汽车电子专题报告:汽车MCU芯片紧缺持续国产替代加速

MCU(微控制器)为一类轻量化的计算芯片,在单芯片上实现基础的计算机系统,广 泛应用于汽车电子电控。MCU(Microcontroller Unit)即微控制器,又称微控制单元或单 片机,是把微处理器的频率和规格适当缩减,并将内存、闪存、计数器、A/D 转换、串口 等集成到单一芯片上,形成的芯片级计算机。MCU 是许多电子设备的控制核心,因其高 性能、低功耗、可编程、灵活性,在消费电子、医疗电子、工业控制、汽车电子和通信等 领域广泛应用。汽车所有电子电控均需用到电子控制单元(ECU),而每个 ECU 均需要至 少一颗 MCU 作为核心控制芯片。我们认为汽车 MCU 将在智能电动化趋势下迎来量价齐升机遇,下面从量和价两个角度分析。

量的维度:单车 MCU 用量从几十到几百颗不等,后续将受益于智能化、电动化。根 据中国市场学会汽车营销专家委员会研究部的数据,普通传统燃油汽车平均单车搭载 ECU 70 个;豪华传统燃油汽车平均单车搭载 ECU 150 个,新增的 MCU 主要用于提升乘驾体验(座椅按摩、中控娱乐)、车身稳定性与安全性等;智能汽车平均单车搭载 ECU 300 个, 新增的 MCU 主要用于自动驾驶相关硬件控制。

智能化:当前汽车行业仍处于中低等级自动驾驶渗透率快速提升阶段,ECU 及 MCU 用量均持续提高;我们预计 2025 年以后,行业将进入高等级自动驾驶发展阶段,集中式架构及域控制器的应用将显著减少 ECU 用量,但 MCU 用量或 将相对平稳。目前 L2 及以下 ADAS 硬件方案仍采用分布式架构,即便在中高级 别自动驾驶中,宝马、奥迪等传统大厂仍以分布处理器“叠罗汉”方式实现 L3 级 ADAS 功能,因此自动驾驶应用会提升 MCU 应用数量。而集中式架构也不会 导致 MCU 数量需求的显著下降,如特斯拉的底盘控制系统,ECU 数量由 14 个 简化为 3 个,但每个 ECU 中包含 3-4 个 MCU,除极个别基础功能 MCU(如车 门车窗)有望在集中式架构下发生融合,出于安全冗余的考虑,ECU 融合并不会带来车身及底盘相关 MCU 数量的降低,但部分 MCU 功能会被弱化,仅保留执行功能,运算统一由集中式域控制器负责。

2)电动化:三电系统的电控需求增加。电动车对 MCU 需求的提升主要体现在:i)电池管理系统(BMS)需要对充放电、温度控制、电池间均衡进行控制,其中主控面板需要一颗 MCU,每个从控面板也需要一颗 MCU,因此 MCU 数量会 显著增加。ii)整车控制器(VCU),电动车的动力系统相较燃油车更为复杂,能 量管理必须增加一个整车控制器,同时需要配备 32 位高阶 MCU 芯片,数量依 据车厂方案不同而各异。iii)引擎控制器/变速箱控制器(存量替换),电动车的 逆变器控制 MCU 会替代燃油车的引擎控制器,由于电动机转速较高,需要经过 减速器减速,其配备的MCU 控制芯片替换了燃油车的变速箱控制器。

价的维度:32位高阶 MCU占比提高,带动整体 ASP提升。汽车 MCU 主要包含 8/16/32 位三种。1)8 位 MCU,主要应用于车体的各个次系统,包括风扇控制、空调控制、雨刷、 天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。一般 价格小于 1 美元。2)16 位 MCU,主要应用为动力传动系统,如引擎控制、齿轮与离合器控制和电子式涡轮系统等;也适合用于底盘机构上,如悬吊系统、电子式动力方向盘、 扭力分散控制和电子帮辅、电子刹车等。

一般价格在 1~5 美元之间。3)32 位 MCU,主 要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统(TelemaTIcs)、引擎控制以及新兴 的智能性和实时性的安全系统及动力系统,如预碰撞(Pre- crash)、自适应巡航控制(ACC)、 驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能以及复杂的 X-by-wire 等传动功能。一般价格在 5~10 美元之间,部分高端产品在 10 美元以上。伴随汽车电子电控功能日趋复杂,叠加电子电气架构集中化的趋势,车载 MCU 中 32位占比提高,带动整体 ASP 提升。(报告来源:未来智库)

