【中金科技硬件】“芯”机遇系列一：万物智联，入口传感升级
The following article is from 中金点睛 Author 薛辉蓉彭虎等
图文并茂讲解中金深度研究报告
半导体的投资逻辑：市场规模=旧终端*（1+电子化提升率）+新终端*渗透率。旧终端电子化率的提升、新终端渗透率的增长，均以传感器为关键入口。后疫情时代，随着消费者对健康关注度的提升、制造业对数字化生产的重视、以及智能汽车的加速渗透，我们认为传感器产业链有望成为2023年及更长期的投资主线之一。
摘要
全球传感器市场规模可观，产业链诞生了营收近六千亿人民币的器件/设备龙头和营收超千亿人民币的芯片龙头。根据Allied Market Research，2020年全球传感器市场规模约1700亿美元，该机构预计到2028年达到3428亿美元，年均复合增速9.2%。汽车市场增速有望高于行业平均，根据Markets and Markets，2021年全球汽车传感器市场规模251亿美元，预计到2026年达475亿美元，年均复合增速13.6%。全球MEMS传感器龙头、汽车Tier 1龙头德国博世Bosch FY21营收787亿欧元；全球模拟芯片龙头美国德州仪器TI FY21营收183亿美元。因此传感器赛道规模大，产业链龙头效应显著。
我国占全球主要消费市场，但传感器产业链缺乏龙头。A股上市公司中，营收规模由大到小依次是图像传感器芯片厂商韦尔股份、传感器/存储/MCU芯片生态化布局的兆易创新、无线通信射频前端芯片厂商卓胜微、声学传感器封装/模组的国产龙头歌尔微电子（已提交IPO申报），FY21营收分别为241亿元、85亿元、46亿元和31亿元。而在模拟芯片和汽车传感器领域，国产龙头圣邦股份和保隆科技等FY21收入仅分别为22亿元和39亿元。
全球产业链重塑的背景下，我们认为国产传感器产业链有望诞生优秀的龙头公司。我国物联网和新能源汽车需求旺盛，关键芯片生产所需的材料、工艺和设备国产化能力强，我们认为新形势下有望实现供需内循环。
风险
终端消费不及预期；工业数字化不及预期；上游半导体晶圆扩产不及预期。
正文
引言：万物智联，入口传感升级
传感器是数字经济时代关键的硬件入口之一，通过感知和测量真实世界，将其数字化后进行处理，再结合特定算法，实现硬件终端的智能化。传感器是一种器件或者装置（根据国家标准GB7665-87），下游是各类终端设备，包括手机、可穿戴设备、工业设备和汽车等。中高端智能手机中的传感器多达十余种，包括声学传感器、压力触控器、图像传感器、惯性加速度传感器和位置传感器等；与手机互联的可穿戴产品越来越发挥健康监测的功能，高端智能手表中包含的传感器超过10个；我们认为中高配汽车传感器数量更有望高达上百个，功能复杂多样，以电动车电池管理系统中使用到的电流传感器为例，基于电磁感应原理通过磁传感器测量电流大小并通过总线将信号传送给微控制器计算电池荷电状态。
需求：物联网和汽车双轮驱动
我们看好万物互联时代传感器的成长空间，尤其是物联网（智能穿戴、智慧家居、智慧工业等）和智能汽车带来的增量需求。根据Allied Market Research，2020年全球传感器市场规模约1700亿美元，该机构预计到2028年达到3428亿美元，年均复合增速为9.2%。汽车市场增速有望高于行业平均，根据Markets and Markets，2021年全球汽车传感器市场规模为251亿美元，预计到2026年达475亿美元，年均复合增速为13.6%。
图表：全球物联网连接数（左）、全球新能源汽车销量（右）及全球各等级ADAS渗透率
资料来源：OICA，头豹研究院（ADAS渗透率预测），中金公司研究部
► 物联网：随着健康监测和智能互联需求的提升，穿戴和家居成为重要的传感器入口。以智慧健康芯片为例，以体温计、体脂秤、智能手环和人体分析仪等健康测量设备为依托，可以实现对人体各种生理参数的测量，例如，人体成分的分析主要是通过测量人体阻抗来完成；血氧仪则是基于光电转换效应，由光电二极管作为敏感元件检测人体血液含氧量。
► 智能汽车：智能汽车呈现电动化、智能化和网联化特征，三电系统新增电池监测和电机控制的传感器需求，传统车身部件电子化率的提升也创造了新需求，如电动门窗、座椅等，此外ADAS[1]和自动驾驶依赖的环境感知硬件也带动如图像传感器、激光/超声波/毫米波雷达等需求。其中，激光雷达受益于自动驾驶更显著、且单车价值量更高。据Yole，2020年全球车载ADAS激光雷达市场规模约0.95亿美元，Yole预计到2032年超过96亿美元。
图表：手机和智能穿戴、医疗健康、电动出行、智能汽车传感器功能展示
注：ADAS全称Advanced Driver Assistance System，高级驾驶辅助系统
资料来源：比亚迪半导体招股书，苹果官网，芯海科技公告，中金公司研究部
供给：受益于“内循环”的政策顶层设计
传感器市场相对分散，各领域仍以海外厂商为主导，并且集中度较高。测量对象和应用场景的多样化造成传感器的技术原理、产品形态和材料工艺千差万别，因此市场呈现碎片化特征。此外，由于传感器对采样速度、精度以及一致性等性能要求较高，需要长期的技术和工艺积累，海外龙头供应商主导市场份额。通用型传感器市场，博世Bosch、博通Broadcom、威讯Qorvo、ST意法半导体和德州仪器TI等占主导；汽车传感器市场，以国际Tier 1厂商为主，包括Bosch、大陆ContinentalAG、博格华纳BorgWarner、森萨塔科技Sensata、日本电装DENSO、英飞凌Infineon、Elmos、安波福Aptiv、Allegro、TI和亚德诺ADI等；车载激光雷达领域，法雷奥Valeo、Velodyne、Luminar、Aeva、Innoviz等。
