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  • 中國家電造芯記:打造自己的神經中樞系統 防患于未然

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    2022-04-07 來源: 中國家電網

     近年來,“中國芯片卡脖子”問題受到全民關注,除了處于輿論旋渦中的手機通訊行業,其他諸如汽車、家電等行業也紛紛上馬自己的“造芯”項目。以家電業為例,包括美的、海爾、格力、海信、格蘭仕、TCL、康佳等在內的企業均發布了自己的“芯片半導體”規劃,那么家電行業的“造芯”運動與手機造芯有什么區別,家電企業“造芯”的前景如何,帶著這些疑問,我們開啟了探索之旅。

     

     

     

     

     

     

     

    家電的“神經系統”

     

     

     

     

     

     

     


    如果將家電比作一個有機的生命體,那么鋼材、塑料等組成了家電的外骨骼,電機、壓縮機等類似于心臟,制冷劑、連接器件等則猶如產品的血液和結締組織,而要將所有部分聯通運行起來還需要賦予產品一幅“神經網絡”,而芯片與半導體元器件承擔起這一角色。

     

    以空調為例,當我們接通電源,手握遙控器發出指令時,一連串的奇妙反應便在空調內部發生了。當我們按下某個按鍵,遙控器內的線路板便接收到信號,通過電源管理模塊“告知”室內機控制電路“你應該怎樣做”,室內機的處理運算系統接收信號,激活傳感模塊去“感受”室內環境的溫濕度并反饋給運算處理系統,得到“結論”的運算處理器將信息傳導至風機電路,風機內的運行處理模塊同樣會對接收到的信息進行“解讀”再傳導給室外機的控制電路,同樣的信號接收、運行處理過程在室外機的電源、電機和壓縮機系統內上演,關于空調制冷/制熱等指令完成。這一整套流程循環往復,讓空調得以“生生不息”地運行。

     

    在這一過程中,信號或信息的采集、感知與運算處理,便是由眾多芯片和半導體元器件完成的。譬如,電源管理芯片(PMI)由眾多模擬混合集成電路組成,它可以對電能的變換、分配、檢測等進行管理,諸如交/直流電轉換、電壓調制、顯示面板驅動、電池充電管理等均需PMI模塊參與。

     

    再如MCU芯片,它相當于家電的“大腦”,對應功能近似于電腦CPU,只是運算能力和功能相對簡單;MCU承載了家電整體信息的集成與處理,存儲等功能。在傳統非智能家電產品上,一般搭配4位或8位MCU芯片即可,但是隨著家電智能化的演進,32位的MCU已經開始加速運用于智能家居、智能家電產品上,可以滿足設備的基礎智能需求。根據艾睿電子相關數據顯示,2019年中國大白電產品中,搭載8位MCU芯片的產品占比約為56%,搭載16位MCU芯片的占比約19%,搭載32位MCU芯片的產品占比約為21%。而代表更高算力的64位MCU芯片也已經出現,在運算效能上,該階MCU芯片已經接近64位的電腦CPU。

     

    除了PMI等電源芯片和MCU主控芯片外,家電產品內還存在大量傳感器件,他們類似于神經元細胞,負責“搜集”諸如溫度、濕度、質量、電磁、電阻、潔凈度、轉速、氣味顆粒、位移等等信息因子,以咨處理器“參考”。此外,隨著家電與外界“交互”需求的增加,WIFI、藍牙等通信芯片也開始廣泛運用于家電產品中。

     

    華西證券調研顯示,為了實現家電的變頻功能,一款普通的變頻冰、洗、空產品需要運用2-3顆PMI模塊,而隨著產品功能的升級,一款高端變頻冰箱需要運用5組或以上PMI芯片。同理,家電智能化的升級,也在呼喚更高算力的MCU芯片和更高精度的傳感元器件。

     

    據家電業內人士介紹,傳統上一顆普通的PMI芯片成本價約在1元,一顆MCU芯片成本價約為2元,傳統白電產品中,芯片成本對于整機成本占比一般不超5%。但隨著家電變頻化、智能化發展,一款智能變頻家電中整機芯片的成本逐漸提升到10%-15%,且該成本還會隨產品性能需求的升級同步增加。

     

    對于家電用芯片需求的提升是現實的一面,國產配套的不完善則是另一面,據中國科學院微電子研究所主任王云透露,2019年中國家電用芯片市場規模約為500億元,而行業本土配套率僅為5%,國內家電用芯片短板亟需補齊。

     

    目前,國內行業存在一些專業家電用芯片公司,諸如專注電源管理芯片的芯朋微,專注功率模塊的華潤微電子、聞泰科技等,專注主控芯片的華大半導體、中穎電子等,但在市場份額占比方面,國產品牌仍遠落后于海外品牌。以PMI芯片為例,2019年中國電源芯片市場份額的96%均被海外品牌占據,同樣在MCU芯片上,也是瑞薩、英飛凌、飛思卡爾等國外品牌占據絕對主導地位。

