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半导体行业:国金证券-半导体行业深度研究:自驾电动车带动的十倍半导体增值-210309

研报作者:郑弼禹,樊志远,罗露 来自:国金证券 时间:2021-03-09 15:21:08
  • 股票名称
    半导体行业
  • 股票代码
  • 研报类型
    (PDF)
  • 发布者
    zu***ao
  • 研报出处
    国金证券
  • 研报页数
    39 页
  • 推荐评级
    买入
  • 研报大小
    2,674 KB
研究报告内容

市场数据(人民币) 市场优化平均市盈率18.90 国金半导体指数5831 沪深300指数5080 上证指数3421 深证成指13864 中小板综指12489 相关报告 1.《化合物半导体行业深度报告-砷化镓本土 闭环,碳化硅等待“奇点时...》,2021.2.28 2.《新能源车快速发展,碳化硅迎来发展良 机-新能源车快速发展,碳化... 》, 2020.12.31 3.《新技术催化景气上行,国产替代空间广 阔-半导体硅片行业深度》,2020.12.26 4.《2021年年度策略报告-2021-2022年 投资展望,六个...》,2020.11.26 5.《半导体行业2020年三季报综述-三季度 半导体高度景气,盈利指...》,2020.11.5 郑弼禹分析师SAC执业编号:S1130520010001 zhengbiyu@gjzq.com.cn 樊志远分析师SAC执业编号:S1130518070003 (8621)61038318 fanzhiyuan@gjzq.com.cn 罗露分析师SAC执业编号:S1130520020003 luolu@gjzq.com.cn 自驾电动车带动的十倍半导体增值 投资建议 行业策略:自驾电动车应是未来15年最大的科技变革,从人驾到类似智能 服务器装四轮驱动的自驾,这对激光雷达,摄像头,毫米波雷达, C-V2X等 感知层芯片, GPU/CPU/FPGA/AI加速器等决策层芯片,及高速以太网络执行 层芯片需求暴增;而油到电动车则对高功率牵引逆变器碳化硅SiC的需求爆 发,在电动车渗透率于2035年达50%,L3-L5自驾渗透率超过30%的假设 下,国金估计全球车用半导体市场于2020-2035年复合增长率有机会超过 20%,远高于全球半导体的5-6%,份额从2020年的5%到2035年的30%,每 车半导体价值增10倍,从2020年的268到2035年的2,758美元,新兴受 惠公司将不限于之前的车用半导体龙头。

全球推荐组合:国内除了三安,斯达,闻泰/安世,地平线,韦尔/豪威的积 极参与外,我们主要推荐Lumentum (VCSEL激光雷达芯片),英伟达(AI GPU),赛灵思Xilinx (AIFPGA),美满Marvell(高速车用以太网络),科 锐Cree (逆变器碳化硅SiC衬底)为自驾电动车15年大趋势的最大赢家。

行业观点 自驾车驱动AI,激光雷达,以太网络芯片需求:1)谷歌的Waymo One及百 度的Apollo Go多采用2-4颗英伟达GPU及赛灵思FPGA解决AI问题,但整 体L4-L5自驾架构成本超过10万美元,推广到自用车不易;2)Tesla低成 本视觉/AI芯片系统将成为L3/L4自驾自用车赢家;3)国金预估2021-2030 全球激光雷达前装量产市场CAGR近90%,看好Lumentum及AMS的VCSEL低 价优势将取代部分目前主流铟镓砷EEL激光器市场,并消耗庞大砷化镓代工 及外延片产能;4) MarketsandMarkets之前预测全球车用乙太网路市场有 20.9%的复合增长率。

就以L4-L5自驾系统来看,每台至少需要10个以上以 太网络交换器芯片及实体层收发器PHY-Transceiver,PHY-Transceiver是 模拟电路,芯片面积大及良率低,所以成本及进入门槛较高。

而博通和美满 电子全球份额就超过50%。

电动车驱动第三代半导体碳化硅需求:虽然大部分电动车还是以IGBT来做 高功率逆变器(DC-ACTraction Inverter)及车载充电系统,但SiC碳化硅 具有降耗能,动力系统模组缩小5倍,物料成本低,缩短充电时间,高温下 的稳定晶体结构,及4年后的整体方案成本等优势,预期全球碳化硅市场将 迎来15年34%的复合增长率,到2035年达到约500亿美元,2020年车载 碳化硅领域市占80%的龙头科锐Cree受惠最大。

摄像头,毫米波雷达,蜂窝车联网C-V2X,氮化镓GaN芯片有贡献但比重偏 低:1)全球车用摄像头芯片将从2020年的1.3亿颗,增长超过4倍到2035 年超过5.7亿颗,10%复合增长率,但与智能手机30亿颗以上的摄像头相 比,2035年整体占比不超过10个点,对龙头On Semi及韦尔/豪威贡献有 限;2)毫米波雷达及芯片分食者众,看不出赢家;3)C-V2X蜂窝车联网的 赢家是砷化镓产业链,但比起智能手机动辄45亿颗射频功率放大器模组的 市场而言,C-V2X芯片对产业链营收在2035年贡献不超过15个点; 4) GaN 氮化镓器件不管在成熟度,品质,可信度,可扩展性,高功率密度,生产良 率都还没有比IGBT/MOSFET有很明显的优势,而且在高压高功率器件如车载 充电系统Onboard Charger(OBC),800V高功率的电源转换系统(车载DC- DC转换器),牵引逆变器(Inverter)又要跟SiC碳化硅来竞争。

风险提示 电池及碳化硅,自驾系统如人工智能芯片及软件,激光雷达,毫米波雷达, 蜂窝车联网芯片成本下降不如预期,全球自驾电动车政府奖励补助减少,渠 道库存增加而减少需求;全球车用半导体制造及晶圆代工产能不足。

4470 4948 5425 5903 6380 6858 7335 20 03 09 20 06 09 20 09 09 20 12 09 国金行业沪深300 2021年3月9日 创新技术与企业服务研究中心 半导体行业研究 买入(维持评级) ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 内容目录 一,全球车市的展望.......................................................................................4 二,自驾及电动车比例增加及每车半导体价值提升是两大驱动力....................6 三,全球车用半导体市场,未来与现在大不同................................................8 四,自驾带动AI,激光雷达,摄像头,毫米波雷达,蜂窝车联网,及以太网络 芯片需求........................................................................................................9 五,电动车驱动碳化硅及氮化镓第三代半导体需求.......................................26 六,风险提示...............................................................................................37 图表目录 图表1:2015-2030年全球车市销量预测(百万辆)........................................4 图表2:汽车工程学会SAE 1-5......................................................................4 图表3:特斯拉自驾车的视觉技术...................................................................5 图表4:全球电动车及L3-L5自驾车销量的占比变化.......................................6 图表5:人驾油车vs.自驾电动车的每车半导体价值比较................................7 图表6:每车半导体价值及车用半导体占全球份额变化...................................7 图表7:用于传统燃油汽车的平均芯片数目.....................................................8 图表8:用于新能源电动车的平均芯片数目.....................................................8 图表9:2020年全球10大车用半导体厂商份额比较........................................8 图表10:美国出租车及自用车自驾平台芯片及视觉系统比较..........................9 图表11:国内出租车及自用车自驾平台芯片及视觉系统比较........................10 图表12:Waymo的视觉系统配备..................................................................11 图表13:Tesla的视觉系统配备..................................................................11 图表14:Tesla Hardware 3.0每片晶圆AI芯片数......................................12 图表15:Tesla每片晶圆新AI芯片数..........................................................12 图表16:Intel Xe架构AIGPUPonte Vecchio (2021) ............................13 图表17:Mobileye/Intel的自驾芯片蓝图...................................................14 图表18:百度Apollo自驾的开放平台芯片架构..........................................15 图表19:Auto X的感知视觉系统.................................................................15 图表20:地平线征程3芯片规格..................................................................16 图表21:华山二号芯片算力平台..................................................................17 图表22:各种感测器的可视距离,成本,数据量比较...................................18 图表23:全球车载摄像头芯片销量预测(单位:百万颗)..............................18 图表24:车用摄像头芯片供应商份额...........................................................19 图表25:全球激光雷达市场规模(亿美元)...................................................19 图表26:全球激光雷达前装量产出货量预测.................................................20 图表27:全球激光雷达前装市场规模预测(亿美元) ...................................20 图表28:FPGA vs. GPU&CPU .........................................................................21 行业深度研究 图表29:24Ghz,77Ghz毫米波雷达市场预估...............................................22 图表30:DSRC vs. C-V2X .............................................................................23 图表31:砷化镓射频市场预测......................................................................23 图表32:车载以太网络市场.........................................................................24 图表33:车载以太网络配置.........................................................................25 图表34:车载以太网络架构.........................................................................25 图表35:车用网络类别比较.........................................................................26 图表36:IGBT芯片代次发展情况..................................................................27 图表37:MOSFET、IGBT和BJT性能对比.......................................................27 图表38:IGBT适用于高功率领域..................................................................27 图表39:IGBT应用电压范围.........................................................................28 图表40:功率器件在汽车中的应用...............................................................28 图表41:IGBT在电动车中的应用..................................................................28 图表42:2020年各种电动汽车半导体价值量................................................29 图表43:2019年中国新能源汽车IGBT模组市场份额(按销量) ..................29 图表44:不同半导体材料比较......................................................................30 图表45:SiC在高开关高频和高功率应用优势明显.......................................30 图表46:电动车牵引逆变器往高压方向发展.................................................31 图表47:丰田碳化硅PCU与硅PCU体积对比.................................................31 图表48:OBC的硅基方案与SiC方案BOM的比较...........................................31 图表49:车厂和零部件厂围绕碳化硅的布局进展..........................................32 图表50:SiC在EV上的四大应用领域...........................................................32 图表51:SiC功率器件在车载领域应用时间表..............................................32 图表52:全球碳化硅市场规模预测(十亿美元)............................................33 图表53:化合物半导体行业短期复合增速比较.............................................33 图表54:碳化硅的综合成本收益..................................................................34 图表55:SiCJBS成本构成..........................................................................34 图表56:国内碳化硅衬底价格及趋势...........................................................34 图表57:电动汽功率器件碳化硅方案与硅方案成本预测...............................34 图表58:2018年全球导电型碳化硅晶片市场占有率......................................35 图表59:SiC产业链示意图..........................................................................35 图表60:国内SiC各环节与国际领先水平比较.............................................35 图表61:Cree与国内一线衬底厂商产品比较................................................35 图表62:国际碳化硅晶片龙头企业提前锁定订单..........................................36 图表63:2019年全球分立功率器件和模组企业市占率..................................37 图表64:英飞凌CoolSiCMOSFET 650V系列.................................................37 行业深度研究 一,全球车市的展望 根据The Boston Consulting Group预估从2020到2030年,全球汽车/ 电动车销量加总年均复合增长率约为1%,并预计2030年,全球车市销量将增 加至1.09亿辆,但汽油,柴油车将被各种形态的电动新能源车来取代。

虽然在 未来10年,全球车市的销量复合增长率CAGR可能只有1-2个点,但随着消费 者从汽油车转换成新能源电动车及从人驾车转换成SAEL3-L5自动驾驶车需求 的不断扩大,我们预期全球车用半导体市场仍将大幅增长,未来15年的复合增 长率可能超过20%,远高于市场预期低于10%的增长。

