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原标题 中金 | 半导体算力系列二：MCU供需景气，国内厂商迎发展良机
来源 中金点睛
MCU是众多电子设备的基础控制芯片，在物联网与汽车智能化趋势下，我们预计MCU市场下游需求有望持续增长。2020Q3以来，以汽车为主的下游领域需求超预期复苏，MCU的主要供应厂商受疫情、暴风雪及火灾等突发事件的影响开工不足，产能受限，引发了MCU缺货浪潮。在此背景下，已积累一定技术实力的国产厂商迎来验证机会，我们预计国内MCU厂商有望通过不断增强产品竞争力迎来加速放量机会，进一步提升市占份额。
摘要
物联网与汽车智能化趋势双轮驱动MCU市场成长。MCU是将缩减版CPU、存储器、输入/输出接口与外设等集成在一起的芯片级计算机，广泛应用于汽车、工控/医疗、计算机与消费领域。2020年全球MCU市场规模150亿美元，IC Insights预测2023年市场规模将达到188亿美元，对应3年复合增速8%，增长主要源于：1）智能家居与可穿戴设备的市场规模增长强劲；2）汽车智能化趋势下电子功能的升级带动单车MCU价值量的提升。
供需错配行业景气度提升，扩产计划保障长期增量。2020Q1疫情初期，下游需求缩减，2020Q3需求超预期回暖时，产能供给未快速匹配，主要系疫情趋势延续，产能开工不及预期，叠加海外供应厂商受暴风雪与火灾等意外事件，导致MCU缺货，供应厂商价格多次上调，交期不断延长。短期看，海外IDM厂扩产速度有限，据半导体行业观察统计，占据车用MCU代工业务70%的台积电今年宣布提升车用MCU产能30%（较2019年），我们预计2022年MCU紧缺的状态有望逐步缓解。中长期看，海外&国内厂商的产能扩建投产能保障整体需求增量，我们预计未来供需有望呈现相对平衡状态。
国内厂商成长空间广阔，多因素催化国产厂商进入供应体系。国内MCU市场由海外主导，国内厂商供应仅16%，成长空间充足。此次MCU缺货潮引发的供应危机促使下游客户寻求新供应商，国产厂商通过多年积累已具备基本替代条件，包括快速响应的服务能力、优质的产品、MCU产业链生态、人才储备与政策支持等，我们预计多重因素叠加有望促使国产厂商加快验证步伐。
风险
下游需求不及预期；产能恢复不及预期；下游客户导入不及预期。
正文
电子设备基础控制芯片，下游应用广泛
基础控制芯片，在信号链中起核心处理作用
MCU （Microcontroller Unit）：微控制器，又称单片机，是一类轻量化的数字计算芯片。MCU是把中央处理器（CPU，Central Processing Unit）的频率与规格做适当缩减，并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。因此MCU基本组成主要包括CPU（核心部件，包括运算器、控制器）、存储器（用于存储程序和数据）、输入/输出I/O接口、定时器/计数器与串行通信端口（和不同外设之间进行数据交换）等，用于实现包括计时、作为输入/输出口连接外部渠道、实施外部中断控制、提供通讯接口等功能。
信号链是电子设备实现感知和控制的基础，MCU在信号链中起核心处理作用。一个完整信号链的工作原理为：从传感器探测到真实世界实际信号，如电磁波、声音、图像、温度、光信号等并将这些自然信号转化成模拟的电信号，通过放大器进行放大，然后通过ADC把模拟信号转化为数字信号，经过MCU或CPU或DSP等对数字信号进行处理后，再经由DAC还原为模拟信号。信号链将真实世界和数字世界进行连接，是电子产品智能化、智慧化的基础。MCU作为数字信号的处理器件，在信号链环节中具有重要作用。
图表1：MCU在信号链环节中处理数字信号
产品种类众多，主要以位数与指令集为分类标准
MCU产品种类众多，可按照用途、位数、内嵌程序存储器类型、存储器结构与指令结构五种分类标准划分。1）根据使用用途，MCU可分为通用型和专用型；2）按照位数分类，MCU可分为8位、16位、32位、64位；3）根据指令结构分为CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）和RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）；4）根据存储器结构可分为哈佛（Harvard）结构和冯▪诺依曼（Von Neumann）结构；5）根据内嵌程序存储器类型分为无片内ROM（Read-Only Memory，只读存储）型和带片内ROM型两大类。目前最常用的分类标准以指令集与位数为主。