图表：车载传感器整机市场规模（2021年）、主要供应商
注：标*为已上市公司或拟上市公司，其中安培龙拟上市，华工高锂为华工科技全资子公司；豪威科技为韦尔股份控股子公司；
资料来源：Yole，中金公司研究部
我们认为产业链上下游的配套不足是造成国产传感器实力弱的主要原因。一方面，下游汽车、工业等领域对安全性、产品一致性要求较高，切换供应商并联合研发的动力不强，另一方面，上游关键芯片和电子元器件的国产化能力弱，制约了器件/模组/整机的整体竞争力。2021年1月工信部发布《基础电子元器件产业发展行动计划（2021~2023年）》，提出我国电子元器件产业存在整体大而不强、龙头企业匮乏和创新能力不足等问题，为面对百年未有之大变局和产业大升级、行业大融合的态势，加快电子元器件及配套材料和设备等基础电子产业发展。规划到2023年电子元器件销售总额达2.1万亿元，力争15家企业营收规模突破100亿元，产品端重点发展电路类元器件、连接类元器件、机电类元器件、传感类元器件、功能材料类元件和光通信器件；市场端重点发展智能终端市场（手机和可穿戴、无人机、VR/AR设备、环境监测设备）、5G、工业互联网和数据中心、新能源和智能网联汽车、工业自动化设备、高端装备制造市场。
此外，我国于2020年首次提出“构建国内国际双循环相互促进的新发展格局”[2]，党的二十大报告进一步阐释“增强国内大循环内生动力和可靠性，提升国际循环质量和水平”，2022年12月中央经济工作会议再次提出“更好统筹国内循环和国际循环”。内循环的关键是对接好供给和需求，我们认为传感器产业链从关键芯片的设计、生产，到模组封装，以及功能软件和操作系统等均具备国产化的能力。
因此，我们看好政策驱动、以及供需内循环背景下国产传感器产业链的发展机会。以下，我们将立足产业链整体并分不同环节解读行业发展机遇。
产业链：从芯片、模组到Tier1，国产化空间仍大
传感器是一个完整的数据采集系统，含模拟和数字电路。传感器的核心是数据采集，即将被测对象的各种参量（物理、化学或生物量）通过各种敏感元件做适当转换之后，再经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统进行处理、分析、存储和实现。成套的数据采集系统（Data Acquisition System，DAS），由敏感元件（Sensor）、模拟前端（AFE， Analog Front End ）和微控制器（MCU， Microcontroller Unit）等组成，其工作原理是：从Sensor接收到模拟电信号，由AFE通过放大器放大，再由ADC把模拟信号转化为数字信号，经过MCU处理。其中，AFE是信号链的组成部分，一个完整信号链除了信号感知和处理外，还包括由DAC还原为模拟信号的过程。
长期来看，随着电子材料和微电子技术的升级，数据采集系统的电路结构呈现两大发展趋势：一是多个传感器芯片可以集成封装，或者在AFE中整合更多的信号通道和功能模块，来应对同时测量多个目标的场景，简化电路设计；二是SoC化（System on Chip，系统级芯片），即在单芯片上集成Sensor、AFE和MCU中的任意两者或三者。以磁传感器为例，行业龙头Melexis采用CMOS工艺，将信号调节电路集成到霍尔芯片中，推出全球首款可编程线性霍尔IC，最新的霍尔IC还集成了微控制器，并结合ROM可编程算法实时处理复杂信号，实现最佳性能的同时缩小了芯片尺寸。
图表：传感器电路基本模块
资料来源：纳芯微招股书，芯海科技公告，中金公司研究部
从完整的产业链构成看，传感器产业链呈现链条长和环节多的特征。1）上游，除核心芯片（敏感元件、信号链和数字处理芯片）外，还包括精密零部件、电子元器件（如线路板、连接器和被动元器件等），此外，具备连网功能的传感器还涉及通信芯片/模块的供应；2）中游，由各类Tier ½供应商构成，主要完成传感器的产品设计、组装和销售；3）下游，包括各类传感终端设备，包括消费、工业、通讯和汽车等。
从产业链各环节的特征看，我们认为传感器市场呈现两头专用、中间通用的特点，即敏感元件/芯片和传感器终端的专用性较强，而配套的模拟前端芯片、处理器芯片、通信芯片/模块的通用性较强。主要原因在于，不用类型的传感器基于不用的采样原理收集信息，敏感元件的设计、材料和工艺需要针对特定需求定制化开发，而传感器设备由于需要在特定领域形成品牌效应，也都产生了专门供应商。也基于以上原因，传感器厂商为保证高毛利、功能定制化，通常自研敏感元件/芯片。
我国占全球主要消费市场，但传感器产业链缺乏龙头。我们梳理发现，A股传感器产业链上市公司中，营收最大的为图像传感器芯片厂商韦尔股份，FY21营收241亿元，其次是传感器/存储/MCU芯片生态化布局的兆易创新，FY21营收85亿元，再次是无线通信射频前端芯片厂商卓胜微，FY21营收46亿元，最后是声学传感器模组的国产龙头歌尔微电子（拟上市），FY21营收31亿元。而在模拟芯片和汽车传感器领域，国产龙头圣邦股份和保隆科技等FY21收入仅分别为22亿元和39亿元。全球产业链重塑的背景下，我们认为国产传感器产业链有望诞生优秀的龙头公司。我国物联网和新能源汽车需求旺盛，关键芯片生产所需的材料、工艺和设备国产化能力强，新形势下有望实现供需内循环。
图表：A股传感器全产业链厂商业务及业绩梳理（营收和净利润单位为：亿元人民币，市值截至2023.1.1）
注：①业绩指标为2021年；②单价信息来自各公司招股说明书，对应时间为上市当年
资料来源：各公司招股说明书，中金公司研究部
传感芯片：市场规模小，集成化大势所趋
敏感元件/传感芯片[3]Sensor是传感器的核心元件，负责将被测量到的非电参量转换成为电信号。精度、输出噪声、功耗、温漂、抗浪涌电压等是核心指标。
