2019年中国雷达传感器用芯片行业概览.pdf

1 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 2019 年中国雷达传感器用芯片行业概览 分析师：陈夏琳 2019 年 11 月 概览标签：芯片、雷达传感器、自动驾驶、MCU、DSP、MMIC、FPGA、ADC 概览摘要：雷达传感器是无人驾驶汽车的“眼睛”，包括超声波雷达、毫米波雷达及激光雷达。芯片是雷 达传感器的核心组件，对雷达传感器的性能起到决定性作用。雷达传感器用芯片由主芯片（MCU、DSP、 FPGA）、雷达芯片（如 MMIC、ASIC）和其他辅助芯片（如 PMI、ADC）构成。中国雷达传感器用芯 片高度依赖进口， 其中， 超声波雷达的芯片进口依赖程度约为 90%， 毫米波雷达和激光雷达用芯片则 100% 为进口产品。但在国家利好政策和自动驾驶发展进程加快等因素推动下，预计 2018 年至 2023 年中国雷 达传感器用芯片年复合增长率将达到 43.0%， 2023 年中国雷达传感器用芯片市场规模将达到 100.5 亿元。 起步时间晚、汽车行业的封闭性和人才缺失是中国雷达传感器用芯片进口依赖的主要原因 中国雷达传感器用芯片已逐渐实现技术突破，与国际一流水准的技术差距在逐步缩小，但国产率低依然较 低，主要原因有三：（1）中国雷达传感器用芯片行业起步时间晚；（2）雷达传感器的主要应用领域 汽车行业，因标准极高而存在一定封闭性；（3）芯片行业薪资低，造成相关专业人才缺失。 中国雷达传感器用芯片行业出现集成化趋势 更高的集成度在不影响性能的同时，可以降低器件尺寸、功耗以及雷达芯片的成本，雷达传感器用芯片行 业出现集成化趋势，企业可通过单芯片集成、算法固化等多种方法提高其集成度和可靠性。 毫米波雷达用芯片是最佳投资标的 毫米波雷达在应用广度、市场化进程及综合性能三方面均优于超声波雷达及激光雷达，其延展性极强，向 下可以替代超声波雷达，向上可以取代激光雷达，从应用领域角度分析，毫米波雷达用芯片将是最具应用 前景且最具投资价值的雷达传感器用芯片。 企业推荐： 意行半导体 加特兰 岸达科技 报告提供的任何内容（包括但不限于数据、文字、图表、图像等）均系头豹研究院独有的高度机密性文件（在报告中另行标明出处者除外）。未经头豹研究院事先书面许可，任何人不得以任 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2-5 中国雷达传感器用芯片行业市场规模（按销售额统计），2014-2023 年预测. 16 图 2-6 中国雷达传感器用芯片行业经营模式 . 17 图 2-7 中国雷达传感器用芯片行业销售模式 . 18 图 2-8 中国雷达传感器用芯片行业产业链 . 19 图 2-9 中国雷达传感器用芯片下游应用占比情况，2018 年和 2023 年预测 . 21 图 3-1 中国整车厂供应商国产化目标 . 22 图 3-2 恩智浦 2018-2021 年汽车电子营收预测 . 23 图 3-3 中国毫米波及超声波雷达装载量预测，2019-2023 年预测 . 24 图 4-1 商业级、工业级、汽车级芯片对比 . 25 图 4-2 中国 ADAS 市场模型，截至 2019 年 11 月 . 26 图 5-1 中国雷达传感器用芯片相关政策，2005-2019 年 . 27 图 6-1 雷达传感器用芯片单芯片集成度演变历程 . 30 图 7-1 中国雷达传感器用芯片进口依赖程度 . 31 图 7-2 意行半导体产品情况 . 34 图 7-3 加特兰第二代 ALPS 产品情况 . 36 图 7-4 岸达科技 ADT2001 芯片产品情况 . 38 4 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 5 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 1 方法论 1.1 研究方法 头豹研究院布局中国市场，深入研究 10 大行业，54 个垂直行业的市场变化，已经积 累了近 50 万行业研究样本，完成近 10,000 多个独立的研究咨询项目。 研究院依托中国活跃的经济环境， 从智能驾驶、 雷达传感器、 集成电路等领域着手， 研究内容覆盖整个行业的发展周期，伴随着行业中企业的创立，发展，扩张，到企 业走向上市及上市后的成熟期， 研究院的各行业研究员探索和评估行业中多变的产 业模式，企业的商业模式和运营模式，以专业的视野解读行业的沿革。 研究院融合传统与新型的研究方法， 采用自主研发的算法， 结合行业交叉的大数据， 以多元化的调研方法， 挖掘定量数据背后的逻辑， 分析定性内容背后的观点， 客观 和真实地阐述行业的现状， 前瞻性地预测行业未来的发展趋势， 在研究院的每一份 研究报告中，完整地呈现行业的过去，现在和未来。 研究院密切关注行业发展最新动向，报告内容及数据会随着行业发展、技术革新、 竞争格局变化、政策法规颁布、市场调研深入，保持不断更新与优化。 研究院秉承匠心研究， 砥砺前行的宗旨， 从战略的角度分析行业， 从执行的层面阅 读行业，为每一个行业的报告阅读者提供值得品鉴的研究报告。 头豹研究院本次研究于 2019 年 11 月完成。 6 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 1.2 名词解释 超声波雷达： 利用超声波测算距离的雷达传感器装置， 通过发射、 接收 40kHz、 48kHz 或 58kHz 频率的毫米波，根据时间差测算出障碍物距离，当距离过近时触发报警装置 发出警报声以提醒司机。 