、u-Nav等。其中,SiRF的旗舰产品SiRF-III芯片具有20个卫星通道、-159dBm的接收灵敏度和低功耗,并在尺寸、功耗、性能上做了不同程度的优化,带有"f"标号的产品集成了闪存,其定位能力,包括定位精度、定位时间以及跟踪灵敏度等性能优越,为众多国际大厂所采用,是目前比较通用的GPS芯片之一。

  除了定位能力之外,成本控制也同样是汽车导航厂商选择GPS芯片时所考虑的关键因素,导航远峰国际有限公司高级技术市场经理崔幼璟博士表示,上海掌微电子技术有限公司(已被SiRF收购)的Atlas-II/III以及最新推出的Titan由于其高度整合的双内核CPU,使得在AP外围只需配合RFfront-end即可构成完整的GPS引擎,在大幅降低成本的同时又保证了很好的性能,因此在去年获得了相当可观的市场份额。

  外国GPS芯片大厂抢滩中国市场时,在具备了优越的产品性能以及成本控制策略这些“硬件”条件后,还必须具备一项“软件”条件——为本土客户提供具有“中国特色”的技术服务。崔幼璟博士指出,由于本土技术的局限性,国外的GPS芯片厂家不但需要提供完备的技术资料,还需要提供相应的技术培训,甚至还要协助他们中国客户进行市场开拓。不单单是在GPS和汽车电子行业,提供从芯片供应到市场渠道建设的“一条龙”服务几乎已经成为了很多高技术含量行业不成文的“行规”。

  针对目前中国汽车导航设备市场的显著特点——消费者更加倾心于多功能集成的产品,具有单一导航功能的传统产品逐渐将被市场淘汰,崔幼璟博士指出,信息娱乐一体化的车载多媒体信息终端将是未来汽车导航产品的发展方向。跟随科技的发展、新技术的出现,消费类电子行业总是能够不断推出新产品、新功能。而这些新的技术,由于汽车环境相对恶劣、元器件生产工艺跟不上等种种原因,总是要滞后消费类电子产品几年年才能应用在汽车领域。然而近两年随着科技的发展,产品系统集成度越来越高,消费类电子产品中的新技术、新功能将越来越容易移植到汽车电子领域。可以预见,未来的包括汽车导航在内的后装车载信息娱乐系统的功能将基本可以保持与消费类电子产品同步发展,当然前装产品由于需要车厂认证,还将滞后消费类电子产品两年左右时间。

  对于中国的汽车电子厂商来说,尽管整个汽车电子的市场容量是巨大的,但是由于在动力控制、底盘控制、安全系统、车身电子等汽车电子领域缺乏核心技术或者技术相对较弱,相对于国外知名品牌明显缺乏竞争力,而在信息娱乐产品方面,中国的方案供应商、OEM和ODM厂商在技术方面可以与国外品牌竞争,而在成本方面相比国外品牌具有明显优势。因此崔幼璟博士认为,汽车导航等汽车信息娱乐产品将是本土厂商进入汽车电子市场的最佳切入点。同时,本土厂商必须清醒的认识到,如何为客户提供更具差异化、更加多样性的产品,为消费者提供更多的选择,以避免客户因为产品的雷同而进行纯粹的价格战,将是他们需要直面的最大挑战。

  直面严苛工作条件,汽车电源管理技术积极应对新挑战

  汽车电子技术不断对系统厂商提出新的挑战,汽车电源管理重要性日益凸现。据赛迪顾问保守预计,到2011年,中国汽车电源管理芯片市场将由目前的6.2亿元人民币上升至16.1亿元人民币,年复合增长率达26.9%,其增长远远高于半导体整体市场发展速度。但由于汽车电源系统需要在负载突降、冷车发动、轻负载条件下的极低功耗以及低噪声操作等这些极其严苛的条件下保证正常工作,因此在面临广阔市场前景的同时,电源管理芯片厂商仍需闯过技术难关。凌力尔特公司电源产品部产品市场经理TonyArmstrong指出,由于要求宽工作电压范围、再加上大瞬态电压和宽广的温度变化范围,这些因素共同作用的结果使得电子系统面临着十分恶劣的生存条件。与此同时,随着元件数目的增加,可用空间在不断地缩小。由于空间限制和温度要求等因素的影响,效率的重要性日益凸显出来。在低输出电压和即使是中等电流水平(几百毫安以上)条件下,简单地采用一个线性稳压器来产生这些系统电压将不再是一种切实可行的方法。因此,在过去的几年中,主要是由于热限制的原因,开关稳压器开始逐步取代线性稳压器。尽管存在着复杂性增加和EMI问题,但采用开关电源所带来的好处(包括效率的提高以及占板面积的减小)却更为人们所看重。

