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短期供需失衡带来汽车芯片的短缺现象

发布时间:2022-09-11 来源:环球体育登录平台 作者:环球体育网站

  全球汽车行业复苏超预期,同时芯片供应短期有压力带来了汽车芯片短缺问题,会对 2021 年 H1 全球汽车产销量带来影响,其中 Q2 影响更大。但在提价以及巨头博弈下供给端将逐步改善,预计汽车芯片短期问题会在 Q3 逐步消除,全球汽车行业将在 H2 继续复苏。具备汽车芯片供应能力的整车厂以及供应商短期受益,推荐标的比亚迪,受益标的斯达半导。

  规模不断增长的汽车芯片行业,被国际巨头所垄断,对台积电依赖有差异。汽车芯片可分为控制类(MCU 和 AI 芯片)、功率类、传感器和其他,从燃油车到 BEV,单车半导体价值量将从 457 美元提升至834 美元,市场基本被国际巨头所垄断。MCU 的制程普遍在 40nm 以下,不同 MCU 来自不同供应商,通常为代工模式,台积电占所有汽车 MCU 约 70%的市场份额;功率类制程在 90nm 以上,生产模式以IDM 为主(厂商自己设计和生产),在部分产品逐步开始国产替代。

  规模不断增长的汽车芯片行业,被国际巨头所垄断,对台积电依赖有差异。汽车芯片可分为控制类(MCU 和 AI 芯片)、功率类、传感器和其他,从燃油车到 BEV,单车半导体价值量将从 457 美元提升至 834 美元,市场基本被国际巨头所垄断。MCU 的制程普遍在 40nm 以下,不同MCU 来自不同供应商,通常为代工模式,台积电占所有汽车 MCU 约70%的市场份额;功率类制程在 90nm 以上,生产模式以 IDM 为主(厂商自己设计和生产),在部分产品逐步开始国产替代。

  按功能分,一般将汽车芯片分为控制类(MCU 和 AI 芯片)、功率类、传感器和其他(如存储器)。在市场规模上,全球汽车芯片市场规模预计将从 2020 年的 380 亿美元以上增长至 2026 年的 676 亿美元,CAGR+10.07%。

  汽车电气化和智能化将带来汽车芯片用量的大幅提升。按英飞凌的数据,从燃油车到 BEV,单车半导体价值量将从 457 美元提升至 834 美元,而其中功率半导体的单车价值量从无到有至 330 美元。

  控制类芯片包括 MCU 和 随 着 智 能 化 兴 起 的 AI 芯片。MCU(Microcontroller Unit),一般称作微控制单元,俗称单片机,是把 CPU、内存(RAM+ROM)、多种 I/O 接口等整合到单一芯片上形成的芯片级计算机。一般按照 CPU 一次处理数据的位数分为 8、16 和 32 位 MCU。

  在具体应用上,往往越豪华的车使用的 MCU 越多,同一台车的 MCU 往往来自于不同的供应商,这取决于一级零部件供应商的采购:奥迪 Q7 有38 个 MCU 分别来自于 7 个供应商,本田雅阁有 20 个 MCU 分别来自于8 个供应商。

  在市场规模上,全球车规级MCU 市场规模预计将从 2020 年的 65 亿美元增长至 2025 年的 88 亿美元,CAGR+6%,与汽车芯片行业的整体增速接近。

  在竞争格局上,车规级MCU 竞争格局分散,但国产渗透率极低,欧美日传统厂商占据绝大部分市场份额。根据 IHS Markit 的数据,2020 年全球车规级 MCU 市场 CR7 市占率达到 98%。由于车规级 MCU 研发周期长,认证要求远高于消费和工业级 MCU,中国仅几家企业能够实现中低端品类的量产,国产渗透率很低。

  汽车智能化对算力提出了巨大的需求,车规级 AI 芯片将作为未来智能化汽车的“大脑”。不同于以 CPU 运算为主的 MCU,AI 芯片一般是集成了 CPU、图像处理 GPU、音频处理 DSP、深度学习加速单元 NPU+内存+各种 I/O 接口的 SOC 芯片。

  在具体应用上,当前 AI 芯片主要搭载于高端纯电乘用车,以新势力和部分传统车企中高端纯电车型为主,用于自动驾驶模块。

  在竞争格局上,目前第一梯队来自于头部消费芯片厂商和新势力的跨界,包括英伟达、Mobileye(被英特尔收购)和特斯拉,第二梯队是一些中国厂商,包括地平线、寒武纪和华为等,大部分传统汽车芯片厂商相对落后,中国厂商有望在车规级 AI 芯片实现弯道超车。

