汽车半导体行业深度：需求爆发叠加国产加速，汽车芯片十年腾飞期开启

电动化、智能化驱动车用半导体用量提升。汽车芯片分为主控芯片、存储芯片、功率芯片和传感器芯片四大类。电动化智能化趋势下，汽车主要发生的变化为油驱变电驱、汽车电子电气架构由分布式向集中式发展以及自动驾驶需要的硬件（传感器、AI芯片算力、存储）等的增加。半导体单车价值量受益于以上趋势，占比将持续提升。根据Infineon的数据，2021年传统燃油车的半导体单车价值量为490美元，新能源车的半导体单车价值量接近1000美元。 功率芯片受益于电动化趋势的确定性高增长，国内厂商迎来发展窗口期。功率半导体是电能转换与电路控制的核心，新能源汽车功率半导体用量及规格均高于传统燃油车，贡献了单车半导体价值量提升的主要增量。我们预计到2025年全球新能源汽车IGBT规模接近40亿美元，中国达22亿美元。功率半导体市场存在较大供需错配，行业缺芯凸显芯片国产化瓶颈现状，给予国产厂商难得的“试错”机会，国产厂商迎来供应链导入良机。国内的时代电气、斯达半导、士兰微等厂商IGBT性能不断改善，已逐渐在以国产车企为主的主机厂客户中放量出货，未来几年将进入加速发展窗口期。 车用MCU芯片市场空间持续增长，车规与客户认证构筑高壁垒。从汽车电子电气架构变化判断，MCU的需求随汽车功能丰富而逐步提升，短期内难以被集成化趋势替代。未来域架构与中央集中式架构趋势下，芯片单价也会相应增加。我们预计到2025年，全球车规MCU的市场空间将达到112.57亿美元，20-25年CAGR为11.34%。长期以来，车用MCU和SoC市场被传统汽车电子厂商占据，竞争格局相对稳定。控制类芯片直接涉及到行车安全，因此安全性、稳定性的要求最高，后进厂商难以进入。国内虽然车用MCU市场较大，但是国产厂商在全球市场份额不足2%，且大都在对芯片可靠性、性能要求相对较低的车身控制以及后装市场。 当前汽车MCU芯片持续紧缺，国内车企的芯片供应问题频发，叠加供应链国产替代的需求，国内MCU厂商获得更多的验证机会。目前国内厂商有望率先从要求较低的车身控制、中控仪表等领域开始，慢慢进入电源管理、智能座舱主控以及底盘、动力域等高端应用。 智能座舱芯片市场空间可观，国内Soc厂商具备较强竞争力。智能座舱作为汽车智能化发展的一个重要趋势，因其技术较为成熟、使用体验好，预计将在未来几年快速落地。根据罗兰贝格预测，国内智能座舱2025年渗透率将达到59%，2030年达到90%左右。智能座舱芯片为新的增量市场，根据我们测算，预计2025年市场规模达到205亿美元，2030年达超过373亿美元。当前座舱芯片的主要玩家主要有两类，一类为原先传统车机中控芯片厂商，如NXP、瑞萨、TI等，另一类为消费电子芯片厂商，如高通、三星等从手机AP芯片切入。从各厂商公布的合作车企和车型来看，当前高通的座舱芯片占有领先的市场份额，未来我们预计国内厂商凭借较高的性价比优势和更好的本地化服务，将拥有可观的市场份额。 自动驾驶解决方案逐渐成熟，芯片厂商竞争白热化，国产厂商异军突起。当前主流车企配备的均为L1-L2的ADAS辅助驾驶，L3及以上的自动驾驶系统还未真正落地。一方面是方案需要足够的数据和时间进行打磨，另一方面是政策上也要有相应的支持。预计L3级别的自动驾驶将在未来几年快速放量。自动驾驶芯片的算力和价值量更高，对设计厂商的设计能力以及软硬件结合能力均有较高的要求。根据我们测算，2020年全球ADAS/自动驾驶芯片组市场规模约为17亿美元，预计到2025年将达到103亿美元，对应增速为43.4%。从竞争格局来看，龙头厂商英伟达、英特尔、高通有望保持领先，角逐最高算力级别的市场，而出于数据与供应链安全的考虑，国内厂商华为、地平线、黑芝麻等也将占有一定份额。 车载存储的容量与带宽有望迎来大升级。智能座舱应用的功能与复杂度提升，自动驾驶产生大量的数据存储需求以及高精度地图等，将推动车载存储容量与技术的升级。