汽车半导体行业报告：电动化智能化双轮驱动，车载半导体拾级而上
?以下为报告原文节选
一、 电动化&智能化发展，驱动车规半导体应用迈入新时代
“ 电动化” +“ 智能化 ” 浪潮下， 汽车半导体 应用边界持续拓宽 。汽车半导体按功能可分为功率半导体（IGBT、MOSFET 等）、计算控制芯片（MCU、SoC 等）、存储芯片（DRAM、NAND、NOR 等）、传感器芯片（CMOS、雷达芯片、MEMS 等）、通信芯片（总线控制、射频芯片）等。2020 年汽车半导体产业中计算控制类芯片、功率半导体、传感器芯片、存储芯片市场规模占比分别为 23%、22%、13%和 9%。从应用领域看，传统燃油车的半导体主要集中在车身、底盘安全等传统汽车电子领域，随着汽车电动智能化不断发展，动力总成、辅助驾驶、信息娱乐等领域的半导体需求快速提升，2017-2022 年辅助驾驶、电动/混合动力系统的半导体应用规模 CAGR 分别高达 23.6%和 21%。
电动化、智能化将驱动汽车半导体市场快速扩容，目前海外半导体厂商占主导地位。2021年全球汽车半导体市场规模达467亿美元，同比+33%。在电动化智能化大趋势下，汽车半导体应用需求显著上升，据 Omdia 预测，2025 年全球汽车半导体市场规模将突破 800 亿美元，2021-25 年CAGR 达 15%。根据我们对各细分市场规模的测算，电动化将驱动新能源车 IGBT 芯片和 BMS 模块中 AFE 芯片市场的增长，2021 年全球规模分别为 20 和 6 亿美元，2025 年将达 73 和 18 亿美元，CAGR 分别为39%和 34%；智能化则带来车规 CIS、智能座舱 SoC、自动驾驶 SoC以及车规 DRAM、NAND、NOR 三类车规存储芯片市场显著增量，2021年全球规模分别为 39、25、15、12、10 和 5 亿美元，对应 2025 年规模预计分别为 76、42、67、22、28 和 9 亿美元，CAGR 分别为18%、13%、45%、15%、28%和 13%。此外根据 IC Insights，全球车规 MCU将从2021年的76亿美元增长至2025年的120亿美元，CAGR达12% 。全球汽车半导体市场中，海外半导体龙头厂商占据主导地位，2021 年英飞 凌/ 恩智浦/ 瑞萨/德州仪器/意法半导体市占率分别为12.7%/11.8%/8.4%/8.1%/7.5%，CR5 接近 50%，行业集中度高。
汽车半导体可靠性要求高，天然存在认证壁垒。1）AEC-Q100 系列是切入车企供应链前必须验证的基础标准，该系列标准按温度范围划分为5 个等级，0 级（-40°C to +150°C）为最高等级；2）ISO 26262 专门针对汽车领域的功能安全，不是全球强制性标准，但该标准越来越受车厂认可，该认证包括生产流程认证和产品功能认证，要求安全机制符合 ASIL 各等级认证，从低到高分成 QM、A、B、C、D 五个等级，ASIL等级越高，则认证流程更严苛、周期更长、技术要求和成本都更高；3）IATF 16949 侧重汽车品质管理体现，涵盖从设计到生产到封测全流程，更强调产品零缺陷，其覆盖的硬件范围除芯片外还有汽车其他硬件。汽车半导体产品进入车企供应链需要经过上述系列安全性认证，认证周期至少 2 年，行业天然存在较高壁垒，同时车企考虑到产品稳定性和验证测试成本，一般不会随意更换供应商，因此厂商进入供应链后往往能获得较长期稳定的订单。
1、 汽车电动化加速发展， 半导体价值量显著提升
渗透率迎来渗透率迎来10%拐点，汽车电动化进入加速发展阶段。从全球市场看，2021 年新能源车渗透率为 8%，2022 年 1-9 月全球新能源乘用车销量约 578 万辆，渗透率达 13%，已突破 10%拐点，全球汽车电动化进入加速发展阶段。相比于全球市场，中国汽车电动化进程较快，渗透率已由 2020 年的 5%提升至 2021 年的 13%，2022 年 1-9 月国内新能源车销量 456.7 万辆，渗透率达 23.5%。
电动车单车半导体价值量 显著高于燃油车，功率半导体贡献主要增量 。电动车成本结构与燃油车差距较大，三电系统占电动车整车成本高达50%，包括电池、电驱和电控，三者对应整车成本占比分别为 38%、6.5%和 5.5%。电动车以电力系统作为动力来源，对电力转换和功率变换具备更高要求，因此功率器件需求显著提升。此外，电动化也将带来 MCU用量变化，一方面电动车新增的电池管理系统、整车控制器等将增加MCU 的搭载量，另一方面又将减少发动机管理、变速箱控制器、燃油泵控制器等 MCU 用量。根据英飞凌数据，传统燃油车单车半导体价值量338 美元，混合动力车和纯电动车单车价值量提升至 710 美元和 704 美元，其中功率半导体增量分别为 283 美元和 316 美元，占总增量比重分别为 76%和 86%。