图表1:2015-2030年全球车市销量预测(百万辆) 来源:The Boston Consulting Group (BCG),国金证券研究所 1.人驾到自驾,重点在成本及视觉/AI芯片技术:很多产业专家说未来的 自驾车就像装了四个轮子的智能手机,以自驾技术的难度及半导体配置而 言,我们不同意这说法,我们认为自驾车像是装了四个轮子的智能AI服 务器(如果透过远端控制软件来协作,自驾车队更像装了四个轮子的智能 集群系统),Gartner在2019年四季度预测在2023年,全球有近74.6万 自驾车,而目前使用激光雷达来作为视觉功能的SAEL4-L5的自驾车成本 要超过20万美元,昂贵的激光雷达感测元件就要5万美元以上,所以很 难普及到自用车,像是特斯拉不使用光达,但透过3颗前置摄像头(60, 150,250公尺视觉距离),1颗后置摄像头(50公尺视觉距离),4颗前后 侧边摄像头(80-100公尺视觉距离),12颗环绕车身的超音波感测器(感 测距离8公尺),及一颗前置雷达(160公尺视觉距离)推出的L3-L4全自 动驾驶解决方案,整体额外自驾功能成本应该不超过2万美元。

所以我们 认为另一个研究机构ABI预估至2025年,L3-L5自动驾驶车将达到八百万 销量,于2025年达到全球8%汽车销量市场份额的预测,可能还过于保守, 我们估计于2035年全球超过30%的汽车销量将具备L3-L5的自动驾驶功能, 未来15年的复合增长率达到30-35%。

图表2:汽车工程学会SAE 1-5 来源:SAE, Wevolver,国金证券研究所 行业深度研究 图表3:特斯拉自驾车的视觉技术 来源:Tesla,国金证券研究所 2.油车到新能源车,重点在电池及电力驱动技术: 虽然全球纯电动车占比在2020年连5个点都没有,但从挪威在五年内就要全面 禁售燃油车,其他主流国家陆续在2030,2040年执行禁售燃油车,我们因此预 估在2035年,全球可能有超过50%的新车上市,将都是纯电动车,而彭博社预 估到了2040年60%的新车将是纯电动车,我们预估未来15年的复合增长率达 到20-25%。

比较特别的是全球十大传统车厂因为燃油引擎技术的包袱,及缺乏 领先的电池及电力驱动技术,反而不如一些新兴电动车公司如特斯拉,蔚来, 小鹏,理想及未来的苹果,阿里巴巴,富士康,百度都想跨足,这足以解释为 何市场给新兴电动车数倍于传统车厂的市场估值。

2025年起禁售燃油车:挪威;根据挪威道路协会统计,福斯旗下品牌 奥迪(Audi)e-tron是挪威2020年的电动车市占冠军,总销量达 9,227台。

2019年的销售冠军特斯拉Model 3在2020年跌入第二名, 销量为7,770台,福斯的ID.3以7,754台名列第三。

据挪威道路协会 数据,挪威的电动车渗透率由2019年的42%增加至2020年的54%。

若将油电混合车也算在内,渗透率更高达83%。

2030年起禁售燃油车:英国首相宣布英国可能提前10年自2030年起 禁止;荷兰,丹麦、冰岛、爱尔兰,德国,印度,以色列 2040年起禁售燃油车:法国,西班牙,台湾 2050年起禁售燃油车:日本 欧洲车厂进度:德国BMW承诺于2025年前至少推出12款纯电动车 及25款全新电动车和油电混合车;德国Benz规划于2022年以前所 有车款都会提供纯电动车版本;法国宝狮Peugeot指出于2019~ 2021年拟发表7款油电混合车和5款电动车;福斯VW将在2025年 前销售3mn EV,纯电动车占比达25%,并在2025年前推50款EV,30 款油电混合车;Volvo 2019年生产车款全面配备电动引擎,仅贩售电 动车及混合电动车 美国车厂进度:美国GM于2023年前将推20款全电动车,于 2035年前于全球停产汽柴油引擎车,全面转型至电动车;Ford在 2020-2025年将推出13款电动及油电混合车款,并于今年二月宣布投 资10亿美元改造德国科隆组装厂为电动车厂房,让欧洲福特车销售于 行业深度研究 2030年前改为全电动。

亚洲车厂进度:日本Toyota (Panasonic) 车销量在2030为电动; Nissan预计于2022年推出12款纯电动车;Honda将2/3车款在 2030转为电动;韩国Hyundai/Kia将于2025年会有14 EV车款 (vs.2车款in 2018) 图表4:全球电动车及L3-L5自驾车销量的占比变化 来源:The Boston Consulting Group (BCG),国金证券研究所 二,自驾及电动车比例增加及每车半导体价值提升是两大驱动力 未来半导体产业多样化的动能无虞,亿物联网遍地开花的长期成长趋势不 变,但以份额而言,我们认为汽油引擎车转马达电动车,接着是由人驾转SAE 3-5级自驾车的占比提升,加上电动车及自驾车的技术演进(耗能降低,电池 密度提升,电源转换系统重量降低,摄像头,感测器,雷达,激光雷达数量提 升,及人工智能芯片运算能力提升但要求耗能持续降低),这些技术演进将逐步 拉升每台电动车及自驾车的半导体价值,这两大驱动力对全球车用半导体公司 及产业未来二十年将产生重大影响,因此我们不认同IHSMarkit对全球车用半 导体于2019-2026复合成长率约7%的预估,我们认为全球车用半导体市场于 2020-2035年复合成长率应有机会超过20%(主要系增加AIGPU, FPGA, ASIC, 激光雷达,以太网络,碳化硅的价值及数量),远超过全球半导体市场在同时 间的复合成长率的5-6%,约占全球半导体市场(包括记忆体部分)的份额在 2035年达到30% (从2020’s 5%),每车半导体价值从2020年的268美元,暴 增10倍到2035年的2,758美元。

而中国车用半导体市场因中国及国际大厂主 导全球马达电动车,车用电池,及SAELevel 3-5自驾市场及技术更新,我们 因此预估于2020-2035年中国车用半导体市场的复合成长率应超过全球的20%, 达到近25-30个点的复合增长率。

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% - 10 20 30 40 50 60 70 20 15 20 16 20 17 20 18 20 19 20 20 E 20 21 E 20 22 E 20 23 E 20 24 E 20 25 E 20 26 E 20 27 E 20 28 E 20 29 E 20 30 E 20 31 E 20 32 E 20 33 E 20 34 E 20 35 E 全球新能源电动车销量(mn)全球L3-5自驾车销量(mn) 全球新能源电动车占比(%)全球L3-5自动驾驶车占比(%) 行业深度研究 图表5:人驾油车vs.自驾电动车的每车半导体价值比较 2020人驾汽油车 2025 L5自驾电动车 摄像头 (Camera IC) 2-4单位8-10单位 传感器 (Sensor) 6单位10单位 激光雷达(Lidar)无,每单位50,000美金每单位1,000美金,4-5个单位 毫米波雷达(mmWave Radar) 210单位 无线通信(Wireless)蓝牙, WiFi,4GC-V2X,5G, Space X's Starlink 射频功率放大器IC 1 16氮化镓GaN/砷化镓GaAs/硅 Silicon 有线通信LIN, CAN, FlexRay, MOST LIN, CAN, FlexRAY, MOST, >20以 太网端芯片 人工智能芯片NXP/Mobileye MCU Nvidia Orin, MobilEYEQ5/6, Intel CPU,地平线征程5/6, Xilinx FPGA,黑芝麻A1000 人工智能系统高级驾驶辅助系统 Waymo One, Tesla FSD, GM Cruise,百度Apollo, AutoX 电力功率器件(Power) 二极管,低压MOS器件,18x Power MOSFET (US$71) 250x MOSFET (US$455), IGBT绝 缘栅双极型晶体管,碳化硅SiC,氮 化镓GaN 多层陶瓷电容器MLCC 2.5k 13k 电源管理(PMIC) 20-30单位100-150单位 每车半导体美元价值3004,000-5,000 来源:国金证券研究所 图表6:每车半导体价值及车用半导体占全球份额变化 来源:国金证券研究所 那为什么我们比专业研究机构较为乐观,而预估全球车用半导体市场于 2020-2035年复合成长率可能超过20%呢?(1% CAGR来自于全球车市成长,9- 11% CAGR来自于每车车用芯片数目增长,8-10% CAGR来自于芯片平均单价提 升)。

以中国大陆为例,根据中国汽车工业协会预估,汽车搭载芯片的数量在快 速增长,电动车搭载芯片的数量高于燃油汽车,2012年,中国生产的汽车安装 的平均芯片数目约为438颗,2017年增加至580颗,预测2022年将增加至934 颗(5年复合成长率达10%),而同时期外国品牌增加一倍到1,119颗(5年复 合成长率达7%),因为通常新能源电动车加了更多的电子控制单元用在区域网 264 285 268 299 332 408 469 560 669 795 984 1,121 1,333 1,651 1,882 2,238 2,485 2,758 0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% - 500 1,000 1,500 2,000 2,500 3,000 每车半导体价值(US$)車用半导体佔全球份額(%) 行业深度研究 络,驱动系统,摄像头传感系统及先进驾驶辅助系统,其国内,国外品牌电动 车平均芯片数目于2022年将高达1,450-1,500颗(5年复合成长率高达12%)。

图表7:用于传统燃油汽车的平均芯片数目 图表8:用于新能源电动车的平均芯片数目 来源:中国汽车工业协会,国金证券研究所 来源:中国汽车工业协会,国金证券研究所 三,全球车用半导体市场,未来与现在大不同 归因于电动车对功率半导体的需求大增,全球功率半导体龙头英飞凌 (Infineon Technologies)的全球车用半导体市场份额从2019年的16.7%,拉 高到2020年的18.5%,一举抢下恩智浦(NXP)蝉联多年的全球车用半导体龙 头宝座。

而目前十大汽车半导体厂商合计占全部市场的八成以上,市场集中度 偏高。

特别的是,目前全球前五大汽车半导体厂皆是由整合元件制造商(IDM) 掌控,合计持有超过70%份额,主要系车用半导体主要多是用6”,8”,及12” 特殊制程生产各种功率器件及微控制器,而且这些产品和半导体制程工艺都需 要经过全球车厂数年及非常严格的品质,可信度,耐高温严寒等测试。

图表9:2020年全球10大车用半导体厂商份额比较 来源:各公司公告,国金证券研究所 虽然全球车用半导体产业,目前由传统的整合元件制造商(IDM)掌控,但 我们预期未来有些前十大,甚至前五大车用半导体厂都可能易主,主要是因为 当SAEL3-L5自驾系统兴起,人工智能,摄像头感测器,激光雷达,毫米波雷 达,蜂窝车联网C-V2X的射频放大器,以太网络芯片公司的兴起,而这些芯片 很多是由无晶圆设计公司,或非传统车用的IDM半导体大厂在主导,尤其在人 工智能方面,有特斯拉自研的双人工智能ASIC芯片,英伟达的Orin AI计算平 台及Cuda软件,谷歌张量处理器(Tensor Processing Unit),英特尔/ Altera/Mobileye的CPU/FPGA/AI解决方案,地平线L3/L4自动驾驶(16nm征 程3.0芯片,及未来的4.0,5.0),苹果自研自驾车用AI芯片;在车用摄像头 感测芯片方面,有索尼,三星及韦尔的豪威;在激光雷达方面,有Lumentum, Infineon 19% NXPI 17% STM 15% Renesas 14% Murata 11% ADI 4% Maxim 3% Nvidia 2% CREE 2% Monolithic Power 0%其他 13% 行业深度研究 AMS, IIVI,英特尔,Waymo/谷歌;在蜂窝车联网C-V2X方面有Skyworks, Qorvo, Avago/博通,及其代工厂的稳懋,宏捷科,三安光电,还有磊晶外延片 IQE,全新光电, Kopin等供应商;在以太网络芯片方面有博通,美满及瑞昱的 以太网络芯片,除了英伟达之外,这些公司目前都排不上前十大车用半导体厂 商,但以后车用人工智能及激光雷达芯片的全球龙头,确实有机会进入全球前 十大车用半导体厂商。

