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一年半过去了,缺芯的叫声依然喧嚣。

各个行业都受到缺芯的影响。如iphone 13,原计划今年四季度生产9000万部,但因缺芯问题将减产1000万部。造车新势力也纷纷下调交付量预期,据业内人士说有700万辆车因为缺芯卡在产线上。

但相比于去年,情况已有所不同。

随着手机需求的回落和供给端产能的释放,消费级芯片已经逐渐恢复供需平衡,而车规级芯片仍然紧缺。几乎所有的车规级芯片都处在缺货状态,稀缺芯片甚至从几块钱涨到几千块。

为什么车规级芯片缺货最严重?车规级芯片的供需是否发生了结构性的变化?缺芯会为国产芯片商带来哪些机会?本文将尝试回答上述问题。

01

为什么车规级芯片缺货最严重


朱雀基金TMT产业链组认为,车规级芯片缺货的主要原因是汽车整车厂对需求回升的误判,以及疫情引起的停工停产,二者之间形成了巨大的供需差。再加上车规级芯片建厂要求比消费级芯片更加严格,使得车规级芯片缺货持续时间较长。

疫情以后,汽车消费的需求经历了一个快速下降又回升的过程。

2020年上半年,随着疫情的加重,出行需求急剧下降。疫情带来的失业、降薪,对未来风险的担忧,也使得消费倾向变得更加保守。麦肯锡当时预计,2020年世界汽车销量或将减少近3成,中国市场销量下降15%,且短期内不会恢复。

车企纷纷下调全年的销售预测,对上游芯片的采购量也急剧下降。4月份,汽车芯片月销量同比下降超过30%。

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然而,需求的回升比预计的快很多。2020年下半年,中国和欧美的汽车需求都开始回暖,中国的汽车销量几乎回到了疫情前的同等水平。

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汽车需求的回升带来了上游芯片的需求回暖,汽车芯片销量从6月开始快速回升。然而,汽车厂商没有预测到这种快速的反弹趋势,上游的汽车芯片厂商也没有接收到需求的反弹。这导致了所有的车规级芯片都出现缺货现象。

其实,疫情前的2019年,半导体已进入下行周期,资本投入更为谨慎。

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2020年之后,在疫情冲击下,众多半导体厂停工停产,尤其是马来西亚。马来西亚的封测产能约占全球产能的13%。车规级MCU的封装和测试,很大一部分在马来西亚完成。在传统燃油车半导体中,MCU是价值量占比最高的品类,高达为23%,是最重要的汽车半导体之一。

2021年后,马来西亚的疫情持续恶化,多家芯片厂出现工人感染,工厂不得不停工停产。半导体的交货周期普遍拉长,尤其是MCU,交货周期由5-8周上升到了23-52周。这使得MCU成为汽车芯片中缺货最严重的品类。

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除了MCU封测环节受阻,8英寸晶圆的紧缺也是导致车规级半导体缺货的一大原因。车规级芯片主要用到8英寸晶圆,汽车需求的反弹,使得8英寸晶圆需求快速上升。

但无论是MCU芯片还是8英寸晶圆,供给端短时间之内都无法扩产。

02

半导体厂商为什么不扩产能?


MCU的封测产线成熟,需求稳定,厂商历来都是按照严格的需求预测计划缓慢扩产。此次疫情使得马来西亚工厂停产,导致MCU紧缺。但疫情只是暂时的冲击,经历过多轮市场周期的半导体厂家不会因此而轻易扩产。

对于8英寸晶圆来说,问题则更为复杂。

半导体产线成本高,建设周期长。一般而言,一条8英寸产线需要15亿美元投资,建设周期是2年。即便厂家愿意付出这个成本,扩产完成也是2年以后。

相比于建设成本和周期,更严重的问题是缺设备。目前还在生产中的半导体设备大部分是针对12英寸晶圆,生产8英寸晶圆的成熟制程的设备已经停产,只有二手翻新设备,且供给也很有限。在8英寸晶圆景气度较高的时候,8英寸二手设备的价格已经与新设备相差无几。

部分代工厂为了抢占车规级芯片的市场,不惜以贵4-5倍甚至10倍的成本,用12寸设备生产8英寸晶圆 。12英寸晶圆的成本要比8英寸高很多,这种生产方法会导致成本数倍增长。但烧钱并不能解决所有问题,比如操作设备的工程师,需要多年的行业know-how的积累,并非一朝一夕能够培养。

此外,牛鞭效应也使得半导体厂商在扩产时非常谨慎。牛鞭效应是指供应链上的一种需求变异放大现象,使信息从终端客户传导到生产端的过程中逐级放大。  

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汽车半导体的供应链非常复杂。通常所说的设计、制造、封装、测试,只是半导体的产业链,最终产出的是芯片。但是芯片厂并不直接对接整车厂,这中间还有芯片经销商、各级供应商等众多环节。