毫米波雷达：一种使用天线发射波长 1-10mm、频率 24-300GHz 的毫米波作为放射 波的雷达传感器。 毫米波雷达通过处理目标反射信号获取汽车与其他物体相对距离、 相 对速度、角度及运动方向等物理环境信息。 激光雷达：通过分析发射及接收激光束的时间差计算障碍物距离的雷达传感器。 IDM： 集芯片设计、 制造、 封装和测试等多个产业链环节于一身的经营模式， 其设计、 制造等环节均在同一企业内部进行， 可通过内部资源协同优化充分发掘技术潜力， 但采 用该种经营模式的企业规模庞大，管理成本高，资本回报率偏低 Fabless：又称无工厂芯片供应商模式，即芯片供应商只负责芯片的电路设计与销售， 而将生产、测试、封装等环节外包的经营模式。 EDA：电子设计自动化技术（Electronic Design Automation），以计算机为工具， 设计者在软件平台上用硬件描述语言 VerilogHDL 完成设计文件， 再由计算机自动完成 逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对特定目标芯片完成适 配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 晶圆： 制造半导体器件的基础性原材料。 极高纯度的半导体经过拉晶、 切片等工序制备 成为晶圆，晶圆经过一系列半导体制造工艺形成极微小的电路结构，再经切割、封装、 测试成为芯片，广泛应用到各类电子设备当中。 SiC：碳化硅，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐） 等原料通过电阻炉高温冶炼而成的半导体材料， 具有化学性能稳定、 导热系数高、 热膨 7 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 胀系数小、耐磨性能好等优点。 衬底： 具有特定晶面和适当电学、 光学和机械特性， 且用于生长外延层的洁净单晶薄片。 MCU： 微控制单元 （Microcontroller Unit） ， 是把中央处理器 （Central Process Unit) 的频率与规格做适当缩减，并将内存（Memory）、计数器（Timer）、USB、A/D 转 换、UART、PLC、DMA 等周边接口整合在单一芯片上的控制器。 Bit：二进制的单位，指单片机处理器一次运算所能处理数据的长度。 HMIC：混合微波集成电路（Heterolithic Microwave Integrated Circuit），采用薄 膜或厚膜技术， 将微波电路制作在适合传输微波信号的基片上， 再将各分立有源器件连 接组装起来的集成电路。 MMIC：单片微波集成电路（Monolithic Microwave Integrated Circuit），使用半 导体工艺制造无源和有源元器件的集成电路， 可应用于微波及毫米波频段， 相比 HMIC， MMIC 集成度高、成本低且成品率高，更适合大规模生产。 PMIC 芯片：电源管理集成电路（(Power Management IC），管理主机系统电源的 芯片。 SiGe：锗硅，新型半导体材料，锗硅的电子迁移率比硅高，热导性是 GaAs 的 3 倍， 对微电子技术发展具有重要意义。 GaAs：砷化镓，应用最为广泛的半导体材料之一，其电子特性优于硅，噪音低、崩溃 压（电压出现崩溃状况的临界值）高，可用于 250GHz 等高功率场合，广泛应用与移 动电话、卫星通讯和雷达系统。 CMOS： 互补金属氧化物半导体 （Complementary Metal Oxide Semiconductor） ， 是一种大规模集成电路芯片的制作材料。 FPGA：现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array），一种半定制继承电 8 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 路，解决了定制电路灵活性不足问题，克服了原有可编程门阵列电路数有限的缺点。 ASIC 芯片：专门应用集成电路（Application Specific Integrated Circuit），是一种 为专门目的而设计的集成电路， 是一种可编程的半定制芯片， 具有并行处理和可编程的 优势。 SOC： 片上系统 （System on Chip） ， 也称系统级芯片， 是信息系统核心的芯片集成， 是将系统关键部件集成在一起的芯片。 DSP：数字信号处理器（Difital Signal Processor），能够实现数字信号处理技术的专 用集成电路，具备完整的指令系统，可同时处理大量信息。 放大器芯片： 放大射频的前级电路所产生的射频信号功率的芯片， 使接收信号获得足够 的射频功率通过天线进行辐射。 ADAS：自动驾驶辅助系统（Advanced Driver Assistance Systems），利用各种传 感器收集数据，进行数据分析与处理，协助驾驶者进行安全驾驶的辅助系统。 ADC：模拟数字转换器（Analog-to-Digital Converter），将模拟信号转换成数字信 号的芯片。 