四,自驾带动AI,激光雷达,摄像头,毫米波雷达,蜂窝车联网, 及以太网络芯片需求 1.出租车与自用车在自驾AI脑平台决策层的竞争 根据我们在自驾AI脑平台决策层的研究,就美国自驾出租车,公交车运营 商而言,Waymo One的技术还有大数据里程数明显领先GMCruise,但大多都 采用2-4颗英伟达的GPU及2-4颗英特尔的x86 CPU芯片架构,加上庞大的视 觉感测系统,我们估计其AI芯片加上视觉软硬件成本将轻易超过15万美元; 而就全球自用自驾车而言,Tesla的自研人工智能双ASIC芯片,低成本视觉架 构,超过10亿英里大数据里程数,在成本(不超过2万美元假如包括软件)效 率(SAEL3-L4 FSD)的比较上,都遥遥领先英伟达及Mobileye的解决方案, 我们认为英伟达的AIGPU虽然拿到最多的设计方案,也有极优秀的精确度,但 因整体建制成本过高,比较适合可以分摊折旧,长时间创造营收运营的自驾出 租车队,而不适合一般自用车,所以全球自驾自用车要普及,英伟达必须要将 其自驾车芯片平台成本大幅降低,否则我们将看到Tesla的自驾Full Self- Driving FSD自用车持续主导L3-L4自驾自用车市场。

图表10:美国出租车及自用车自驾平台芯片及视觉系统比较 Waymo One Tesla NVIDIAGMCruise Mobileye/Intel SAE级数L4-L5 L3-L4 FSDL2-L4 FSDL4-L5 L4-L5 主攻市场公交,出租车自用自用,公交,出租车公交,出租车自用,出租车 AI芯片 2-4x Nvidia GPU,谷歌 张量处理器, FPGA Dual ASIC (12 ARM A72 cores,4 NPU cores),260mm2, 144 Tera OPS AGXOrin 170亿晶体 管,200 Tera OPS, tsmc 7nm 2-4x Nvidia GPU, FPGA EyeQ5, tsmc 7nm,24 Tera OPS; EyeQ6 tsmc 7nm,67 Tera OPS CPU 2-4x Intel或ARM CPU 2-4x Intel x86 2-4x ARMHercules CPU 2-4x Intel或ARMCPU 2-4x Intel 10nm Tremont 视觉传感器 5x光达,4x雷达,1x 360度摄像头,8x摄像头 8x摄像头,12超音 波感测器,1x雷达 依照客户选择 5x Velodyne VLP 16光 达,16x摄像头,21x毫 米波雷达 激光雷达,自研(2025), 雷达,摄像头 AI+视觉软硬件成本 超过20万美元1-2万美元3-6万美元超过15万美元 1-2万-5000 (2025)美元 客户及合作伙伴 Honda by 2020, Nissan/Renault (2019) Model S,3, X, Y Volvo/吉利, Audi by 2020, Daimler AG by 2018,博世Bosch, Paccar for truck, Toyota 2017 May, autoliv/volvo (Zenuity), ZF/Baidu (2022), DHL, Deutsche Post AG, Uber, Hyundai/VWAurora, Continental (2021),小 鹏P7, NIO (2022) GM, Softbank (2018), Honda (2018), Microsoft (2021) BMW/Mini/Rolls- Royce by 2021, Fiat Chrysler, Delphi,小鹏 G3,蔚来,威马,理想 驾驶区域凤凰城1000万英里Global 10亿英里不明超过200万英里Global 3亿英里 量产时点201920192022-202320192023 来源:各公司公告,国金证券研究所 行业深度研究 就中国大陆自驾出租车,公交车运营商而言,百度Apollo Go的技术还有 大数据里程数明显领先Auto X,但两方案应该都是采用英伟达的GPU及英特尔 的x86 CPU芯片架构,加上庞大的视觉感测系统,我们估计其AI芯片加上视觉 软硬件成本将超过10万美元;而就国内自用自驾车而言,地平线征程5/67nm 的自研人工智能ASIC芯片,应该明显领先黑芝麻的A100016nm芯片解决方案, 但若比较Tesla自研芯片,英伟达的AIGPU,英特尔Mobileye Eye Q5/Q6, 除了价格及成本优势外,国内自研自驾车ASIC芯片,应该还需要2-3年的时间 才能追上国际大厂。

图表11:国内出租车及自用车自驾平台芯片及视觉系统比较 地平线Horizon Robotics Black Sesame黑芝麻百度/Apollo Go AutoX SAE级数L3-L4 L3-L4 L4-L5 L4-L5 主攻市场自用自用公交,出租车公交,出租车 AI芯片 征程5/6, tsmc 7nm, 96/400 Tera OPS 4x A1000 tsmc 16nm, 280 Tera OPS Nvidia GPU, Xilinx FPGA, Infineon MCU 2-4x Nvidia GPU, FPGA CPU 4x ARMCortex A538x ARMCPUIntel CPU 2-4x Intel或ARMCPU 视觉传感器 激光雷达,毫米波雷达, 摄像头 激光雷达,毫米波雷达, 摄像头 5摄像头,12超音波 感测器,毫米波雷达, 光达 5x激光雷达,毫米波雷达, 摄像头 AI+视觉软硬件成本1万美元上下1万美元上下超过10万美元超过10万美元 客户及合作伙伴 SK中国, SKHynix,长 安,上汽,一汽,理想, 奇瑞,长城,奥迪,大 陆集团,广汽 比亚迪,蔚来,芯动能, 上汽, SK中国,招商局 吉利,威马,一汽紅 旗,大众,丰田,福特 阿里巴巴,东风,上汽,比 亚迪, FCA,奇瑞,长城, 滴滴出行,高德,大众出行 驾驶区域不明不明 长沙,北京,超过 200万公里,300 L4, 45张执照 加州,上海(100),深圳 (25),武汉 量产时点2022-20232021-202220192020 来源:各公司公告,国金证券研究所 Waymo/谷歌的SAEL5出租车自驾方案:不同于Tesla的Full self- driving自驾车,驾驶还是要时时将手放在驾驶盘上,并介入突发状况, 而去年谷歌推出的Waymo One,就决定把安全驾驶员移除,但对于远程 操作员仍需才孔急,而Tesla已经透过其全球使用客户进行L3自驾功 能,并有上千位测试客户进行L4 Beta版本的测试,Waymo还是仅在凤 凰城进行测试,若要继续扩张,Waymo还需要搭建出新区域的高精度地 图,扩大服务区域到凤凰城以外的区域,尤其是车辆密集,行人,自行 车混合,及有工地,大雨,大雪的区域。

累计至2020年12月,谷歌的 Waymo已经累计了1000万英里自动驾驶里程数的大数据,透过建置更 庞大的无人驾驶出租车车队。

我们认为谷歌是利用其在机器学习及云端 软,硬件的技术领先优势,加上机器学习终端软件,固件(firmware), 安卓物联网作业系统及半导体芯片整体解决方案模块(由英伟达的图形 处理器,谷歌张量处理器TPU,英特尔x86中央处理器,及现场可编程门 阵列芯片FPGA/PLD组合而成),我们估计其整体SAEL5无人驾驶系统 及视觉配备软硬件成本应超过20万美金(尤其是安装5颗长,中,短 程激光雷达,4颗雷达,9个摄像头),来进行无人驾驶整车制造。

虽然 建造成本高昂,但Waymo自动驾驶系统在时速100里以下行进时的精确 度,安全防护,资料中心/云端训练学习应明显的领先同业,而像安卓 物联网作业系统Android OS主导智能手机般地抢下乘坐共享服务业, 出租车/公交车等公共运输服务业,及产品运送的物流服务业(Waymo Via)等大部分的自动驾驶市场。

行业深度研究 图表12:Waymo的视觉系统配备 来源:谷歌,Wevolver,国金证券研究所 Tesla是全球自用车里程数及低成本L3/L4自驾的赢家: 低成本视觉系统:不同于Waymo,英伟达,Mobileye/Intel,地平 线,百度,华为,滴滴,阿里巴巴,富士康及国内各大车厂的激光雷 达解决方案,特斯拉宣称人眼的视觉就像摄像头(可视距离达250公 尺),坚持不使用激光雷达(可视距离也是250公尺),所以Tesla透 过3颗前置摄像头(60,150,250公尺视觉距离),1颗后置摄像头 (50公尺视觉距离),4颗前后侧边摄像头(80-100公尺视觉距离), 12颗环绕车身的超音波感测器(感测距离8公尺),及一颗前置雷达 (160公尺视觉距离)推出的L4自动驾驶解决方案,整体额外自驾视 觉功能硬件成本应该不超过3000美元。

图表13:Tesla的视觉系统配备 来源:Tesla,Wevolver,国金证券研究所 低成本AI芯片:再加上Tesla Hardware 3.0于2019年所推出的自 研ASIC双芯片,双核架构,采用12核心ARMCortex-A72 CPU,两颗 双核36 Tera OPS的AINPU(Neural Processing Unit,4x36=144 TOPS),三星14nm制程工艺,60亿个晶体管,芯片面积260mm2,假 设14nm近6,000美元晶圆代工成本加上3,000美元封测成本,良率 90%,每片晶圆可以切割200颗芯片来测算,每片芯片制造成本约45 行业深度研究 美元,一组AI芯片成本不超过100美元,这是远低于英伟达上千甚至 上万美元的人工智能芯片的解决方案,而根据工商时报2020年8月报 导,Broadcom博通与Tesla于今年四季度将采用台积电7nm制程及 CoWoS(Chip On Wafer On Substrate)封装技术合作开发及量产新一 代车用AI芯片,每12“晶圆只能切割25颗芯片,这相当于每片芯片 面积将从260mm2大增到1850mm2,假设7nm以10,000美元晶圆代工 成本加上3,000美元封测成本,良率60%来测算(芯片面积增大对良 率有负面效果),每片芯片制造成本不到870美元,一组AI芯片成本 不超过1,800美元,还是低于英伟达数千,甚至数万美元的人工智能 芯片解决方案。

我们预估这样整体自驾解决方案软硬件成本不超过2 万美元。

图表14:Tesla Hardware 3.0每片晶圆AI芯片数 图表15:Tesla每片晶圆新AI芯片数 来源:Tesla, Silicon Edge,国金证券研究所 来源:Tesla, Silicon Edge,国金证券研究所 Tesla 100倍于Waymo的实际自驾里程数:虽然Waymo直攻SAEL5 自驾,但Tesla的10亿英里累计辅助驾驶里程将提供其最近开发出 的L4 FSDFull self driving beta版本软体更新最大的实体数据库, 加上数千名早期测试客户,不断帮Tesla新版FSD除错,加上其视觉 系统及AI芯片强大的成本优势,我们认为Tesla L4自驾系统将领先 各大自用车厂L4自驾系统实地应用达2-3年,而Waymo超过20万美 元,Cruise超过15万美元成本的自驾系统,短期内根本无法被售价 5-10万美元的自用车来采用。

Nvidia英伟达自驾方案有最多的设计方案,但进度明显落后:虽然英 伟达的自驾方案在成本,量产时点,及实际自驾里程数仍无法跟特斯拉 相比,但因为其通用型图形处理器芯片及Cuda AI软件优势,英伟达目 前争取到最多车厂的自用,公交,及出租车设计方案,如英伟达在2019 年3月宣布Toyota用其L2/L3的AGXXavier芯片(30每秒兆次运算, TOPS)及Drive PX自驾平台。