全球 MCU 市场中,汽车 MCU 销售额为 76 亿美元,约占 39%,另外 46%来自通用嵌入式应用 MCU(包括智能手机、计算机和外围设备、工业用途和消费产品),其 余来自智能卡市场(银行卡、公交卡、身份证等)及其他用途。未来五年,汽车 MCU 销 售额预计将以 7.7%的复合年增长率增长,稍快于 MCU 行业增速,至 2026 年销售额将增 长至110 亿美元。

中国 MCU 市场规模尚小,汽车 MCU 占比较低。根据前瞻产业研究院,2021 年中国 MCU 销售额(本文中如未作特殊说明,中国 MCU 销售额指国内生产的 MCU 销售额)达 到 46 亿美元,同比增加 8.3%,全球占比 23.3%,未来 5 年 CAGR 预计为 8.5%,2026 年销售额将达到 69 亿美元,全球占比提升至 24.8%。中国 MCU 市场中,汽车 MCU 销售 额为 6.8 亿美元,约占 15%。未来五年,汽车 MCU 销售额预计将以 5.3%的复合年增长率 增长,至 2026 年销售额将增长至 8.8 亿美元。

全球 MCU 市场以汽车、工控应用为主,国内 MCU 集中于消费电子市场。需求端, 据 ASPENCORE,2019 年全球 MCU 市场下游消费以汽车电子、工控为主,分别占比为 33%、25%;国内 MCU 消费以消费电子为主(26%),其次是计算机(18%)及汽车领域 (16%),与全球情况略有不同。其中,消费电子包括洗衣机、空调、微波炉、吸尘器、 电冰箱、家用影音娱乐系统、智能音箱、AR/VR 等,工业领域包括工业传感、电机控制、 步进马达、仪器仪表等,汽车领域包括汽车动力总成和安全控制系统等。

欧美龙头遥遥领先,国内厂商正从通用型市场追赶,车载市场初步开始渗透。根据 IHS, 2020 年 MCU 全球行业 CR8=83%,行业集中度较高。在 MCU 芯片技术领域,低端 MCU 产品如 4 位、8 位、16 位国内自给率较高,中高端 MCU 市场则主要被微芯科技(Microchip)、 意法半导体(ST)、瑞萨(Renesas)、恩智浦(NXP)、英飞凌(Infineon)等国外大厂垄 断。根据 CSIA,2019 年中国 MCU 市场份额排名前列的包括瑞萨电子(17.1%)、NXP (14.5%)、意法半导体(8.5%)、微芯科技(7.7%)等公司,合计份额接近 50%,而国 内厂商尚未进入前列,具有较大的替代空间。

我们详细梳理了 MCU 原厂端及渠道端的价格及交期以及供需两端的制造扩产和整车 需求,整体来看,全球汽车 MCU 供货紧缺持续,国内厂商有望借机导入整车厂供应链并 逐步提升份额。从 MCU 产业链来看,原厂位于中游位置,上游主要有原材料厂商、设备 厂商等,Fabless 型相比 IDM 型额外需要晶圆代工厂商支持,下游通过经销商向终端应用 分散,包括汽车、工控、消费、通信等不同领域。

MCU 原厂端:2021 年以来,海外主流 MCU 厂商多次涨价,2021H1 主要因为供需 紧张,2021H2 至 2022Q1 叠加上游原料、加工、物流等成本上行。2020 年初,全球新冠疫情爆发,各个领域供需均受到严重冲击;2020H2 后疫情恐慌趋缓,需求端受经济复苏、 居家办公催生的宅经济以及新能源汽车等新型应用驱动回归景气,且部分终端厂商积极备 货导致订单激增,然供给端由于 8 英寸晶圆产能紧缺、物流发货受限等导致产品供应有限, MCU 行业严重供不应求,原厂产品价格上涨成为主旋律。意法半导体、英飞凌、瑞萨、 微芯、恩智浦等国际 MCU 巨头 2021 年初起多次发布涨价公告,主要因需求强劲造成供 应链短缺,原料、晶圆、封测、物流等成本持续上行,且部分 IDM 型 MCU 原厂亦有制造 端扩产投资,涨价范围基本覆盖全产品线。根据产业调研,原厂 MCU 产品价格整体平均 每季度提价 10%左右。

