變頻器缺貨背后的工控行業(yè)缺芯之痛

缺芯的現(xiàn)象已經(jīng)成為全世界都在關(guān)注的問題，為了解決汽車缺芯的問題各國(guó)政府、汽車廠商和半導(dǎo)體廠商都在協(xié)調(diào)產(chǎn)能。不主攻汽車半導(dǎo)體的臺(tái)積電在汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品的關(guān)鍵組件MCU產(chǎn)量比去年提高了60%，同時(shí)更是有多家國(guó)內(nèi)外汽車大廠宣布要研發(fā)芯片以緩解缺芯問題。在各方的努力之下，我們看到一些停工的車企，如豐田、通用下半年的產(chǎn)量開始呈恢復(fù)狀態(tài)。大眾汽車的首席財(cái)務(wù)官表示已經(jīng)看到芯片的供應(yīng)趨于穩(wěn)定。

然而，在各界目光集中在距離生活較近的汽車行業(yè)時(shí)，那些距離日常生活較遠(yuǎn)的行業(yè)也正在承受著缺芯之痛，而工控行業(yè)就是其中之一。11月23日，施耐德電氣發(fā)布通知函，稱由于缺少以太網(wǎng)芯片的供應(yīng)將在全球范圍內(nèi)暫停相關(guān)產(chǎn)品的銷售且不接受訂單，可見，缺芯已經(jīng)影響到了工業(yè)控制領(lǐng)域的頭部企業(yè)。如果這一問題不解決，缺芯對(duì)工業(yè)的影響將更加嚴(yán)重。

起源于德國(guó)的工業(yè)4.0，是指用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人工智能來完成工業(yè)的轉(zhuǎn)型，其關(guān)鍵包括：物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、數(shù)字孿生、運(yùn)用AI和大數(shù)據(jù)規(guī)劃生產(chǎn)等。這一概念的實(shí)現(xiàn)有助于打造具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的制造業(yè)，從而為提升綜合國(guó)力、保障國(guó)家安全、建設(shè)世界強(qiáng)國(guó)鋪平道路。而在工業(yè)4.0中，由于工控自動(dòng)化可以實(shí)現(xiàn)制造業(yè)降本增效，因此工控自動(dòng)化被視作工業(yè)4.0的必然趨勢(shì)。

工控自動(dòng)化中涉及的環(huán)節(jié)有很多，整體概括來說主要分為控制層、驅(qū)動(dòng)層、執(zhí)行層，而無論在哪一層面半導(dǎo)體都是其中不可缺少的關(guān)鍵器件。單就一個(gè)以太網(wǎng)通訊模塊來說，其中包含MCU、IC chip、SDRAM芯片等。如果是更復(fù)雜的控制層，還會(huì)需要CPU、顯卡、BIOS芯片等控制芯片。

變頻器缺貨背后的工控行業(yè)缺芯之痛

或許是因?yàn)闆]有如特斯拉那般的明星企業(yè)，又或許是離大眾太遠(yuǎn)，工控領(lǐng)域的“芯病”似乎并未引起重視。但實(shí)際上，工控產(chǎn)品的缺芯已經(jīng)反映在多個(gè)層面，包括PLC、DCS、變頻器等產(chǎn)品的缺貨。其中變頻器的交貨期已經(jīng)從4-6周延長(zhǎng)到16-24周。

變頻器在工控中的作用是通過改變交流電機(jī)供電的頻率和幅值，從而改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，以平滑控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。變頻器靠?jī)?nèi)部IGBT的開斷來調(diào)整輸出電源的電壓和頻率，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要來提供其所需要的電源電壓，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能、調(diào)速的目的，另外，變頻器還有很多的保護(hù)功能，如過流、過壓、過載保護(hù)等等。變頻器中的IGBT、電流傳感器都需要MCU進(jìn)行控制。但相對(duì)于汽車行業(yè)，一臺(tái)車就需要幾十上百的MCU需求，一臺(tái)變頻器一顆MCU的需求顯得微不足道。

除了單臺(tái)機(jī)器需求量級(jí)的差距，就汽車市場(chǎng)和變頻器市場(chǎng)的規(guī)模也存在巨大的差距。數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)汽車制造業(yè)營(yíng)業(yè)收入達(dá)到8.16萬億元，而中國(guó)變頻器行業(yè)的2019年的市場(chǎng)規(guī)模則為495億元。在這樣的規(guī)模差距之下，變頻器廠商的議價(jià)能力、訂單優(yōu)先級(jí)都無法與汽車制造商相提并論。

