台积电：不可能为汽车保留空闲产能！赶紧上先进工艺吧

7月10日消息，据德国媒体all-electronics报道，晶圆代工龙头大厂台积电欧洲总经理 Paul de Bot 日前在德国举行的“第 27 届汽车电子大会”上表示，长期以来汽车产业一直被认为是技术落后者，只注重成熟制程。但实际上，当前已经有汽车芯片供应商自 2022 年开始就使用 5nm 制程技术，这个时间点距离 5nm 正式投入量产仅两年时间。

△台积电欧洲总经理 Paul de Bot 在德国举行的“第 27 届汽车电子大会”上（图片来源：all-electronics.de）

Paul de Bot 解释说，半导体制造是资本密集型行业，因此依赖于生产设施的高连续利用率。如果有客户取消订单，那么晶圆代工厂会立即安排其他客户的订单来替代，以保持产线的高利用率。“不可能为汽车行业保留空闲产能！”Paul de Bot说道。

半导体制造的“长周期”的特点也使得生产难以灵活、及时地调整：一颗芯片从制造、测试和封装，再到交付到汽车制造商的装配线上，通常需要六个月甚至更长的时间。

根据统计数据显示，汽车芯片对半导体产业的重要性目前仍相对较低。以 2023 年第一季来说，台积电只有 7% 的营收来自汽车芯片。目前汽车芯片在全球半导体产量当中的占比为10%，汽车行业作为半导体产品客户的重要性日益增强，年均增长率为 13%，增长速度快于其他行业。预计到 2030 年，汽车芯片将占半导体产业总产量的 15%。但即便如此，汽车芯片规模对于晶圆代工业者来说，其重要性仍然是低于消费电子、HPC等应用，这也意味着晶圆代工厂商难以因为汽车行业急需的芯片而放弃其他订单，或为其预留产能。

比如在2021年之时，全球汽车市场面临严重的缺芯问题，特别是汽车芯片普遍所需的成熟制程极为紧缺。当时在美国、欧洲政府及中国台湾当局的协调之下，台积电才开始配合重新调配产能，增加了汽车MCU产能，并开放极其少见的“超级急件”（super hot run）订单，允许临时插单生产汽车芯片，最快大概三个月后即可开始交货。但是客户需要支付高昂的插单费用。

因此，Paul de Bot 认为，汽车制造商对订单数量进行前瞻性规划和控制是绝对必要的。而一些汽车芯片从原有的成熟制程节点转向先进制程也是保障供应的一个重要手段。

汽车芯片市场虽然产量占比较小，但单价更高，这是一个极其有利可图的市场。从台积电的角度来看，在新冠疫情期间，台积电每年的汽车芯片业务都增长了约 40%。台积电希望在未来保留并扩大这个客户群。

Paul de Bot 也就如何与芯片制造商更有效地合作向客户提供了一些建议：“半导体行业需要稳定、长期的销售规划”。当汽车制造商了解当前的销售计划时，这一点效果最佳。并且鉴于生产能力转向更现代、更小几何尺寸的先进制程技术，汽车电子产品必须尽早转向这些新技术。

Paul de Bot 表示，供应链中的公司应该强化创新文化：“寻找更快转变的方法和机会。”无论如何，汽车芯片不断增长的性能要求将推动其转向 FinFET 等更先进的制程技术。另外，建立缓冲库存以防止任何波动也很有帮助。

汽车厂商转向先进制程芯片同样困难重重

不过，将汽车芯片转向先进制程也并非简单的事情。因为根据市场研究及调查机构麦肯锡的预估，到 2030 年，90nm及以上汽车芯片仍将占汽车芯片总需求的 67%。而且其全球供应量将在 2021-2026 年期间达到 5% 的复合年成长率，这代表此类芯片在未来几年仍将严重依赖成熟制程，并且保持供应吃紧的状态。

虽然，汽车制造商也正在规划将先进制程的芯片整合到新车型中，但这牵涉全面的新设计、认证和大量生产程序。通常包括美国、欧洲、日本和韩国的主要汽车制造商需要 3~5 年的时间才能为传统车型进行设计、测试和验证新芯片，使得其下的传统车型和新电动汽车开始大量采用先进制程的芯片。不过，像特斯拉这样的电动汽车制造商，在设计新的电动车用电子方面拥有更高的灵活性，并且更愿意采用更先进的先进制程芯片。特斯拉的第一代FSD芯片就采用了三星14nm工艺打造，而最新的一代的FSD芯片据称是基于台积电7nm工艺制造。

至于，影响汽车芯片转向先进制程的主要因素，主要是成本和风险大幅提高。因为采用先进制程需要面临风险和成本压力，加上除制造成本之外，5nm和3nm等先进制程也都增加了新的可靠性挑战，这确实令一些汽车制造商无法承受。