在2019年6月宣布Volvo Group采用其 AGXPegasus芯片(320每秒兆次运算, TOPS)在卡车产品线发展自驾, 在2021年一月宣布NIO蔚来电动车将采用L3/L4的Orin SoC安装在 ET7 sedan自用车,预计2022-2023年量产;宾士自2024年开始,也将 使用英伟达Orin SoC为旗下新车款的标准配备,加上谷歌的Waymo One, GMCruise, Uber等出租车自驾平台应该都有采用两颗英伟达的 人工智能GPU芯片,但奇怪的是目前这些在2018到2019宣布的合作案, 到目前进度都不是很明朗,无论在解决方案成本,量产时点,实际自驾 里程数的积累成果都明显落后于特斯拉的解决方案,我们以为Tesla就 像智能手机界的苹果,提供其客户自我研发的芯片硬件及FSD (Full Self -Driving)软件整合的自驾平台,而英伟达及CUDA加GPU/CPU 芯片就像Google谷歌的Android,但多加了硬件芯片的整合,所以软 硬件整合的难度变高,研发时间拉长,也让客户受到更多的芯片选项限 制,这就好像在过去的电脑平台上,英特尔一方面要提供独家的芯片方 案,制程工艺及设计要不断的演进,还要同步配合其自行开发的作业系 统,应用软件,这样就没有所谓微软,客户彼此间技术差异就不大了。

行业深度研究 Mobileye/Intel有机会打破英伟达在L4/L5自驾AI芯片及软件的垄断: 在辅助驾驶系统ADASL2 (70%份额)有压倒性优势的Mobileye/Intel在 转化为L3-L5自驾系统后,目前有与BMW/Mini/Rolls-Royce, Fiat Chrysler, Delphi从2017年开始合作外,目前产品推出进度仍然明显 落后于特斯拉及英伟达的自用车自驾系统,之前宣布要在2020年推出 EyeQ5及自驾出租车,目前看起来也不太可能有竞争力,但2023要上市 的EyeQ6芯片配合与英特尔硅光子团队合作研发的调频连续波 (Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)技术的激光雷达, 预计将能把自驾系统成本从1-2万美元,在2025年降低到5000美元左 右,加上Intel预计于2021年底推出其服务器用7nm人工智能GPU Ponte Vecchio,我们不排除英特尔将利用其在多样化专利权的优势, 来整合出更有竞争力的AI芯片产品,再透过其辅助驾驶系统的龙头地 位来加速升级其L2客户到L3-L5。

图表16:Intel Xe架构AIGPUPonte Vecchio (2021) 来源:Intel,国金证券研究所 行业深度研究 图表17:Mobileye/Intel的自驾芯片蓝图 来源:Mobileye An Intel Company,国金证券研究所 Cruise是Waymo最大的竞争者:当微软Azure于今年一月宣布将与GM Cruise合作,帮助其建立云端自驾商业化系统,并宣布与GM, Honda, 及其他机构共同投资Cruise 20亿美元,一口气把GMCruise的市值 提高到300亿美元。

加上从去年底开始加速在旧金山市区合法测试无人 的L5自动驾驶,及GM在全电动车硬件的制造及支援能力,我们预期 Cruise将成为Waymo在美国及全球最大自驾车竞争者。

因为主要专注 于出租车及公交车自驾市场,GMCruise跟Waymo One类似,采用2-4 颗英伟达的AIGPU及2-4颗英特尔或ARM的CPU芯片,并安装高达五 个,价格昂贵的激光雷达,16个摄像头,21个毫米波雷达,我们估计 其芯片,硬件及软件建制成本应该跟Waymo One类似,超过15万美元, 明显不适用于自用车。

百度的整车制造及Apollo Go的软硬通吃:在紧盯学习着谷歌的搜寻 引擎及谷歌Waymo自驾出租车的事业拓展,百度终于摆脱谷歌的阴影, 率先决定跨入自驾车整车软件,硬件制造,于今年初与吉利控股宣布成 立智能汽车公司,在百度Apollo Go尚未进入自驾ASIC芯片设计,制 造之前,我们认为公司的决策层芯片架构将采取开放平台,其中当然 以2-4颗Xilinx赛灵思的FPGA,英特尔的CPU及英伟达的GPU为主要 自驾芯片,来接收来自摄像头,超音波感测,激光雷达,毫米波雷达感 知层的各种数据,及执行计算单元决策层的各种判断。

百度Apollo Go 有超过200万公里的自驾实路测试,300辆以上L4自驾车,及45张执 照,我们相信百度将成为国内自驾出租车市场的三大运营商之一。

行业深度研究 图表18:百度Apollo自驾的开放平台芯片架构 来源:百度,知呼@李科男,国金证券研究所 阿里巴巴的AutoX迎头赶上:虽然在自驾车队数量明显低于百度,但 2016年才成立的AutoX于2018年与武汉的东风汽车达成战略合作, 2020年7月获得加州首发的第二张自驾牌照,2021年二月首次开放深 圳民众试乘L5自驾出租车。

类似于Waymo One, GMCruise,Auto X人 工智能芯片架构主要应该是用英伟达GPU及英特尔x86 CPU,来控制5 个激光雷达,数个毫米波雷达及摄像头,其AI及视觉软硬件成本应该 超过10万美元以上,不同于百度主要系与各大国内车厂合作,AutoX 除了与东风,上汽,比亚迪等车厂合作外,也与出租车运营商入滴滴出 行,大众出行合作,并透过阿里巴巴与高德地图合作,我们预期AutoX 将成为国内自驾出租车市场的三大运营商之一。

图表19:Auto X的感知视觉系统 来源:Auto X,国金证券研究所 国内辅助驾驶芯片龙头地平线:去年9月,地平线(Horizon Robotics)发布新一代车载AI芯片征程3 (Journey 3),其中采用 台积电16nm制程工艺,整合4颗ARMCortex A53 CPU,一颗AMR Cortex R5 MCU,两颗BPU (Brain Processing Unit),但10 Tera OPS (每秒10兆次运算, TOPS)明显低于特斯拉及英伟达已经上市的解决方 案,所以可能要等到2022-2023年推出用台积电7nm制程工艺的征程 5/6(96 Tera OPS/400 Tera OPS)才可能有能力支援L3-L4自驾。

地 平线征程2在长安UNI-T和奇瑞蚂蚁两款车型上分别实现了高级辅助驾 驶域(ADAS)国产AI芯片量产上车的零突破,并且在6个月内完成10 行业深度研究 万片出货。

目前,地平线已同长安、上汽、广汽、一汽、理想汽车、奇 瑞汽车、长城汽车,以及奥迪、大陆集团、佛吉亚等国内外知名车厂深 度合作,俨然已经成为国内自驾芯片的先驱者。

图表20:地平线征程3芯片规格 来源:Horizon Robotics,国金证券研究所 黑芝麻芯片纸上规格超人一等:于2017年,蔚来、芯动能向黑芝麻投 资了近亿元。

2019年4月,黑芝麻又获得了上汽、SK中国、招商局等 机构的B轮投资。

于2020年6月,黑芝麻智能科技发布其华山二号 A1000/A1000 Lite芯片,华山二号A1000芯片具备40-70TOPS的算力, 甚至数倍于同样采用台积电16nm制程工艺的地平线征程3芯片,单颗 A1000组成的控制器,可以支持L2+级自动驾驶,2颗、4颗并联,则分 别可以实现140 TOPS和280 TOPS的算力,用来支持L3,甚至是较简单 的L4级自动驾驶系统。

在SoC芯片内部集成了一个名为DynamAINN引 擎的NPU(神经处理单元)来进行AI加速。

这个NPU内部可搭载4个 3D卷积MAC阵列、1个2DGEMM阵列,以及1个EDP运算单元和5个 DSP,支持4/8/16位多种运算精度,工作频率为1.2GHz。

除了AI核心 之外,这颗SoC内还集成了自研的高性能ISP,最多接入12路高清摄像 头的画面,最高甚至可以达到4K分辨率。

再加上高达30Gbps的高带宽, 让其可以每秒处理12亿像素。

此外,A1000还支持HDR处理,通过长短 曝光的图像进行拟合,来让汽车在黑暗、逆光等不利环境下也能看的清 楚。

黑芝麻智能科技表示,华山二号A1000硬件开发平台测试阶段已完 成,并于2020年,将软件SDK,L3 DCU参考设计提供给客户,并预计 于2021年底,搭载黑芝麻华山二号芯片的车型将正式量产。

但除了这 些漂亮的纸上规格外,公司并没有公布目前哪些车厂,哪些车型会采用 华山二号芯片以及其出货量的预测。

行业深度研究 图表21:华山二号芯片算力平台 来源:OF week维科网,黑芝麻,国金证券研究所 华为海思,Aurora, ZooX, Motional, Yandex SDG的其他参与者: 华为海思在美国商务部进行美国技术及限制台积电使用半导体设备为 海思生产芯片的全封锁前,其自研12nm的AI芯片昇腾310,7nm昇 腾910 ASIC,鲲鹏CPU系列,及各种感知层影像处理芯片,华为海 思的芯片解决方案是唯一能跟英伟达GPU,特斯拉ASIC, MobileyeEyeQ6对标的ASIC芯片方案,虽然华为还是会持续发展自驾 车作业系统,软件,硬件整合,感知层,决策层配套芯片整合,及利 用非美控制的成熟制程进行芯片制造,但缺乏台积电的先进制程工艺 的7/5/3nm ASIC芯片,也就是缺乏执行效率,耗能,及成本优势,这 多少会影响其在自驾系统的长期竞争力。

Uber在2020年底,将其自驾部门以40亿美元卖给Aurora Innovation,在经过股权整合后,Aurora现在的背后股东有红杉资本 (Sequoia Capital),亚马逊,丰田汽车,软银愿景基金,Denso, 及Uber,并预计在2021年底前推出以丰田Sienna改装的自驾车。

除了投资Aurora外,亚马逊于2020年6月花了12亿美元买下的新创 公司ZooX,ZooX设计一辆全新设计配备6颗激光雷达,多组雷达及 摄像头,133KWh电池容量的无方向盘电动自驾车。

于2020年,韩国Hyundai Motor跟Aptiv宣布于美国Boston成立 自驾公司Motional,并预期于2022年推出其自驾出租车队。

Yandex SDG (Self Driving Group)是俄国版的搜寻引擎,靠着130 辆自驾车,并已经在多个俄国城市及以色列提供自驾出租车的服务, 累计400多万英里的里程数,与Waymo, Cruise,百度, Auto X类似, 其自驾出租车也是光达及摄像头的组合, 2.摄像头,激光雷达,毫米波雷达,C-V2X蜂窝车联网在感知层的竞争 虽然Tesla CEO马斯克坚持使用类似双眼视力的摄像头,就想达到L3-L4 自动驾驶,但目前看起来除了Tesla外,大部分的L4-L5的出租车,自用车的 自驾系统,都会加1-5个从1,000到7.5万美元成本的激光雷达来加强摄像头 的视觉障碍,当然还要配合8个以上的毫米波雷达来应付下雪,暴雨,深夜环 境等特殊气候,数十个摄像头,还有C-V2X (Vehicle to Everything)才能在 感知层避免视觉盲点。

行业深度研究 图表22:各种感测器的可视距离,成本,数据量比较 来源:Wevolver,国金证券研究所 安森美及韦尔的豪威主导全球车载摄像头芯片市场:不同于平均一台 4G/5G手机配备2-4个摄像头,主摄像头甚至可以达到6400万或1.08 亿个pixels像素,我们预期车均摄像头数目有望从目前1.0-1.5个持 续增加到2035年的5个以上(L3-L5自驾必备数颗前视,后视,环视, 侧视,内视摄像头芯片),估计全球车载摄像头芯片市场将从2020年的 1.3亿颗,增长到2026年的近3亿颗(vs. IHS预测的3.25亿颗), 然后增长近4倍到2035年超过5.7亿颗,15年复合增长率达10%,但 这与轻易超过30亿颗的智能手机摄像头芯片数量还是有相当的差距, 全球车载摄像头芯片出货量占比在2035年,应该还是无法超过10个点 比重。