MCU 原厂端对比:汽车占比高的厂商业绩景气度更高,消费占比高的厂商景气度已有所回落。瑞萨电子是全球领先的 MCU 厂商,产品主要应用于汽车电子、工业控制、基 础设施、消费等,2021 年营收中汽车电子占比高达 46.48%;应广科技是中国台湾专业微 控制器 IC 设计的领先厂商,2020 年营收近乎 100%来自消费电子市场。

从两者季度营收 环比数据来看:1)2021H1,两家企业营收均环比增长且应广科技增幅更大,反映消费供 需更为紧张:由于 MCU 上游供给与下游需求严重不匹配,推动原厂产品量价齐升,瑞萨 电子、应广科技月度营收均呈环比增长,瑞萨电子 2021Q1/Q2 营收分别环比+6%/+7%, 应广科技 2021Q1/Q2 营收分别环比+9%/+18%,反映下游快速复苏且消费电子市场增速 高于汽车、工控等市场。2)2021H2,瑞萨电子营收持续环比大幅提升,应广科技营收出 现环比下滑,反映汽车供需紧张仍持续:瑞萨电子2021Q3/Q4营收分别环比+19%/+22%, 应广科技 2021Q3/Q4 营收分别环比+7%/-6%,说明下游应用中消费电子需求表现疲软, 导致应广科技营收环比下行;汽车电子、工控等领域需求持续上行,瑞萨电子业绩环比快 速提升。

渠道端:渠道价格是实际供需错配的放大器,2022Q1 再涨价表明下游需求提升。MCU 渠道价格、交期指由经销商向终端厂商出货时的价格、交期,是跟踪 MCU 行业景气度的 核心指标之一,其由下游终端需求强度以及发货物流情况决定,同时也受到上游 MCU 原 厂供给情况影响。我们以意法半导体(如 STM32F103RCT6、STM32F103RET6 等)、兆 易创新(如 GD32F103VCT6、GD32F103RBT6 等)主流 MCU 产品月度价格、海外 MCU 原厂季度交期的波动情况追踪 MCU 渠道的整体趋势,纵向分析不同时期 MCU 渠道价格、 交期的变动:

20H2:供不应求,渠道价格环比+10%~100%,交期环比略有延长。从下游终端 需求来看,整体疫情恐慌趋缓,各个市场需求由降转升、稳步复苏,导致 MCU 渠道价格提升、交期延长。从物流情况来看,疫情好转缓解交运压力,港口通航 逐步开放。从上游原厂供给来看,由于疫情后复工复产需要调整时间,叠加全球 8 吋晶圆(MCU 主要代工产线)产能本身较为吃紧,扩产需要建设时间且意愿有 限,8 吋晶圆 ASP 逐季环比提升,导致 MCU 渠道价格提升、交期延长。基于以 上影响,海外 MCU 产品 20H2 渠道价格较 20H1 普遍提升约 50~100%,而国内 产品价格提升约 10%~40%;NXP、瑞萨 MCU 产品交期基本持平,微芯、意法 MCU 产品交期环比略有延长。

21H1:供需缺口加大,渠道价格环比+300~800%,交期环比严重拉长。从下游 终端需求来看,伴随疫情步入常态化、居家办公催生宅经济以及新能源汽车等创新应用兴起,各个市场需求进一步复苏,终端厂商亦加大订单需求弥补库存以应 对未来需求,且经销商受“牛鞭效应”影响亦有囤货意向,整体需求情况远超预期,导致 MCU 渠道价格提升、交期延长。从物流情况来看,由于贸易往来激增, 运输成本持续环比攀升,21H1 货柜平均运价约为 20H2 的 2 倍以上,导致 MCU 渠道价格提升、交期延长。

