引言——中国车“芯”任重而道远
01 汽车芯片是什么
(信息来源:汽车芯片应用牵引创新发展论坛,广汽研究院,天风证券研究所)
02 汽车芯片市场现状
根据中国汽车工业协会数据显示,传统燃油车所需汽车芯片数量为600-700颗,电动车所需的汽车芯片数量将提升至1600颗/辆,而更高级的智能汽车对芯片的需求量将有望提升至3000颗/辆。2023年1-9月全球新能源汽车销量超过了980万辆,2023年1-11月中国新能源汽车销量超过830万辆,展望未来,预计全球新能源汽车销量在2025年将超过2500万辆,同期中国新能源汽车销量预计1300万辆,预计到2030年全球汽车芯片的年需求量有望超过1600亿颗,中国的汽车芯片需求量也将达到600亿颗。
03 汽车芯片的细分领域
主控芯片
智能化的核心
全球汽车MCU市场被外资厂商高度垄断,包括瑞萨电子、恩智浦、英飞凌、德州仪器、微芯电子、意法半导体等。2021年CR5约占90%,市场集中度高。2021年,国产MCU公司在疫情时期异军突起,从中低端产品入手,逐步向高端进阶,国产头部MCU公司包括比亚迪半导体、杰发科技、芯旺微目前有32位成熟量产芯片;同时芯必达、智芯、云途、旗芯微、琪埔维团队过往均脱胎于汽车芯片头部公司,有完整车规芯片行业经验,产品进入量产导入阶段;部分消费MCU公司跨界车规赛道产品仍有待市场检验。
(2)SoC-智能运算的大算力芯片
随着汽车智能化的演进,智能座舱和自动驾驶对汽车的智能架构和算法算力提出更高的要求,这将推动汽车芯片快速转向搭载算力更强的SoC芯片进化。SoC芯片集成了CPU、GPU、FPGA、DSP、NPU、ASIC等不同类型芯片,不同芯片各司其职,可实现大量数据的并行计算和复杂的逻辑功能。SoC芯片主要分为自动驾驶芯片和智能座舱芯片,需具备强大的算力和低功耗,以满足大量数据的计算的同时,降低功耗以实现电动车较好的续航里程。
自动驾驶芯片:自动驾驶芯片一方面需要满足更高的安全等级,同时随着自动驾驶级别的提升,需要更高的算力支持,L2级自动驾驶的算力需求仅要求2-2.5TOPS,来到但是L3级自动驾驶算力需求就需要20-30TOPS,到L4级需要200TOPS以上,L5级别算力需求则超过2000TOPS,为满足高算力需求,未来自动驾驶芯片会往集成“CPU+XPU”的异构式 SoC(XPU包括 GPU/FPGA/ASIC 等)方向发展。
根据当前自动驾驶芯片的市场情况,支持L2级别自动驾驶的SoC的成本大约是 50 美元,需要2颗SoC芯片;L3 级别自动驾驶芯片价格为 1500 人民币(拆分特斯拉 HW3.0 域控制器,其自动驾驶域的芯片成本约为 3000 元),对应2颗芯片。假设L4-L5自动驾驶芯片单片价格为 400 美金(与英伟达 Orin 芯片价格一致),需要3-4颗芯片,我们预计中国自动驾驶芯片的市场规模将在 2025 年达到 138 亿元,到 2030 年达到 289 亿元,十年复合增长率预计可达 25.1%。
智能座舱芯片:智能座舱芯片相比于自动驾驶芯片对安全的要求相对更低,未来车内“一芯多屏”技术的发展将依赖于智能座舱 SoC,同时座舱的功能进一步丰富,集成了环视、DMS、OMS以及部分ADAS功能,芯片本身也将朝小型化、集成化、高性能化的方向发展。
单颗智能座舱芯片根据低端到高端性能的补贴,价格浮动较大,比如20万以上售价的热销车型比亚迪汉搭载老款高通 625 芯片低端座舱芯片售价约15美元/颗(消费级芯片),高通 820A 的价格为 60 美元;高端高通骁龙 8155P SOC 的价格约为 250 美元(折合人民币约 1688 元),根据中国汽车工业协会数据,2022年中国乘用车销量2054万辆,假设未来按照 CAGR=3%增长;假设单SOC价格 750 元测算,那么预计 2025 年国内座舱 SOC 市场规模 达到 112 亿元,CAGR 为 24%。
