2024半导体行业研究报告-车规级芯片

半导体行业研究–车规级芯片 2024年1月发布 车规级芯片行业概览 车规级芯片分类 根据功能划分，车规级芯片主要分为四类：计算及控制芯片、功率芯片、传感器芯片及其他芯片。计算及控制芯片以微控制器和逻辑IC为主，主要用于计算分析及决策；功率芯片主要对电能进行转换，对电路进行控制；传感器芯片主要负责感应汽车运行工况，将非电学量信息转换为电学量输出 车规级芯片特点 车规级芯片是指相较于消费级、工业级芯片，具有高可靠性、高安全性、高稳定性特点，要求零缺陷且可长期供货（一般10-15年供货周期），并且达到AEC（Automotive Electronics Council，汽车电子委员会）规范要求的车规级芯片 车规级芯片认证标准 车规级芯片需通过AEC-Q测试，根据不同的半导体器件通过不同的测试类型，且不同的用途需通过不同等级的测试 车规级芯片认证标准 设计阶段提高产品的可靠性 •在产品设计阶段，车规级芯片产品需要遵循与一般芯片产品不同的设计路径，汽车的安全性需求对车规级芯片的可靠性、稳定性以及一致性提出了更高的要求。由于汽车内的芯片需要在宽温度范围（-40~+150℃）、高振动、多粉尘、电磁干扰、油气污染等恶劣的环境中运行，为保证在上述恶劣环境下运行的可靠性，公司车规级芯片一般使用成熟可靠的车规晶圆制造工艺。相比更加精细的晶圆制程，成熟可靠的晶圆制造工艺能够耐受汽车实际使用中的过流、过压、高温度、高湿度等恶劣环境因素 •为提高车规级芯片的可靠性，产品特殊设计包括：i）考虑汽车运行时的环境因素对芯片的影响，公司在性能指标上会留有一定余量。仿真测试时，未达到预计富余余量的电路需要重新设计；ii）针对常见的失效模式，公司在设计阶段就会加入诊断和报警的电路；iii）针对车内复杂的电子环境，如电磁干扰、电流电压冲击等，公司通过在芯片的关键组件外部设计屏蔽结构、保护电路等方式实现抗干扰 代工阶段保证产品品质的稳定性 •针对车规级芯片的高稳定性的要求，对于车规级芯片的委外加工，要求晶圆厂和封测厂取得IATF16949认证。同时按照德国汽车工业质量标准VDA6.3过程审核标准、PPAP生产件批准程序对委外加工厂商的车规级产线进行审核，以此保证工艺的稳定性、流程的合规性和产品的高品质 验证阶段谨慎评估不同批次产品的可靠性 •车规级产品属于管控等级最高的A级，该类产品的研发流程也在基本流程的基础上进行了特殊的规定。车规级芯片产品在量产前需完成可靠性试验，严格按照AEC-Q的测试程序和标准对三个批次产品进行验证，保证车规级芯片产出的质量稳定性。三次验证均通过后形成AEC-Q的测试报告，视为该产品符合AEC-Q可靠性测试标准 车规级芯片市场规模增长情况 车规级芯片市场规模提升，主要得益于新能源汽车市场渗透率提高推动车规芯片汽车总需求量增长，且汽车智能化推动单车芯片需求数量增长 车规级芯片市场情况 •2022年全球车规级芯片市场规模561亿美元，相较2021年同比增长10.4%。据市场研究机构Omdia预测，2025年全年车规级芯片市场需求将达到804亿美元•2022年我国新能源汽车销量跃升至688.7万辆，同比增长96%，全年渗透率提升至25.6%，已提前达成2025年渗透率20%的规划目标。市场研究机构IDC认为，2025年中国新能源汽车市场规模有望达到1524.1万辆，新能源汽车渗透率达43%。