按位数分类：8/32位占据主流，其中8位具有低成本、低功耗、易开发等优点，而32位主要应用在较高端场景。MCU位数是指CPU一次处理的数据的宽度，也可理解为参与运算的寄存器的数据长度。位数越大，代表CPU一次处理的数据量越多，运算速度越快，即位数越高的MCU处理能力更强。通常而言，越高的内核处理速度配置的存储器空间更大，相应的外设组合也更为丰富。根据CSIA数据，2019年国内MCU产品中32位占据主要份额45%，8位次之，占比40%。从产品价格与开发角度来看，8位MCU具有低成本、低功耗的优点，并且对于产品开发人员而言，8位MCU更容易编程和故障排除，开发难度低；32位MCU的价格大约是8位MCU的3倍，内核以ARM系列为主流架构，对于开发人员而言，32位CPU的指令集相对庞大，并且对软件设计的要求大大提高，需要相应的实时多任务操作系统（RTOS）对应用软件中的各任务进行调度，开发难度高。对应不同位数MCU产品应用场景来看，32位产品主要用于如物联网、变频控制与安防监控等对算力要求较高的场景；8位产品的主要应用于如水表电表、电动玩具、小家电等家用设备的简单控制。我们预计随着下游应用的升级，32位MCU下游应用场景的市场规模扩张，占比可望不断提升。
图表2：2010-2021E年全球不同位数MCU产品销售额情况
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
图表3：2019年国内不同位数MCU产品市场结构
资料来源：CSIA，中金公司研究部
根据MCU产品的应用领域划分：通用型MCU占主要份额。通用型MCU产品是指将可开发的资源（ROM、RAM、I/O等）全部提供给用户，下游用户可根据自身需求进行相应开发；专用型MCU产品则是按照某种特定用途而设计的MCU，根据特定场景集成相应模块与硬件单元，例如为满足电子体温计的要求，在MCU中集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。根据芯知汇搜集的信息，2020年中国MCU产品类别以通用型产品为主，占据70%以上的份额，我们认为这主要系MCU下游应用广泛，通用型MCU有利于下游用户二次开发匹配特定需求的终端产品。
图表4：2020年国内MCU产品类别市场占比
资料来源：芯知汇，中金公司研究部
按照MCU的指令集分类，RSIC（精简指令集计算机）为主要应用市场。指令集是CPU中用来计算和控制计算机系统的一套指令集合。从现阶段的主流体系结构讲，指令集可分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两大类。CISC是便于编程和提高存储器访问效率的晶片设计体系，其设计目的是用最少的机器语言指令完成所需的计算任务，每条的指令长度不一，因此处理不同的指令需要不同的时钟周期完成。现使用CISC架构的处理器包括Intel的x86/64系列等，主要用于电脑与服务器领域，表现特点为高性能与高功耗。而RISC是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系，其主要为简单、基本的指令，每条指令的长度相同。RISC的关键技术在于流水线操作：将一个基础操作分割成若干个指令，多个指令可在同一时钟周期并行完成。因此在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系统的运行速度明显优于CISC，在通用MCU中占有主要份额。应用RISC体系的典型产品包括ARM（Advanced RISC Machines）系列与近年来兴起的RISC-V架构，其下游应用广泛，包括手机、家电、工业控制、汽车电子等领域，相较CISC而言性能与功耗更低。未来趋势看，CISC与RISC在逐步走向融合，追求在低能耗与高性能之间达到更优的平衡。从架构本身的特性与应用领域而言，低功耗与高效率的RISC体系下游覆盖面更广，我们预计随着下游领域的不断更新与拓展（如物联网新兴领域的兴起与发展），RISC体系的未来占比有望进一步提升。