虽然车载摄像头芯片销量在未来15年复合增长率会明显优于智 能手机摄像头芯片销量复合增长率,但在总数量上除了无法跟智能手机 摄像头芯片相比,而且目前前视主镜头芯片勉强支持到1000万个像素, 跟手机摄像头芯片在技术,价格,获利率上还是有很大的距离。

但就竞 争者而言,不同于智能手机摄像头芯片市场是由索尼及三星主导,美国 On Semi安森美是车载摄像头芯片龙头,约有30-40%全球份额,2013 年,安森美收购Cypress CMOS部门,2014年收购高性能图像传感器供 应商Truesense Imaging和AptinaImaging两家公司,并不断强化其图 像传感器的设计技术优势,目前是少数几家摄像头芯片公司能够提供全 方位(SAEL1-L5)自驾系统所需要各种不同的摄像头芯片;韦尔豪威 OmniVision紧追在后,约有20-25%份额,加上索尼Sony,松下 Panasonic,合计超过70%的全球份额,市场高度集中。

图表23:全球车载摄像头芯片销量预测(单位:百万颗) 来源:国金证券研究所 109 120 132 158 189 218 244 272 299 329 358 389 420 451 483 515 548 570 - 100 200 300 400 500 600 行业深度研究 图表24:车用摄像头芯片供应商份额 来源:Yole Developpement,国金证券研究所 激光雷达半导体市场的赢家是Lumentum及赛灵思:刚才提到过虽然 Tesla CEO马斯克坚持不使用激光雷达,就要达到L3-L4自动驾驶,但 目前看起来除了Tesla外,大部分的出租车,自用车的L4-L5自驾系统, 都会加1-5个从1,000到7.5万美元成本的激光雷达,根据行业研究 机构Forst & Sullivan的预测,未来受到L3-L5 Robotaxi/Robotruck 自驾车队扩张,车路协同的智慧城市,专业服务机器人等领域需求的拉 动,全球激光雷达市场于2019-2025年的复合增长率达64.5%,从 2020年的10-12亿美元,增长超过10倍以上到2025年的135.4亿美元。

但根据另一研究机构TrendForce较保守的预期,未来受到L3-L5 Robotaxi/Robotruck自驾车队扩张,车路协同的智慧城市,运输,工 业等领域需求的拉动,全球激光雷达市场于2020-2025年的复合增长 率达34%,从2020年的6.82亿美元,增长超过4倍以上到2025年的 29.32亿美元。

而国金通信罗露首席预测2030年全球激光雷达前装量产 市场出货量将超过1.2亿个,2021-2030年复合出货量增长率达120%, 2030年全球激光雷达前装量产市场规模将达233亿美元,2021-2030年 复合增长率近90%。

图表25:全球激光雷达市场规模(亿美元) 来源:Frost & Sullivan,国金证券研究所 行业深度研究 图表26:全球激光雷达前装量产出货量预测 图表27:全球激光雷达前装市场规模预测(亿美元) 来源:国金证券研究所 来源:国金证券研究所 看好VCSEL的低价优势将取代部分EEL激光器市场:就激光雷达发射器 的半导体产业链而言,有边缘发射半导体(Silicon, InGaAs)激光器 (EEL,Edge Emitting Laser),固体激光器,及垂直腔面半导体发射 激光器的厂商(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。

905nm波长EEL型发射激光器:905nm波长发射激光器有量产成熟 度高的优点,常见于机械旋转式和MEMS固态激光雷达,但会严重 伤害人眼,所以对发射功率及距离有所限制,Osram德国欧司朗 及日本滨松光子是全球905nm PLD,Pulsed laser diode (脉冲 激光二极管)的主要供应商,Velodyne,速腾聚创, Innoviz主要 系采用EEL 905nm技术; 1550nm波长EEL型光纤激光器:而1550nm波长远离可见光谱, 可以提高功率及测距达300公尺,配合调频连续波(FMCW, Frequency modulated continuous waveform radar)技术可测量 物体速度,但需要使用较贵的铟镓砷InGaAs作为基底材料来做成 数千美元的光纤激光器,未来大量被自用车采用不易,这些都是 EEL型发射激光器未来要大量普及的机构性问题,目前法国 Lumibird,昂纳是光纤激光器供应商,Luminar(自行开发激光器, 300线,250公尺),华为(96线,150公尺),镭神智能(自行开 发激光器),禾赛科技主要采用EEL 1550nm技术; 固体激光器是闪光式车载激光雷达Flash Lidar的主要光源方案, 其优点是适合中远视距的低延迟,高分辨率,而主要挑战是需要将 光源进行均匀化形成大角度视场,及耐高温,震动。

国内主要供应 商有西安炬光。

新型低成本激光器VCSEL: VCSEL是以阵列形式出现(50-10000 个独立发射器),依照不同功率、不同激光排布,从50W的单区芯 片,扩展到400W的分区芯片,满足各式自驾3D感测所需,由于激 光结构趋复杂,光功能跟转换效率也愈来愈高,多结多区的设计经 验将是产品亮点。

目前VCSEL的光功率密度不如EEL,但多结创新 技术已大幅提升光功率密度5-10倍,拉长探测距离,加上高信噪 比,封装测试较易,生产成本低,预期可替换EEL 905/1550nm波 长发射激光器的部分市场,成为激光雷达系统设计重要的光源,目 前Ibeo, Ouster (32/64/128线,50/120/240公尺),禾赛科技均 已布局,而Lumentum, AMS是主要VCSEL激光器光源供应商,稳懋 是其主要VCSEL芯片代工厂,国内的长光华芯及三安也在积极布局。

根据GaAs外延片磊晶大厂全新光电陈建良董事长在工商时报 3/2/2021的说法,就VCSEL而言,以一片6寸晶圆来说,约可切 出1万颗芯片,最多可供1万支智能手机作为脸部辨识用,但因车 用激光雷达所需功率较大,可侦测距离更远,芯片使用面积较大, 仅能切出数百颗,而一部车需要2~4颗甚至更多颗VCSEL激光雷 0% 10% 20% 30% 40% 50% 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 全球出货量全球渗透率 0% 50% 100% 150% 200% 250% 0 50 100 150 200 250 全球市场规模增长率 行业深度研究 达,也就是说,一片6寸晶圆仅可供约百部车。

依此测算,5亿台 有人脸辨识的智能手机,每年需要5万片6“化合物晶圆代工的有 效产能,假设2035年全球有超过20%的车子是L4-L5自驾,其中 50%的L4-L5自驾车是使用4颗VCSEL激光雷达,依此测算,4400 万颗(1100万台L4-L5自驾车是使用4颗VCSEL激光雷达)的 VCSEL激光雷达,每年却需要消耗14.7万片6“化合物晶圆代工 的有效产能。

看好Xilinx的FPGA拿下激光雷达主控芯片市场大量份额:激光雷达在 扫描到大量讯息后,其中包含距离,方位,高度,速度,形状的各种大 数据,会先传送信息给低延迟(FPGA’s 3ms vs. CPU/GPU’s 50ms延 迟)的FPGA或ASIC主控芯片来做低延迟的边缘深度学习推理,如自动 过滤杂讯,及时决策,反应突发状况等。

虽然车厂像特斯拉开发自己的 ASIC芯片来取代FPGA, GPU, CPU,但若是自有需求量不足,开发自用 芯片的成本,风险,周期会远高于FPGA,这解释了为何赛灵思目前的 FPGA产品在激光雷达主控芯片市场的占有率超过80%。

图表28:FPGA vs. GPU&CPU 来源:Xilinx,国金证券研究所 毫米波雷达半导体市场没有赢家:不同于摄像头及激光雷达在特殊天候 下运作有所限制,不同于超声波雷达在测距上有10公尺的限制,毫米 波雷达使用频率主要集中在24Ghz,77 Ghz 2个频段,波长均为毫米级, 缺点是较为昂贵外,优点是强化自驾在黑夜,强光,雨天,雪天,阴霾, 浓雾及烟雾弥漫的天候,并且有穿透玻璃,有机玻璃,不透明塑胶板, 石膏板,胶合板等优点。

高频段的毫米波雷达具备更高的性能,更宽的 带宽,更好的分辨率,更长的测距(200-250m),所以77Ghz频段可能 会成为主流。

根据ABIResearch的研究,全球毫米波雷达市场将从 2020年的近一亿台,增长到2022年点1.8亿台,当然ADAS/自驾车用 毫米波雷达是使用大宗。

而DigiTimes电子时报研究部估计到2022年, 短中距毫米波雷达市场将达84亿美元,长距市场将达75.6亿美元,合 计160亿美元,而每部自驾车的毫米波雷达总数,将从L2的5颗,增 加到SAEL3-5的8颗或以上。

但因为竞争者众多,进入障碍低,我们 评估结构性受惠厂商不多。

毫米波芯片主要是有微处理器MCU(主要供应商有Renesas, NXP, STMicroelectronics); 数字信号处理DSP (德仪, ADI),最早从GaAs砷化镓,到SiGe锗硅, 到现在的CMOS; 行业深度研究 单片微波集成电路MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit,海外公司有NXP,德仪,安森美,意法,瑞萨,英飞凌; 国内MMIC芯片公司主要有加特兰微电子(ALPS 77Ghz SoC),杭州岸 达(ADT200177Ghz CMOS),厦门意行半导体(SG24TR1424Ghz),清 能华波,南京米勒,矽杰微等芯片公司; 加上ASIC,电源管理PMIC,PHY芯片(NXP,德仪,Marvell)等组合 而成; 全球主要毫米波雷达制造商包括德国博世(Bosch,77Ghz)、德国大 陆集团(Continental,77Ghz)、天合汽车集团(TRW,77Ghz)、法雷 奥(Valeo)、德国海拉(Hella,24/77Ghz)、美国德尔福(Delphi, 77Ghz)、日本电装( Denso,77Ghz)、瑞典奥托立夫( Autoliv, 24/77Ghz)、富士通(Fujitsu,77Ghz)、日立(Hitachi,77Ghz)等 公司;国内则是有北京行易道,南京隼眼,杭州智波科技,森思泰克, 卓泰达,深圳承泰科技,苏州豪米波,苏州安智、深圳安智杰、湖南 纳雷、依莱达、德赛西威、木牛、雷博泰克、深圳卓颖等毫米波雷达 产品公司。

图表29:24Ghz,77Ghz毫米波雷达市场预估 来源:ABIResearch,国金证券研究所 C-V2X蜂窝车联网的赢家是砷化镓产业链但贡献不大:目前车联网技 术V2X(Vehicle to Everything)有两个标准,分別为IEEE主导基于 802.11p的专用短距离通讯(DSRC)及3GPP主导的C-V2X(蜂窝式车联 网),前者为WiFi技术的延伸,已在2012年完成技术标准化,后者可 使用與智能手机相同的4GLTE及5G的芯片,目前标准仍在持续演进中 (华为、大唐参与标准制定)。

目前欧盟同时发展DSRC、C-V2X,美国先 发展DSRC,2020年底开始转向C-V2X,中国则锁定发展具有规格主导优 势的C-V2X。

车联网先行的国家多采DSRC技术为基础,但C-V2X在低延 迟、数据传输量及距离都有更好表现,更符合自驾、感测讯息共享或车 辆编队行驶等技术性需求,应会成为市场主流。

中国5G的普及将为C- V2X技术落地提供网络基础。

在5G全面布建完成前的过渡期,车对车 (V2V)、车对基础设施(V2I, Vehicle to Infrastructure)、车对行人 (V2P, Vehicle to Pedestrian)等V2X通讯,只是先在现有4GLTE标 准上测试及核准,4GLTE-V2X领先5G-V2X实现,市场预期中国将领先 美国一年,在二○二一年推出基于C-V2X的服务。