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首先是经销商向芯片厂采购芯片,然后销售给电子元器件商,用于生产各种零部件。电子元器件商供货给三级供应商,即通常说的Tier 3。Tier 3 将生产的组件供给Tier 2。一级供应商即Tier 1,属于系统集成商,向Tier 2采购模块,进行系统集成。整车厂只需要向Tier 1 采购已集成好的模块,进行组装。

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需求从整车厂到Tier 1、Tier 2、Tier 3再到经销商,最后到芯片制造商,整个传导的过程中,可能会放大好几倍。

除了对于汽车需求反弹的误判,汽车供应链本身的复杂性,汽车的电动化和智能化,也是车规级芯片缺货的其中一个原因。尽管并非主要原因,但从边际变化上看,可能会在未来形成一股巨大的驱动力。

03

汽车电动化和智能化

给半导体行业带来了怎样的改变?


芯片按照下游应用,可分为消费级、工业级和车规级,2019年,分别占76%、12%和12%的份额。但2021年后,汽车大规模电动化和智能化,车规级芯片的占比迅速提升。

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不同于消费级芯片十几纳米甚至几纳米的制程,车规级芯片对制程线宽要求不高,一般50-130nm之间即可。但车规级芯片对质量和稳定性要求非常高。车规级芯片一旦出现故障,可能引发人身安全问题。两类芯片不能通用。

车规级半导体主要是功率半导体、MCU、存储器,再加上传感器、USB等其他数量相对小的半导体。


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功率半导体是电子装置中电能转换与电路控制的核心,在新能源汽车中主要用于电池动力模块。如IGBT,被称为电力电子行业的CPU,是耐高压、高频的电力电子开关器件,能源变换与传输的核心器件,IGBT在汽车上的应用以高压电能变换为主。

MCU俗称单片机,属于算力芯片,一个芯片里烧进一个控制程序,比如控制车窗玻璃的升降、雨刷的摆动等。由于MCU的算力非常低,一般只用于简单的控制功能。自动驾驶相关的控制芯片,对算力要求高很多。智能座舱一般用SoC,自动驾驶会用到CPU、GPU、NPU、FPGA以及ASIC等。

从成本上来看,传统燃油车中半导体只占总成本的4%,而新能源汽车中半导体占成本比重为传统燃油车的数倍。这对于车规级半导体的需求是一个巨大的提升。

在传统燃油车半导体中,MCU价值量占比最高,为23%、功率半导体的价值量占比为10%。纯电动汽车由于增加了动力电池、电机和电控,功率半导体价值量提升至55%,,MCU的价值量占比则下降到11%。

传统燃油汽车大概需要500-600颗芯片,智能汽车需要的芯片高达1000颗,有的甚至超过1500颗。2020年,具备L1自动驾驶功能的汽车销量为438万辆,按照每辆车1000颗芯片计算,需要的芯片数量为43.8亿颗。

这样的场景多年前也出现过。2014年,中国普及4G网络,移动互联网大发展,大量消费电子产品迅速崛起,中国半导体消费量跃居世界第一。

现在,新能源车的爆发带来的缺芯危机,或将给中国半导体行业带来第二次机会。


04

缺芯下的国产替代面临怎样的机遇?


“断芯”和“缺芯”危机下,半导体行业快速崛起的龙头公司,部分替代了外资半导体公司。

此外,随着下游需求多元化,尤其是智能汽车的兴起,半导体行业必须有本地化服务能力,在此背景下本土公司的优势凸显。

中国半导体产业链在不断成熟的过程中,从上游材料设备到下游模组,再到终端品牌和各个行业,都有了解决方案,产业链上下游关系日益成熟。中国科研体系也越来越多将科研成果转化为实际产业能应用的技术。

整体上,在下游需求增长以及国产替代的背景下,半导体各个领域都有长足的发展空间,具体细节上主要分为以下几个方向:

1)设计:我国企业重点布局的领域,部分高端领域仍为进口。在行业分工细化的背景下,依托全球先进产能的支持,国内芯片设计企业快速发展。

2)制造:受限与贸易摩擦的背景,一方面,我国先进制程发展受到一定阻碍,但是仍然在艰难寻求突破;另一方面,为满足下游快速增长的需求,成熟制程将加速发展,产能扩张有望提速。

3)封测:大陆封测厂商实力较强,全球前十中有三家大陆厂商,为了配套快速成长的上游设计、制造产能,预计封测行业在未来仍有长足空间。

4)上游装备、材料:上游装备技术壁垒高,材料种类繁多,目前主要依赖进口。出于供应链安全角度的考量,在自主可控的需求下,可以看到制造、封测产线加快对国产设备、材料的应用,预计未来相关行业本土化进程将大幅提速。
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