由于输入信号和应用场景的差异，传感芯片具有非标准化的特征，市场相对分散。传感芯片有众多分类方式：1）按照被测量性质，有温度、湿度、重量、压力、压强、电压、电流、惯性加速度、位置、声音、气体、电磁波等；2）按照工作原理，有磁电效应（霍尔效应和磁阻效应）、压电效应、压阻效应、光电效应、热电效应（塞贝克效应）等；3）按照制造工艺，有MEMS（微机电系统）、CMOS（互补金属氧化物半导体）[4]、CMOS-MEMS集成等；4）按照导电材料，有半导体、陶瓷和压电衬底等。
根据WSTS，2021年全球半导体市场规模约5559亿美元，其中集成电路、光电子器件、分立器件和传感器（含执行器）分别占83%、8%、6%和3%。狭义的传感芯片（含执行器）主要是指基于压电效应、压阻效应、热电效应和磁电效应等的敏感元器件，市场规模合计约191亿美元，具体包括惯性（加速度和角速度）、压力、温度和磁传感器，2021年市场占比分别为16%、14%、14%和10%。广义的传感芯片还包括基于光电效应的光电子器件，由于市场规模较大且分工专业化，成为独立统计的对象，2021年市场规模434亿美元，具体包括图像传感器、发光二极管、光线传感器、激光器、激光检测器、光耦、红外发光二极管和显像管等，2021年市场占比分别为45%、29%、5%、5%、2%、5%、3%和1%。
MEMS：规模最大的传感芯片，市场稳增长
MEMS传感器芯片市场规模近百亿美元，占传感器芯片总市场的一半，未来仍有望稳定增长，目前国产化率仍低。MEMS是一种加工工艺，它利用半导体加工技术在硅晶圆上制造出微型电路和机械系统，经封装和切割组装形成硅基换能器，具有微型化、功耗低、成本低等优势，可用作加速度、角速度、压力和执行器等多种传感器芯片的生产制造。根据Yole，2020年全球MEMS传感器市场规模约120亿美元，预测2026年达183亿美元，年均复合增速7%。2020年消费电子、汽车、工业和医疗分别占MEMS市场的59%、17%、10%和6%。其中射频滤波器、压力传感器、惯性传感器和声学传感器是MEMS的主要应用，2020年市场占比分别为17%、15%、12%和11%。
► 射频滤波器领域格局集中，博通Broadcom和威讯Qorvo市占率合计约90%（2020年，根据Yole），国产厂商几乎空白，目前已经有技术、产能和产能布局的厂商包括天津诺思、武汉敏声、开元通信、锐石创芯等[5]；
► 压力传感器领域市场相对分散，博世Bosch、泰科TE、英飞凌Infineon CR3占比57%（2020年，根据Yole），森萨塔Sensata、恩智浦NXP、霍尼韦尔Honeywell紧随其后，此外还有安费诺Amphenol、意法半导体ST和松下等，国产参与者较多，但整体规模较小；
► 惯性传感器领域，应美盛Invensense[6]、Bosch、ST等技术和份额领先；
► 声学传感器的国产化进展较为迅速，包括歌尔微电子和敏芯股份，但歌尔微电子目前主营MEMS封装业务，采购英飞凌Infineon芯片为苹果Apple客户等提供封装业务，2021年自研芯片搭载率为10%。
对比其他传感器制造工艺，MEMS具有可批量生产、但技术复杂度高以及定制化属性强的特征，国际龙头主导市场份额并普遍采用IDM（垂直整合制造）[7]生产模式。（1）相比传统机械系统，MEMS由于足够小型化，可通过微纳加工工艺批量生产；（2）相比标准CMOS工艺，MEMS由于复杂的微小机械系统的存在，制造过程需要兼顾电路和机械系统，而不同的传感器又拥有不同的机械特性，使得MEMS在晶圆制造和封装测试环节都有较强的定制化特征，有“一种产品，一种制造工艺”，海外龙头厂商普遍采用IDM生产模式。
图表：MEMS芯片加工和封测复杂度高（左）、市场以海外龙头为主（中）、龙头普遍采用IDM生产模式（右）[8]
资料来源：InvenSense，Yole，歌尔微电子招股说明书，各公司官网，中金公司研究部
国产MEMS传感芯片的参与者以Fabless[9]为主，虽然我们认为IDM更有助于中长期发展，但是考虑到技术发展阶段，中短期立足Fabless模式，同时获得先进的、充足的代工资源成为国产厂商参与全球竞争关键。根据Yole，全球领先的MEMS晶圆代工厂包括赛莱克斯Silex、Teledyne DALSA、索尼Sony、台积电TSMC、X-Fab、APM、IMT、世界先进VIS、高塔半导体Tower Jazz、联华电子UMC等。我国有赛微电子、中芯集成、华虹宏力等。
2016年9月赛微电子以7.5亿元完成对Silex的收购。Silex为全球MEMS代工龙头，2000年成立于瑞典，2015年被收购前拥有6英寸和8英寸产线各一条，晶圆厂两座FAB1和FAB2，赛微电子收购完成后，于2021年6月在北京完成Silex FAB3的扩建。Silex的MEMS工艺技术全球领先，尤其是针对MEMS工艺定制化的特点，通过生产过程中的工艺总结和定义，Silex开发了可以被重复利用的、标准化的工艺模块“Smartbock”，以及集成这些工艺的生产流程“Sil-Via”等。我们认为通过收购海外龙头公司，有利于加速国产厂商在MEMS生产技术上的突破。
磁传感：受益于新能源汽车，增长弹性显著
磁传感器以半导体材料和CMOS制造工艺为主，是仅次于MEMS的第二大类传感器芯片，市场规模约25亿美元，未来将显著受益于新能源汽车，并且国产厂商加速突破。
磁传感器包括霍尔和磁阻（xMR，含AMR、GMR和TMR）两大类， 2021年市场需求占比依次为67%和31%（根据Yole）。霍尔磁传感器应用相对更广泛，它使用标准化的CMOS生产工艺，将霍尔元件、稳压电路和运算放大器集成，规模量产性和成本较优。霍尔磁传感器功能上可分为线性霍尔、开关霍尔两类，前者输出模拟量，输出是和输入量成正比的电压；后者输出数字量，根据电路电平状态变化输出0和1，进而控制开关通断。
