2020年8月22日，首都科学讲堂线上开讲，本次首都科学讲堂邀请了中科院院士甘子钊、清华大学微电子所教授王燕、国家新能源汽车技术创新中心副总经理邹广才，为大家带来主题为《中国芯——让智能新能源汽车乘风破浪中国芯——让智能新能源汽车乘风破浪》的精彩讲座。 

　　中国芯——让智能新能源车“乘风破浪”

　　随着汽车行业步入“新四化”时代和消费升级的需求，实现车规芯片的国产化和自主化具有十分重要的战略意义、现实意义和经济效益。

　　第一讲 中国科学院院士甘子钊：为什么要大力发展车载半导体芯片？

　　半导体是当代的一个重大产业，从应用角度来说，通常我们把它分成三代半导体，第一代半导体是上世纪40年代、50年代发展起来的以硅（Si）为代表的集成电路产业，以至于有人把这个时代叫做半导体的石器时代，因为硅（Si）是石头的主要来源。

　　第二代半导体，从它的应用来说，是由于光纤通信这个产业带来的重大变化。在这里，半导体材料是以砷化镓（GaAs）为基础的III-V族化合物半导体合金，是在上世纪70年代到80年代发展起来的。

　　第三代半导体第一个重大的应用是在发光上，目前全世界电力消耗当中，有20%左右是用来照明的，90年代，氮化镓（GaN）为基座的半导体材料做成的发光二极管，比原来的电灯有多大进步？打一个比方，1瓦的电在原来的电灯泡里，它的光总量是16-20流明，流明是关于发光的亮度的一个评价。而氮化镓（GaN）半导体，可以做到200-250流明，也就是说，现在用发光二极管做成的灯，电能转换效率比原来提高了10倍甚至更多。

　　如果从整体环境上来看，现在以发光二极管为主要材料的照明行业，可以节约50%以上的电能，这也让照明行业成为了一个高产值的行业，拿我们国家来说，2019年的数据是5000—6000亿元，未来我们希望产值可以突破1000亿元。

　　从2010年开始，碳化硅（SiC）做的新能源汽车用的电子器件已经开始使用，氮化镓（GaN）为基座的也会有很大的应用。大体上我们可以这么说，如果电压在800-900伏以上，氮化镓（GaN）优点很明显。如果电压低一点的话，碳化硅（SiC）的优势更为明显。所以从这样来看，在功率电子学的范围，今后10年-20年，用碳化硅（SiC）的材料和氮化镓（GaN）材料做成的功率电子学会是一个主流。

　　对于新能源汽车来说，电动机非常关键，在电动机的模式上，未来是永磁同步电机，还是交流异步电机，现在还存在争论，但是从物理学家的角度来看，显然永磁同步电机是比较优秀的，因为从功能上来看，永磁电动机的耗能，可以减少30%-40%，并且总重量也会减少一半，符合新能源车未来发展的潮流。

　　永磁发动机的磁体怎样才能做得更好，怎样才能在使用过程当中不至于突然失磁，还有很多工作要做。目前我国磁粉工业有一定优势，在钕铁硼（Nd – Fe -  B），钐铁氮（Sm -Fe - N）等方面都做得很好，希望未来新能源汽车产业的发展，可以从侧面推动永磁电机的发展，而永磁电机的发展又会带动整个电力工业的进步。

　　第三是新能源汽车电池，目前行业内大量使用的是锂电池，使用钠电池的比较少，但钠电池相比于锂电池，还是有一定优势的，锂电池的用料是铜，而钠电池是铝，铝的价格比铜的价格便宜的多，所以钠电池未来是有很多机会的。燃料电池方面，甲醇是非常不错的燃料，甲醇燃料和汽油联合应该是发展的主要方向。在新能源电池方面，未来十年我们国家在世界上应该可以处于一个领先的位置。

　　关于电池的问题，如果深入研究下去，就牵扯到我们对当代凝聚态物理的了解了，在电池当中，传导是离子，随着凝聚态物理学的发展，对离子导电的认识也会更加清晰，最终带来电池行业的进步，而这恰恰是新能源汽车行业的重大进步。