  功率半导体器件是进行电力转换和控制的半导体器件,典型应用场景包括变频、变压、变流、功率放大和功率管理等。其已应用于所有电子产品上,生命周期长,对制程要求低。

  在发展路线上,从材料看,功率半导体的衬底材料正从 Si 转向使用宽禁带材料 SiC/GaN(在高压下表现更好);从晶体管结构看,IGBT 和MOSFET 两种结构成为主流。在近五年,Si IGBT 和 SiC/GaN MOSFET最具前景(SiC/GaN IGBT 成本太高,短期不具备太大的应用价值)。

  在具体应用上,燃油车一般使用低压 MOSFET,衬底材料为 Si,应用场景包括:

  1. 直流电机、电磁阀、LED 等负载的驱动,这是主要应用场景,未来仍有望持续增长(在燃油车这块),动力来自于直流电机数量持续增加(机械泵被电子泵代替,智能化带来电控数量增加),直流无刷电机 BLDC 代替有刷电机,MOSFET 代替继电器

  3. 电源模块中 Buck、Boost、Cuk 等电压转换。这是因为燃油车的电源来自于 12V/24V 蓄电池,但是电器负载的工作电压范围广泛,需要进行电压转换。

  与燃油车相比,BEV 的动力系统由发动机、变速器等机械零部件转变为电池、电机、逆变器、DCDC、OBC 等电气零部件,功率器件的性能要求更高,IGBT 和高压 MOSFET 占据主流,新增需求来自于主逆变器中的 IGBT 模块或分立器件,车载 OBC、DC/DC 中的高压 MOSFET,辅助电器中的 IGBT 分立器件。

  在竞争格局上,英飞凌是龙头,外资占据绝大多数市场份额,中国厂商以生产低压 MOSFET 进行国产替代,但主要局限于工业和消费类,在车规级 MOSFET 上几乎没有份额。IGBT 方面:在市场规模上,根据 IHS Markit,2018 年全球 IGBT 市场规模 62 亿美元,其中模块、分立器件及 IPM 分别占比 52%、21%和 27%,其中汽车行业在模块和分立器的用量约为 25%,合计约 11 亿美元,IPM在汽车行业的应用仍在探索中。

  在竞争格局上,IGBT 近年来格局稳定,英飞凌是龙头,外资占据绝大多数市场份额,但是在车规级 IGBT 方面,我们看到比亚迪、斯达半导和中国中车近年来逐步实现国产替代,2019 年在中国车规级 IGBT 中,比亚迪、斯达半导和中国中车分别占据 20.0%、16.6%和 1.1%,不过在制造工艺等方面仍落后于国际巨头。

  汽车传感器分为车辆感知和环境感知两大类,对应的芯片也可以据此分为两类。动力、底盘、车身及电子电气系统中的传感器属于车辆感知范畴,智能汽车中引入的车载摄像头、超声波雷达、毫米波雷达和激光雷达属于环境感知范畴。

  存储器分为闪存和内存,闪存分为 NAND Flash 和 NOR Flash,内存分为 DRAM 和 SRAM。汽车上产生数据的主要包括 ADAS(自动驾驶)和信息娱乐系统两个板块,智能化带来的海量数据将增加汽车存储器的需求,根据 Counterpoint Research 估计,未来十年,单车存储容量将达到2TB-11TB。

  短期供需失衡带来汽车芯片的短缺现象,MCU类产品受影响较大。需求端,2020 年一季度疫情发生后,整车巨头下调了芯片的采购量,而 2020年四三季度开始全球汽车销量超预期带来了芯片需求端的超预期;供给端汽车芯片以成熟制程为主,成熟制程本身供给弹性小,汽车需求在芯片中占比较低,议价能力偏弱,在其他行业需求旺盛时芯片供应商较难快速把产能像汽车芯片切换,叠加日本、美国等部分产能遭受自然事件影响,供给上较难快速提升产量。而 MCU 类通用性偏弱,同时主要以台积电代工生产的模式为主,受影响相对较大。

  主要缺 MCU 的原因在于:相比于 AI 芯片,车规级 MCU 是用成熟制程,而目前成熟制程的需求正旺,相互竞争产能;相比于功率类和传感器类等,车规级 MCU 种类繁多,规模效应不好。

  2.1. 需求端原因:2020Q4 汽车销量超预期反弹,物联网等众多赛道需求齐爆发相互竞争产能

  汽车芯片类产品采购周期一般在半年到一年,2020 年上半年由于疫情原因,很多主机厂下调了产量,同时也下调了芯片的采购量,但是 2020 年四季度开始全球以及中国汽车销量快速增长,导致芯片库存不足。从结果上,像现代和起亚由于没有在 2020H1 减少芯片订单量,现在基本不受缺芯影响。

  2020 年以来,物联网等新赛道的芯片需求持续增长,其中很多是针对成熟制程的需求,与车载芯片形成竞争。根据 IC Insights 的估计,未来 5年,成熟制程需求并不会被先进制程侵蚀,保持稳定。