根据Yole，2021年磁传感器市场规模为25亿美元，汽车、消费和工业市场占比分别为63%、23%和14%，受益于新能源汽车三电系统对电流检测需求的提升，Yole预计到2027年磁传感器市场有望达到44.8亿美元，年均复合增速为10.2%。
根据博世，传统汽油车上MEMS传感器超50个，功能包括压力、惯性、温度、气体和声音等，单车价值量预估1000元左右；磁传感器超过30个，功能以开关、电流和角度为主，单车价值量约150元。虽然磁传感器的市场规模、单车用量都远小于MEMS传感器，但考虑到磁传感器下游汽车需求占比超过60%，同时新能源汽车新增了技术难度大、产品要求高的电流检测应用场景，因此我们认为新能源时代，磁传感器的增长弹性更大。HEV中至少有八相电流需要检测，BEV中有五相电流需要检测。[10]结合产业调研，我们预计新能源汽车三电系统[11]增加约5~10颗磁传感器用作电流检测，其中电机电控约3~6颗，电池BMS约2~3颗，单车价值量新增约40元，推动磁传感器单车价值量整体提升至200元左右。
图表：单车传感器用量测算（左）、单车磁传感器用量测算
资料来源：灿瑞科技、比亚迪半导体招股说明书，中金公司研究部测算
竞争格局方面，全球磁传感器市场主要由美国、日本和欧洲公司主导，行业龙头包括Allegro、英飞凌Infineon、迈来芯Melexis、AKM和东电化TDK等；国产参与者包括比亚迪半导体、灿瑞科技、纳芯微、艾为电子、赛卓电子（未上市）、麦歌恩（未上市）等。由于缺乏权威的市场份额统计，我们以上市公司财报数据为统计依据，对比分析国内外竞争差距，2021年Melexis、Allegro、灿瑞科技收入分别为6.4亿欧元、5.9亿美元、5.4亿元，其中磁传感器部分收入分别约4.5亿欧元、5.0亿美元、1.9亿元，差距仍较大。
不同于MEMS传感器定制化的生产工艺和封装，磁传感器（霍尔为主）使用标准的CMOS晶圆生产工艺，具备相对成熟且充足的产能资源，因此行业参与者均采用晶圆代工，自主封装的业务模式。根据灿瑞科技招股说明书，为减小外部环境在封装过程中引入的磁场误差，自建封装测试产能，通过对设备进行无磁化的定制改造，可以进一步确保磁传感器芯片性能的稳定性和可靠性，因此公司采用“Fabless+封装测试”。
模拟前端：龙头公司诞生地，强者恒强
模拟前端AFE主要由线性产品（含放大器和比较器）、模数转换器ADC构成，与后端数模转换器DAC、各类接口产品共同构成信号链。2021年全球模拟芯片市场规模为670亿美元，通用和专用芯片分别占41%和59%，市场规模为272亿美元和397亿美元。其中通用芯片由信号链（含线性、转换器和接口等）和电源管理芯片构成，分别占37%和63%；专用芯片包括通讯、汽车、消费、计算和工业等应用领域，分别占52%、27%、7%、6%和8%。
从成长性的角度，技术升级方面，芯片集成化以减少外围电路是大势所趋（正如此前所述），专门的信号调理ASIC芯片、集成化的传感器芯片有助于智能传感终端小型化、便携化；以血氧检测仪为例，高集成的模拟前端芯片可以节省分立电子元器件（某公司高集成度产品可以节省1个4通道运放、超过30个被动器件和1个线性稳压器LDO[12]）。而在生产工艺端，模拟芯片BCD生产工艺向着高压、高功率和高密度三个方向演进，目前已升级到65nm，并且向着标准化、模块化发展。（BCD是将高精度的BJT器件、高集成度的CMOS器件和作为功率输出级的DMOS器件同时集成到单芯片上的技术）。
市场需求方面：数字核处理器的工艺制程已升级至5nm并向3nm及更高阶制程演进，为保证可靠性和漏电流的要求，处理器的供电电压也要随之减小，催生数字核处理器与周边器件电压转换的新需求。此外，我们认为物联网和智能汽车市场的增长有望带动传感元件、信号链需求的提升。
以BMS为例：BMS硬件功能主要包括：电池包/电芯参数检测（电流、电压和温度）、充电控制、均衡和保护、数据通讯以及热管理。使用到的芯片有电流/电压/温度/位置传感器、模拟前端芯片AFE（含采样敏感元件、ADC和隔离器）、控制器MCU、通信接口、时钟芯片等。具体芯片的用量和选型与电路拓扑结构有关。由于电池采用多个电池包串联（每个电池包由多节电芯串并联），AFE芯片的用量取决于单颗AFE所能检测的单体电池包串数，AFE芯片颗数*单颗所能管理的电池包串数=所能管理的电池总容量。以ModelS 85kWh型号为例，电压402V，电池板由16个电池组串联连接，每个电池组由6个单体电池包串联，每个电池包由74节18650电池并联，合计多达7104节电池。根据比亚迪半导招股书，其BMS AFE芯片可支持16节电池电压的通道检测，具备较高的采样精度和速率。
竞争格局方面，欧美日厂商主导模拟前端芯片市场，根据IC Insights，2018年全球前十大模拟芯片供应商合计60%份额。国内模拟集成电路厂商起步较晚，产品以中低端芯片为主。在技术积累和政策支持下，国产化发展迅速。我们认为模拟前端厂商的竞争优势在于：一，更全的产品品类；二，更高的集成度；三，自建安全产能，保证供应链稳健。
图表：2020~2021年全球前十大模拟芯片厂商收入
资料来源：WSTS，中金公司研究部
图表：2021年全球模拟芯片市场竞争格局
资料来源：WSTS，中金公司研究部
以全球模拟芯片龙头德州仪器TI为例，公司拥有自建产能，并持续推进扩产。根据官网，TI目前在全球15个国家拥有12座晶圆厂、7座封装测试工厂以及多个凸点加工和晶圆级测试中心，用于内部生产配套；并持续推进12寸晶圆以及封测产能扩张。目前有3座12寸晶圆中心正在建设中，其中两座已于2022年下半年相继投产，未来还有一座已于2022年动工建设，TI预计于2025年投产。此外，传感器和工业控制龙头Bosch也拥有部分晶圆产能。