　　那么，为什么要在汽车上发展半导体芯片呢？汽车是个很大的市场，和人民生产生活密切相关，因此有必要发展一个自己的芯片体系。但车载半导体芯片和普通的信息产业又不同，它需要高压、大电流、大功率来支持，不仅仅是硅（Si），也包括碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等，是一个全新的体系，而这个体系一旦建成，对未来国民经济会起到很大的推动作用。

　　不可否认的是，在19世纪到20世纪工业化的过程中，汽车行业起到了带头作用，同样作为未来带动技术进步的机会，发展新能源汽车的意义不言而喻，是一个重大的机遇，当然也同样是一个挑战， 未来只有真正把国内大循环和国际循环结合起来，才能推动新能源汽车产业又好又快地发展。

　　第二讲 清华大学微电子所教授王燕：未来十年内，车载SiC器件有望实现全面国产化

　　目前，我国的石油储量只够用10年，因此我们国家需要进口大量原油，这就相当于我们国家的能源命门掌握在别人手中。但另一方面，我国已探明的煤炭储量能够使用上百年，因此从能源安全的角度来讲，减少对石油的依赖，盘活煤炭资源，改善能源结构势在必行。

　　现在已经探明，全球二氧化碳排放中有25%来自于汽车。在我国，汽车排放带来的污染已经成为城市大气污染的主要因素。节能减排已经成为汽车行业发展的重大课题，所以新能源汽车是实现节能减排和我国汽车产业持续发展的必然战略措施。

　　在汽车发明100多年后，今天的汽车产业面临着汽车发明以来最重大的变革，它面临着新的发明机会，新的动力系统和全新的驾驶模式。

　　在过去的100年里，西方国家已经在变速器、燃油发动机、ABS这样的核心零部件领域建立了很高的技术壁垒，而对于电动汽车来讲，全世界各国大概发展只有10年左右的历史。我们国家可以和西方国家站在同一个起跑线上。

　　现在，中国研发的优势已经开始逐渐体现出来了，以电池为例，现在国际上主要的电池厂家有两家属于中国，比亚迪的电池已经在商用车里全面使用。宁德时代不但已经成为全球最大的电池厂家，而且为宝马、奔驰等这样的汽车企业供货。

　　总之，用电动汽车取代燃油车，不但可以改善我们国家的能源架构，甚至在能源方面，可以获得更大的全球的话语权，所以说发展新能源电动车是我们的国家战略。

　　从技术上来看，现在的电动车主要表现了三个发展趋势，第一针对电池，提升电池容量可以增加续航里程；第二是效率问题，在电池容量保持不变的情况下，提升效率就相当于增加了续航里程，也可以加快充电时间；第三，电动汽车电压平台出现了明显的高压化的趋势。因为达到相同的功率等级，提升了电压，就可以使电流减小，这样可以减轻充电电缆的重量，提升动能效率。而上述这三个趋势都和碳化硅（SiC）器件分不开。

　　碳化硅（SiC）在新能源汽车中的应用有以下几个方面，一是功率变换器，采用碳化硅（SiC）器件可以提高功率变换器高温工作下的可靠性，减小散热系统的体积；二是在电池充电器方面，电池充电器主要有AC/DC、DC/DC变换器。采用碳化硅（SiC）可以提高变换器的工作频率，这样就可以减少无源器件电容电感的体积，使得整个汽车的体积减小，重量减轻，也意味着功率密度的提升。第三个方面是电机驱动器，也就是其中核心组件的逆变部分。采用碳化硅（SiC）组成的逆变器可以降低损耗，把能量损耗降低50%以上。

　　目前全球碳化硅（SiC）产业格局表现为美国、欧洲、日本三足鼎立的态势。其中美国全球独大，占到了碳化硅（SiC）产业的70%-80%，以美国CREE（科锐）为龙头企业。欧洲在衬底、外延、器件及应用产业链，全球电力电子等方面有极大的话语权，以德国的Infineon（英飞凌）为龙头企业。日本则在设备和模组方面在全球具有绝对的领先地位，以ROHM（罗姆公司）为龙头。

　　在中国，为了抢占下一代新能源汽车用电机驱动技术制高点，引领宽禁带半导体的新纪元，近年来我们国家科技部、发改委、工信部和自然基金委等多个部门携手，大力推进碳化硅（SiC）功率器件研发，在基础研究，关键技术和具体应用方面，都给予了有力的支持。目前国内已经初步构建了碳化硅（SiC）衬底、外延器件产业链。