2、智能化帷幕已启， 汽车半导体迎来新增长点
汽车智能化包括智能驾驶、智能座舱和智能服务三大部分。智能驾驶的实现需要对汽车的周围环境进行感知、分析、判断并进行有效的处理和执行，以实现拟人化的动作执行，是汽车智能化的基石。智能座舱通过图像、语音、触控、手势等交互方式提高驾驶操控体验和乘车娱乐性，是人车交互的入口。智能服务将汽车与人及其社会生活相连接，是汽车智能化的延伸和扩大，包括后市场服务、出行服务、社交及生活服务等。
ADAS 作为智能驾驶核心载体，未来十年将进入加速渗透阶段。ADAS（advanced driver assistance system，高级驾驶辅助系统）是智能驾驶的核心载体，包含感知、决策和执行三大层次。1）感知层：依靠多传感器对环境信息和车内信息进行采集和处理，摄像头、毫米波雷达、激光雷达等是重要传感器；2）决策层：通过融合多传感器的数据进行决策判断，制定控制策略；3）执行层：将系统决策反馈到底层模块执行，实现车辆纵向横向的自动控制，相当于汽车的“四肢”。我们认为未来十年ADAS 将进入加速渗透阶段，预计 L2 及以上车型渗透率将从 2021 年的18%提升至 2030 年的 86%，同时，2022 年是 L2 往 L3+跨越的窗口，L3+级智能车渗透率将由 2022 年的 1%上升至 2030 年的 56%。
感知层多传感器融合， 摄像头和激光雷达芯片是重要增量 。感知层传感器主要包括车载摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波雷达以及惯性导航设备（GNSS and IMU）。不同传感器在感知精度、感知范围、抗环境干扰及成本等方面各有优劣。由于当前自动驾驶厂商还无法通过深度学习算法完全弥补硬件在环境感知方面的缺陷，因此采用多传感器融合方案收集海量信息用于决策分析是目前提高感知精度和可信度的主流方案。ADAS 升级将带来明显的半导体增量，智能车单车半导体价值量将由 L2 级的 160 美元上升至 L3 级的 630 美元以及 L4/5 级的 970 美元，从传感器来看，摄像头模块是 L2+级核心传感器，L3 和 L4/5 则以激光雷达模块为重要增量，同时，ADAS 升级过程中传感器融合也将贡献较大的半导体增量。
高级别自动驾驶催化算力、存储新需求 。决策规划分为路径规划、行为决策和运动规划三个层次，每个环节功能的实现都建立在对应的算法上。随着自动驾驶级别的提高，芯片需要处理的环境复杂度和操作多样性抬高算力需求，L2 级别的算力需求在 10TOPS 以下，L3/L4/L5 级别则提升至 30-60/100/1000TOPS，因此算力更高的自动驾驶 SoC 芯片需求广阔。同时，高级别自动驾驶的传感器、操作系统、离线地图等都将产生大量数据，根据 Counterpoint 数据，2025 年 L4 级 ADAS 系统每小时至少产生 1TB 数据量，对车规存储芯片数量和性能提出更高要求。
二、功率半导体 ：电动化核心增量，高成长与国产替代共演绎
1 、IGBT：受益电动化趋势，高成长性 高成长性+国产替代国产替代逻辑明确
电动化趋势下汽车功率半导体用量显著提升 ，为价值占比最大的汽车半导体。传统燃油汽车中，功率半导体分布在动力、车身、安全等部分，主要应用于启动、发电和安全领域；新能源车中，功率半导体是实现电能转换的核心组件，新增三电系统（电池、电驱和电控）以及 OBC（车载充电机）、DC/DC、充电桩等需要用到大量的逆变器、变压器和换流器，IGBT、MOSFET 等功率器件用量大幅提升。电动化浪潮中，半导体增量主要来自于功率半导体（图 11），根据 Strategy Analytics，功率半导体在汽车半导体中的占比从传统燃油车的 21%提升至纯电动车的55%，跃升为占比最大的半导体器件。