目前为止,4GLTE C-V2X已经被大众,雷诺,丰田,福特等各大车厂采用,C-V2X用于支 持主动安全系统,使用5.9 GHz ITS频段中的低延迟直接传输技术来 侦测和交换信息,从而提高态势感知,同时无需订阅移动蜂窝网络服务 或任何网络辅助技术。

第三代合作伙伴计划(3GPP)第14版规范对 C-V2X做出了定义,其中包括基于PC5的直接通信,且制定了通往5G 新无线电(5GNR)的明确发展路径。

除了需要通过手机的基频芯片外, 还需要GaAs HBTPA用砷化镓异质双极性接面晶体管(Heterojunction Bipolar Transistor)做功率放大器,绝缘层上的硅晶体管SOI 行业深度研究 (Silicon on Insulator),硅可用来做低噪功率放大器(LNA, Low noise amplifier)及switching。

虽然市场增长潜力不错,但比全球智 能手机动辄需要45亿颗射频功率放大器模组,2035年自驾车市场对于 射频功率放大器市场的贡献,应该不会超过15%,关于射频的需求,全 球主要的磊晶供应商有英国的IQE,全新光电, Kopin,而晶圆代工有 稳懋,宏捷科,三安光电,当然功率放大器的芯片设计及制造主要有 Avago/博通,Skyworks, Qorvo,国内的Vanchip唯捷创芯,RichWave 立积电子是纯设计公司。

图表30:DSRC vs. C-V2X 来源:理财周刊,国金证券研究所 图表31:砷化镓射频市场预测 来源:Yole Developpement,国金证券研究所 3.车载以太网络及其芯片在执行控制层的崛起,博通与美满电子是赢家 在讨论完摄像头,激光雷达,毫米波雷达,C-V2X蜂窝车联网在感知层的 竞争,以及出租车与自用车在自驾AI脑平台决策层的竞争后,如何执行相关的 决策,并通过网络(像人类的神经网络一样)来控制驱动系统,及各种功能的 电子控制单元(ECU, Electronics Control Unit)。

所以将决策快速传输到相 关的电子控制单元来执行命令,就要靠车用有线及无线网络的连接。

当全球汽 车产业发现目前汽车里用的通讯技术协定如LIN,CAN, FlexRay,MOST都无法 应付自动泊车系统、车道偏离检测系统、盲点检测系统,先进娱乐系统, L3-L5 行业深度研究 自动驾驶系统的数据传送,和与日俱增的频宽需求。

加上,车内线束所用的电 线不断增加,导致电线费用及重量都不断增加。

为了让增加数倍的电子控制单 元(Electronic Control Unit)和芯片能彼此间快速地沟通,数倍以上传输速 度的车用以太网路节点和网络转换器需求便随之而来。

旧型车用网络能传递的 频宽并不大,但车子里要连结的东西愈来愈多,要求更加即时,像1辆L4-L5 的自驾自用车,不但要透过多个不同方位的激光雷达,摄像头,毫米波雷达看 清路面上的车道线、红绿灯,辨识路旁号志牌上的行车速限,自动显示在仪表 板上,避开人及宠物,还能在汽车偏离车道线时,修正车身的方向。

这些都必 须靠高速神经网路串连激光雷达,摄像头、毫米波雷达,中控自驾,驱动,安 全控制系统,所以未来的车会愈来愈像一个智能集群服务器系统,透过高速以 太神经网络智能处理各种影像资讯的变化,如果传输过程有数10毫秒延迟,甚 至会影响乘车者及行人的安全。

MarketsandMarkets之前预测全球车用乙太网路市场将从2020年的18亿 美元,以20.9%的复合增长率增加到2026年的56亿美元。

就以L4-L5人工智 能自驾系统来看,我们估计每台至少需要10个以上以太网络交换器芯片 (Ethernet Switch),10个以上以太网络实体层收发器PHY-Transceiver,因 为PHY-Transceiver是模拟电路,所占以太网络芯片面积大,有良率差及成本 较高的问题,再与数字链路层的媒体访问控制MAC (Media Access Control Address)芯片整合,整合后成为混合电路(Mixed mode)设计,其制程工艺难 度大幅提升,生产良率大幅下降,进入门槛大幅提高。

目前车载以太网络PHY- Transceiver的主要供应商有博通(Broadcom),美满电子(Marvell) /Aquantia,恩智浦(NXP),德仪(TI),Microchip,瑞昱(Realtek),而博 通加美满电子全球份额就超过50%。

2016年,美满电子已经率先开发出 1000BASE-T1的以太网络实体层收发器芯片。

图表32:车载以太网络市场 来源:MarketsandMarkets,国金证券研究所 行业深度研究 图表33:车载以太网络配置 来源:Marvell,国金证券研究所 图表34:车载以太网络架构 来源:厚势网络科技,国金证券研究所 LIN总线(Local Interconnect Network):是一种新型低成本的开放式串 行通讯协议,主要用于车内分布式电控系统,尤其是面向智能传感器或执 行器的数字化通讯场合。

主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控 制。

典型的LIN网络的节点数可以达到12个。

以门窗控制为例,在车门上 有门锁、车窗玻璃开关、车窗升降电机、操作按钮等,只需要1个LIN网 络就可以把它们连为一体。

而通过CAN网关,LIN网络还可以和汽车其他 系统进行信息交换,实现更丰富的功能。

CAN总线(Controller Area Network):称作汽车总线,全称为“控制器 局域网”,是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。

它将 各个单一的控制单元以某种形式(多为星形)连接起来,形成一个完整的系 统。

CAN总线最早是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块之 间的数据交换而开发的一种串行通讯协议。

世界上很多著名的汽车制造厂 商,如大众、奔驰、宝马、保时捷、劳斯莱斯等公司都已经采用CAN总线 来实现汽车内部控制系统的数据通信。

Flexray总线:是由宝马、飞利浦、飞思卡尔和博世等公司共同制定的一 种新型通信标准,专为车内联网而设计,采用基于时间触发机制,具有高 带宽、容错性能好等特点,在实时性、可靠性和灵活性方面具有一定的优 势。

Flexray是一种用于汽车的高速的、可确定性的,具备故障容错能力 的总线技术,它将事件触发和时间触发两种方式相结合,具有高效的网络 利用率和系统灵活性特点,可以作为新一代汽车内部网络的主干网络。

行业深度研究 Flexray可以应用在无源总线和星形网络拓扑结构中,也可以应用在两者 的组合拓扑结构中。

这两种拓扑均支持双通道ECU,这种ECU集成多个系 统级功能,以节约生产成本并降低复杂性。

双通道架构提供冗余功能,并 使可用带宽翻了一番。

每个通道的最大数据量传输率达到10Mbps。

MOST总线(Media Oriented Systems Transport):是一种专门针对车内 使用而开发的、服务于多媒体应用的数据总线技术。

自从宝马7系列汽车 首次采用MOST技术以来,近几年该技术的普及速度突飞猛进,实现实时传 输声音、视频,以满足高端汽车娱乐装置的需求;可以用在车载摄像头等行 车系统。

图表35:车用网络类别比较 LINCANFlexRay MOSTEthernet 通讯带宽10-125kbps 125kbps- 1Mbps 1-10Mbps 25-150Mbps 100Mbps-10Gbps 应用范围 大灯,灯光,门锁, 电动座椅,电动窗 空调,电子指 示,故障检测 ABS,悬吊控 制,线控转向, 安全气囊 导航系统,多媒 体娱乐 自动泊车系统、车 道偏离检测系统、 盲点检测,娱乐系 统, L3-L5自驾 传输架构2-10节点10-30节点64节点64节点64节点 支持车厂 BMW, Freescale/NXP, Audi, VW, Volvo, Benz Bosch, VW, Benz, BMW, Porsche, RR BMW,Philips, Freescale, Bosch, GM, VW BMW, Fiat Chrysler, Audi, GM, Hyundai, Jaguar, Benz, Toyota, VW BMW, Hyndai, Benz, Toyota, Renesas, Broadcom, Marvell, Realtek, NXP 来源:RF wireless world,国金证券研究所 五,电动车驱动碳化硅及氮化镓第三代半导体需求 1.电动车需求旺,从MOSFET到IGBT 从MOSFET到适用于高压领域的IGBT:IGBT是一个工作原理复杂的集成功 率半导体器件。

IGBT是由BJT和MOSFET组成的复合功率半导体器件, 既有MOSFET的开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、 开关损耗小的优点,又有BJT导通电压低、通态电流大、损耗小的优点, 在高压、大电流、高速等方面是其他功率器件不能比拟的,因而是电力电 子领域较为理想的开关器件。

IGBT稳定性比MOSFET稍差,强于BJT,但 IGBT耐压比MOSFET容易做高,不易被二次击穿而失效,易于高压应用领 域。

结构上, IGBT几乎集成了半导体器件的所有基本结构,如二极管、 BJT、结型场效应晶体管JFET,MOSFET,SCR。

IGBT的结构参数发生变化, 将引起其性能发生相应的变化。

工艺技术上,IGBT利用MOS集成电路工艺 进行大面积的功率集成,设计上表现为单元胞尺寸的缩小,并联集成的元 胞数量越多,通态压降(导通损耗)逐渐减小。

IGBT的技术发明已经有30 多年,主要经历6代技术及工艺改进。

从结构上讲,IGBT可以分为纵向结 构、IGBT栅极结构、硅片加工工艺,主要发展趋势是降低损耗。

行业深度研究 图表36:IGBT芯片代次发展情况 来源:电力电子网、国金证券研究所 图表37:MOSFET、IGBT和BJT性能对比 图表38:IGBT适用于高功率领域 特性BJTMOSFETIGBT 驱动方法电流电压电压 驱动电路复杂简单简单 输入阻抗低高高 驱动功率高低低 开关速度慢(us)快(ns)中 开关频率低 快(小于 1MHz) 中 安全工作区窄宽宽 饱和电压低高低 来源:菱端电子、国金证券研究所 来源:Infineon、国金证券研究所 车用IGBT低成本优势逐渐丧失:在600V以上具有较强的优势,IGBT目前 可应用于6500V高压,在电动车功率半导体高压领域,SiCMOSFET是IGBT 的竞争者,但是SiCMOSFET目前还存在成本高的情况,但已在逐年改善。

因为SiCMOSFET的来势汹汹,市场对IGBT芯片及模块也提出了新的要求, 要求芯片缩小面积、实现快速开关,及要求IGBT承载更高的电压和电流, 并且具有低损耗和高可靠等特性。

而汽车级IGBT功率模块要求更高的电气 运行可靠性、更高的寿命、更好的节能性、抗干扰性强、并要求重量轻、 紧凑等。

行业深度研究 图表39:IGBT应用电压范围 来源:电力电子网、国金证券研究所 车载充电装置:发展车载充电器是发展新能源汽车的必要条件,因为它能 将交流电网的电能有效地补充到每辆电动汽车的蓄电池中。

充电器的功能 就是将交流电变为直流电,这就需要使用IGBT等功率器件。

新能源汽车对 这些功率器件提出新的要求,不仅要求恒流恒压二段式充电,还要求高效、 轻量,有自检及自动充电等多种保护功能,并且能程控设定充电时间曲线、 监视电池温度,对电网无污染等。

充电桩:作为新能源汽车必不可少的基础配套设施,我国充电桩行业也正 处于高速增长的建设期,未来市场空间广阔。

Infineon统计100 kW的充 电桩需要的功率器件价值量在200-300美元,而IGBT模块是充电桩的核心 器件。

图表40:功率器件在汽车中的应用 图表41:IGBT在电动车中的应用 来源:富士电机,国金证券研究所 来源:电力电子网、国金证券研究所 行业深度研究 图表42:2020年各种电动汽车半导体价值量 来源:Infineon、国金证券研究所 中国IGBT市场,比亚迪及斯达半导体紧追英飞凌。

