汽車缺芯現(xiàn)象已成為世界范圍內(nèi)關(guān)注的問題。為了解決汽車核心不足的問題，政府、汽車制造商和半導(dǎo)體制造商正在協(xié)調(diào)產(chǎn)能。不專注于汽車半導(dǎo)體的TSMC，與去年相比，汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵零部件MCU的產(chǎn)量增加了60%。與此同時，國內(nèi)外很多汽車廠商都宣布要研發(fā)芯片來緩解核心不足的問題。在各方的努力下，我們看到豐田、通用等一些停產(chǎn)車企的產(chǎn)量在下半年開始恢復(fù)。大眾汽車首席財務(wù)官表示，他已經(jīng)看到芯片供應(yīng)穩(wěn)定。
然而，當(dāng)各行各業(yè)的人把目光聚焦到貼近生活的汽車行業(yè)時，那些遠(yuǎn)離日常生活的行業(yè)也在遭受著核心缺失的困擾，工控行業(yè)就是其中之一。11月23日，施耐德電氣發(fā)布通知函稱，因以太網(wǎng)芯片供應(yīng)不足，相關(guān)產(chǎn)品全球暫停銷售，訂單不予受理?？梢?，核心的缺失已經(jīng)影響到工控領(lǐng)域的龍頭企業(yè)。如果這個問題不解決，缺芯對行業(yè)的影響會更加嚴(yán)重。
起源于德國的工業(yè)4.0，是指利用數(shù)據(jù)驅(qū)動的人工智能完成產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，其要點(diǎn)包括:物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字孿生、用AI和大數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃生產(chǎn)等。這一理念的實現(xiàn)，有助于打造具有國際競爭力的制造業(yè)，從而為提升綜合國力、保障國家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國鋪平道路。在工業(yè)4.0中，工業(yè)控制自動化被認(rèn)為是工業(yè)4.0的必然趨勢，因為工業(yè)控制自動化可以降低制造業(yè)的成本，提高效率。
工業(yè)控制涉及很多環(huán)節(jié)。一般來說，主要分為控制層、驅(qū)動層和執(zhí)行層，半導(dǎo)體是任何一層都不可缺少的關(guān)鍵器件。就單個以太網(wǎng)通信模塊而言，它包括MCU、IC芯片、SDRAM芯片等。如果是更復(fù)雜的控制層，就需要CPU、顯卡、BIOS芯片等控制芯片。
變頻器（以下簡稱-VFD）短缺背后的工控行業(yè)缺芯之痛
或許是因為沒有特斯拉這樣的明星企業(yè)，又或許是距離大眾太遠(yuǎn)，工控領(lǐng)域的“核心病”似乎并沒有引起重視。但實際上，工控產(chǎn)品的核心短缺已經(jīng)體現(xiàn)在很多方面，包括PLC、DCS、VFD等產(chǎn)品的短缺。VFD的交付時間已從4-6周延長至16-24周。
VFD通過改變交流電機(jī)電源的頻率和幅值，從而改變其運(yùn)動磁場的周期，起到工業(yè)控制的作用，從而平滑地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。VFD通過開啟和關(guān)閉內(nèi)部IGBT來調(diào)節(jié)輸出電源的電壓和頻率，并根據(jù)電機(jī)的實際需要提供所需的電源電壓，從而達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的。此外，VFD還有過流、過壓、過載保護(hù)等多種保護(hù)功能。VFD中的IGBT和電流傳感器需要由單片機(jī)控制。但與汽車行業(yè)相比，一輛車需要幾十上百個MCU，一個VFD MCU的需求可以忽略不計。
除了單機(jī)的需求水平差距，汽車市場與VFD市場的規(guī)模也存在巨大差距。數(shù)據(jù)顯示，2020年中國汽車制造業(yè)營業(yè)收入將達(dá)到8.16萬億元，而2019年中國VFD行業(yè)市場規(guī)模為495億元。在這樣的規(guī)模差距下，VFD廠商的議價能力和訂單優(yōu)先級都無法與汽車廠商相比。
但VFD并不是工控領(lǐng)域唯一缺貨的產(chǎn)品，工控領(lǐng)域的缺芯問題亟待走到臺前。
工業(yè)控制單片機(jī)的國產(chǎn)替代仍然困難
根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)控制/醫(yī)療保健占全球MCU下游應(yīng)用市場的25%。然而，如此巨大的市場仍然被大多數(shù)外國制造商占據(jù)。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2019年全球MCU被前五大廠商占據(jù)80%以上；中國MCU的市場份額也被國外廠商瓜分了80%以上。
工業(yè)領(lǐng)域難以實現(xiàn)MCU國產(chǎn)化替代的主要原因是工業(yè)領(lǐng)域?qū)CU性能的嚴(yán)格要求。以VFD為例，其內(nèi)部充滿了大功率電子元器件，因此MCU需要具備一定的耐高溫和耐低溫能力。同時VFD工作的工業(yè)環(huán)境面臨電磁干擾、腐蝕性氣體、振動和沖擊等挑戰(zhàn)，對MCU的穩(wěn)定性提出了要求。
從上表可以看出，工業(yè)級MCU雖然沒有汽車儀表級MCU嚴(yán)格，但其門檻仍然比消費(fèi)級MCU高很多。目前國內(nèi)MCU企業(yè)大多只能替代消費(fèi)和低端工控領(lǐng)域，無法成為解決工控領(lǐng)域不足的主力軍。
此外，工控市場國產(chǎn)化程度低也在一定程度上影響了國產(chǎn)MCU的替代進(jìn)程。數(shù)據(jù)顯示，2019年，工業(yè)控制品牌西門子以13%排名全球第一，前十大品牌中有一半是美國品牌，包括艾默生和羅克韋爾自動化。以及國產(chǎn)變頻器品牌，其規(guī)模約為8.84億美元，占全球工控市場的0.4%。外國企業(yè)占據(jù)了大部分市場份額。這些外資企業(yè)不會優(yōu)先考慮國產(chǎn)MCU。國內(nèi)MCU廠商準(zhǔn)入有限，使得國產(chǎn)MCU進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域更加困難。
本土化，路在何方？
集成電路產(chǎn)業(yè)與工業(yè)控制領(lǐng)域的關(guān)系實際上是相輔相成的。集成電路產(chǎn)品是支撐產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，產(chǎn)業(yè)水平的提高將直接影響集成電路生產(chǎn)的相關(guān)流程。可以看出，工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)強(qiáng)大的國家在半導(dǎo)體技術(shù)上也處于領(lǐng)先地位，因此國產(chǎn)化對于工業(yè)控制領(lǐng)域和半導(dǎo)體都非常重要。
工業(yè)的國產(chǎn)化不能依靠某一環(huán)節(jié)的力量，只有全產(chǎn)業(yè)鏈的共同突破才能實現(xiàn)中國工業(yè)控制的國產(chǎn)化。