而變頻器并不是工控領(lǐng)域唯一缺貨的產(chǎn)品，工控領(lǐng)域的缺芯問題急需走到臺(tái)前。

工控MCU國(guó)產(chǎn)替代仍有難度

根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，工控/醫(yī)療占全球MCU下游應(yīng)用市場(chǎng)的25%。但這樣巨大的市場(chǎng)，目前仍被國(guó)外廠商占據(jù)大部分市場(chǎng)份額。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)，2019年全球MCU被前五大廠商占據(jù)超80%;而中國(guó)MCU市場(chǎng)份額也被國(guó)外廠商分走80%以上。

MCU在工業(yè)領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代的原因主要是工業(yè)領(lǐng)域?qū)CU性能嚴(yán)格的要求。以變頻器為例，其內(nèi)部都是大功率電子元件，因此MCU需要具備一定的耐高溫和低溫能力。同時(shí)，變頻器工作的工業(yè)環(huán)境面臨著電磁波干擾、腐蝕氣體、震動(dòng)和沖擊等考驗(yàn)，這就需要MCU的穩(wěn)定性。

從上表中可以看出，雖然工業(yè)級(jí)MCU不如車規(guī)級(jí)MCU的要求嚴(yán)格，但與消費(fèi)級(jí)MCU相比其門檻還是高出許多。而目前國(guó)產(chǎn)MCU企業(yè)大部分只能實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)和中低端工控領(lǐng)域的替代，因此還不能成為解決工控領(lǐng)域缺貨的主力。

此外，工控市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化程度較低也一定程度上影響了國(guó)產(chǎn)MCU替代的進(jìn)程。數(shù)據(jù)顯示，2019年工控品牌西門子以13%排名全球第一，此外前10名中有一半是美系品牌，包括艾默生、羅克韋爾自動(dòng)化等;中國(guó)工控龍頭企業(yè)匯川技術(shù)排名37位，以8.84億美金的規(guī)模占據(jù)全球工控市場(chǎng)的0.4%。國(guó)外企業(yè)占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額，這些國(guó)外企業(yè)不會(huì)優(yōu)先采用國(guó)內(nèi)MCU，國(guó)內(nèi)MCU廠商能進(jìn)入的空間有限，國(guó)產(chǎn)MCU想要進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域難上加難。

國(guó)產(chǎn)化，路在何方?

集成電路產(chǎn)業(yè)與工控領(lǐng)域的關(guān)系其實(shí)是相輔相成的。集成電路產(chǎn)品是支撐工業(yè)的重要組成部分，而工業(yè)水平提高能會(huì)直接影響集成電路生產(chǎn)環(huán)節(jié)的相關(guān)工藝?？梢钥吹焦た匦袠I(yè)實(shí)力強(qiáng)的國(guó)家，在半導(dǎo)體技術(shù)上也較為領(lǐng)先，因此國(guó)產(chǎn)化對(duì)于工控領(lǐng)域和半導(dǎo)體都至關(guān)重要。

不過，目前國(guó)產(chǎn)MCU廠家已經(jīng)有幾家取得了一定突破。

兆易創(chuàng)新發(fā)布了基于Arm? Cortex?-M33內(nèi)核的GD32W515系列Wi-Fi微控制器。GD32W515系列MCU的最高主頻為180MHz，配備了高達(dá)2048KB的片上Flash和448KB的SRAM，還可支持32MB的外置Flash。供電電壓為1.6-3.6V，I/O口可承受5V電平，工業(yè)級(jí)溫度范圍–40至+85°C。

國(guó)民技術(shù)的N32G455系列 (通用增強(qiáng)型) 采用32-bit ARM Cortex-M4內(nèi)核， 支持浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP指令， 高達(dá)512KB 片內(nèi)FLASH，144KB SRAM，集成多達(dá)17個(gè)高性能模擬器件， 18個(gè)數(shù)字通訊接口，內(nèi)置10余種密碼算法硬件加速引擎，也已經(jīng)在機(jī)器人、數(shù)字電源、UPS(不間斷電源)、伺服控制器等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

航順基于ARM Cortex-M0和Cortex-M3 內(nèi)核的通用MCU家族也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)在高端工業(yè)中的應(yīng)用。

在工控領(lǐng)域，匯川技術(shù)是國(guó)內(nèi)廠商中的佼佼者。目前，匯川技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的信息層、控制層、驅(qū)動(dòng)層、執(zhí)行層和傳感層的產(chǎn)品覆蓋。匯川的主營(yíng)收入中，變頻器類占比最高;同時(shí)在2017-2019年之間主營(yíng)業(yè)務(wù)收入的同比增長(zhǎng)率均超過20%。匯川技術(shù)的一些核心功能部件已經(jīng)被富士康采用。

工業(yè)領(lǐng)域的國(guó)產(chǎn)化不能依靠某一個(gè)環(huán)節(jié)的發(fā)力，一定要全產(chǎn)業(yè)鏈的共同突破，才能實(shí)現(xiàn)中國(guó)工控的國(guó)產(chǎn)化。