  安森美半导体汽车产品部的市场经理PeterLanyon同样认为,电源管理将从大部分采用线性解决方案转变为开关电源与线性方案相结合的方式。在电压调节中,目前主要的趋势是减小静态电流指标,在汽车关闭时需利用该指标限制汽车电池的漏电流。特别是在LDO(低压差线性稳压器)中,静态电流指标从100~150uA下降到30uA的目标值,甚至更低。安森美的NCV8664是业界第一款在宽温度范围内指定的最低静态电流(Iq)性能(典型值22uA)下,组合了反向电池、短电路以及过载保护的线性调节器。

  考虑到这些约束条件,宽输入电压工作范围,在宽负载范围内提供良好的效率,在正常操作、待机和停机模式中具有低静态电流、低热阻、极低的噪声和EMI辐射便成为汽车开关稳压器必需具备的特性。因此,作为一款优秀的汽车开关稳压器,其规格需要针对3V至60V的宽工作输入电压范围来拟订。60V的额定电压为通常被箝位于36V至40V范围内的14V系统提供了一个适当的裕度。另外,在大多数汽车系统中,必需在一个宽负载范围内提供高效功率转换。例如,对于一个5V输出,在10mA至1.2A负载范围内的期望功率转换效率约为85%。在高电流条件下,内部开关需要具有良好的饱和度(在1A时通常为0.2Ω)。为了提高轻负载效率,可减小驱动电流或使驱动电流与负载电流成比例。而且,内部控制电路的电源必须通过一个可由输出供电的BIAS引脚来提供。这利用了一个降压型转换器的功率转换效率。由于该偏置电流取自输出而非输入,因而减小了控制电路所需的输入电源电流,其降幅为输出电压与输入电压之比。

  在汽车系统中,有许多应用是需要连续供电的(即使在汽车停驶的情况下也不例外),比如:遥控车门锁、安全和GPS系统。TonyArmstrong表示,对于这些应用来说,低静态电流是一项关键的要求,目的是延长电池的使用寿命。在此类场合中,稳压器将运行于标准的连续开关模式,直到输出电流减小至约100mA以下为止。在该电流水平以下,开关稳压器必须执行脉冲跳跃操作,以维持稳压作用。在脉冲之间,稳压器可以进入睡眠模式,此时仅对内部电路的某一部分供电。然而,在轻负载电流条件下,开关稳压器必需自动切换至突发模式操作。

  也许会有人对开关稳压器所产生的噪声心生疑虑,但是其效率指标则优越得多。在许多敏感应用中,只要开关电源的工作是可以预知的,就能够很容易地控制噪声和EMI水平,这一点已经得到了证实。如果开关稳压器在标准模式中以一个恒定的频率进行开关操作,且开关脉冲的边缘是干净和可预测的,没有发生过冲或高频振铃现象,则EMI将得到最大限度的抑制。小封装尺寸和高工作频率可实现小巧而紧凑的电路板布局,这将最大限度地减少EMI辐射。另外,如果开关稳压器能够与低ESR陶瓷电容器一起使用,则还可以实现输入和输出电压纹波(它们是系统中的额外噪声源)的最小化。

  汽车电子系统复杂化对电源管理芯片提出很高的技术要求,TonyArmstrong表示,包括汽车电源管理芯片在内的各种车身电子器件的规格应针对很宽的工作温度范围(对于电源管理IC来说,有时需要承受高达150℃的结温)来拟订。对于功率器件而言,只规定125℃的额定温度可能是不够的,因为结温将高于环境温度。始终保持接通的子系统应采用具非常低待机电流的IC,以最大限度地减少电池电量的消耗。其冷车发动和负载突降承受能力是至关紧要的。

  充分满足系统安全可靠性要求,非易失性FPGA脱颖而出

  由于FPGA器件先天具有能应对差异化和分块市场的灵活性,汽车制造商因此不需要差异化的产品策略。而且,由于价格低及无需反复进行昂贵的产品资格认证,FPGA比标准器件更具吸引力。特别是对于汽车电子产品来说,质量、可靠性和成本控制极其重要,因此在汽车应用领域中FPGA器件更是具有非凡的魅力。GartnerDataquest最新数据显示,随着动力传动系统和排放标准(如混合动力、电动和柴油车)的发展,车载信息通信系统、安全和控制及舒适性功能日益普及,在未来三年,汽车FPGA的总市场容量(TAM)将从9,300万美元增长到3.12亿美元。

  在汽车电子行业,质量、可靠性和零瑕疵是最重要的问题,特别是在核心汽车系统中所用的半导体,如引擎控制模块、动力传动、车身电子和安全系统,绝不能够出现故障或失效。这些因素加上不断改变的技术标准、产品过时间题、更大的推出市场压力和提升性能的需求,正推动许多汽车设计者转向非易失性的FPGA取代他们一直采用的定制ASIC或MCU。Actel公司半导体产品市场总监MartinMason指出:“非易失性FPGA能提供更低的功耗,有助于缓减以SRAM为基础FPGA的电子转移和散热可靠性的问题。这一点非常重要,因为高功耗和其它相关的热问题会限制器件的使用寿命,特别是在要求严苛的引擎盖应用下。”