从上游原厂供给来看,意法半导体法国工厂疫情期间 缩产 50%且出现工人罢工事件,日本 AKM 晶圆厂失火、瑞萨 NAKA 工厂遭受地震影响,美国得州暴雪大规模停电影响 NXP、英飞凌等厂商产能,IDM 及代工 厂生产进度受到严重冲击,上游晶圆产能雪上加霜,8 吋晶圆 ASP 环比提升幅度 扩大,导致 MCU 渠道价格提升、交期延长。基于以上影响,海外 MCU 产品 21H1渠道价格较 20H2 普遍提升约 300%~800%,而国内 MCU 产品价格提升约 300%~500%;海外 MCU 巨头产品交期严重拉长,其中意法半导体产品进入紧 缺,而微芯产品最长交期达 55 周。

21H2:需求出现分化,渠道价格相对平稳,然贸易物流受阻,交期环比进一步 拉长。从下游终端需求来看,宅经济红利缩窄,手机、IoT 等消费电子市场需求 增速放缓,但汽车电子、工控等维持较高景气,市场需求出现分化但整体仍较旺 盛。从物流情况来看,海运价格延续环比翻番式增长,自 2021 年 7 月以来亚马 逊大规模查封店铺(涉及较多中国卖家),贸易严重受阻,经销商开始抛售积货, 导致 MCU 渠道价格下降。从上游原厂供给来看,晶圆产能仍维持紧缺,8 吋晶 圆 ASP 维持环比提升趋势。基于以上影响,MCU 渠道价格在 21Q3 维持上升趋 势,但 21Q4 因需求分化及贸易受挫而快速下降;海外 MCU 巨头产品交期进一 步拉长,NXP 产品进入紧缺。(报告来源:未来智库)

22Q1:终端需求分化,渠道价格涨跌不一,交期环比维持高位。从下游终端需 求来看,消费电子等需求相对疲软,汽车电子、工控医疗维持景气,市场整体增 速放缓且持续分化,导致汽车电子、工控医疗相关 MCU 渠道价格提升、交期延 长。从物流情况来看,海运价格环比略有下降,物流压力减轻。从上游原厂供给 来看,意法半导体、微芯等多家厂商因原料、加工成本上升而持续涨价,反映晶 圆产能仍维持紧缺,导致 MCU 渠道价格提升、交期延长。基于以上影响,部分 MCU 价格出现回升,但增速不如 21H1;交期环比维持高位,NXP、ST 产品处 于紧缺,微芯、瑞萨产品最长交期达 52/45 周。

渠道端拆分:中高端产品价格更为坚挺,国内厂商跟随海外涨价但幅度有限。我们根 据内核规格(ARM Cortex-M0/M0+为低端,M23/M3 为中端,M4/M4F/ARM7 为高端)、 提供厂商(海外/国内)将 MCU 进行分类,进一步分析渠道价格波动特点:

对比低/中/高端 MCU:中高端产品价格更为坚挺。20H2-21H2 期间,MCU 市场 严重供不应求,各产品价格持续提升,随后受需求波动和物流影响又出现回落。21H1 相对 20H1 涨幅,低端产品涨价幅度普遍在 100%~500%之间,而中高端 产品涨价幅度普遍在 300%~1000%之间,反映中高端产品较低端产品更为紧缺;对比价格波动情况,低端产品价格在 21Q2 初就由涨转跌,而中高端产品价格在 21Q3 末才开始回落,反映中高端产品价格更为坚挺。

对比海外/国内 MCU:产品价格同趋势变动,但国内涨价相对滞后且幅度有限。对比海外/国内价格变动趋势,国内产品与海外产品价格同趋势波动,但国内产品 涨价相对海外滞后 1-2 月且幅度低于海外产品,这主要由于国内厂商普遍采取跟 随海外巨头策略,且较缓和的涨价有利于取代海外厂商份额。聚焦高端产品,虽 然 21Q4 整体 MCU 价格普遍下跌,海外高端产品价格依然维持高位,这主要因 高端市场由海外少数巨头把控,竞争壁垒较高,价格也更为坚挺。

制造端:IDM 及代工厂 MCU 扩产有限,预计供给紧张持续。车用芯片的规格主要是 8 英寸晶圆,部分厂商开始向 12 英寸平台迁移。据中国台湾资策会 MIC 表示,车用芯片 IDM 制造厂委外比重约15%,委外产品以MCU 为主,其中约 70%的部分由台积电制造代工。我们梳理了台积电和主要 MCU 厂商的扩产计划,其中台积电通过扩产和重新分配产能的 方式应对汽车芯片供给缺口,而主要 IDM 厂商扩产计划集中于 12 英寸,8 英寸扩产较少。