图表5：CSIC与RSIC体系的区别
资料来源：电子发烧友，CSDN，华澜科技，中金公司研究部；注：CPI代表执行一条指令所需的时钟周期数
ARM在精简指令集体系中占据主流，根据应用范围的不同主要分为三个系列。21世纪初期，由于可授权的商业模式与手机的快速发展，ARM芯片处理器快速抢占市场。经过近30多年的发展，ARM架构已形成了针对不同类型计算设计的体系结构。初期阶段，ARM处理器的命名方式为“ARM+数字”，如ARM7、ARM9、ARM11等。在ARM11以后，ARM公司以Cortex为新的命名方式，目前ARM Cortex根据应用范围的不同可分为三个系列，分别为Cortex-M、Cortex-R与Cortex-A系列（性能及复杂度由低到高）。其中嵌入式MCU主要采用的是Cortex-M系列处理器，包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等多个类别。Cortex-R系列主要是针对高端的实时系统，应用领域为基带、汽车、大容量存储等，Cortex-A系列主要面向通用处理应用市场，常用于智能手机、移动计算平台等领域。
图表6：ARM处理器的更新演进过程
资料来源：米尔科技，博客园，中金公司研究部
Cortex-M针对MCU不同下游领域的应用需求，在功耗与性能设计方面各有侧重。性能、功耗与成本是选择处理器的多维考虑因素，Cortex-M处理器家族包含多类不同的内核以满足下游应用不同的需求。其中，Cortex-M0内核主要针对低成本、低功耗的MCU开发；Cortex-M3较Cortex-M0而言性能更高；而Cortex-M4与Cortex-M7处理器则适用于更高性能的MCU产品，最大的时钟频率可以达到400Mhz；Cortex-M23与Cortex-M33具备较高的能耗比，在满足低功耗要求的同时增添了更丰富的功能，提升了性能，并支持TrustZone的安全性拓展。
图表7：ARM-Cortex M系列各内核的特点与适用范围
资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部
精简指令集RISC-V入局，全开源的指令集架构有望带来新一轮变革。RISC-V是基于RISC原理建立的免费开放指令集架构，具备完全开放&免费授权、指令集更精简、低功耗的特点：1）完全开放：架构完全开源，全套编译器、开发工具和软件开发环境可免费授权给企业使用，用户可根据需求自由定制编写，配置不同的指令子集；2）更精简的指令集：基本指令数目仅40多条，架构文档两百页左右，远小于ARM架构的数千页文档；3）低功耗：RISC-V采用模块化设计的方式，可选择是否包含相关标准拓展，该特点使其具备更低的功耗。对于细分市场众多、对功耗要求高的物联网市场而言，RISC-V架构能针对不同应用灵活修改指令集，并且具备低功耗的特性，相比ARM而言具有特定优势。此外，物联网市场对于成本较敏感，RISC-V完全开放与免费授权的特点对于芯片厂商而言也更具吸引力。我们预计随着RISC-V的生态逐步搭建完善，RISC-V的市场份额有望在物联网、边缘计算等新兴领域和ARM架构并驾齐驱。
图表8：RISC-V架构的特点
资料来源：电子技术设计，电子工程专辑，中金公司研究部
根据存储器结构中程序指令与数据是否分开存储，MCU可分为冯·诺依曼结构和哈佛结构。冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，程序指令和数据存储于同一个存储器，因此程序指令和数据的宽度相同，数据与指令经由同一个总线传输。冯·诺依曼结构的典型应用为Intel公司的8086系统，其中央处理器的程序指令和数据都是16位。而哈佛结构的程序指令与数据存储于不同存储器。其中，存放代码的存储器为程序存储器，一般是只读存储器（ROM）；存放数据的存储器为数据存储器，一般为静态随机存取存储器（SRAM）。由于程序指令与数据分开存储，指令和数据的宽度并不相同，如应用哈佛结构的Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，数据是8位宽度。在哈佛结构中，CPU首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，数据与指令采用不同的总线传输，稳定性更高，数据与指令存储于不同存储器也使得取数与取指可并行操作，执行效率高。目前针对程序固定化，任务相对简单的控制系统往往会使用内部集成有存储器的MCU，哈佛结构在该领域中的应用更为广泛。