图表：全球模拟芯片龙头德州仪器（TI）主要晶圆、封测产能布局、FY21收入结构拆分
注：数据截至2022年11月
资料来源：TI官网，中金公司研究部
微控制器：通用性强，汽车市场占比高
MCU是微控制单元（Micro Control Unit，又称单片机），执行计算和控制的功能，它将CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存、定时器、I/O端口、串行口和中断系统等整合在单一芯片上，根据应用场景的不同，部分MCU还集成了A/D、D/A、PWM、PCA、WDT[13]等功能部件、以及SPI、I2C、ISP等数据传输接口。根据WSTS，2021年微型逻辑芯片市场规模为802亿美元，其中MPU、MCU和DSP分别占72%、24%和4%，对应市场规模578亿美元、196亿美元和28亿美元。相较于MCU简单的控制功能，MPU（Micro Processor Unit，微处理器）代表更强大的CPU计算功能，因而价值量和市场规模更大；DSP（Digital Signal Processors，数字信号处理器）处理信号的实时性更强，作为CPU的功能补充，常以分立元件或者被系统级芯片集成的形式出现，市场规模相对有限。
根据WSTS，2021年MCU市场中通用型、汽车和智能卡分别占比51%35%和14%，对应市场规模100亿美元、68亿美元和 28亿美元。
MCU是汽车各种电子控制单元ECU的主要组件，广泛应用于ADAS、车身、底盘及安全、信息娱乐、动力系统等。根据中国汽研，MCU用量占车用半导体器件总量的30%。传统汽车平均单车用量可达70颗，我们认为智能汽车MCU数量有望超100颗。车身控制芯片对算力要求较低，通常以8位MCU为主，工作频率在16-50MHz，有简单耐用、低价的优势，主要应用于车窗、车门、雨刮等车身控制领域；动力域、座舱域、辅助驾驶传感器等对处理能力要求较高，以32位MCU为主。整体而言，我们认为32位MCU将成为车载主流，原因在于随着汽车从传统的分布式EE架构向集中式架构迭代，域控制器将大量ECU功能整合，作为汽车运算决策的中心，处理传感器收集的海量数据，伴随着边缘端MCU处理能力由8/16位升级到32位。
图表：全球微型逻辑芯片市场规模（左）、2021年不同类型MCU占比（中）、汽车MCU应用分析（右）
资料来源：WSTS，中国汽研，中金公司研究部
图表：车载MCU和SoC功能对比
资料来源：IHS，WSTS，中汽协，中金公司研究部
全球MCU市场高度集中，瑞萨科技、恩智浦、ST、英飞凌和微芯科技等占据主要份额，根据Omdia，2019年前九大国外MCU厂商份额合计约76%。国内MCU厂商主要参与消费和家电市场，近年来逐步导入汽车领域，从与安全性能相关性较低的中低端车规MCU切入，如雨刷、车窗、环境光控制等车身控制模块，并逐步开始研发未来汽车智能化所需的高端MCU，如智能座舱、ADAS等。根据Omdia，比亚迪半导体（未上市）是中国领先的车规级MCU芯片厂商，其他参与者还包括兆易创新、芯海科技、中颖电子、国芯科技、峰岹科技和杰发科技（四维图新子公司）等，未上市公司包括琪埔维半导体、赛腾微电子、芯旺微和华大半导体等。
图表：2020~2021年全球前十大MCU厂商收入
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
图表：2021年全球MCU芯片市场竞争格局
资料来源：IC Insights，中金公司研究部
通信芯片：以太网PHY芯片显著受益于智能汽车
通信芯片用于传感器终端和网络的连接，含有线和无线两种方式。通信芯片有统一的协议和规则，并且由于应用场景需求的多元化，协议种类也丰富多样。
1）有线通信协议，以太网（Ethernet，ETH）应用最为广泛，包括运营商、企业网等，而针对特定应用领域行业内联盟共同制定相关协议，消费电子市场有USB、HDMI、MIPI、LVDS、VGA和DP/eDP等，汽车市场有CAN、LIN、MOST和FlexRay等，工业市场有串行数据接口（RS-485、RS-232等），电力线通信有PLC（Power Line Communication），智能表抄表有M-BUS等。
2）无线通信协议，包括远距离蜂窝通信、远距离非蜂窝通信、近距离通信、以及卫星导航定位通信，其中蜂窝通信按1G到5G持续迭代升级，远距离非蜂窝通信包括WiFi、Zigbee、NB-IoT和Lora等，短距离通信包括蓝牙、UWB和RFID等，卫星导航定位通信包括北斗/GPS/Glonass/Galileo等。
图表：通信协议梳理
资料来源：3GPP，SIG，中金公司研究部
物联网通信以无线通信为主，不同类型的终端联网方式各有差异，手机作为智能化程度高的终端，集成各类无线通信功能；笔记本电脑以WiFi和蓝牙为主；TWS耳机使用蓝牙传输音频；智能手表使用蓝牙、WiFi一体化芯片；智能健康监测以蓝牙为主；智能家居以WiFi为主；智慧园区则使用丰富多样的短距离低功耗无线连接方式（Lora/Zigbee/NB-IoT/UWB/ SigFox等）。物联网通信芯片由基带（Modem）和射频前端（RFFE）构成，大部分场景下基带与主处理器集成为SoC芯片，射频前端仍以分立芯片的形式为主。
未来无线通信芯片的成长空间依然很大。根据GSMA，全球无线网络覆盖率和网络使用率之间仍存在较大差距，2021年全球无线网络的人口覆盖率的已经从十年前的70%提升至94%，但是GSMA表示仍然有约32亿人口（占总人口的41%）未使用无线网络服务。根据GSMA，2021年全球智能手机渗透率为75%，预计到2025年提升至84%；2021年全球物联网连接数为151亿个，预计到2025年提升至233亿个，其中蜂窝物联网连接数有望从2021年的21亿个提升至2025年的41亿个[14]。
