變頻器缺貨背后的工控行業缺芯之痛
汽車缺芯的現象已經成為全世界都在關注的問題，為了解決汽車缺芯的問題各國政府、汽車廠商和半導體廠商都在協調產能。不主攻汽車半導體的臺積電在汽車半導體產品的關鍵組件MCU產量比去年提高了60％，同時更是有多家國內外汽車大廠宣布要研發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、通用下半年的產量開始呈恢復狀態。大眾汽車的首席財務官表示已經看到芯片的供應趨于穩定。
然而，在各界目光集中在距離生活較近的汽車行業時，那些距離日常生活較遠的行業也正在承受著缺芯之痛，而工控行業就是其中之一。11月23日，施耐德電氣發布通知函，稱由于缺少以太網芯片的供應將在全球范圍內暫停相關產品的銷售且不接受訂單，可見，缺芯已經影響到了工業控制領域的頭部企業。如果這一問題不解決，缺芯對工業的影響將更加嚴重。
起源于德國的工業4．0，是指用數據驅動人工智能來完成工業的轉型，其關鍵包括：物聯網、數字化轉型、數字孿生、運用AI和大數據規劃生產等。這一概念的實現有助于打造具有國際競爭力的制造業，從而為提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國鋪平道路。而在工業4．0中，由于工控自動化可以實現制造業降本增效，因此工控自動化被視作工業4．0的必然趨勢。
工控自動化中涉及的環節有很多，整體概括來說主要分為控制層、驅動層、執行層，而無論在哪一層面半導體都是其中不可缺少的關鍵器件。單就一個以太網通訊模塊來說，其中包含MCU、IC chip、SDRAM芯片等。如果是更復雜的控制層，還會需要CPU、顯卡、BIOS芯片等控制芯片。
變頻器缺貨背后的工控行業缺芯之痛
或許是因為沒有如特斯拉那般的明星企業，又或許是離大眾太遠，工控領域的“芯病”似乎并未引起重視。但實際上，工控產品的缺芯已經反映在多個層面，包括PLC、DCS、變頻器等產品的缺貨。其中變頻器的交貨期已經從4－6周延長到16－24周。
變頻器在工控中的作用是通過改變交流電機供電的頻率和幅值，從而改變其運動磁場的周期，以平滑控制電動機轉速。變頻器靠內部IGBT的開斷來調整輸出電源的電壓和頻率，根據電機的實際需要來提供其所需要的電源電壓，進而達到節能、調速的目的，另外，變頻器還有很多的保護功能，如過流、過壓、過載保護等等。變頻器中的IGBT、電流傳感器都需要MCU進行控制。但相對于汽車行業，一臺車就需要幾十上百的MCU需求，一臺變頻器一顆MCU的需求顯得微不足道。
除了單臺機器需求量級的差距，就汽車市場和變頻器市場的規模也存在巨大的差距。數據顯示，2020年中國汽車制造業營業收入達到8．16萬億元，而中國變頻器行業的2019年的市場規模則為495億元。在這樣的規模差距之下，變頻器廠商的議價能力、訂單優先級都無法與汽車制造商相提并論。
而變頻器并不是工控領域唯一缺貨的產品，工控領域的缺芯問題急需走到臺前。
工控MCU國產替代仍有難度
根據IC Insights數據，工控／醫療占全球MCU下游應用市場的25％。但這樣巨大的市場，目前仍被國外廠商占據大部分市場份額。根據前瞻產業研究院數據，2019年全球MCU被前五大廠商占據超80％；而中國MCU市場份額也被國外廠商分走80％以上。
2019年中國MCU市場格局，來源：中金公司研究部
MCU在工業領域難以實現國產替代的原因主要是工業領域對MCU性能嚴格的要求。以變頻器為例，其內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，變頻器工作的工業環境面臨著電磁波干擾、腐蝕氣體、震動和沖擊等考驗，這就需要MCU的穩定性。
消費級／工業級／汽車級MCU區別，來源：中金公司研究部
從上表中可以看出，雖然工業級MCU不如車規級MCU的要求嚴格，但與消費級MCU相比其門檻還是高出許多。而目前國產MCU企業大部分只能實現對消費和中低端工控領域的替代，因此還不能成為解決工控領域缺貨的主力。
此外，工控市場國產化程度較低也一定程度上影響了國產MCU替代的進程。數據顯示，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、羅克韋爾自動化等；中國工控龍頭企業匯川技術排名37位，以8．84億美金的規模占據全球工控市場的0．4％。國外企業占據了大部分市場份額，這些國外企業不會優先采用國內MCU，國內MCU廠商能進入的空間有限，國產MCU想要進入工業領域難上加難。
國產化，路在何方？
集成電路產業與工控領域的關系其實是相輔相成的。集成電路產品是支撐工業的重要組成部分，而工業水平提高能會直接影響集成電路生產環節的相關工藝。可以看到工控行業實力強的國家，在半導體技術上也較為領先，因此國產化對于工控領域和半導體都至關重要。
不過，目前國產MCU廠家已經有幾家取得了一定突破。
兆易創新發布了基于Arm? Cortex?－M33內核的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，工業級溫度范圍–40至＋85°C。
國民技術的N32G455系列 （通用增強型） 采用32－bit ARM Cortex－M4內核， 支持浮點運算和DSP指令， 高達512KB 片內FLASH，144KB SRAM，集成多達17個高性能模擬器件， 18個數字通訊接口，內置10余種密碼算法硬件加速引擎，也已經在機器人、數字電源、UPS（不間斷電源）、伺服控制器等領域實現應用。
航順基于ARM Cortex－M0和Cortex－M3 內核的通用MCU家族也已經實現在高端工業中的應用。
在工控領域，匯川技術是國內廠商中的佼佼者。目前，匯川技術已經實現了對工業自動化領域的信息層、控制層、驅動層、執行層和傳感層的產品覆蓋。匯川的主營收入中，變頻器類占比最高；同時在2017－2019年之間主營業務收入的同比增長率均超過20％。匯川技術的一些核心功能部件已經被富士康采用。
來源：頭豹研究院
工業領域的國產化不能依靠某一個環節的發力，一定要全產業鏈的共同突破，才能實現中國工控的國產化。