配合大电流大功率，新能源车 IGBT 需求旺盛。燃油车中仅有少量的IGBT 单管用于发动机点火器，随着电车大功率大电流的技术演进，IGBT模块成为电控系统中逆变器的标配，将直流电转换为交流电以驱动电机。车载 OBC 中，IGBT 将输入的交流电整流为直流电为新能源动力电池充电，车载空调中则配备 IGBT 单管/模块。从电控成本拆分来看，涉及的电子零部件包括 IGBT 功率开关、DC/DC 变换器、电流传感器、波纹电容以及微控制器等，其中 IGBT 成本占比高达 44%。
新能源车 IGBT 市场规模测算：2021-25 年 CAGR 达38.5%。新能源车单车搭载约 30-48 颗 IGBT 芯片，根据产业信息，2021 年单片 8 寸晶圆代工价格约 650 美元（产出约 120 颗 IGBT 芯片），推算出单颗 IGBT芯片的晶圆价值约 5.4 美元。考虑封装成本、 、毛利以及双电机占比，我们假设 2021 年平均单车 IGBT 成本为 300 美元，双电机渗透率提升叠加 IGBT 紧缺持续，单车价值量将进一步提升。综上，我们测算出 2021年全球新能源车 IGBT 市场规模约 19.8 亿美元，2025 年将达到 73 亿美元，CAGR 达 38.5%。
英飞凌等海外厂商主导全球 IGBT 市场，国产替代空间仍较大。在 IGBT器件和 IGBT 模块市场，英飞凌均为全球第一，市占率分别为 29.3%、36.5%，均为全球第一；在 IPM 模块上的份额为 11.6%，居全球第三。三大市场中，国内厂商市占率均较低，国产替代空间广阔。IGBT 器件市场中国本土厂商仅士兰微一家，份额为 2.6%；IPM 则有士兰微（1.6%）、吉林华微两家（0.9%）；IGBT 模块市场，中国厂商斯达半导以 2.8%的份额居全球第六。国产替代逻辑下，国内市场格局相对优于全球市场，根据 NE 时代数据，22Q1 中国新能源车功率模块市场中，斯达半导、比亚迪半导体和中车时代分别占 16.4%、14.5%和 9%市场份额，分别位居第二、三、五位。
缺芯格局 缺芯格局+速 本土电动车品牌崛起加速 IGBT 国产替代进程。1）机遇一：缺芯格局。IGBT 市场长期被英飞凌、富士、三菱等海外厂商垄断，国内自足率较低。近两年电动车、储能等下游需求高增，而供给端存在因疫情/地缘冲突停产减产等扰动，IGBT 芯片供应持续紧缺。根据富昌电子最新披露数据，英飞凌、意法半导体等厂商 IGBT 芯片交货周期仍为50 周左右，持续的长交货周期为国产替代提供机遇。2）机遇二：本土电动车品牌崛起。国产电动车品牌崛起也将推动产业链国产化进程，2022 年 1-9 月，比亚迪新能源车市占率高于特斯拉 4%，稳居全球第一，TOP20 中有 11 家国内车企，国产新能源车市占率＞41%。在国产替代机遇下，国内 IGBT 厂商发挥本土优势加速追赶，斯达半导、时代电气、士兰微、宏微科技等国内厂商逐渐切入车规级 IGBT 供应链，2021 年斯达半导车规IGBT已批量供货海外市场，多款产品获得定点，第七代IGBT预计将于 2022 年批量出货。在汽车电动化加速扩空间+国产替代提份额的双重助力下，国内 IGBT 厂商将获得跨越式的增长。
2 、SiC ：800V 平台上车催生 SiC 需求高增
800V 快充成为多数车企布局方向。新能源车 “里程焦虑”解决方案包括推广换电模式、延长续航里程、发展快充技术等。其中，快充技术可以在不依赖换电站的前提下有效提升补能效率，因此是多数车企布局方向。
快充技术主要包括大电流和大电压两大方案，大电流方案缺点在于：大电流会导致发热量高，会降低转换效率，同时增加热管理系统成本，目前仅特斯拉、极氪等少数品牌选择了大电流方案，多数车企则选择了大电压方案。现阶段主流新能源车高压电气系统电压范围一般在230V-450V（即“400V 系统”），随着高压快充的推进，整车高压电气系统电压范围达到 550-930V（即“800V 系统”）。2019 年保时捷推出全球首款纯电动 800V 车型 Taycan Turbo S，2021 年 11 月小鹏推出国内首款 800V SiC 平台车型小鹏 G9。此外，比亚迪、极氪、岚图、广汽埃安、极狐、长安、长城、理想等多家车企也已先后发布 800V 平台架构或规划。2022 年 7 月极狐 αS HI 版已量产交付，小鹏 G9 预计 9 月交付，2022年是我国 800V 高压平台车型量产的元年，但目前整体规模仍较小，据纬湃科技预测，2025年800V系统在新能源车市场有望达到15%市占率。
800V 系统对电控提出更高要求，SiC 器件成为更优选择。器件成为更优选择。相比于传统硅基器件，采用 SiC 器件对 800V 系统的提升主要在性能、成本两方面。