　　国内碳化硅（SiC）衬底行业主要有天科合达、山东天岳等两家公司。外延主要有东莞天域、厦门瀚天天成这两个企业。目前，我们国产芯片主流是4英寸的碳化硅（SiC）晶圆，现在也有6英寸的小规模量产的晶圆的生产线，目前还在向8英寸晶圆发展。晶圆尺寸越大碳化硅（SiC）材料方面的成本越低。随着成本的降低，再加上碳化硅（SiC）器件出货量的不断增加，可以说碳化硅（SiC）器件的成本确实是在显著地下降。

　　在碳化硅（SiC）功率芯片方面，国内有大量的高校研究所开展了相关方面的研究。虽然在SiC MOSFET方面，还未实现大规模的量产，但是在低功率等级，肖特基二极管方面已经能够实现量产。

　　碳化硅（SiC）是第三代半导体材料，它的设计技术远远达不到硅（Si）集成电路设计技术的程度。碳化硅（SiC）器件组成模组以后，它的热设计、匹配设计也不成熟，这就导致在设计技术方面我们国家是比较薄弱的；在工艺提升方面，国外主要采用的是IDM模式来研制碳化硅（SiC）器件，国内就相对比较少了，在这方面也有很大的提升空间。

　　应用方面，国内比亚迪投入巨资布局第三代半导体产业，已经成功地研发出了SiC MOSFET，预计到2023年，比亚迪将在它旗下的电动车中全面实现SiC基车用功率芯片，对Si芯片进行全面的替代，国内在2017年推出了首个碳化硅（SiC）新型充电桩示范工程，也标志着我们国家在碳化硅（SiC）器件应用上迈出了关键的一步。

　　我个人的观点认为，我们国家在碳化硅（SiC）器件在汽车领域中的应用目前处在第二梯队，与欧美日的差距主要体现在材料、芯片及模组方面。但是我们的优势在于，现在国家对新能源汽车非常重视，相信在国家政策红利的支持下，再加上国产化替代的需求，做一个比较乐观的估计，应该说不到十年，甚至只需要五年时间，碳化硅（SiC）在车企的应用，应该就能够全面实现国产量产化。

　　第三讲 国家新能源汽车技术创新中心副总经理邹广才：联合上下游企业，尽快建立中国汽车芯片共性平台

　　从市场规模来说，中国的汽车产业在世界上是第一位的，特别是我们国家从2014年以来，在新能源汽车方面的发展取得了显著的成效，在世界范围内也取得了先发优势，目前新能源汽车正在向智能化方面发展，是未来汽车产业发展的主要方向。

　　新能源智能汽车是电子信息技术和新能源汽车技术的一个跨界融合的产物，在这个跨界融合过程中，汽车芯片就是实现智能化和电动化的核心硬件，也是影响我国产业安全的重要要素。但汽车上的芯片要求具有高安全性、高可靠性、高稳定性，甚至要求零缺陷，必须要能满足各种行驶工况下的高温变动、抗振动等要求。而且要在世界各地最极端的气候条件和地理环境下连续工作。正是这些要求，使汽车芯片从研制到生产应用，技术门槛都非常高。

　　应该说汽车芯片都不是汽车行业的一级供应商，有些甚至是二级供应商和三级供应商。但关键点在于，芯片往往嵌套在一个汽车电子部件，或者是电子控制器中，这个控制器再作为一级部件上车进行使用。一个控制器如果芯片功能失效，或者说芯片性能指标达不到要求，这个控制器就不能实现自己的作用，车辆也就无法正常执行一些指令。

　　一款汽车芯片产品如果想进入供应链进行使用的话，必须经过严格的评测、评价，大概需要两三年的时间，然后再经过整车厂的认证，因此它进入供应链的时间非常长，而一旦进入供应链以后，汽车厂家也会长期地选用某一系列芯片，很难轻易更换，这就会形成一个非常稳定的合作关系。正是因为有这样非常严格的标准和认证流程，有这样长的认证周期和认证成本，以及非常稳定的合作关系，才使得这个产业的壁垒非常高。