根据美光科技的数据，预计L3级别DRAM、NAND用量分别为16GB、256GB，而L5级别将分别需要使用74GB、1TB的容量。同时DRAM也从DDR3，DDR4向LPDDR4、LPDDR5升级。根据我们测算，到2025年全球汽车DRAM的规模将达到46亿美元，2020-2025年CAGR为30%；2025年全球汽车NAND的规模达到97.8亿美元，5年CAGR为38.1%；中国达到30.6亿美元，5年CAGR为42.8%。 智能座舱与自动驾驶推动图像传感器（CIS）量价齐升。随着ADAS渗透率和自动驾驶等级的提升，未来单车车载摄像头用量增加，L1-L2级别自动驾驶一般在3-6个摄像头，L3及以上需要8个，更多可达13个摄像头，带动单车图像传感器数量的显著增加。车用图像传感器对像素的追求不及消费级，但我们认为随着算法和硬件的迭代升级，以及主机厂为未来升级留出的性能冗余的考虑，车载摄像头的像素整体上会增加，带动车载CIS平均单价提升。根据我们测算，预计全球车载CIS在2025年达到48.94亿美元，5年CAGR为36.58%。 建议关注：功率芯片：时代电气、斯达半导、士兰微、宏微科技、华润微等；MCU设计厂商：兆易创新、中颖电子、芯海科技、纳思达、杰发科技（四维图新子公司）等；SoC设计厂商：北京君正、晶晨股份、瑞芯微、全志科技等；CIS板块：韦尔股份等。 风险提示：汽车智能化进程不及预期、电动化渗透率不及预期、市场竞争风险、技术路线变化风险 1.电动化、智能化引领汽车半导体单车价值量提升 1.1.电动平台替代传统内燃机平台，推动智能化发展 电动车采用以电源、电驱、电控为核心的三电系统替代发动机和变速器等。 纯电动汽车的结构主要包括电源系统、驱动电机系统、整车控制器和辅助系统等。 动力电池输出电能，通过电机控制器驱动电机运转产生动力，再通过减速机构，将动力传给驱动车轮，使电动汽车行驶。电动车省略了内燃引擎、燃料系统、进气系统、排气系统及点火装置等，因此零部件数量相比普通燃油车减少约1/3，机械结构大幅简化。 电源系统包括动力电池、电池管理系统（BMS）、车载充电机及辅助动力源等。电池管理系统实时监控动力电池的使用情况，对动力电池的端电压、内阻、温度、蓄电池电解液浓度、电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等状态参数进行检测，并按动力电池对环境温度的要求进行调温控制。 电驱动单元主要包括电驱动电机、逆变器，与减速器等。驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置驱动或直接驱动车轮。减速器是用来调整车辆的扭矩、速度等，作用类似于变速箱。 电控系统包括电机控制器和整车控制器（VCU）。电机控制器从整车控制器获得整车的需求，从动力电池包获得电能，经过自身逆变器的调制，获得控制电机需要的电流和电压，提供给电动机，使得电机的转速和转矩满足整车的要求。 电机控制器内含功能诊断电路，当诊断出现异常时，它将会激活一个错误代码，发送给整车控制器，起到保护的功能。VCU是电机系统的控制中心，它对所有的输入信号进行处理，并将电机控制系统运行状态的信息发送给电机控制器，根据驾驶员输入的加速踏板和制动踏板的信号，向电机控制器发出相应的控制指令。 VCU还将与汽车行驶状况有关的速度、功率、电压、电流等信息传输到车载信息显示系统进行相应的数字或模拟显示。 图1：电动车系统架构 电动机控制延迟低、电池容量大，电动化推动智能化发展。一方面，发动机控制比电机控制更复杂，电机对指令的响应速度和准确性极高，使得自动驾驶可以获得更低的操作时延。另一方面，传统燃油车的电池容量不够，难以满足自动驾驶和智能化的用电需求，而增加更大的电池系统将使得汽车结构更为复杂，纯电汽车天然具有足够的电池容量和充放电系统，更符合未来智能化的需要。 1.2.电气架构由传统分布式向域控制器发展，最终向中央集中式发展 ECU是汽车电子设备的核心电控装置。