功率半导体
电动车的心脏
功率半导体是电子装置电能转换与电路控制的核心,用于控制电压和电流,主要用途包括变频、整流、变压、功率放大、功率控制等。汽车中的功率半导体应用包括电机逆变器、DC/DC、高压辅助驱动和 OBC 充电器等,是电动车的刚需芯片。
功率器件从硅基 MOSFET 发展为 IGBT,IGBT是集成了 MOSFET和三极管的器件,具有二者各自的优点,即具备高速开关的特点,同时通过降低通态电压能够对电路起到缓冲保护作用,具有损耗小、通态压降低、输入阻抗高和驱动功率小等优势。随着汽车800V高压的普及,Si-IGBT器件存在导通损耗上升、成本上升但能效下降的潜在问题,而 SiC-IGBT 具有更好的阻抗性能和能耗,未来大规模生产后,成本效益更加明显。
据英飞凌统计,在纯电动车型中,由于电动机和电控系统取代传统机械结构的动力系统,使功率半导体用量大幅提升,占比达55%,功率半导体将从传统燃油车的71美元大幅提升至全插混/纯电汽车的330美元,是传统燃油车的4.6倍,特别是MOSFET和IGBT(包括单管及模组)的增长较为显著。据贝壳投研数据,2021年中国车规级IGBT市场规模为47.8亿元,预计到2025年,其将达到151.6亿元。据芯谋研究数据,2021年和2025年中国车规MOSFET的市场规模分别为73.5 亿元和 122.5 亿元。据盖世汽车研究院,SiC芯片刚刚起步,2021年市场规模为2.6亿美元,2025年预计将达到6.5亿美元。
竞争格局方面,根据IHS数据,2020年全球汽车功率半导体市场,英飞凌占比14%、市占率最高;前五大企业共计占比39%、行业集中度较高,目前处于欧美企业主导的情况。国内汽车功率半导体市场,英飞凌依然占比最高、为14%;前五大企业共计占比42%、占比仍然较高,依然是欧美厂商处于主导地位。目前国内头部企业技术不断进步,包括比亚迪半导体、华润微、士兰微、三安光电、闻泰科技、时代电气、斯达半导均有积极布局,在硅基IGBT和MOSFET技术进步飞速,随着新能源汽车需求的增长和国内功率半导体企业产能逐渐释放,国内企业市场份额有望进一步扩大。
2020年全球与中国汽车功率半导体竞争格局
(信息来源:IHS,万联证券研究所)
传感器
让电动车具备感知能力
(信息来源:盖世汽车、国联证券研究所)
自动驾驶汽车渗透率提升叠加单车感知层硬件需求量攀升,推动汽车感知层硬件放量,我们预计未来五年感知层硬件市场有望实现高复合增速成长。我们测算车载摄像头(模组)、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达 20-25 年 CAGR 分别为 25%、25%、64%和 74%,预计到 2025 年,车载摄像头(模组)、超声波雷达、毫米波雷达、激光雷达的市场规模能分别可达 1338.56 亿元、240.30 亿元、966.54 亿元、489.50 亿元,持续看好汽车感知层硬件。
各类传感器方案及市场空间增速对比
(信息来源:麦肯锡、智车科技、天风证券)
传感器厂商方面,目前车载CIS的市场几乎寡头垄断,安森美占据近60%市场份额,索尼、三星等传统的手机摄像头CIS切入了车载市场,韦尔股份旗下的豪威科技市占率也在不断提升。韦尔股份的 CMOS 图像传感器、LCOS、ASIC 均可用于汽车领域;其中公司 CMOS 图像传感器为后视摄像头(RVC)、环景显示系统(SVS)和电子后视镜提供了更高性价比的高质量图像解决方案。
毫米波雷达芯片供应商主要来自国外,市场份额基本被NXP、英飞凌、TI等占据。随着自动驾驶的不断发展,高分辨率雷达、4D毫米波雷达应运而生,毫米波雷达芯片正式进入技术迭代周期,国产厂商可能迎来“弯道超车”机会,目前国产毫米波雷达芯片厂商企业如加特兰、矽杰微等公司正加快4D毫米波芯片的技术布局。