其次，汽车芯片的认证时间长且困难。从产品设计、流片、封测、车规认证和研发算法工具链，到功能安全认证，自动驾驶软件开发，再到发展完善的产业生态，这是一个汽车芯片需要经过的完成流程。然而，在汽车芯片设计阶段要符合很多相应的流程认证，比如设计阶段就要过设计流程的认证，人员的认证，包括服务器都是有比较严苛的要求。在样品到量产之间，还要经过复杂的认证，包括功能安全专家认证、功能安全流程认证和产品认证，这个周期可能还需要两年的时间。同样对于芯片制造、封测供应商来说，在汽车芯片生产当中，也需要满足相关的认证测试标准。

△汽车芯片认证流程（芯智讯拍摄于2022年8月26日第九届汽车电子创新论坛）

△汽车芯片的关键挑战（图片来源：芯智讯拍摄于2022年8月26日第九届汽车电子创新论坛）

根据统计，车用芯片早期失效率测试就需要800多颗芯片，而整体测试流程时间大约半年。如果有失效可能需要从头再来，一个认证在顺利的情况下至少需要一年的时间，而且中间一些问题可能要重新做测试。现在车用电子追求的失效率为零，相较消费类或者工业类芯片的失效率，这是相当严苛的条件。

相对于成熟制程来说，先进制程的汽车芯片要达到这些要求，将会面临更多的挑战和成本的增长。

不过，也并非所有的汽车芯片都不追求先进制程的生产，只是大部分的车用芯片并不是汽车厂商所自行生产，而是由汽车电子供应商所提供，这属于汽车制造商无法控制的一部分。比如在 2020 年这个时间节点，英伟达（NVIDIA）能提供量产的最好的高性能自动驾驶芯片是采用台积电 12nm制程所生产的 Xavier，而这时候的电脑显卡、手机处理器基本都已经来到7nm制程。

另外，从汽车芯片供应商交样品给汽车制造商做测试，再到实际推出也需要一定的时间，而汽车制造商开发新车型也需要提前准备。如果开发新车型的时候新制程芯片还没有推出，那也有可能会错过新制程的芯片。

然而，尽管挑战重重，但在芯片短缺的期间，碍于成熟制程的车用芯片供不应求，全球一些汽车制造商也开始积极着手使用先进制程技术来生产芯片，特别是对于新车型和电动汽车来说。

在今年3月一场活动中，恩智浦半导体执行副总裁兼高级模拟业务总经理Jens Hinrichsen就向芯智讯透露，目前绝大多数中国汽车OEM已转向域控架构，其中很大一部分采用了恩智浦的基于 16nm FinFET 先进制程的处理器系列，例如恩智浦S32G网关处理器。

另外，目前采用更先进的7nm 制程的汽车芯片中，已经有不少的产品已经进入量产，主要是智能座舱或自动驾驶芯片，比如英伟达Orin、特斯拉第二代FSD芯片、骁龙8155、芯擎科技“龍鷹一号”等，据说地平线将推出的征程6也将是7nm制程。目前的一些 5nm制程汽车芯片仍处于研发当中或已发布开始进入量产阶段，比如高通第四代座舱芯片骁龙8295、高通骁龙Ride自动驾驶平台的核心SoC、安霸最新AI域控制器芯片CV3系列。恩智浦去年也曾透露，将采用台积电5nm制程打造新一代 S32 系列车用处理器，并将导入鸿海与裕隆合资鸿华先进科技推出的Model C汽车当中。这些都显示着先进制程汽车芯片开始进入量产加速期。

台积电或成最大受益者

现阶段包括台积电、三星这两家掌握车用先进制程晶圆制造技术的晶圆代工厂将从中受益，特别是台积电，在统计的 14 款汽车芯片中，有 11 款已采用或计划交由台积电代工，仅少数企业选择由三星代工，这使得台积电能在这轮汽车芯片制程转换的过程中明显受益。

此外，台积电在2022年三季度就推出了针对ADAS和智能数字驾驶舱的汽车芯片的5nm工艺平台“N5A”，符合AEC-Q100、ISO26262、IATF16949等汽车工艺标准。台积电还计划在2024年推出业界第一个基于3nm的Auto Early技术，命名为N3AE。N3AE提供以N3E为基础的汽车制程设计套件（PDK），让客户能够提早采用3nm技术来设计汽车应用产品，以便于2025年及时采用届时已全面通过汽车制程验证的N3A 工艺技术。

为了推动汽车芯片客户采用先进制程，台积电在2020年推出的基于7纳米的汽车设计支持平台（ADEP）。ADEP协助评估半导体和制造技术、设计流程、以及实际的制造过程。该平台还包括汽车应用相关IP的生态系统，以确保各种特定标准。

汽车行业的芯片制造仍然是半导体制造商面临的挑战。“这意味着制造汽车芯片需要持续学习”，Paul de Bot描述了芯片生产商的态度。在芯片制造商敢于构建汽车专用芯片之前，它必须掌握其技术的每个细节。“我们只有在处理了大约1oo万片晶圆后，才会开始生产汽车芯片。”Paul de Bot说道。