图表9：哈佛结构与冯·诺依曼结构的对比
资料来源：CSDN，中金公司研究部
MCU发展历经50载，未来向高性能低功耗方向演进
MCU发展进程迅速，从低位处理器向高位演进。MCU自1971年由美国Intel公司首先推出，发展至今大致可归纳为5个阶段：1）单片机发展初期：Intel公司率先推出4位处理器Intel 4004，并配有RAM、ROM和移位寄存器，构成了世界上第一台MCS—4微处理器；2）低性能8位单片机阶段：1976年Intel公司推出MCS—48系列，采用将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一块半导体芯片上的单片结构，寻址范围较为有限（不大于4 KB），无串行I/O，RAM、ROM容量小，中断系统也较简单，但功能可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要；3）高性能8位单片机阶段：1980-1983年这一阶段的8位单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统与多个16位定时器/计数器，片内存储器的容量加大，且寻址范围可达64 KB，性能提升明显；4）16位单片机阶段：1983年Intel公司推出了高性能的16位单片机MCS-96系列，其采用了最新的制造工艺，芯片集成度高达12万只晶体管/片；5）32位单片机阶段：1993年ARM公司推出32位ARM内核处理器，搭载苹果Newton Message Pad问世，此后MCU在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。
图表10：MCU发展的五个阶段
资料来源：电子工程世界，中金公司研究部
随人工智能与物联网的兴起，未来MCU的设计向高性能等6大方向发展。根据电子工程专辑信息，随着AI和IoT的发展与融合，微控制器MCU的设计趋于复杂，我们预计MCU将逐渐从传统单一功能向计算性能更强、集成更多功能的系统级芯片（SoC）演进，MCU的设计方向也将向6个维度转变：1）更智能：AI的应用场景越来越普遍，使用专用化的AI加速器可以提供更佳的能效比，我们预计AI加速器搭配MCU将逐渐成为主流；2）更高的计算和处理性能：面对更复杂与数据量庞大的场景，MCU的算力已面临瓶颈，需要向更高处理性能的MPU演进；3）更低功耗：在可穿戴设备、智能家居及其它电池供电的物联网终端都对功耗都有严格的要求，对于MCU厂商而言，可从集成度与主频两个方向提升低功耗特性；4）更安全：安全性是MCU开发的基本要素，安全性的缺失将对厂商造成严重打击，因此在不断向高级阶段推进的过程中，注重加强芯片的关键信息存储、运算过程的保护和抗攻击等能力是关键；5）集成无线连接功能：近几年物联网设备与无线连接产品（如智能家居、可穿戴设备等）发展迅猛，MCU在这些设备中负责处理数据并运行与无线收发器件接口连接以实现数据传输，因此集成无线连接功能及支持各种无线协议（比如WiFi、蓝牙、Zigbee等）将是MCU的演进方向；6）更小尺寸：IoT终端节点的基本要求是小尺寸，因为这些器件通常被限制在很小的基底面内，如可穿戴设备的设计，体积小&重量轻是赢得客户认可的重要因素，因此也要求设备内的电子器件以体积更小的方向发展。
图表11：MCU未来发展的六大方向
资料来源：电子工程专辑，中金公司研究部
全球百亿美元市场，物联网&智能汽车双轮驱动需求
MCU市场空间充足，国内市场增速预计高于全球
全球MCU150亿美元市场，预计未来三年复合增速达8%。据IC Insights市场调研数据，2020年MCU市场规模下滑8.6%至150亿美元，其预计MCU市场将在2021年恢复增长，2023年预计规模达到188亿美元，对应2021-2023年复合增速为8.0%。从全球MCU下游应用领域来看，MCU主要应用于汽车电子、工控/医疗、计算机与消费电子四大领域，从2019年IC Insights数据来看，汽车电子是MCU最大市场，占据33%的份额，工控/医疗、计算机领域分别占比25%、23%。