ECU（Engine control unit）即汽车电子控制单元，又称“行车电脑”，是由输入接口、MCU和输出接口组成的电子控制装置，是汽车电子设备的核心。ECU的作用是根据所存储的程序对传感器输入的各种信息进行运算、处理、判断，然后输出指令给执行器，控制有关执行动作，达到快速、准确控制被动部件的工作目的。整块电路板设计安装于一个铝质盒内，通过卡扣或者螺钉安装于车身钣金上。 汽车ECU种类繁多，遍布三大电控系统。由于ECU是汽车控制的关键，汽车三大电控系统发动机、底盘、车身均需要ECU，小到雨刷、座椅控制，大到转向、发动机控制，因此汽车ECU种类繁多。如发动机电控系统中需要发动机ECU控制发动机供油、点火、怠速等，底盘电控系统中需要变速器ECU控制自动变速器的升挡、降挡、锁止等，车身电控系统需要门窗ECU控制门窗的闭锁、开锁等。 传统汽车主要采用分布式ECU架构，汽车功能增加主要靠ECU数量的堆叠。 随着发展，ECU数量逐步提升。分布式架构下汽车各个功能由不同的单一ECU控制单元来完成，通过ECU的累加来实现更多的功能，汽车的主体架构不发生改变。根据OFweek电子工程官网数据，目前普通汽车上的ECU数量为50-70个，高端汽车上的ECU数量超过100个。 图2：ECU结构示意图 图3：各类车型中的ECU每年递增 传统分布式架构面临挑战，制约汽车电动化智能化发展。随着汽车智能化发展，汽车的功能逐渐增加，ECU数量快速增长，靠传统分布式架构面临许多问题，主要体现为： 连接线束的难度和成本上升。随着ECU数量的增加，每个ECU都需要与总线连接，整车的线束会越来越臃肿，带来整车成本和重量的大幅上升。此外，ECU的成倍增加还会带来总线信号数量的几何量级攀升，对总线带宽负载带来巨大挑战。 ECU出现冗余重叠，不利于升级和维护。汽车智能化要求对汽车的功能进行快速的升级迭代，OTA升级逐渐成为大趋势。不同功能的ECU由不同的供应商提供，底层软件和驱动各异，后期需要不同的供应商来更新和维修。而传统的电气架构里面许多功能是由两个甚至多个ECU控制器共同配合完成的，功能升级涉及到多个控制器的同步更改，因此大大增加了功能拓展升级的成本。此外，不同的ECU还可能存在功能重叠，造成算力和成本浪费。 高级别辅助驾驶等功能需要不同ECU之间高度协同，传统架构处理效率较低。实现自动驾驶需要视觉、雷达、高精度地图以及车辆车身控制的共同参与。传统架构下多ECU协同能力有限，沟通效率较低，难以胜任高级自动驾驶任务。 电气架构往域集中式架构发展，未来进一步向中央集中式架构变化。随着传统分布式架构不再适应汽车发展的需要，域控制的概念被提出并逐渐接受。博世将整车划分为五个域，全车主要分为动力域、底盘域、车身控制域、信息娱乐域、ADAS（智能辅助驾驶）域。单个域主要有域控制器（DCU）进行计算和控制。各个域之间通过千兆以太网连接，以此解决实时性问题与传导问题，而每个域与自己分管的子系统之间通过CAN，CAN-FD以及百兆以太网连接通信。各个域控制器还会逐渐出现功能融合。 图4：博世E/E架构路线图 以特斯拉电气架构为例，model3将整车分为四个域，包括中央计算模块CCM（负责娱乐信息系统，辅助驾驶系统和车内互联通信）、前车身控制（负责雨刮、前电机控制器、车灯等等）、左车身控制模块LBCM（负责左车灯、门窗以及转向制动等）、右车身控制模块RBCM（包括底盘安全系统、动力系统、热管理等等）。未来电气架构的最终发展方向为统一的中央集中式控制。 图5：特斯拉model3电气架构示意图 ECU功能简化，域控制器中需要采用更强算力和功能的SoC等定制芯片集中处理。在如此的架构变革下，硬件与硬件，硬件与软件发生解耦，ECU功能逐渐被简化，往往承担最简单的执行层面的控制功能。而软件算法、数据处理将集中在域控制或者中央控制器的处理芯片中进行，也便于进行后期的OTA升级。因此对算力更强的Soc和MCU芯片提出了更多需求。 1.3.自动驾驶催生传感、存储与计算的需求 1.3.1.自动驾驶渗透率提升 当前正处L2到L3