新能源汽车渗透率的不断提高，促使车规级芯片市场规模持续扩大•根据易车数据，2022年传统燃油车单车搭载芯片平均数量为934颗，智能电动汽车为1,459颗，预计2025年传统燃油车单车搭载芯片平均数量为1,243颗，智能电动汽车为2,072颗•根据英飞凌2021年末披露，一辆燃油车平均半导体含量为490美元，插电式混动及纯电动汽车平均半导体含量为950美元，接近燃油车的2倍 车规级芯片功能举例 新能源电机、电池、电控“三电系统”所需车规级芯片为新能源汽车特有需求，其他娱乐、车身系统、信息网联等功能在传统燃油车和新能源汽车均存在需求；智能驾驶功能为近年发展较快的汽车应用，因此相较于过往传统燃油车，新能源“三电系统”和智能驾驶功能对车规芯片需求较大 智能驾驶系统•摄像头 新能源三电系统•电池管理系统 车身及舒适域系统•防夹控制器 底盘控制系统•电动助力转向系统 娱乐系统•车载信息娱乐系统 •中控显示屏•车载音响 •电子驻车系统•线控制动系统•悬架系统•电子减震器•底盘域控制器 •充电转换模块•驱动电机连接器•无刷电机连接器•车载充电机 •毫米波雷达•激光雷达•先进辅助驾驶系统•智能驾驶域控制器•高性能计算平台•驾驶员监控系统•高精定位模块•自动泊车辅助系统 •无钥匙进入及启动系统•车身域控制器•车门控制系统•顶灯控制器•自适应前照灯系统控制器•氛围灯控制器• LED矩阵大灯控制系统•座椅控制器•空调系统•安全气囊控制单元 发动机控制系统•发动机管理ECU 信息网联系统•远程通讯控制系统 •变速传动系统•点火系统•电子增压器 •网关•蓝牙•射频 全球车规级芯片2022-2024供应情况 2020年起受产需错配、消费电子需求挤占产能等因素影响，车规级芯片产能逐渐紧张，产品平均交货周期由6-9周拉长至26周左右；2023年车规级芯片供应逐渐有所恢复，且2023年下半年存在车规级芯片库存偏高、客户对芯片采购订单下单收紧情形；但在需求结构上，高端MCU、IGBT依然处于供不应求情形 车规级芯片市场供给情况 •车规级芯片占全球半导体市场总销售额比例在10%左右，由于车规级新增产能较少，而车规级芯片具有认证周期较长的特点，新建产能无法快速释放，同时叠加汽车智能化超预期、消费电子需求加大等多方面影响，导致2020年起车规级芯片供不应求，截至2023年末随新建产能陆续投入，车规级芯片供应得到明显缓解•2020年以前，汽车市场低迷，新能源汽车渗透速度较慢，汽车整车厂和Tier1供应商对车规级芯片需求预期较低，2019年芯片正常交货期平均为6-9周•2020年以来车规级芯片持续短缺，2021年平均交期达到15周，2022年平均交期达到26周，其中MCU缺货最为严重，交期被拉长至24～30周；缺芯问题爆发后，整车企业大量囤货，将安全库存线提升到3-6个月，由此导致长鞭效应下过量下单，进一步抬高了需求•2023年随新建产能持续投入，平均周期有所缩短，产能紧张得到缓解；根据财新报道，中芯国际联合首席执行官赵海军在2023年三季度财报电话会上称车规级芯片库存开始偏高，引起主要客户对市场修正的警觉，下单收紧；在2023年11月1日举行的全球新能源与智能汽车供应链创新大会上，清华大学计算机科学与技术系教授李兆麟指出，由于全球芯片供应大厂扩产，汽车“缺芯”情况已得到大幅缓解，但MCU、IGBT尚不充裕 车规级芯片“上车”流程 一般来讲，车规芯片从设计到量产上车约需3.5-5.5年的时间，上车后预计持续批量供应5-10年 芯片设计车规级芯片上车时间及要求 •综合考虑整车项目开发流程与芯片设计开发流程，芯片从设计到量产上车需要3.5年到5.5年时间，芯片上车后需尽量满足汽车产品5到10年生命周期内的OTA（汽车远程升级技术）迭代需求•进入Tier1或主机厂认证工作主要包括：1）认证AEC-Q100、2）符合零失效的供应链品质管理标准IATF16949 车规级芯片对晶圆制程的需求 国内车规级芯片中，MCU、CIS、显示驱动IC、MEMS传感器等主要选用成熟制程（28nm以上），与消费电子等产品选用的工艺制程重叠度较高；AI芯片、SoC、GPU主要选用先进制程（28nm以下） 车规级芯片主要企业分析 车规级芯片产业示意图 车规级芯片国产化已取得突破，尤其在功率半导体、计算芯片、控制芯片领域已有一定市场份额 车规级MCU芯片主要供应商为国外厂商，国产厂商已实现批量出货 根据Omdia数据，2022年我国MCU市场规模约为83.4亿美元，其中复杂指令集MCU的市场规模约为20亿美元；国内厂商主要包括芯旺微、BYD半导体、杰发科技等，国外竞争对手主要包括瑞萨、恩智浦、英飞凌等 车规级MCU芯片 •车规级MCU相比工业级MCU和消费级MCU在使用环境、可靠性、安全性、一致性、使用寿命等指标要求上更高，其技术壁垒也相对更高，国外MCU厂商凭借其先发优势占据全球汽车MCU市场主要份额。