汽车制造商转向新芯片

infowei · 发表于 2021-10-4 23:46:08

随着汽车制造商争先恐后地制造续航里程更长、充电时间更快的电动汽车，芯片行业向他们传达了一个信息：你做错了。

半导体公司正在敦促电动汽车制造商放弃传统的硅芯片，采用能够提高汽车效率的材料，帮助缓解消费者的“里程焦虑”，并有朝一日可以像加油站加油一样快速充电。但目前还没有就使用哪种方法达成一致。碳化硅是领跑者，氮化镓成为主要竞争者。

这些新材料是什么？嗯，碳化硅——顾名思义——是两种元素的组合，硅和碳。它作为电源转换器做得更好，这意味着使用这种材料的芯片可以移动能量，而在此过程中损失的能量更少。氮化镓也是如此，它由镓和氮制成，与碳化硅一样，与传统硅相比具有明显的优势。支持者表示，它可以将充电时间缩短一半。

随着汽车行业经历一个多世纪以来最大的转型，选择正确的技术尤其具有重大意义。世界各地的制造商都在竞相放弃内燃机，甚至像福特的野马和 GMC 悍马这样的汽油时代的标志性汽车也在获得带有电池的版本。

在此过程中，芯片对车辆的工作方式变得越来越重要，涵盖从动力系统到安全气囊的方方面面。今年这种情况变得非常明显，因为汽车制造商不得不限制生产，并且因为找不到足够的硅而让经销商空置。但让汽车制造商采用新技术对于将电动汽车提升到一个新的水平至关重要。

“这对汽车制造商来说是一个很大的学习曲线，”法国半导体分析公司 Yole Developpement 的负责人 Jean-Christophe Eloy 说。“一个好的电池、一个好的逆变器和一个好的电动机并不能给你一辆好的电动汽车。”

埃洛伊说，好消息是特斯拉——一家首先推动行业拥抱电动汽车的公司——可以帮助推动这种转变。

Eloy 说，特斯拉是最早采用由 STMicroelectronics NV 提供的碳化硅芯片的主要厂商之一。首席执行官埃隆马斯克将这项技术吹捧为他的汽车的一个关键优势。

使用碳化硅，可以更快地将瓦特功率装入电池，从而缩短充电时间。它提供了更远的航程，因为泄漏更少——浪费的电力——因为汽车利用了驱动电机所需的能量。最大的汽车芯片制造商英飞凌科技预计，到 2025 年，碳化硅将超过 30% 的电动汽车功率芯片市场。

英飞凌汽车大功率解决方案部门负责人 Stephan Zizala 表示：“碳化硅可以带来显着的优势，实际上可以将范围提高 5% 到 10%。”

一些制造商已经在销售这个概念。通用汽车正在其 Ultium 电动汽车电池平台中使用碳化硅器件，这是其所有未来电动汽车的基础。丰田汽车公司率先推出了普锐斯混合动力汽车，在氢动力丰田 Mirai 中使用了碳化硅，其供应商电装公司已将这种芯片应用于其他汽车生产线。

由菲亚特克莱斯勒汽车公司和法国竞争对手 PSA 集团于今年早些时候合并而成的 Stellantis 最近表示，它可能会在电源逆变器中使用碳化硅，这将是全球大规模制造新一代电动汽车的关键。

但一些公司，如通用汽车，正在对冲他们的赌注。他们还在寻找未来使用的氮化镓或 GaN。

氮化镓是一个较新的进入者——目前尚不清楚它会扮演什么角色。英飞凌希望它能够补充其他技术。其他人则将其定位为碳化硅的竞争对手。宝马本月早些时候签署了一项协议，从 GaN Systems Inc. 获得 2.5 亿美元的此类芯片。

氮化镓芯片可以将汽车通常需要的充电时间从 11.3 小时缩短至 4.7 小时，在此过程中可节省 70% 的能源。它还可以将车辆的续航里程提高 5%，并使用更少的电池。这是根据初创公司 Navitas Semiconductor Inc. 的说法，该公司告诉投资者，到 2026 年，氮化镓芯片将占功率半导体市场的 16%，高于去年的不到 1%。

汽车制造商花了数年时间来适应新技术。密歇根州特洛伊市一家中资电动传动系统制造商 JJE North America 的副总裁迈克尔杜海姆说，十多年前首次向汽车制造商提供碳化硅时，他们认为它“非常昂贵”。

当时的典型反应是：“我为什么要那样做？这太疯狂了，”他说。现在它正在进入高档汽车，在这些汽车中，性能优势超过了成本。

尽管如此，仍然有一些痛苦的权衡。传统的硅基芯片每年生产量以数十亿计，而该技术 50 年的主导地位创造了一个庞大的全球基础设施来生产它。这降低了成本。碳化硅晶片是制造新芯片的基本材料，只有少数几家公司生产，例如 Cree Inc.，其工艺仍然困难且昂贵。

一个障碍是材料本身，它必须在化学过程中从晶种中生长出来。能够产生所需纯度的晶体相对较少。任何杂质都会导致晶圆和芯片效率降低。Cree 的竞争对手安森美半导体公司 (On Semiconductor Corp.) 上个月同意以 4.15 亿美元收购 GT Advanced Technologies，收购其碳化硅供应商，这表明材料是多么稀缺。这笔交易使其能够确保获得原材料。

据 Cree 估计，碳化硅组件可能会使车辆成本增加 200 美元。但新技术的推动者表示，成本将很快收回，因为汽车不需要那么多电池。

Eloy 说，这说明汽车制造商需要更多地考虑他们使用的芯片。

“如果你想节省成本，如果你想增加航程，如果你想完成所有这些优化，你需要涉足半导体，”他说。