全球智能驾驶量产车型中对激光雷达的需求过去一直受到成本高的影响而被压制,当前激光雷达逐步走向固态化,成本得以大幅度下降,发射端和接收端的芯片化是实现固态化的关键路径,芯片自主化也可以有效降低生产成本并形成差异化竞争。目前,华为、英伟达、禾赛科技、Ouster等激光雷达Tier1厂都在积极布局芯片业务,通过投资芯片厂商或自研芯片,打通激光雷达产业链,国内也涌现了一批独立的激光雷达芯片公司,如识光、灵明光子、阜时等公司,合力推动高性能、低成本激光雷达的落地。
模拟芯片
现实世界与数字世界的桥梁
模拟集成电路作为半导体的重要分类之一,属于产生、放大和处理各种模拟信号的关键元件,承担着连接现实世界和数字世界的桥梁作用。
汽车模拟芯片作为电动汽车推进的关键芯片,在汽车上使用广泛,对汽车电动化进程至关重要。模拟芯片广泛应用于几乎所有汽车电子系统,传统汽车时代,动力总成、底盘和安全、车载娱乐、仪表盘、车身电子及LED电源管理等领域都有其身影;而随着电动化、智能化的渗透,大小三电系统、热管理、智能座舱、自动驾驶等系统成为了模拟芯片进一步快速增长的应用领域,所有MCU、大算力数字芯片的背后都离不开模拟芯片的强力支撑
汽车模拟芯片主要分为电源管理芯片(约占53%)和信号链芯片(约占47%),电源管理芯片是在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理职责的芯片,包括DC/DC、AC/DC、LDC、电源驱动、充电管理等芯片;信号链类芯片主要负责将传感器接收到的声音、温度、光信号或电磁波转换成数字信号方便进一步存储和应用,包括接口芯片、隔离芯片、放大器、ADC等芯片。
中国拥有全球最大的模拟芯片市场,2021年占比达到40%,作为全球模拟芯片第一大市场,我国模拟芯片自给率仍然偏低,2020年约12%。2022年中国汽车模拟芯片市场规模预计46亿美元,折合人民币约308亿元,2030年预计将达到102亿美元。
根据国际模拟龙头的发展历史以及国内保障供应链安全需求,预计国内厂商将在国产替代的整体趋势中,首先切入细分赛道打开市场,与大客户建立稳固的合作关系;其次在大客户的支持下,通过内生外延、兼并收购扩充品类;最后持续研发投入,切入高端市场,这不仅需要芯片设计能力提升,而且需要把握核心特色生产工艺,由Fabless向虚拟IDM或者IDM运营方式转型。其中兼并收购与IDM转型有望同步开展,共同推动国内模拟厂商快速发展。
存储芯片
海量数据背后的支柱
存储芯片,又称半导体存储器,是以半导体电路作为存储媒介的存储器,用于保存二进制数据的记忆设备,是现代数字系统的重要组成部分。随着汽车智能化、网联化的发展,车辆需要处理和存储更多的视频、语音等数据信息,这使得汽车对存储芯片的需求和性能要求不断增加,因此,汽车产业逐渐成为存储芯片重要的市场增长领域。
汽车智能化,对两类存储芯片的需求增量最大:DRAM和NAND,其广泛应用于车载4大领域:信息娱乐系统、ADAS、车载信息系统、数位仪表板。DRAM 虽然速度快,但功耗大、容量低、成本高,且断电无法保存数据,使用场景受限;NOR Flash 和 NAND Flash 读写速度低,存储密度受限于工艺制程,市场亟待能够满足汽车等新场景的存储器产品,性能有着突破性进展的新型存储器即将迎来快速增长期。
存储芯片作为汽车芯片中占比最低的种类,2019年仅占7%,随着汽车智能化、网联化,车辆处理、存储数据量剧增,近年的需求不断增加。据Counterpoint Research预测,未来10年单车存储容量将达2TB-11TB,以满足不同自动驾驶等级的车载存储需求。
2025年L4级无人驾驶汽车数据存储需求