　　2019年，全球汽车芯片的市场规模大概是在400亿-500亿美元之间，因为统计口径不一样，所以这个数字会上下有所浮动，但基本上都在这一范围。我们国家汽车芯片产业的规模，据统计大概是150亿，如果统计口径再扩大一点的话，可以达到接近200亿。但总体来讲，我们的自主率大概也就在5%左右。而我们国家汽车市场的规模占全球的规模大概是30%，这里面存在着巨大的差距。

　　我们国产车上所用的芯片90%以上，再严格一点说95%以上可能都是进口芯片，特别是在我们关键电子控制器中使用的都是进口芯片，这里所说的关键电子控制器，包括先进传感器，也包括新能源汽车的三电系统、底盘的电控系统、车载网络、自动辅助驾驶，以及自动驾驶等这些关键的传感器，功能直接影响到车辆的安全。以前我们的进口渠道比较宽松，但是近几年国际环境日益复杂，进口渠道的风险也被凸显出来。未来如果汽车芯片不能实现自主化和国产化，将会对我们汽车产业供应链的安全性、稳定性产生致命的影响。

　　再看一下单车上所用的汽车芯片的价值，比较保守地估计，2019年一辆车上所用的芯片大概是400美元-600美元，那么到2022年预估下来应该是600美元-1200美元，为什么会有这么大的增加值，就是因为未来的汽车向新能源化、电动化、智能化、网联化发展，所以在车上增加的很多都是电控功能，而每增加一个电控的功能就需要用到汽车芯片。

　　到了2022年，假设我们国家汽车市场只有2500万辆，整个汽车芯片的市场规模也可以达到150亿美元-200亿美元，这也是一个千亿级的市场，占全球汽车芯片市场的22%甚至更高，孕育着巨大的市场机会。

　　为什么我们国家汽车芯片的自主率比较低？有以下几个原因，首先，没有自己的汽车芯片的标准体系，上游的芯片企业不知道按照什么样的标准去指导自己的设计，下游应用企业也很难有完整标准指导选择芯片；其次，我们现在还缺少一个比较完善的汽车芯片的测试评价体系。第三，我们国家自己的关键控制器用的汽车芯片，从它的架构设计开始就要考虑到可靠性、功能安全等一些技术功能和技术指标，在这方面我们国家的企业还处在摸索阶段。最后一点，关键的芯片产品目前还缺乏应用，自主生产的汽车芯片产品要主动地向下游靠拢，让下游自己来设计汽车电子控制器，而下游的汽车电子供应商和整车企业也要去选择上游的芯片来设计控制器，这样才能实现上下游的一个对接。

　　因此从国民经济的高质量安全发展，从产业链的自主可控，从汽车芯片产业的巨大市场机遇看，实现汽车芯片的国产化和自主化都具有十分重要的战略意义、现实意义和经济效益。

　　未来国内汽车芯片行业如何发展？国家新能源汽车创新中心提出四个方向供大家参考，也是作为未来可以进行探索和着力的方向。第一就是聚焦重点方向，建议聚焦影响汽车关键行驶功能芯片，包括感知、控制、计算、存储通讯、安全、功率等这些芯片，联合产业链上下游进行协同攻关，突破关键技术，研究关键的产品。

　　第二就是建设产业的共性平台，这个共性平台用来联合产业链上下游共同研究标准，来做芯片产品可靠性的认证和评测，做质量的审核。通过这样的平台来打通两大产业之间的断层，打通这个芯片上车的技术通道。

　　第三就是完善标准布局。我们依托刚才提到的共性平台，可以建设中国汽车芯片的标准体系，这个标准体系用于汽车芯片的检测验证，这个不仅是检测验证，而且可以用来指导上游的汽车芯片企业如何去设计自己的产品。同时这个标准也要向国际进行推广，参与国际的标准制定，向外进行输出。

　　最后是强化汽车芯片的推广应用。依托共性平台建立一个全国跨行业的汽车芯片的创新和产业联盟，联合芯片、软件、汽车电子供应商、整车企业，来研发应用自主汽车芯片产品的汽车电子控制器，或一些通用的技术平台，再向汽车电子供应商，以及整车企业进行推广应用。