归因于电动车对功率半 导体的需求大增,全球功率半导体龙头英飞凌(Infineon Technologies) 的全球车用半导体市场份额从2019年的16.7%,拉高到2020年的18.5%, 一举抢下恩智浦(NXP)蝉联多年的全球车用半导体龙头宝座。

而目前十大 汽车半导体厂商合计占全部市场的八成以上,市场集中度偏高。

特别的是, 目前全球前五大汽车半导体厂皆是由整合元件制造商(IDM)掌控,合计持 有超过70%份额,主要系车用半导体主要多是用6”,8”,及12”特殊制 程生产各种功率器件及微控制器。

近几年中国电动汽车发展较快,也带动 了IGBT模组产业的发展。

根据佐思汽研数据,按照IGBT模组销量数据, 2019年英飞凌在中国新能源汽车IGBT领域排名第一,占比高达49.3%,其 次是比亚迪,有自己的晶圆厂制造IGBT芯片,主要给自己配套,占比20%, 斯达半导体位居第三,市占率达到16.6%。

图表43:2019年中国新能源汽车IGBT模组市场份额(按销量) 来源:电力电子网、国金证券研究所 2.碳化硅SiC有望颠覆汽车功率半导体未来 第三代半导体的演进:化合物半导体物理特性具有独特优势。

半导体材 料领域共经历三个发展阶段:第一阶段是以硅、锗为代表的IV族半导 体;第二阶段是以GaAs和InP为代表的III-V族化合物半导体,其中 GaAs技术发展成熟,主要用于通讯领域;第三阶段主要是以SiC碳化硅、 GaN氮化镓为代表的宽禁带半导体材料。

硅材料技术成熟,成本低,但 是物理性质限制了其在光电子、高频高功率器件和耐高温器件上的应用。

相比硅材料,化合物半导体材料在电子迁移速率、临界击穿电场、导热 能力等特性上具有独特优势。

硅材料主导,化合物半导体在射频、功 英飞凌 比亚迪 斯达半导体 瑞萨 电装 富士电机 三菱电机中车其他 行业深度研究 率等领域需求快速增长。

目前全球95%以上的芯片和器件是以硅作为基 底材料,由于硅材料极大的成本优势,未来在各类分立器件和集成电路 领域硅仍将占据主导地位。

但是化合物半导体材料独特的物理特性优势, 赋予其在射频、光电子、功率器件等领域的独特性能优势。

与GaN同属 于宽禁带材料的SiC同样具有饱和电子漂移速度高、击穿电场强度高、 热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点,并且与GaN相比,SiC 热导率是GaN的三倍,并且能达到比GaN更高的崩溃电压,因此在高温 和高压领域应用更具优势,适用于600V甚至1200V以上的高温大电力 领域,如新能源汽车、汽车快充充电桩、光伏和电网。

图表44:不同半导体材料比较 第一代半导体第二代半导体第三代半导体 内容硅砷化镓砷化铟碳化硅SiC氮化镓GaN 带隙(ev) 1.11.421.353.263.49 电子迁移率(cm2/V*S) 1200850054007001000-2000 临界击穿电场(Mv/cm) 0.30.40.53.03.0 导热系数(W/cm*K) 1.50.50.74.51.5 相对介电常数(Er) 11.812.812.59.79.8 终端应用计算、功率等射频RF大功率中功率/射频 来源:维基百科、国金证券研究所 图表45:SiC在高开关高频和高功率应用优势明显 来源:Infineon、国金证券研究所 电动车高压化趋势明显:在乘用电动车领域,目前车辆电压普遍200-450V 左右。

随着技术的发展,车企们追求更强动力性能和快充性能的意愿更为 迫切,比亚迪唐的额定电压超过600V,保时捷Taycan电压平台为800V。

超级快充和功率提升促使电动车不断迈向高压化。

行业深度研究 图表46:电动车牵引逆变器往高压方向发展 来源:搜狐汽车研究室、国金证券研究所 电动车SiC碳化硅方案带来五大优势:目前电动车(不包括48VMHEV) 系统架构中涉及到功率器件的组件包括:电机驱动系统中的牵引逆变器 (Traction Inverter, DC-AC,直流转交流电)、车载充电系统(OBC, On-board charger)、800V高功率电源转换系统(车载DC-DC转换器) 和非车载充电桩。

电动汽车采用碳化硅解决方案可以带来五大优势:1. 可以提高开关频率降低能耗。

采用全碳化硅方案逆变器开关损耗下降 80%,整车能耗降低5%-10%;2.可以缩小动力系统整体模块尺寸,以丰 田开发的碳化硅PCU为例,其体积仅为传统硅PCU的五分之一3.在相同 续航情况下,使用更小电池,减少无源器件使用,降低整体物料成本。

以电动汽车的6.6kW双向OBC为例,典型DC-AC部分包括四个650V IGBT、几个二极管和一个700-μH电感,占材料清单成本的70%以上。

通 过使用四个650VSiCMOSFET实现,只需要230 μH的电感。

这比基于 IGBT的设计降低了将近13%的材料清单成本。

4.缩短电池充电时间,由 于更高的充电功率和更小的电池,可以大幅缩短电动车充电时间。

5. 在600度C的工作温度下有高度稳定的晶体结构,击穿场强是IGBT的 10倍多,导通损耗小,2.5倍于硅材料的热导系数。

图表47:丰田碳化硅PCU与硅PCU体积对比 图表48:OBC的硅基方案与SiC方案BOM的比较 来源:丰田、国金证券研究所 来源:wolfspeed、国金证券研究所 电动车的逆变器、OBC、大功率充电桩对碳化硅需求将大幅度增长。

逆 变器(Inverter, DC-AC,直流转交流电)从整车控制器(VCU)获取 扭矩、转速指令,从电池包获取高压直流电,将其转换成可控制幅值和 频率的正弦波交流电,才能驱动电机使车辆行驶。

电动车中,逆变器和 电机取代了传统发动机的角色,因此逆变器的设计和效率至关重要,其 好坏直接影响着电机的功率输出表现和电动车的续航能力。

由于碳化硅 行业深度研究 的优异特性,围绕SiCMOSFET进一步提高车用逆变器功率密度,降低 电机驱动系统重量及成本,成为各车企的布局重点。

早在2018年,特 斯拉已在Model 3的主驱逆变器中使用SiCMOSFET,每个电机中采用 24个SiCMOS单管模块,拆开封装每颗有2个SiC裸晶,耐压为650V, 主要供应商为意法半导体。

2020年比亚迪推出的汉EV高性能四驱版本 是国内首款在主逆变器中应用自主开发SiC模块的电动汽车,与当前的 1200V硅基IGBT模块相较,采用SiC方案NEDC工况下电控效率提升 3%-8%。

比亚迪汉EV能够使用650V电压平台,也有碳化硅的功劳,高 电压意味着低电流,能减少设备电阻的损耗。

对电机设计来说,也更容 易在小体积下实现更高功率,也因此,比亚迪汉可以轻松实现3.9S的 0–100加速性能。

预计到2023年,比亚迪将在旗下的电动车中,实现 SiC车用功率半导体对硅基IGBT的全面替代。

2021年蔚来最新发布的 首款纯电轿车也将搭载采用碳化硅模块的第二代电驱平台。

除逆变器之 外,碳化硅在OBC中已经得到较为广泛的运用,目前有超过20家汽车 厂商在OBC中使用SiC器件,随着车载充电机功率的提高,碳化硅方案 也从二极管向“二极管+SICMOS”演进;DC-DC转换器上从2018年开 始从硅基MOS转向SiCMOS方案。

对于充电桩,采用碳化硅模块,充 电模块功率可以达到60KW以上,而采用MOSFET/IGBT单管的设计还是 在15-30kW水平。

采用碳化硅功率器件相比硅基功率器件可以大幅降低 模块数量。

因此,对于城市大功率充电站、充电桩,碳化硅带来的小体 积在特定场景中具有优势。

图表49:车厂和零部件厂围绕碳化硅的布局进展 时间企业事件 2014年丰田&电装 正式发布了基于SiC半导体器件的零部件——应用于新能源汽车的功率控制单 元(PCU) 2014年三菱电机三菱电机开发的新型EV用马达里的逆变器,其晶体管和二极管全部使用碳化硅 2017年联合电子联合电子于2017年研究完成首个SIC逆变器样品 2018年特斯拉特斯拉Model3成为全球首个将SiCMOSFET器件应用于主驱动逆变器的车型 2019年德尔福德尔福于法兰克福车展推出800V碳化硅逆变器 2019年采埃孚采埃孚首次采用SiC技术的电驱动系统已经用于法国Venturi的电动赛车 2020年 意法半导体 推出从SIC功率器件到逆变器系统的完整解决方案 2020年阳光电源自主研发的车用全SiC电机控制器成功装车试运行 2020年 北汽新能源 搭载第三代半导体SiC电机控制器的北汽新能源实车完成夏季高温试验 2020年弗迪动力弗迪动力的电驱动系统研发进行到第四代,国内首家量产SiC动力三合一产品 2021年蔚来蔚来ET7搭载了全新第二代高效电驱平台,应用SiC功率模块 来源:搜狐汽车研究室、国金证券研究所整理 图表50:SiC在EV上的四大应用领域 图表51:SiC功率器件在车载领域应用时间表 行业深度研究 来源:ROHM、国金证券研究所 来源:ROHM、国金证券研究所 SiC碳化硅市场于2035年达500亿美元:对于SiC行业而言,目前整 体市场规模较小,2020年全球市场规模约6亿美元。

但是下游需求确定 且巨大,根据IHSMarkit数据,受新能源汽车庞大需求的驱动以及电 力设备等领域的带动,预计到2027年碳化硅功率器件的市场规模将超 过100亿美元。

目前制约行业发展的主要成本高昂和性能可靠性。

我 们估计SiC碳化硅功率器件市场一旦到达综合器件成本趋近于IGBT硅 基功率器件的奇点加速取代时刻,加上全球电动车渗透率增加于2035 年达到我们预期的50%左右,2020-2035年全球电动车销量复合增长率 达到22%,我们估计全球SiC碳化硅市场(主要系车用)将迎来34%复 合增长率的爆发性增长,并在2035年达到约500亿美元。

核心受益环节 方面,由于目前碳化硅芯片成本结构中60%-70%是衬底和外延片,其中 衬底约占40%-50%,因此材料厂商是核心受益环节。

图表52:全球碳化硅市场规模预测(十亿美元) 图表53:化合物半导体行业短期复合增速比较 来源:国金证券研究所 来源:IHSMarkit、Grand view、前瞻产业研究院、国金证券研究所 短期成本高昂,但SiC碳化硅取代IGBT奇点时刻于2025年来临:从前 面分析中,碳化硅方案相比硅方案可以提高能效提升续航、减少同里程 数单位电池容量的成本、降低无源器件及冷却系统体积从而缩减整体模 块体积、缩减尺寸。

因此从车辆总成本的角度看,碳化硅方案可以给汽 车制造商带来成本收益。

随着SiC成本下降,碳化硅在电动车上的应用 将爆发性增长。

从物料成本角度看,目前新能源电动车采用硅基方案的 全车功率器件价值约400美元左右,我们预计目前在新能源车全碳化硅 方案成本约为1500-2000美元,是硅基方案成本的4-5倍。