  根据 BIS Research 的统计,全球物联网芯片市场预计从 2019 年的 93.4亿美元,增长至 2029 年的 386.1 亿美元,CAGR +15.18%。物联网的应用场景包括工业自动化控制等,MCU 在其中扮演了重要的角色。

  2.2. 供给端原因:代工 MCU 将鸡蛋放到一个篮子里,代工厂缺乏动力扩建相关产能

  MCU 代工现象在汽车芯片领域是主流模式。这些供应商并不是没有自己的芯片生产工厂,但由于以下原因:一是 MCU 的制程普遍在 40nm 以下,导致芯片生产线投资巨大;二是 MCU 品类多且差异性大,导致生产的规模效应差。所以 MCU 的供应商们出于成本考虑,在 MCU 的生产上普遍选择 Fabless(代工模式)。

  台积电是车用 MCU 的主要代工方。台积电无论在产能还是在制程研发上一直行业领先,虽然现在能生产 40nm 左右制程芯片的代工厂有好几家,但是历史上 MCU 供应商还是选择了台积电。目前台积电 TMSC 生产出货量占所有汽车 MCU 约 70%的市场份额。

  由于汽车芯片的盈利能力较低以及成熟制程的产能弹性较小,台积电分配给 MCU 等汽车芯片的产能相对有限:

  一是相比于智能手机等其他行业,汽车芯片对代工厂营收贡献较少,2019 年仅占台积电营收的 4.48%。汽车芯片本身就批次多、单批次比消费电子数据差距巨大,盈利能力也差别比较大,代工厂没有足够的动力去保障这些“小订单”。

  二是台积电等几家头部代工厂近年来在升级产能,如台积电,其先进制程的营收份额从 2018 年的 42.76%增长至 2019 年的 50.58%,导致其在成熟制程上的产能扩建不足,相关产能吃紧。

  就整个芯片代工行业来看,仅仅只是头部几家代工厂在不断地追求更先进的制程,许多代工厂由于发现了成熟制程巨大潜在需求而专注于成熟制程的生产。但是很多车载 MCU 主要以台积电代工生产为主,而切换代工厂商的周期很长且成本很高,并不能经济且快速地解决“缺芯”问题,导致 MCU 生产商并不愿意这样做。

  此外,2020 年下半年以来,日本、欧洲、美国等地相继出现了因为特殊原因停工停产的情况,进一步加剧了芯片短缺。

  短期对汽车行业产销量带来一定冲击,预计在 2021 年 Q3 会逐渐恢复正常。IHS 预计受芯片短期影响 2021Q1 全球汽车行业将减产 100 万辆,我们判断随着芯片库存的不断减少 Q2 受影响会更大。但在提高价格以及主机厂直接对接芯片企业等多重因素下,汽车芯片的供应会不断提升,预计会在 Q3 逐步恢复正常。此次芯片影响也会让整车厂重新审视采购模式以及各国在芯片领域的布局。

  短期来看,影响主要包括车企停产和芯片提价。到 2021 年 2 月底,除了现代、起亚和宝马等少数车企,绝大多数车企都已经公开声称受到缺芯影响,许多已经实施了实质性的停产。

  伯恩斯坦咨询预计2021年缺芯将在全球范围内造成产量损失200-450万辆;IHS 预计 2021Q1 全球减产 100 万辆,其中中国 25 万辆、欧洲 13 万辆、北美 10 万辆;AlixPartners 预测 2021Q1 缺芯将带来 140 亿美元损失,2021 全年将有 610 亿美元损失,其中中国约 250 亿美元、欧洲约 140亿美元。

  在芯片价格上,从去年年底到现在,许多芯片厂商普遍提价 10%-20%。市场普遍预期,这两个短期问题至少持续到 2021 年 Q3。

  中期来看整个芯片行将分配更多的产能到汽车上,缺芯问题预计会在2021 年 Q3 开始好转。受到汽车芯片大幅提价以及整车巨头和芯片巨头之间的博弈,台积电已经在 2021 年 1 月宣布将把更多产能转移到汽车芯片上。

  长期来看,各国会重视汽车芯片产业,主机厂也会直接对接芯片一级供应商等等,此次缺芯让各国意识到芯片产能的重要性,分别积极扩大对芯片产能的投资,特别是欧美国家强烈地意识到自己在芯片产能上被亚洲地区“卡脖子”。芯片制造产业链建设周期很长,长期来看芯片制造格局可能存在变数。

  比亚迪:公司具备汽车 MCU 的生产能力,先后推出 8/32 位车规级 MCU芯片,批量装载在比亚迪全系列车型上;在 IGBT领域,公司是国内龙头,2019 年在中国车规级 IGBT 中,比亚迪市占率达到 20%。

  汽车芯片供给复苏低于预期:汽车芯片的供给受到不同企业、不同行业之间博弈的影响,同时也受到了自然灾害的影响,日本的地震以及美国大雪都造成了短期的停产。汽车芯片的供应存在低于预期的风险。