1： ）性能：a.更低的损耗。WLTC 工况下仿真数据显示，“800V+1200V SiC模块”方案整车损耗较“400V+750V IGBT 模块”降低了 7.6%。b.更长的续航里程。根据博世数据，SiC 版本的电动车平均行驶距离较传统电动车增加 6%。
2 ）系统成本：SiC 器件在电控体积、重量、功率、效率方面较硅基均有显著提升，从系统成本角度考量，能节省在器件环节之外的其他散热环节、电池容量的成本。根据华尔街日报，SiC 相关技术可帮助单车节省近 750 美元的电池成本。
2025 年 SiC 成本预计下降 20%+ ，2026 年新能源车 SiC 器件规模有望 器件规模有望达 达 46 亿美元。目前 SiC MOSFET 的应用受到成本高昂限制，据中科院数据，同一级别下 SiC MOSFET 的价格比 Si 基 IGBT 高 4 倍。碳化硅器件降本主要通过三大途径：1）降低衬底成本，主要通过 8 寸向 12 寸升级、持续优化热场设计来实现；2）在设计、器件制造、封装各个环节改进技术，具体涉及缩小元胞尺寸、改进栅氧淡化工艺等方向；3）设计更小尺寸芯片，使得单位晶圆产出更高。根据 PGC，假设以 2021 年 6寸 SiC MOSFET 1200V/100A 的成本为 1 个单位，则至 2025 年成本有望降至 0.8 以下，而 8 寸的成本有望降至 0.68 附近。2021 年 SiC MOSFET 为 Si 器件成本的 3 倍，到 25 年有望降至 2.5 倍附近，而业界通常认为 2-2.5 倍是碳化硅大规模渗透的成本临界点，故当前及未来 2年处于 SiC 爆发的前夜。据 Trendforce 预测，全球新能源车对 6 寸 SiC晶圆需求将从 2021 年的 12 万片提升至 2025 年的 169 万片，据Wolfspeed预测，2022年全球新能源车SiC器件市场规模达16亿美元，2026 年有望达到 46 亿美元，CAGR 达 30.2%。
Wolfspeed 等海外 SiC 器件厂商在新能源车领域进展较快，国产厂商积 器件厂商在新能源车领域进展较快，国产厂商积极布局，三安光电、斯达半导、时代电气、中瓷电子等相对突出。1）海外厂商方面，Wolfspeed 作为全球 SiC 衬底龙头，至 2021 年底与意法半导体有超过 8 亿美元 SiC 晶圆供货协议，与英飞凌、安森美分别有近 1/0.85 亿美元的供货协议，且直接与通用汽车、Lucid、大众、宇通客车等车厂合作，提供 SiC 产品。日本 SiC 龙头罗姆，与纬湃科技（大陆旗下）、北汽新能源、臻驱科技、吉利、联合汽车电子等中国厂商合作广泛。安森美则在 2021 年通过收购衬底供应商 GTAT，具备了 SiC 衬底制造能力，从而构建了完善的 SiC IDM 模式。2）国内厂商方面，三安光电、斯达半导 SiC 产品“上车”进度国内领先，时代电气 2021 年发布了自研 SiC 芯片新能源车电驱，士兰微、扬杰科技、宏微科技、新洁能、华润微、安世半导体这些传统的硅基功率厂商，则在 2020-21 年间发布 SiC 二极管、SiC MOS 等产品，布局相对前瞻。瀚薪科技、瞻芯电子、派恩杰这类 SiC 器件设计公司，起点高，诞生之初即从事 SiC MOS产品研制，瞄准新能源车、工业市场。
三、MCU ：智能化大增量，本土厂商迎机遇
1、汽车是 MCU 第一大市场，智能驾驶带来显著增量
汽车是 MCU 第一大市场 ，单颗价值量最高。
1）市场规模占比：汽车是 MCU 第一大市场，2020 年汽车/工业/消费/通讯/电脑在 MCU 市场的占比为 38%/30%/18%/9%/4%，2010-2020 年汽车在 MCU 占比稳定在 38%-40%，持续保持第一大应用的地位。
2）出货量占比：汽车是 MCU 第五大出货领域，2021 年，智能卡&安全/个人信息处理终端/工业/消费电子/汽车在 MCU 出货量的占比为42%/17%/15%/10%/7%。
3 ）ASP ：汽车 MCU 的 ASP 显著高于其他应用，2021 年达 3.1 美元；自 2020 年以来，因供应链不稳定，不同应用的 MCU 价格都有不同程度地上升，2020 年汽车 MCU 价格上涨 16%，2021 年上涨 22%，在 MCU中涨价幅度最大，Yole 预计汽车 MCU 的价格未来仍将处于高位。