智能汽车车内通信以有线通信为主，车载网络多年发展至今已形成以CAN总线为主流，多种总线技术并存的解决方案。但在汽车电子电气架构升级、分域管理和整车轻量化的趋势下，我们认为以太网通信有望作为核心技术支撑，一方面提升通信带宽，另一方面降低车内走线的复杂性，此外还能减少整车重量。以太网电路接口主要由数据链路层（MAC）和物理层（PHY）[15]两大部分构成，汽车大部分处理器已包含MAC控制，PHY芯片承担了将线缆上的模拟信号和设备上层数字信号相互转换的职能。PHY芯片是一个复杂的数模混合芯片系统，芯片中包含高性能SerDes、高性能ADC/DAC、高精度PLL等AFE设计，也包括滤波算法和信号恢复等DSP设计，需要数字、模拟、算法全方位技术经验以及完整产品设计团队。
以Aquantia[16]的汽车ADAS以太网架构为例，每一个传感器（包括摄像头、激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达等）侧都需要部署一个PHY芯片以连接到ADAS域的交换机上，每个交换机节点也需要配置若干个PHY芯片，以输入从传感器端传输过来的数据。根据以太网联盟的预测，随着汽车智能化应用需求推动的车联网技术不断发展，未来智能汽车单车以太网端口将超过100个。根据中国汽车技术研究中心有限公司的预测，2021~2025年车载以太网PHY芯片出货量将呈10倍数量级增长，2025年中国车载以太网物理层芯片搭载量将超过2.9亿片。
根据中国汽车技术研究中心的数据，2021年全球以太网物理层芯片市场规模为120亿元，其中车载以太网芯片市场规模约47亿元，该机构预计2022~2025年全球以太网物理层芯片市场规模保持25%以上的年复合增长率，到2025年突破300亿元。
整体而言，通信芯片均呈现寡头垄断的竞争格局。1）蜂窝通信芯片市场，Qualcomm、MediaTek占主要份额，此外还有韩国三星、中国大陆的紫光展锐、海思半导体、翱捷科技等；2）非蜂窝通信芯片市场，Broadcom和Marvell为全球Wi-Fi芯片龙头，Nordic和Dialog在低功耗蓝牙芯片领域占据近50%份额，Decawave和NXP在UWB芯片领域占据主导地位，国内非蜂窝通信芯片的参与者有乐鑫科技、博通集成、恒玄科技、中科蓝讯等。3）以太网PHY芯片市场，2020年美国博通美满电子、德州仪器、高通和中国台湾瑞昱四家厂商占据全球超过90%的市场份额。目前境内仅少数厂商能够大批量供应多速率、多端口的以太网物理层芯片。我国以太网物理层芯片自给率较低，下游厂商使用的以太网物理层芯片高度依赖境外进口。国产厂商有裕泰微、景略半导体等。
图表：全球主要通信芯片市场竞争格局，无线（左）、有线（右）
资料来源：Strategy Analytics，中金公司研究部
传感器封装/整机：海外龙头布局关键芯片自研、自产
消费类电子终端由于高集成度、轻量化、小型化，传感器通常以封装完成的芯片的形式应用在终端，芯片供应商和终端品牌形成直接的供应关系；工业控制、汽车电子等应用由于零部件复杂，实行分域管理（车身域、底盘域、座舱域、动力域电池管理和电机驱动控制系统、自动驾驶域），传感器芯片需要以模组/整机产品的形式，配合主控算力芯片、电源管理芯片、通讯接口芯片以及其他电气部件通过Tier ½厂商再供货给终端品牌客户。
整体而言，全球传感器市场格局相对分散，整体以海外龙头大厂为主。测量对象和应用场景的多样化造成传感器的技术原理、产品形态和材料工艺千差万别，因此市场呈现碎片化特征。此外，由于传感器对采样速度、精度以及一致性等性能要求较高，需要长期的技术和工艺积累，因此强者恒强，海外龙头大厂长期占据主导地位。通用型传感器市场由博世、博通、Qorvo、ST意法半导体和TI等主导，汽车传感器市场以国际Tier 1厂商为主，包括博世、大陆、BorgWarner、Sensata、DENSO、英飞凌、Elmos、Aptiv、Allegro、TI和ADI等；工业自动化领域又西门子Simens、东电化TDK等。
不同于工业自动化和汽车市场，消费类传感器市场集中度相对较高，并且国产厂商排名靠前，但上游芯片自给率仍有较大提升空间。根据Yole，2020年声学MEMS传感器前五大厂商分别为歌尔微电子、楼氏Knowles、瑞声科技、钰太科技和敏芯股份，中国大陆歌尔微电子（A21669.SZ）、瑞声科技和敏芯股份合计占据近50%份额。其中，歌尔微电子受益于苹果Apple大客户，份额提升显著，根据招股书，2018~2021年全球排名分别为第11、第9、第6和第8名，是上榜全球MEMS厂商十强中唯一一家中国企业；2020年MEMS声学传感器市场份额32%，首次超过楼氏位居全球第一。但对比海外龙头厂商，大陆本土企业存在封装和模组能力强、芯片自给率低的问题。根据歌尔微电子招股书，2021年搭载自研MEMS芯片的传感器出货占比约10%，而MEMS芯片采购占总采购成本的43%，供应商以英飞凌为主。
图表：2020年全球声学MEMS传感器前五大厂商
资料来源：Yole，中金公司研究部
图表：2020年全球声学MEMS市占率、歌尔微电子MEMS自研芯片搭载率
资料来源：Yole，中金公司研究部
总结全球传感器龙头厂商的业务特征，我们认为主要有两类：一类是传感器芯片+通用模拟芯片，以模拟芯片龙头TI、ADI和ST等为例；另一类是传感器芯片+模组+软件一体化解决方案，以汽车Tier 1博世Bosch为例。
图表：全球汽车零部件Tier 1在MEMS传感器、汽车半导体领域均占领先地位