根据 SUMCO 2018 年的统计数据,8寸晶圆需求占汽车半导体需求中的 79%,12 寸晶圆 需求占比仅 12%。对应的晶圆需求方面,根据 SUMCO 的测算,2018年汽车半导体晶圆 总需求约 200 万片/月,其中 8 寸片约 160 万片/月,到 2022 年整体需求有望增长至约 315 万片/月,其中 8 寸片需求达到 240 万片/月。根据 SEMI 数据,2013-2019 年,全球 8 英 寸晶圆产能 CAGR 仅约 3%,2019 年仍然不足每月 600 万片。8 英寸投入产出比低于 12 英寸,二手设备采购困难是新产能增量不足的主要原因。

整车厂需求端:缺芯仍影响交付,部分公司公告减产或减配交付。复盘历史,2020 年初疫情影响全球汽车及电子产业链的生产销售,2020H2 开始汽车需求快速复苏,而整 车厂芯片库存不足,导致 2021H1 的缺芯问题,而缺芯也导致 2021H1 全球及国内汽车月度销量相对走弱;2021H2 开始缺芯略有缓解,全球及国内汽车销量逐月向好;2022 年初 以来,整车厂普遍加大订单,而上游芯片产能仍相对紧张。我们统计了国内外主流整车厂, 其中大众、福特、丰田、通用、宝马等均表示仍存在芯片短缺情况,导致汽车减产或减配 交付。沃尔沃表示半导体供应和产量正逐步改善,然而这一趋势还未能解决公司当前的困 境。此外,我们关注到疫情、俄乌冲突等导致部分工厂停产,或将影响中期需求,须关注 后续进展。(报告来源:未来智库)

兆易创新:公司为国内高性能通用 MCU 领跑厂商,产品适用于工业自动化、人机界 面、电机控制、安防监控、智能家居家电及物联网等领域,是中国首个推出 Arm M3、M4 及 M23 内核的通用 MCU 产品系列的厂商。2020 年公司实现 MCU 收入 7.55 亿元,同比 增长 70.14%,过去 5 年 CAGR 为 39.9%,增速快于全球市场。

2022 年,集中受益 MCU 国产替代,我们预计公司出货量从 2021 年 4 亿颗增长到 2022 年接近 8 亿颗(受益新客 户项目陆续导入、产能陆续释放),公司车规级 MCU 有望于 2022 年年中量产,公司工规 级 MCU 此前已有后装市场和商用车模块采用,产品品质稳定性好(公司拥有长期 MCU 量产经验和其他车规级产品量产经验,如 NOR Flash 存储车规产品已出货 6 年),我们预计 2022年公司工业+汽车相关应用占MCU 业务收入比重有望超过 50%,高端产品带动整体 ASP 和毛利率中枢上移。我们预计 2022 年公司 MCU 业务收入有望达到 40 亿元左右, 有望同比增长约 50%。

芯海科技:公司专注于物联网 MCU、SoC和高性能混合信号集成电路设计,其核心 技术涵盖高精度 ADC、低功耗/高可靠性 MCU、混合信号 SoC及工业级高可靠性 ASIC 等, 产品广泛应用于智慧健康、智能家居、智能终端、智能工业控制等领域。2020 年公司实 现通用 MCU 收入 1.04 亿元,同比增长 31.46%,过去 4 年 CAGR 为 38.7%,增速快于全 球市场。

2021年公司首个车规级信号链 MCU 通过 AEC-Q100 认证,可应用于智能座舱 等领域,目前已导入汽车前装企业的新产品设计。公司 2022年拟通过可转债募资 4.2 亿 元,其中 2.94 亿元用于汽车 MCU 芯片研发及产业化项目。公司已规划的汽车 MCU 产品 包括 M 系列和 R 系列,其中 M 系列产品主要应用在端控制比如车窗、车灯、雨刮、空调 等,R 系列主要用在域控制相关领域,如动力总成、汽车底盘等。我们预计 2022 年随着 公司通用型 MCU 的客户快速导入,MCU 业务有望继续实现高速增长。

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