  辐射测试数据显示非易失性FlashFPGA并不受中子问题影响,因此可更好地满足零瑕疵的需求,并且适用于所有重视可靠性或安全性的应用系统。这些中子问题通常与SRAMFPGA有关,可以导致FIT率(109小时中的失效数目)较业界可接受的范畴高出多个量级。由于这个行业非常注重零瑕疵,对中子诱发的固件错误问题作为微控制器程序内存中的坏位般重视只是时间问题。不过,与微控制器应用中经常出现错误改正电路(ECC)不同,并没有简单或成本有效的方法可以检测及减少SRAM有关的中子诱发固件错误问题。MartinMason认为中子诱发的错误对于核心汽车电子应用有重要的意义。他说:“易受影响的FPGA技术的广泛应用,将会造成对全新质量评估系统的需求,使到系统设计的复杂性增加,并且大幅增加板卡空间和材料清单成本。在许多情况下,固件错误可能需要系统’重新启动’以清除错误(重载配置代码),这对系统关键的汽车应用却不切实际。”

  2007年8月,Actel推出了针对AECQ100Grade1规范的基于Flash的FPGA,主要用于车载信息通信系统和信息娱乐系统以外的系统关键设备,如动力传动系统和安全系统。该款FPGA采用了片上Flash内存来实现开关控制,使到该系列产品具有固件错误免疫能力;这是向着零瑕疵发展产业的强制性要求。相反地,基于SRAM的FPGA配置数据容易由于中子诱引而产生错误;这种错误会以不可预测的方式改变逻辑、布线或I/O的行为,从而导致系统故障,而系统故障可以损害品牌形象,最严重的使得生命安全受威胁。

  综上所述,由于对安全性和车身控制功能不断增长的需求,将继续增加汽车电子的复杂性,半导体制造商必须满足设计人员在汽车电子市场的需要,而不会迫使他们在质量、可性、灵活性、成本和推出市场时间方面作出牺牲。在这个瞬息万变的市场,在核心的汽车系统应用中使用非易失性FPGA将会成为成功的关键。

  技术、服务“双刃”并举,产业链上下游携手决胜中国市场

  汽车半导体产品之所以区别于消费类电子,是在于其对成本、质量、性能更平衡、更苛刻的要求,因此,除了找准能够打开潜在市场局面的“黄金”产品之外,芯片及系统厂商还需加大技术研发力度,严格控制产品质量、提升产品性能。此外,抓住市场契机,了解客户当前需求更是重中之重。中国是一个发展快速且蕴藏巨大潜力的市场,而汽车电子技术仍是蹒跚学步的婴孩。最终用户的技术积淀与研发能力参差不齐,如何满足这些不同客户以及不同应用的需求显得尤为重要。现阶段,对于某些客户来说,能否得到来自汽车半导体供应商的全套解决方案的支持是他们最为关心的,也是产品能否最终得到市场认可的关键。

  循迹国外汽车电子产业发展之路,我们不难发现欧美已经拥有非常完整的产业链,不仅仅是零部件、半导体厂商,还有大量的从事设计咨询、开发分包、测试业务的基础专业厂商。而目前中国很多本土汽车电子厂商都是从消费电子、通信电子转型来的,他们往往缺乏对汽车电子系统的充分了解和认知。现阶段中国汽车电子的快速发展,主要是依托于国外技术引进和国内技术移植,前者受制于人而后者会“水土不服”。上海汽车技术中心电子电器部系统集成经理张海涛指出:“很多汽车电子零件公司,起码的技术储备都没有,连一般国际汽车电子开发流程都不熟悉,就来拍胸脯说没问题。有的供应商甚至开发造假,这尤其不能容忍。其实,整车商也想开发自己的战略合作供应商。”张海涛的这一席话无疑道出了整车厂商的心声,本土汽车电子厂商迫切需要提升自己的技术实力,只有让整车商找到“放心”的感觉才能给自己带来发展的机遇。

  从另一个角度来看,如果没有业内的需求拉动,下游基础产业也无从发展。本土整车厂商应更多地发挥自身的龙头作用大力扶持本土汽车电子厂商。张海涛认为,一方面,整车厂商需借助相关产业的基础资源,扶植自身体系内的基础产业,消化国外引进技术并在零部件配套体系推广。另一方面,在非竞争技术方面,整车厂商需联合产业链上下游共同推动技术的标准化。同时,如何在有限时间内建立起良性的产业发展环境也是中国汽车电子产业发展所面临的重大挑战,这就需要整车厂商带头尊重知识产权,倡导技术有偿转移,带动整条产业链共同创建良性的发展环境。




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