资料来源：比亚迪半导体招股书，中金公司研究部
Bosch FY21营收787亿欧元，拥有出行解决方案、消费品、能源技术、工业技术四大业务部门，其中出行解决方案收入占比59%，具体包括动力总成解决方案部门、电机驱动部门、底盘系统控制部门、汽车电子部门等，其中汽车电子部门既对内提供电子控制单元和半导体产品，也对外销售，半导体产品主要包括面向汽车应用的ASIC、功率半导体、MEMS传感器等；再以日本欧姆龙OMRON为例，2021年占据全球血压计市场50%份额，FY21营收7629亿日元，其中工业自动化和健康医疗收入占比分别为57%和17%，上游电子元器件收入占比为14%。
供应链：成熟制程为主，国产半导体代工产能充足
车载芯片以模拟芯片为主，晶圆持续升级至12寸，制程集中在45nm~130nm。完整的汽车芯片应用包括系统级芯片SoC、微控制器MCU、存储芯片和模拟芯片（信号链、电源、传感器）等：
► SoC是“汽车大脑”，承担大算力的功能，用量少价值量高，单车搭载率与汽车价格档位的关系较大，需求的价格弹性较大。生产端，SoC芯片使用12寸晶圆产线，工艺制程为3nm~10nm ，国产先进制程的代工能力以及上游设备、材料和软件的实力提升任重而道远。此外，同样作为数字类芯片的MCU和存储芯片制程分别为28nm~130nm、10nm~28nm。
► 模拟芯片是“毛细血管”，承担信号感知和转换的功能，用量多货值低，需求的价格弹性较小。整体而言，从数量的维度，车载芯片以模拟芯片为主。生产端，模拟芯片使用4/6/8/12寸晶圆产线，工艺类型有CMOS、BCD、eflash和SOI等，主要使用65nm以下成熟制程。MEMS传感器芯片的制程大于180nm，磁传感器和信号调节芯片的制程均大于130nm，电源管理、信号链接口、驱动芯片等的制程为65nm~350nm，CIS由于其数模混合的特征，制程为28nm~65nm。全球模拟芯片IDM龙头不断将产能从8寸向12寸迁移。根据TI官网，每片12寸晶圆的模拟芯片产量可达到上百万颗，是8寸的2.3倍。制程方面，虽然缩小芯片面积可以提升产量，但芯片面积和电压水平、功耗和温度表现是一个平衡，45nm~130nm有助于使芯片达到最优性价比。
图表：不同类型芯片单价（元/颗）
注：细分赛道上市公司招股书中披露的芯片单价；时间截至招股书披露日
资料来源：纳芯微、思瑞浦、格科微、中颖电子、翱捷科技、裕泰微招股说明书，中金公司研究部
图表：不同类型芯片封测成本和晶圆成本对比
注：封测成本率=封测价格（元/颗）÷单价（元/颗）；时间截至招股书披露日
资料来源：Yole，中金公司研究部
图表：半导体产业链、以及制程节点和应用
资料来源：Melexis官网，中金公司研究部
虽然模拟芯片IDM的生产模式更有利于产品质量、产能供应的稳定性，也是海外龙头的成功经验，但考虑到我国半导体产业的发展阶段，我们认为Fabless的纯晶圆代工、Fabless+掌握工艺的虚拟IDM、Fabless+自建部分产能的Fablite、Fabless+自主封装测试等模式，都有望成为我国芯片参与厂商的阶段性选择。封测方面，传感器芯片由于功能、工艺的多样性，众多厂商建立自主封测产线，包括敏芯股份、灿瑞科技和艾为电子等。
因此，国产晶圆代工厂的技术实力是我国半导体行业发展的关键。根据IC Insights和贝恩咨询，中国大陆先进制程（＜14nm）仍落后于中国台湾和韩国，但成熟制程有充分的技术积累和产能保障，上游设备和材料的国产化也在加速。成熟的晶圆代工厂包括中芯国际、华虹宏力、华润微、晶合集成、中芯集成和赛微电子等。其中：中芯国际提供0.35um~14nm多技术节点、不同工艺平台的晶圆代工及配套服务；华虹半导体特色工艺[17]代工平台覆盖全面，包括嵌入式/独立式非易失性存储器、功率器件、模拟与电源管理、逻辑与射频等，8英寸晶圆厂覆盖0.35µm~90nm制程、12英寸晶圆厂覆盖90nm~55nm制程；晶合集成主营12寸 150nm~90nm代工，主要产品为面板显示驱动芯片DDIC，此外具备CIS、MCU等技术能力；MEMS和功率器件等领域的晶圆代工及模组封测；中芯集成主营MEMS和功率器件代工；赛微电子于2016年9月收购的Silex是全球MEMS代工龙头。
图表：全球半导体晶圆代工不同制程的竞争格局
资料来源：贝恩咨询，中金公司研究部
投资建议：关注模拟芯片和汽车Tier 1龙头
半导体的投资逻辑：市场规模 = 旧终端*（1+电子化提升率）+ 新终端*渗透率。我们认为渗透率较高的智能手机代表旧终端，物联网和智能汽车代表新终端，其中物联网包括可穿戴、智能家居和智慧工业。因此，半导体市场规模=手机等*（1+边际创新）+ 物联网*渗透率 + 智能汽车*渗透率。无论是旧终端电子化率的提升，还是新终端渗透率的增长，传感器（元器件或模组）都是关键入口。随着后疫情时代消费者对健康关注的提升、制造业对数字化生产效率的关注、以及智能汽车的持续渗透，我们认为传感器有望成为2023年以及更长期的投资主线。
总结全球传感器龙头厂商的业务特征，我们认为主要有两类：一类是传感器芯片+通用模拟芯片；另一类是传感器芯片+模组+软件一体化解决方案。当然也不排除有利基市场的佼佼者，比如磁传感器领域的Melexis和Allegro，但整体营收规模和业绩体量与龙头仍有差距。我国传感器产业链以中小企业为主，缺乏类似于海外大厂从芯片到模组到软件和解决方案一体化布局的龙头大厂，我们认为全球产业链重塑的背景下，我国物联网和新能源汽车需求旺盛，关键芯片生产所需的材料、工艺和设备国产化能力强，新形势下有望实现供需内循环，国产传感器产业链有望诞生优秀的龙头公司。
风险提示