图表12：2017-2024E全球MCU市场规模
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
图表13：2019年全球MCU下游市场占比
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
国内MCU市场增速高于全球，消费电子领域为下游最大市场。根据IHS数据统计，2008-2018年间，中国MCU市场年均复合增长率（CAGR）为7.2%，是同期全球MCU市场增长率的4倍，2019年中国MCU市场保持增长达到256亿元规模。目前，国内物联网发展与新能源汽车增长在全球范围内领先，IHS预计2020-2022年国内MCU市场规模的CAGR达9%，未来增速仍将超过全球。对应国内MCU下游市场来看，2019年国内消费电子占据下游市场主要份额25.6%，计算机网络、汽车电子、智能卡、工控分别占比18.4%、16.2%、15.3%、11.2%。
图表14：2015-2022E中国MCU市场规模
资料来源：IHS，中金公司研究部
图表15：2019年中国MCU应用市场占比
资料来源：IHS，中金公司研究部
汽车电子：全球MCU主要赛道，智能化趋势打开增量空间
车用MCU市场增速高于整体，预计下游市场份额有望进一步提升。2020年全球车用MCU市场规模62亿美元，IC Insights预测2021年汽车MCU市场在供应短缺的情况下仍将猛增23%，2025年预计将达到近120亿美元，对应2021-2025年CAGR为14.1%，该复合增速明显高于未来三年整体MCU市场的增速8%，我们预计MCU下游汽车电子占比将进一步提升。细分车用市场销量端与价格端来看，今年MCU市场供应紧张，32位MCU的平均售价提高，IC Insights年中预测显示，32位MCU的平均价格在2021年上涨13%至0.72美元，而车用MCU领域32位占据了3/4以上份额，因此我们判断2021年车用MCU市场规模的增长主要源于供应紧缺带来的MCU单价提升。
图表16：2019-2025E全球车用MCU市场规模及预测
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
图表17：2021E年全球车用MCU中32位占比76.7%
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
随汽车电子化程度与边界的不断拓展，MCU的应用场景日趋丰富。ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）泛指汽车上所有的电子控制系统，又称汽车的“行车电脑”，负责控制汽车的行驶状态并实现其他的各种功能。而MCU芯片是ECU的运算处理器件，是汽车电子系统内部运算和处理的核心。根据瑞萨电子与英飞凌的官网信息，MCU的车内应用场景主要包括五大系统：动力总成系统、底盘安全系统、车身控制系统、电机驱动系统与ADAS（高级辅助驾驶系统）&信息娱乐系统。其中：1）动力总成包括变速器、发动机套件、汽油/柴油喷射系统等以及电动汽车新增的电池管理系统、电机控制等；2）底盘安全包括安全气囊、主动悬挂控制、制动助力器等一系列维护汽车安全与稳定性的系统；3）车身控制：包括后视镜、前车灯、车顶部、座椅、车门、车窗等车身控制模块；4）电机驱动：这一部分为电动汽车新增的逆变器与充电模块；5）ADAS&信息娱乐系统为智能汽车新增的功能，包含传感器、摄像头、雷达以及升级的语音娱乐设备等。随着汽车电动化与智能化趋势的演进，汽车电子的自动化程度提高，车内系统与功能的增加带动了ECU数量增长，MCU作为ECU的必备元器件，也将伴随着单车ECU数量的提升迎来快速增长。
图表18：MCU在ECU中负责将输入端的处理信号进行运算处理
资料来源：科通芯城，中金公司研究部
图表19：MCU在汽车中的应用
资料来源：瑞萨官网，英飞凌官网，中金公司研究部