目前碳化硅 方案成本高昂的重要原因是衬底材料成本高昂。

我们以SiCJBS(碳化 硅结势垒肖特基二极管)为例,成本结构中,衬底约占50%、外延片约 占20%、晶圆加工约占25%、封测约占5%。

目前市场4英寸碳化硅衬底 比较成熟,良率较高,同时价格较低,而6英寸衬底价格由于供给少和 成片良率低,价格远远高于4寸片。

未来推动碳化硅衬底成本降低的三 大驱动力:1.工艺和设备改进以加快长晶速度2.缺陷控制改进提升良 率3.设计改进降低使用器件的衬底使用面积。

随着产业成熟,预计衬底 价格未来五年以每年10%-15%左右的幅度下降。

因此我们预计碳化硅分 立器件成本每年能以10%左右价格下降。

假设未来五年碳化硅模块价格 每年下降10%,IGBT价格每年下降5%,电池成本每年下降10%,中性预 计全碳化硅方案相比硅方案能降低能耗8%,加上考虑相同续航条件下节 省的电池成本,散热系统成本的缩减、无源器件成本缩减,及更好能效 节省的使用成本,我们预期从2025年开始,全碳化硅方案相比硅方案 就具有综合物料成本优势,开始爆发式增长。

在实现综合成本优势之前, 碳化硅会从售价相对高昂的车型开始被采用,这部分需求也足够拉动行 业快速增长。

- 10 20 30 40 50 60 202 0 202 1 E 202 2 E 202 3 E 202 4 E 202 5 E 202 6 E 202 7 E 202 8 E 202 9 E 203 0 E 203 1 E 203 2 E 203 3 E 203 4 E 203 5 E 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% SiCGaNGaAs 行业深度研究 图表54:碳化硅的综合成本收益 图表55:SiCJBS成本构成 来源:意法半导体、国金证券研究所 来源:基本半导体、国金证券研究所 图表56:国内碳化硅衬底价格及趋势 良率当前市场价 (元) 市场价格走势 当前趋势 4英寸70%复合每年提高2% 2800-3000每年10%-15%左右递降 6英寸30%-50%复合每年提高5%左右8000-10000每年10%-15%左右递减 来源:国金证券研究所整理 图表57:电动汽功率器件碳化硅方案与硅方案成本预测 单位:美元202020212022202320242025 硅方案IGBTMOSFET 400380361343326310 电池成本900081009001810081008100 节省电池成本720648720648648648 全碳化硅方案1500135012151094984886 碳化硅成本-节省电池成 本780702495446336238 来源:国金证券研究所 Cree主导SiC产业:以碳化硅为衬底的产业链主要分为衬底、外延和 器件三个环节。

由于衬底在器件中的高成本占比,使得掌握衬底工艺和 产能的企业在竞争中具有优势。

美国的Cree和日本的罗姆Rohm都是拥 有从衬底、外延片到器件碳化硅全产业链生产的能力,所生产的碳化硅 衬底除对外销售外,其余部分为自用。

目前Cree在衬底方面产能和市 占率领先所有竞争者,2019年宣布建设8英寸衬底产线,2020年全球 市场份额约50-55%,其在导电型碳化硅衬底的市场占有率约62%,车 载领域市占率超过80%。

除了Cree和罗姆,在衬底方面处于领先地位 的还有II-VI,国内衬底技术与Cree存在差距。

目前国内长晶炉效率不 到Cree的五分之一,目前有天科合达和山东天岳,6寸衬底开始规模化 生产或者开始建设产线。

外延片市场主要被IDM公司主导,如三菱、英 飞凌和意法半导体。

在国内纯粹做外延片的有瀚天天成和东莞天域,均 可供应4-6英寸外延片,中电科13所、55所亦均有内部供应的外延 片生产部门。

器件方面,意法半导体、安森美、英飞凌和罗姆都是重要 供应商,华润微的国内首条6寸商用SiC产线已经正式量产,三安光电 拟投资160亿元的碳化硅全产业链布局的湖南子公司也于2020年开工。

由于碳化硅器件的成本结构掌控全产业链的优劣势,我们看到器件公司 逐步布局上游材料,如意法半导体在2019年2月份以1.375亿美元现 金收购了瑞典SiC晶圆制造商Norstel,Norstel生产6英寸SiC衬底 和外延晶圆。

在碳化硅产业链各个环节,国内与国际领先水平仍有一定 差距,但是工艺水平和发展状况的差距远小于相比硅半导体。

Cree是碳 化硅领域的绝对领先者。

衬底,50% 外延片, 20% 晶圆加工, 25% 封测,5% 行业深度研究 图表58:2018年全球导电型碳化硅晶片市场占有率 来源:Yole、国金证券研究所 图表59:SiC产业链示意图 来源:天科合达招股说明书、国金证券研究所 图表60:国内SiC各环节与国际领先水平比较 工艺阶段具体环节国内国际 材料 衬底国内主流:4-6英寸国际主流:6-8英寸 外延国内主流:实现6英寸规模制备国际主流:6英寸 SiC微管密度(4寸导电型)小于1个/cm-2小于1个/cm-2 生长速率(4寸,cm/周) 2-44-6 外延设备CVD、高温离子注入机等北方华创等市占率较低LPE、Aixtron和Nuflare市占率87% 功率器件SiCSBD电压:650-1200V电流:2-40A电压:650-1200V电流:2-40A SiCMOSFET电压:650-1200V电流:20-100A电压:650-1700V电流:3.7-118A SiCIGBT电压最高3.3KV电压最高6.5 kV,工作频率2 kHz至50 kHz 应用 工业等场景,价格相对较低在相对一些高端的领域,例如激光器、射 频、功率电子等应用领域 来源:国金证券研究所整理 图表61:Cree与国内一线衬底厂商产品比较 CREE国内一线 长晶速度(4寸,cm/周) 4-62-4 技术阶段 6寸规模化供应,8寸 成功研制并投建 6寸实现规模化供应 主要产品车规级、MOS工业用,二极管 CREE,62.00% II-VI,16.00% Sicrystal, 12.00% DOW,4.00% Showa Eenko, 2.00% Norstel,0.50%天科合达, 1.70% 山东天岳, 0.50%其它,1.30% 行业深度研究 良率70-80% 40-50% 技术发展时间33年(1987) 15年 6寸一周产出(片) 37.56.7 来源:Cree、天科合达招股说明书、国金证券研究所整理 全球碳化硅SiC供需即将失衡:2020年特斯拉全年共交付新车49.96 万辆,同比增长35.87%。

如果2022年特斯拉车型全部采用碳化硅,交 付量达到100万辆的话,那么仅特斯拉一年就将消耗掉50万片晶圆产 量。

目前全球碳化硅衬底产能为40-60万片。

因此电动车的快速发展或 将造成碳化硅衬底短时间的失衡。

在此背景下,全球持续加大碳化硅衬 底投资,2020年Cree计划投资10亿美元用于碳化硅产能扩充,这次产 能扩大在2024年全部完工后,将带来碳化硅晶圆制造产能的30倍增长 和碳化硅材料生产的30倍增长,以满足2024年之前的预期市场增长。

罗姆公司也宣布2024财年碳化硅生产能力相比2019财年提升5倍以上。

国际企业通过提前锁定衬底产能保证未来供应。

如Cree与英飞凌、意 法半导体等欧美主要碳化硅下游企业签订长期供货协议,公司四分之三 的材料业务都签订了长期协议。

图表62:国际碳化硅晶片龙头企业提前锁定订单 时间详情 2018.02 CREE宣布了一项价值8,500万美元的长期协议,将为一家未公布名称的“领 先电力设备公司”供应碳化硅晶 2018.10 CREE与英飞凌签订了1亿美元的长期供应协议,为其光伏逆变器、充电基础 设施、工业源牵引和变速驱动等产品提供碳化硅晶片 2019.08 CREE与安森美签订了8500万美元的6英寸碳化硅衬底和外延片供应协议, CREE将为安森美生产和供应碳化硅衬底及外延片,安森美将用于新能源汽车 和工业应用等高速增长的碳化硅功率器件市场 2019.11 CREE与意法半导体签署一项为期多年的5亿美元的生产供应协议,CREE 将向意法半导体供应6英寸碳化硅晶片 2020.01罗姆和意法半导体宣布达成超1.2亿美元的协议,由罗姆旗下的SiCrystal向 意法半导体供应6英寸碳化硅晶片 来源:CASA、国金证券研究所 英飞凌积极布局SiC:英飞凌是全球最大的功率器件半导体公司。

碳化 硅布局方面,2018年公司收购初创公司Siltectra,其研发了冷切割技 术,可高效处理晶体材料,并最大限度减少材料损耗可用于切割碳化硅 晶圆,使单片晶圆可产出的芯片数量翻倍,公司推出了650V和1700V 的CoolSiCMOSFET系列,2020年12月公司与GTAdvanced签订碳化硅 晶锭五年供货协议,进一步确保未来碳化硅材料供应需求。

2020财年英 飞凌来自于碳化硅营收达到8000万欧元。

公司对于碳化硅技术采取稳 扎稳打推进的方式,利用覆盖从前端到后端的研发能力,从材料到封装 端确保自身优势。

华润微有国内首家量产SiC的商用产线:公司是国内最大的MOSFET功 率器件公司,在碳化硅方面,公司通过华润微电子控股参股国内碳化硅 外延片企业瀚天天成3.2%的股权; 2020年7月正式发布1200V和650V 工业级SiC肖特基二极管功率器件产品系列,1200V产品电流等级从2A 到40A,主要聚焦于太阳能、UPS电源、充电桩、储能、车载电源等应 用领域,650V产品电流等级为4A到16A,主要瞄准服务器电源、通 讯电源等高效开关电源应用市场;与此同时公司的国内首条6英寸商用 SiC晶圆产线正式量产。

行业深度研究 图表63:2019年全球分立功率器件和模组企业市占率 图表64:英飞凌CoolSiCMOSFET 650V系列 来源:英飞凌、国金证券研究所 来源:英飞凌、国金证券研究所 3.GaN在车用半导体市场的机会 GaN氮化镓在电动车领域角色不如SiC碳化硅:不同于SiC碳化硅跟IGBT 比较有非常多的非成本的优势,GaN氮化镓器件虽然在耗能,体积小,及 5G基地台射频,LED产业,智能手机快充,48/200/450V电源转换系统 (车载DC-DC转换器converters)等应用有些优势外,目前运用在电动车 的趋势与中低压功率器件IGBT/MOSFET等旧技术比较,不管在成熟度,品 质,可信度,可扩展性,高功率密度,生产良率都还没有很明显的优势, 而且在高压高功率器件如车载充电系统Onboard Charger(OBC),800V高功 率的电源转换系统(车载DC-DC转换器),牵引逆变器(Traction Inverter,DC-AC,直流转交流电)又要跟SiC碳化硅来竞争。

六,风险提示 电池及碳化硅成本下降不如预期,而造成电动车渗透率无法在2035年达 到50%; 自驾系统如人工智能芯片及软件,激光雷达,毫米波雷达,蜂窝车联网芯 片成本下降不如预期,而造成L3-L5自驾车渗透率无法在2035年超过30%; 全球半导体制造及晶圆代工产能不足,而造成车用半导体增长不如预期; 全球自驾电动车市场因政府奖励补助减少及渠道库存增加而减少需求。

0% 5% 10% 15% 20% 英飞凌 安森美 三菱 东芝 行业深度研究 公司投资评级的说明: 买入:预期未来6-12个月内上涨幅度在15%以上; 增持:预期未来6-12个月内上涨幅度在5%-15%; 中性:预期未来6-12个月内变动幅度在-5%-5%; 减持:预期未来6-12个月内下跌幅度在5%以上。

行业投资评级的说明: 买入:预期未来3-6个月内该行业上涨幅度超过大盘在15%以上; 增持:预期未来3-6个月内该行业上涨幅度超过大盘在5%-15%; 中性:预期未来3-6个月内该行业变动幅度相对大盘在-5%-5%; 减持:预期未来3-6个月内该行业下跌幅度超过大盘在5%以上。

行业深度研究 特别声明: 国金证券股份有限公司经中国证券监督管理委员会批准,已具备证券投资咨询业务资格。

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