(信息来源:佐思汽车研究院)
2021年,全球智能手机存储的整体市场规模达460亿美元,而同期汽车存储的整体市场规模约为45亿美元,仅为手机市场的1/10,在智能网联汽车发展大趋势下,汽车将成为存储IC行业主要增长方向之一,预计到2027年,全球汽车存储整体市场规模将超过125亿美元,2021-2027年复合增长率达到18.6%,远高于行业平均水平。从中国来看,根据美光统计,2021年中国汽车存储市场规模约7亿美元,到2023年估计将大幅增长至15亿美元。增长动力一方面来自中国汽车出货量的增长,另一方面也得益于车载内存和存储容量的持续扩大。
汽车存储芯片市场,全球巨头寡头垄断明显,美光、三星、海力士、微芯等海外存储大厂引领行业发展,其中汽车存储器领域美光全球市场份额超过45%,2021年美光率先推出业界首款满足ASIL-D等级的LPDDR5,容量最高达128GB。
在汽车存储芯片方面,国内的北京君正、兆易创新产品均已导入车用市场。北京君正收购北京矽成后进入车载存储芯片领域,已与博世汽车、大陆集团等下游车企达成紧密合作。兆易创新GD25 SPI NOR Flash全面满足车规级AEC-Q100认证,GD25车规级存储全系列产品已在多家汽车企业批量采用。由于存储芯片技术难度高,项目资金投入大,开发周期长,国内目前仅1家上市公司兆易创新,进入国际梯队。在DRAM、NAND领域,国家重点支持的3大存储项目:长江存储、合肥长鑫、福建晋华,正致力于实现国产替代。
车规级存储芯片厂商列表
(信息来源:佐思汽车研究院)
04 汽车芯片的发展趋势
全球汽车工业正经历着前所未有的发展机遇,中国汽车芯片未来的发展趋势可以总结为以下几点:
一是新一代E/E架构下,汽车芯片走向两极分化。过去汽车主要以分布式架构为主,汽车功能由ECU独立完成,专用ECU搭配算法,算力不能协同并相互冗余,目前主机厂将汽车各功能域深度融合,并由功能域向位置域跨越,逐步走向中央计算平台。在域集中趋势下,需要复杂计算的功能将向域控制器(DCU)的方向发展,同时在执行与信号采集端依然需要大量简单的节点芯片,同时独立的模拟功率IC将向集成的SBC方向发展,在合并MCU后形成智能化SBC,以集中形态实现更小的体积和更低的成本。
二是供应链自主可控势在必行,汽车芯片国产替代加速。疫情期间“缺芯”问题迫使主机厂重视起供应链的安全问题,过度依赖海外供应商不利于搭建自主可控的供应链生态。国产芯片厂商具备本土化优势,不断提升的技术水平、更优质的服务态度、更快地响应速度、更高的性价比,使得一部分优秀的本土芯片供应商率先脱颖而出,率先实现量产的芯片供应商有机会不断优化产品打造“强者恒强”的良性循环,实现对海外公司的替代。
三是汽车产业格局重塑,芯片供应商地位提升。随着汽车进入了电动化+智能网联的时代,带来了新的芯片需求,OEM+Tier1+Tier2原有金字塔格局有望被打破,未来将逐步形成网状式结构,形成新一代汽车生态体系。未来汽车芯片供应商将更早介入主机厂车型开发,了解主机厂需求,提高产品定义与设计前瞻性,同时,芯片供应商将进一步提升自身的算法与软件技术积累与理解,帮助主机厂实现更高效的开发,产业链地位将进一步提升。
和高资本作为智能出行领域国内领先的全产业链专业投资机构,将持续关注中国汽车芯片的发展动态,以资本和资源赋能技术创新,积极推进汽车芯片国产化的应用和落地,保障中国汽车供应链安全,做好“智能电动汽车赛道的副驾驶”。
目前,和高已布局多家国产汽车芯片公司,未来还将继续关注和投资优秀的国产汽车芯片供应商,以下为部分已投汽车芯片企业名单:
时识科技——全球顶级车载边缘端低功耗与动态捕捉芯片解决方案提供商
芯必达——国内稀缺的具有丰富量产及工程化经验的数模混合车规级芯片设计企业。
比亚迪半导体——国内头部全品类车规级半导体整体方案供应商。