根据IHS数据，2022年瑞萨、恩智浦、英飞凌、德州仪器、微芯及意法半导体在全球汽车MCU市场合计市占率约为98%，行业集中度较高 •国外MCU厂商在车规级MCU领域市场占有率较高与其背后日系、欧系、美系汽车品牌厂商在全球汽车产业链中的重要地位密切相关。随着国内汽车品牌厂商，特别是新能源汽车品牌厂商的逐步崛起，将为国内车规级MCU厂商发展带来支撑 •近年来，不少中国厂商已从与安全性能相关性不大的中低端车规MCU切入，比如雨刷、车窗、遥控器、环境光控制、动态流水灯等车身控制模块，逐步开始研发未来汽车智能化所需的高端MCU，如智能座舱、ADAS等。目前，行业内推进较为快速的厂商包括杰发科技、BYD半导体、国芯科技等。国内MCU厂商针对汽车市场的产品几乎都集中在32位，目前已经进入汽车前装市场的有芯旺微、杰发科技和小华半导体等，车规级MCU从研发到商用上车需要3-5年时间。据了解，在未来更高阶自动驾驶等级的汽车中，及以多传感器融合的大趋势下，总线宽度32位乃至64位高算力车规级MCU将成为主流产品 车规级SoC芯片中智能座舱芯片已有国产厂商供应，但主要供应商仍为国外厂商，尤其在单价40万元以上车型市场中，英伟达、英特尔、高通占有较大份额 •车规级SoC：在人工智能时代计算架构从单一芯片模式向融合异构多芯片模式发展，将CPU与GPU、FPGA、ASIC等通用/专用芯片异构融合、集合AI加速器的系统级芯片（SOC）产生，其主要应用于智能驾驶和智能座舱领域。 •智能座舱芯片发展趋势： –燃油车时代，恩智浦、瑞萨、德州仪器（TI）为中控芯片的主要厂商，产品因可靠稳定而被广泛采用；面对新能源汽车时代，智能座舱更高的影音及智能交互需求，传统厂商迭代慢、性能弱，产品略显乏力。 –2017年高通发力智能座舱市场后，发布了高通820A、8155等多款产品，目前高通8155已经成为了主流车企的首选，如同手机厂商争取高通芯片首发，车企开始争取高通8155首发权，并将其作为重要的宣传卖点。作为消费电子巨头，高通在智能座舱领域具有较强优势：1）性能突出：CPU、GPU算力强，有专用AI模块；2）生态完善：消费领域经验丰富；3）品牌优势；4）服务能力：高通从通信领域起家，相对传统欧美厂商具备较强的服务能力；5）成本优势：智能座舱芯片与对应的手机芯片本质相同，区别在于车规认证及相应调整，手机芯片销售前期分摊了研发成本，大量出货具备规模效应。 –华为、三星、MTK同样积极布局智能座舱。华为的麒麟710A、990A芯片覆盖中高端，在鸿蒙系统加持下，可以与手机、电脑、家居形成协同，具有强大的生态优势；三星以优质服务形成差异化，绑定奥迪发力高端市场。 车规级SoC自动驾驶芯片领域，国产厂商已实现一定销售，但英伟达仍占有80%以上的市场份额 车规级SoC芯片-自动驾驶芯片 •自动驾驶芯片：自动驾驶是比智能座舱规模更大且增长更快的应用市场，根据ICV的数据，2022年全球ADAS SoC市场规模为32.95亿美元，2024年有望赶在智能座舱SoC市场规模突破100亿美元；2022年在全球高算力（算力大于50Tops）自动驾驶SoC芯片领域，英伟达、地平线、黑芝麻智能、华为海思、高通这几家巨头占据全球94.7%的市场份额； –2022年英伟达在中国及全球高算力自动驾驶SoC市场均位列第一，分别拿下中国81.6%的市场份额、全球82.5%的市场份额。英伟达占据的市场份额是排名第二地平线的12倍，基本垄断全球及中国自动驾驶SoC市场，尤其是L4级别以上