汽车功能的增加&电子架构的集成化助力单车MCU价值量的提升。从电动化趋势看，据Strategy Analytics统计，2018年传统燃油车、纯电动车单车半导体价值量分别为338美元、704美元。在传统燃油汽车中，MCU价值量占比最高，为23%。在纯电动汽车中，MCU占比仅次于功率半导体，为11%。而在智能化的演进中，汽车新增了众多功能模块，越来越多的功能系统使得整车厂的集成难度增大，促使了汽车从分布式架构向集成化域架构的转变。总体而言，MCU的增量主要体现在三方面：1）随智能化趋势推进，ADAS装配率提升，平均每辆车集成了更多的传感器，包括摄像头、雷达和激光雷达，需要更多高性能的MCU对信息进行运算处理。同时，自适应巡航、智能变道与智能泊车等辅助驾驶功能的实现也需要MCU配合高算力MPU（微处理器）/SoC（系统级芯片）对车辆的实时运动状况和感知目标进行控制；2）多媒体及语音设备的升级、中控大屏化趋势（大尺寸中控液晶屏与液晶仪表逐步替代传统中控按键与机械仪表盘）与日益丰富的车载产品提升了汽车对MCU的需求；3）电子电气的集中式架构需要更高计算能力的MPU/MCU对汽车进行分域集中控制，根据意法半导体预测，汽车架构的转变有望促进车用MCU的需求增长30%。据集微网信息，传统上每辆车平均用到70颗以上的MCU芯片，智能汽车对MCU的需求量有望超过300颗，我们预计随着ADAS装配率、车载产品丰富度的提升与电子电气架构演变的推进，单车MCU的价值量有望大幅增长。
图表20：传统燃油车与纯电动车各类半导体占比情况
资料来源：Strategy Analytics，中金公司研究部
图表21：电动车系统中新增的MCU芯片
资料来源：瑞萨电子，中金公司研究部
消费电子：IoT提高MCU性能需求，可穿戴设备&智能家居增长强劲
IoT时代推动MCU需求增长，“MCU+传感器+无线模块”方案成未来趋势。据IoT Analytics研究，2020年全球物联网连接数超117亿个，首次超过非物联网连接数，并在过去十年里保持着30.8%的年复合增长率。MCU作为联网设备的关键元件，从2014年起，MCU+传感器的结合成为一种主流物联网方案。物联网设备增多提升了对联网能力的需求，同时也需要兼顾成本和功耗，由此促使无线微控制器解决方案快速进入行业视野。目前而言，除了将传感器和MCU整合到SoC当中，把蓝牙、WiFi等通信技术作为拓展功能整合到产品中也逐步成为一种产品发展趋势。
可穿戴设备市场高速增长，带动低功耗MCU需求提升。据IDC报告数据显示，2020年全球可穿戴设备出货4.45亿台，同比增长28.4%。2015-2020年间，全球可穿戴设备市场一直保持高速扩容态势，IDC预计2024年可穿戴设备出货量将达6.37亿台，对应2021-2024年复合增速为9.4%，仍将保持较高增速增长。智能穿戴设备以无线耳机、智能手表与智能手环为主。针对无线耳机而言，配套的耳机充电盒配备1颗MCU芯片，主要用于实现充电盒跟耳机的双向通信以及控制电量显示灯等功能。智能手表与智能手环则主要配置低功耗设计的MCU，以保证器件的续航能力。随着可穿戴设备市场的出货量持续增长，我们预计低功耗MCU需求量也将稳步增长。
图表22：2015-2020年全球智能可穿戴设备出货量
资料来源：IDC，中金公司研究部
图表23：恩智浦i.MX RT500芯片在智能手表上的案例
资料来源：NXP论坛，中金公司研究部
图表24：OnePlus Watch智能手表拆解
资料来源：iFixit，中金公司研究部
供需错配行业景气度提升，长期产能有望保障需求增量
MCU呈现紧缺状态，交货周期延长&价格上涨
疫情系MCU供需错配起因，产能供给落后于需求复苏。需求端看，2020Q1国内汽车领域受疫情影响产销下滑严重，2020Q2海外疫情开始爆发，影响全球汽车销量，而2020年第三季度起，汽车需求超预期复苏，对MCU需求回暖，补充库存的需求强劲。供给端看，2020年初汽车需求疲软，上游MCU厂商遭大幅砍单，而需求回暖时海外疫情仍在蔓延，主要由海外厂商供应（2020年全球车规级MCU Top7市占率98%）的车用MCU产品开工不足，产能受限，叠加2020年底意法半导体罢工、2021年初恩智浦德州晶圆厂受暴风雪冲击、瑞萨电子某一厂商发生火灾等意外事件的影响，MCU芯片市场整体呈现供不应求状态。
图表25：2019-2021年国内汽车月度销量情况