     

    目前,中國冰、洗、空三大白電產品的合計年產能超3億臺,約占全球產能的70%,中國家電市場整體規模超萬億,兩相比照,家電芯片國產替代的市場潛力巨大。同時,芯片國產替代在關鍵時刻能夠維護我國家電供應鏈的穩定,并提升中國家電產品在全球價值鏈分工體系中的地位,這一點在貿易戰和疫情期間已經得到充分驗證。

     

     

     

     

     

     

     

    “造芯”充滿未知數

     

     

     

     

     

     

     


    現在,中國家電企業“造芯”的干勁十足,但“造芯”前景還存在諸多未知數。

     

    以美的為例,作為綜合白電制造企業,美的應用的PMI模塊也曾主要依賴進口,隨著2018中美貿易戰的打響,美的方面成立了項目組,啟動PMI產業化研究,并于2019年宣布實現了PMI模塊的自主可控。同樣,在MCU芯片上,為了防止被國外“卡脖子”,美的于2018年成立了上海美仁半導體公司,并于2021年實現量產1000萬顆的目標。另外,2021年美的還成立了美懇半導體技術有限公司,主要經營集成電路芯片的產品制造和銷售。未來,美的方面表示,除滿足家電產品使用需求外,公司還計劃覆蓋工業、車規、醫療等更廣泛級別的芯片研發與制造,2024年美的預計可實現新能源汽車水泵控制用芯片的量產。

     

    不過,即使有配套產業的托底和雄厚的資金鏈,美的方面依然表示,從研發門檻而言,芯片從設計到制造需要高成本、長時間,而未來生產銷量的多少,尚屬未知數;布局芯片,即使是相對技術門檻較低的家電用芯片,對企業而言也意味著人才、技術上的長期投入。

     

    事實上,芯片從研發到制造,絕對是一個“燒錢”的過程,盡管很多家電企業宣布投入“100億”、“500億”做芯片,但相比于專業芯片研發生產企業而言,這些投入仍略顯不足。

     

    以全球專業半導體公司為例,2020年全球半導體TOP6品牌分別為英特爾,三星,博通,高通,英偉達,臺積電,聯發科,其中英特爾當年研發投入129億美元(約合人民幣820億元),聯發科研發投入約178億元人民幣。再看中國互聯網科技企業的研發投入,2020年華為總體研發投入是1418億元,中興整體研發投入147億元,小米是93億元,當然這是企業整體的研發投入,不僅限于芯片研發。而當年,家電企業的整體研發投入中,美的為101億元,海爾為72億元,TCL 65億元,格力62億元,而長虹、創維、海信、康佳等企業的研發投入均低于20億元。

     

    即使家電用芯片整體技術難度相對手機、汽車用芯片要低很多,但要想將芯片做好,做成高端品質,其自研投入也將是一筆驚人的費用。事實上,有半導體從業者認為,家電企業自研芯片可能不是為了賺錢,而是為了防止“卡脖子”、“芯片荒”,事實上不少家電企業宣布自研芯片規劃的時間點恰是2018年前后——美國宣布制裁中興、華為等中國企業,發動對中貿易戰。

     

    當然,家電企業自研芯片也并非全無優勢,該半導體從業人士認為家電企業增設芯片自研項目后,一定程度上能夠跳過芯片設計廠商直接與晶圓廠對接,并同封測廠打交道,縮短產品供應周期和節點,有一定的垂直供應鏈保障生產連續進行。而對于美的、格力等有志于進入新能源車或工控賽道的企業,研發人員、技術等的協同和遷移也有助于分攤芯片自研的投入。

     

    王云建議說,單就家電用芯片而言,整體產值較低,家電企業的此類投資會具有一定風險,因而相比于企業“單打獨斗”的孤勇闖關,他更鼓勵家電企業選擇與其他專業芯片研發制造企業進行跨界合作,在發展中解決出現的問題,“切忌只想另起爐灶,重返當年運動式、間歇式攻關的錯誤”。

     

    對于家電企業進軍芯片制造,不少網友也發表了自己的看法,如有網友認為,“家電用MCU不用很高的制程,國產制造封裝也沒有問題,看現在汽車用MCU缺貨厲害,如果有自研的MCU,就不至于減產停產了,所以具備一定的芯片自研能力,還是很有必要的。”還有網友認為,“有開始總是好事,現在沒有研發能力可以培育,不然怎么搞好相關產業?東芝、索尼、三星都培育出了自身的研發能力,他們發展芯片也成功了,中國傳統家電廠商可以借鑒。”

     

    家電產業造芯風向已起,這一次我們也期待它能夠從“小旋風”發展成橫跨整個產業的“大氣旋”。

     

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