终端消费、工业数字化不及预期：我们看好传感器市场的前提假设是手机的边际创新、物联网和智能汽车的持续渗透、以及工业数字化。但风险点是：1）苹果是智能手机软硬件创新的风向标，若2023年新机缺乏创新点，则手机出货量或不及预期；2）物联网和智能汽车渗透率提升大势所趋，但是短期受宏观经济波动和购买力的影响，若2023年经济整体承压，则出货量或不及预期；3）工业数字化短期受到企业资本开支规划的影响，若企业缺乏可持续增长的信心，则短期数字化的速度或不及预期。
上游半导体晶圆扩产不及预期：我们认为传感器芯片产业链以成熟制程为主（包括感应芯片、模拟前端芯片、微控制器和通信芯片等），国产晶圆代工厂及上游设备材料具备成熟制程的工艺技术和产能，但风险点是，若下游需求持续增长，上游扩产进度落后，则或将导致供不应求的风险，进而制约了传感器芯片产业链的整体国产化进程。
[1] ADAS，Advanced Driver Assistance System，高级驾驶辅助系统。
[2] 2020年5月召开的中央政治局常委会会议首次提出构建国内国际双循环相互促进的新发展格局。
[3] 敏感元件和传感芯片的关系：由多个分立元件（晶体管、电容、电感和电阻等）构成的集成电路叫作芯片，为方便理解和叙述统一性，后文均使用“传感芯片”一词。
[4] MEMS，全称Micro-Electro Mechanical System，微机电系统，是传感器芯片制造工艺的一种；
CMOS，全称Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，互补金属氧化物半导体，是传感器芯片制造工艺的一种。
[5] 以上公司均未上市。
[6] 应美盛Invensense，已于2016年被日本东电化TDK已13亿美元收购。
[7] IDM，全称Integrated Design and Manufacture，垂直整合制造，半导体产业商业模式之一，此外还有无晶圆厂+代工Fabless + Foundry、轻晶圆厂Fab-Lite模式。
[8] 日本东电化TDK拥有InvenSense、Epcos和Tronics三大子品牌
[9] Fabless，无晶圆厂，主营芯片设计业务，将生产制造交由Foundary（晶圆代工厂）完成
[10] HEV全称Hybrid Electronic Vehicle，混合动力汽车；
PCU全称Power Control Unit，功率控制器；
BMS全称Battery Management System，电池管理系统；
BEV全称Battery Electric Vehicle，纯电动汽车。
[11] 三电系统具体指电池、电机和电控，此外混合动力汽车HEV还有发电机。
[12] LDO，low dropout regulator，线性稳压器。
[13] PCA：可编程计数器阵列，Programmable Counter Array；WDT：看门狗定时器，Watch Dog Timer；
[14] GSMA：《The Mobile Economy 2022》，The Mobile Economy 2022 (gsmaintelligence.com)
[15] MAC，Media Access Control，媒体访问控制子层；
PHY，Port Physical Layer，端口物理层。
[16] Aquantia Corporation是一家高速收发器芯片设计公司，成立于2004年，总部位于美国，产品应用于数据中心、企业网络等的以太网连接。2019年被Marvell以4.5亿美元私有化收购。
[17] 特色工艺是指以拓展摩尔定律为指导，不完全依赖缩小晶体管特征尺寸（简称“线宽”），通过聚焦新材料、新结构、新器件的研发创新与运用，并强调特色IP定制能力和技术品类多元性的半导体晶圆制造工艺，主要包括嵌入式/独立式非易失性存储器、功率器件、模拟与电源管理、传感器等工艺平台。
文章来源
本文摘自：2023年1月10日已经发布的《芯机遇系列一：万物智联，入口传感升级》
薛辉蓉 分析员 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080521090004
彭虎 分析员 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080521020001 SFC CE Ref：BRE806
石晓彬 分析员 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080521030001
成乔升 分析员 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080521060004
臧若晨 分析员 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080522070018
李诗雯 分析员 通信设备 SAC 执证编号：S0080521070008 SFC CE Ref：BRG963
黄天擎 联系人 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080121070283
杨晓宇 联系人 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080121030060 SFC CE Ref：BRA096
查玉洁 联系人 电子（含半导体） SAC 执证编号：S0080122120012
罗善文 联系人 汽车及出行设备 SAC 执证编号：S0080121080251
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