资料来源：中国汽车工业协会，中金公司研究部
图表26：2020年全球车用MCU竞争格局：CR7达98%
资料来源：IHS Markit，中金公司研究部
短期MCU紧缺仍有望持续，随产能释放预计2022年逐步缓解
短期来看，受产能集中、疫情反复影响MCU缺货状态还在持续。MCU在汽车领域的需求广泛，针对不同的应用MCU规格不一，现有车用MCU制程技术以28~65纳米为主，产线营运成本高，恩智浦、瑞萨、英飞凌、德州仪器及微芯科技等海外IDM厂多采取晶圆委外代工策略。据台湾资策会MIC表示，车用芯片IDM制造厂委外比重约15%，委外产品以MCU为主，其中约70%的部分由台积电制造代工。整体来看，车用MCU产能主要集中于海外前七大IDM厂商与台积电，而IDM厂商扩产速度有限，且对于扩大原有生产线而言最快也需6-9个月时间。对于台积电而言，其产能利用率已接近满载，据半导体行业观察信息，在今年半导体视讯峰会（2021年5月20日）中，台积电表示将通过调度其他产业客户的产能，将MCU产量较2020年提升60%，较2019年疫情流行前的水准提升30%，但从决策到产能释放再到供货仍需一定时间，根据平均交货期时间推算，我们预计MCU紧缺将于2022逐步缓解。
图表27：海外IDM厂商委外MCU代工情况
资料来源：IHS Markit，中金公司研究部
中长期看，晶圆厂新建产能释放有望保障MCU需求增量。前已述及，海外MCU短期产线难以扩充，但受疫情与天气等意外影响的产能恢复主要是时间问题。中长期看，我们预计随着产线需求增长与扩产投放，有望逐渐弥补MCU供需缺口：1）对于占据委外MCU主要份额的台积电而言，其除了整合调度提升60%（较2020年）的MCU产量的措施外，也将重点扩产南京厂（28nm）以支持汽车MCU产能，并承诺投资280亿美元用于缓解产能问题，包括在北美新建一家工厂，新建产线预计3年后有望投入使用；2）集成整合度较高的意法半导体计划提高其MCU新品产能；3）英飞凌在奥地利有一座新的12寸晶圆厂，专门用于生产车用芯片，将在2021年底建成投产；4）联电、中芯国际与华虹等国内主要的MCU代工厂商产能也在加大扩产计划。因此我们预计长期而言MCU在制造端产能逐步扩充，可保障下游驱动的需求增量。从制程节点来看，MCU通常采用40纳米以上的的工艺节点制造，对于车规级MCU而言，目前最先进的制程为22nm/28nm，相比现逻辑芯片已到达的3nm/5nm而言，MCU对于制程的要求并不高，主要原因系受制于嵌入式闪存（Embedded flash，可简写为Eflash）的最先进制程节点。全球MCU代工厂中，台积电的Eflash工艺节点领先，28nm已实现量产，22nm制程已于2020年完成技术验证。
全球MCU市场海外巨头主导，多因素催化国内厂商进入供应体系
MCU市场集中度高，前五大海外厂商占据七成以上
全球MCU市场份额高度集中，国际大厂占据主导。根据英飞凌年报披露，2019年全球MCU市场份额中，瑞萨电子（Renesas）、恩智浦（NXP）、英飞凌（Infineon）、微芯科技（Microchip）与意法半导体（STMicroelectronics）五大厂商占据了76%的市占份额，在高度集中的MCU市场中，由于下游市场的发展与变化，各大厂商通过进一步并购竞争对手的方式快速补充产品线以巩固市场地位，如恩智浦收购飞思卡尔（Freescale）增强车载芯片实力，英飞凌收购赛普拉斯（Cypress）完善汽车与工业MCU的产品布局，微芯科技收购Atmel拓宽ARM内核产品线等。
图表28：2019年全球MCU前五大厂商占据76%
资料来源：Infineon 年报，中金公司研究部
图表29：2019年中国MCU竞争格局
资料来源：CSIA，中金公司研究部
海外厂商各有优势，产品品类日臻完善。根据前五大海外巨头公告与官网，我们将其主要优势领域与产品线梳理如下：1）瑞萨电子：MCU全球市占第一，汽车业务为主要收入来源，2018年率先推出全球首款28nm车规级MCU；2）恩智浦：侧重车规级MCU布局，2020年在全球汽车MCU行业占比26%，仅次于瑞萨电子；3）英飞凌：收购赛普拉斯（车规级MCU全球第四），进一步完善汽车芯片布局，稳固全球车用MCU第三地位，并缩小与全球前二的差距；4）微芯科技：以工控与消费级MCU为主，收购Atmel拓宽ARM内核产品线；5）意法半导体：借助32位ARM架构丰富MCU产品类型，主要应用于消费电子领域，在中国MCU市场占比第一。总结而言，五大海外厂商中前三大厂商（瑞萨电子、恩智浦、英飞凌）占据车规级MCU高地，微芯科技与意法半导体以消费与工控MCU为主。
