国产芯片路在何方?工控产品不出货原因出分析

2021-12-06 13:10:10 admin 16

国产芯片路在何方?工控产品不出货原因出分析

汽车缺芯的现象已经成为全世界都在关注的问题,为了解决汽车缺芯的问题各国政府、汽车厂商和半导体厂商都在协调产能。不主攻汽车半导体的台积电在汽车半导体产品的关键组件MCU产量比去年提高了60%,同时更是有多家国内外汽车大厂宣布要研发芯片以缓解缺芯问题。在各方的努力之下,我们看到一些停工的车企,如丰田、通用下半年的产量开始呈恢复状态。大众汽车的首席财务官表示已经看到芯片的供应趋于稳定。

然而,在各界目光集中在距离生活较近的汽车行业时,那些距离日常生活较远的行业也正在承受着缺芯之痛,而工控行业就是其中之一。11月23日,施耐德电气发布通知函,称由于缺少以太网芯片的供应将在全球范围内暂停相关产品的销售且不接受订单,可见,缺芯已经影响到了工业控制领域的头部企业。如果这一问题不解决,缺芯对工业的影响将更加严重。

工控芯片

起源于德国的工业4.0,是指用数据驱动人工智能来完成工业的转型,其关键包括:物联网、数字化转型、数字孪生、运用AI和大数据规划生产等。这一概念的实现有助于打造具有国际竞争力的制造业,从而为提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国铺平道路。而在工业4.0中,由于工控自动化可以实现制造业降本增效,因此工控自动化被视作工业4.0的必然趋势。

工控自动化中涉及的环节有很多,整体概括来说主要分为控制层、驱动层、执行层,而无论在哪一层面半导体都是其中不可缺少的关键器件。单就一个以太网通讯模块来说,其中包含MCU、IC chip、SDRAM芯片等。如果是更复杂的控制层,还会需要CPU、显卡、BIOS芯片等控制芯片。

变频器缺货背后的工控行业缺芯之痛,或许是因为没有如特斯拉那般的明星企业,又或许是离大众太远,工控领域的“芯病”似乎并未引起重视。但实际上,工控产品的缺芯已经反映在多个层面,包括PLC、DCS、变频器等产品的缺货。其中变频器的交货期已经从4-6周延长到16-24周。

变频器在工控中的作用是通过改变交流电机供电的频率和幅值,从而改变其运动磁场的周期,以平滑控制电动机转速。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率,根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的,另外,变频器还有很多的保护功能,如过流、过压、过载保护等等。变频器中的IGBT、电流传感器都需要MCU进行控制。但相对于汽车行业,一台车就需要几十上百的MCU需求,一台变频器一颗MCU的需求显得微不足道。

除了单台机器需求量级的差距,就汽车市场和变频器市场的规模也存在巨大的差距。数据显示,2020年中国汽车制造业营业收入达到8.16万亿元,而中国变频器行业的2019年的市场规模则为495亿元。在这样的规模差距之下,变频器厂商的议价能力、订单优先级都无法与汽车制造商相提并论。而变频器并不是工控领域唯一缺货的产品,工控领域的缺芯问题急需走到台前。

工控MCU国产替代仍有难度,根据IC Insights数据,工控/医疗占全球MCU下游应用市场的25%。但这样巨大的市场,目前仍被被国外厂商占据大部分市场份额。根据前瞻产业研究院数据,2019年全球MCU被前五大厂商占据超80%;而中国MCU市场份额也被国外厂商分走80%以上。

MCU在工业领域难以实现国产替代的原因主要是工业领域对MCU性能严格的要求。以变频器为例,其内部都是大功率电子元件,因此MCU需要具备一定的耐高温和低温能力。同时,变频器工作的工业环境面临着电磁波干扰、腐蚀气体、震动和冲击等考验,这就需要MCU的稳定性。从上表中可以看出,虽然工业级MCU不如车规级MCU的要求严格,但与消费级MCU相比其门槛还是高出许多。而目前国产MCU企业大部分只能实现对消费和中低端工控领域的替代,因此还不能成为解决工控领域缺货的主力。

此外,工控市场国产化程度较低也一定程度上影响了国产MCU替代的进程。数据显示,2019年工控品牌西门子以13%排名全球第一,此外前10名中有一半是美系品牌,包括艾默生、罗克韦尔自动化等;中国工控龙头企业汇川技术排名37位,以8.84亿美金的规模占据全球工控市场的0.4%。国外企业占据了大部分市场份额,这些国外企业不会优先采用国内MCU,国内MCU厂商能进入的空间有限,国产MCU想要进入工业领域难上加难。

国产化,路在何方?集成电路产业与工控领域的关系其实是相辅相成的。集成电路产品是支撑工业的重要组成部分,而工业水平提高能会直接影响集成电路生产环节的相关工艺。可以看到工控行业实力强的国家,在半导体技术上也较为领先,因此国产化对于工控领域和半导体都至关重要。不过,目前国产MCU厂家已经有几家取得了一定突破。兆易创新发布了基于Arm Cortex-M33内核的GD32W515系列Wi-Fi微控制器。GD32W515系列MCU的最高主频为180MHz,配备了高达2048KB的片上Flash和448KB的SRAM,还可支持32MB的外置Flash。供电电压为1.6-3.6V,I/O口可承受5V电平,工业级温度范围–40至+85°C。

国民技术的N32G455系列 (通用增强型) 采用32-bit ARM Cortex-M4内核, 支持浮点运算和DSP指令, 高达512KB 片内FLASH,144KB SRAM,集成多达17个高性能模拟器件, 18个数字通讯接口,内置10余种密码算法硬件加速引擎,也已经在机器人、数字电源、UPS(不间断电源)、伺服控制器等领域实现应用。航顺基于ARM Cortex-M0和Cortex-M3 内核的通用MCU家族也已经实现在高端工业中的应用。

在工控领域,汇川技术是国内厂商中的佼佼者。目前,汇川技术已经实现了对工业自动化领域的信息层、控制层、驱动层、执行层和传感层的产品覆盖。汇川的主营收入中,变频器类占比最高;同时在2017-2019年之间主营业务收入的同比增长率均超过20%。汇川技术的一些核心功能部件已经被富士康采用。工业领域的国产化不能依靠某一个环节的发力,一定要全产业链的共同突破,才能实现中国工控的国产化。