图表30：全球MCU前五大厂商的MCU产品应用领域与系列情况示例
资料来源：各公司公告，各公司官网，中金公司研究部
国产厂商迎来发展契机，细分赛道切入为主要突围方式
国产MCU厂商替代空间充足，现大多集中于中低端市场。根据CSIA数据，国内MCU市场中国厂商现有份额约为16%，自给率有很大提升空间。目前国内厂商主要采取的突围方式为做小做精，从细分领域切入，以时效和价格为驱动，从专用领域做起进驻行业客户，不断提升产品的性能和稳定性，然后迈向通用领域。对应产品的下游应用领域来看，在消费与中低端工控领域，国内已有不少MCU厂商实现了对意法半导体等海外MCU厂商供应的部分替代；在汽车领域，国产MCU厂商的产品主要集中于车窗、照明、冷却系统等相对简单的控制应用上，目前仅比亚迪半导体、杰发科技、赛腾微电子、芯旺微、国芯科技等少数企业实现车规级MCU量产。我们认为国内MCU厂商产品集中于中低端，在汽车等高端领域突破缓慢的原因主要包括以下三方面：
► 消费等中低端领域MCU技术壁垒更低，车用MCU的要求非常严苛：1）良率要求小于1DPPM；2）工作温度区间范围宽，要求在-40~125+℃之间；3）工作寿命要求超过15年；4）需通过特定的资质认证，包括AEC-Q100可靠性标准、符合零失效的供应链质量管理标准IATF 16949规范、符合ISO26262标准的ASIL功能安全保证级别（严格程度从低到高）。
► MCU芯片的价格占整机成本的比例低：即使国产MCU厂商开发了高端MCU产品，并且相对海外厂商更具价格优势，但对于下游客户而言，MCU占其整体产品成本的比例小，国产MCU与进口MCU的价格差距不足以驱动高端用户验证技术上不够成熟的国产MCU产品。因此，国产MCU长期被禁锢在低端领域，难以迈上更高的台阶与进口MCU竞争。
► 生态环境的建设相对落后：在MCU整个生态环境建设上，多数国产MCU企业还停留在开发板、烧写器和基础固件库上，在开发环境（IDE）、实时操作系统（RTOS）方面，仍然依靠第三方更高层应用的支撑。在生态环境层面，国产MCU企业与国际MCU大厂依旧相距甚远。
图表31：消费级/工业级/汽车级MCU之间的区别
资料来源：与非网，中金公司研究部（注：DPPM代表百万个零件中不合格样品的个数）
图表32：汽车芯片等级
资料来源：CSDN，中金公司研究部（注：数字越小，等级越高）
图表33：国内MCU设计厂商车规级产品进展
资料来源：各公司公告，各公司官网，中金公司研究部
MCU缺货潮引发供应危机，国内企业迎来发展机遇。根据2019年CSIA数据，国内MCU市场仍以前五大海外厂商主导（CR5达74%），而此次从2020Q3开始的MCU缺货潮带来的涨价与交货延长促使下游客户审慎供应商过于集中的问题，对于以汽车为主的下游客户而言，丰富供应商体系将是长期战略规划，已积累一定技术的国内MCU厂商有望迎来加速验证机会，我们认为国内供应商有望迎来发展良机：1）具备发展MCU的半导体制造与封装测试的产业链环境；2）一定的人才储备：过去十几年，国外企业为我国培养了大量高技术人才，优秀人才不断输入国内MCU厂商；3）对于国内下游客户而言拥有距离与服务响应更快的优势；4）国内广阔的MCU需求市场：从物联网、智能家居到汽车电子、无线通讯与人工智能等下游需求旺盛的领域，国内均有广泛的消费群体和应用场景，这是本土MCU厂商生存成长的天然土壤；目前我国MCU厂商集中于消费与中低端工控领域，量产车用MCU的厂商仍然稀缺。而汽车电子是全球MCU最大下游市场，长期发展而言，车规级MCU是国内领先MCU厂商的必争之地。我们预计随着本土整机厂给予国内MCU厂家的验证机会增多，国内厂商有望通过不断增强MCU的产品竞争力，实现产品销量与应用领域的同步增长，助力市占份额的提升。
图表34：国内MCU厂商迎来发展机遇
资料来源：半导体行业观察，中金公司研究部
责任编辑：王涵
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