FCW：前方碰撞预警（Forward Collision Warning），通过毫米波雷达和前置摄像头 不断监测前方的车辆相对距离、 方位及速度， 当探测到前方潜在的碰撞危险时， 发出警 报提醒驾驶员的辅助功能。 ACC：自适应巡航控制（Adaptive Cruise Control），依据设定的车速或者距离跟随 前方车辆行驶的辅助功能。ACC 系统可根据前车速度主动控制本车行驶速度，将车辆 与前车保持在安全距离。 AEB：自动紧急制动（Autonomous Emergency Braking），汽车主动刹车的安全辅 助功能。AEB 系统利用毫米波雷达测出与前车或者障碍物的距离，利用数据分析模块 9 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 将测出的距离与安全距离进行比较，小于警报距离时就进行警报提示并进行自动制动， 从而确保驾驶安全。 LCA：变道辅助（Lane Change Assist），通过毫米波雷达、摄像头等传感器，对车 辆两侧及后方进行探测， 获取其他物体的运动信息， 并结合当前车辆的运行状态， 以声、 光等方式提醒驾驶员最佳变道时机的系统， 可有效地防止变道、 转弯、 后方追尾等交通 事故的发生。 变道辅助系统包括盲点检测 （BSD） 、 变道预警 （LCA） 及后碰预警 （RCW） 3 个功能。 自动驾驶等级： 美国汽车工程协会好美国高速公路安全管理局共同推出的自动驾驶等级 标准，L0 指由人全权驾驶的无自动化汽车，可辅助警告和保护系统，L1 指提供方向盘 或加减速辅助功能的驾驶支援汽车，L2 指部分自动化汽车，L3 指有条件自动化汽车， L4 指高度自动化汽车，L5 指完全自动化汽车，其中，L1-L3 处于 ADAS 阶段，L4 处 于 ADAS+V2X 阶段，L5 处于完全自动驾驶阶段。 瓦森纳协议：又称瓦森纳安排机制，全称为关于常规武器和两用物品及技术出口 控制的瓦森纳协定，旨在控制常规武器和高新技术贸易的国际性组织。 微波：频率为 300MHz-300GHz 的电磁波，即波长在 1 毫米至 1 米之间的电磁波，毫 米波位于该区间。 AEC-Q100：AEC 组织制定的车用可靠性测试标准，是电子及芯片企业进入国际整车 厂的重要凭证， 目前国际大厂已制定车用安全性标准 ISO26262， AEC-Q100 是通过该 标准的基本要求。 基带增益：又称基带放大系数，是基带信号（未对载波调制的待传信号）的输出变化量 和输入变化量之比， 可反映信号的稳定性， 增益越大， 表明输入变量对输出变量的影响 越大。 10 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 相控阵：又称相位补偿基阵，可用以接收，也可用以发射。其工作原理是对按一定规律 排列的基阵阵元的信号均加以适当的移相， 以获得阵波束的偏转。 相控阵不必用机械转 动基阵就可在所要观察的空间范围内实现波束的电扫描，灵活性高。 DBF：数字波束成形（Digital Beam Forming），是天线波束形成原理与数字信号处 理技术相结合的产物，其广泛应用于阵列信号处理领域。 旁瓣压缩：旁瓣（天线辐射图中除辐射强度最强的主瓣以外的波瓣）压缩技术，波瓣越 窄，方向性越好，作用距离愈远，抗干扰性俞强，旁瓣压缩技术可大幅提升波瓣的方向 性和抗干扰性。 深度学习： 一种机器学习算法， 学习样本数据的内在规律和表示层次， 最终目标是让机 器像人一样具有分析学习能力，能够识别文字、图像和声音等数据。 MEMS：即微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System），指的是将机械机构 进行微型化、 电子化的设计， 将原本体积较大的机械结构通过微电子工艺集成在硅基芯 片上的技术。 Flash：通过短时间直接发射出一大片覆盖探测区域的激光，再以高度灵敏的接收器， 来完成对环境周围图像的绘制的探测技术。 LC：液晶相控阵（Liquid Crystal Phased Array），通过外加电压改变液晶的取向， 实现不同阵元的相位调节， 可获得远场光束的偏转效果。 液晶的光学相控阵具有驱动电 压较小、 易于大面积阵列集成的优点， 目前较大规模商用的空间光调制器 （Spatial Light Modulator，SLM)得到了产业界的检验，有望应用在激光雷达领域。 OPA： 光学相控阵技术 （Optical Phased Array） 。 OPA 雷达采用多个光源组成阵列， 通过控制各光源发光时间差， 合成具有特定方向的主光束， 并加以控制实现多方位扫描。 蓝海市场： 与红海市场相对的概念。 蓝海市场指的是现阶段不存在、 未来充满成长空间 11 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 的市场；红海市场指的是现阶段已存在、竞争较为激烈的市场。 12 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 2 中国雷达传感器用芯片行业市场现状 2.1 雷达传感器用芯片定义与构成 根据国家标准 GB7665-87，传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律（数学函数 法则） 转换成可用信号的器件或装置。 雷达传感器是为汽车提供环境感知、 规划决策的智能 传感器， 其核心原理为通过发射微波、 声波或激光并接受回波来进行物体探测， 是自动驾驶 的核心传感器，起到无人驾驶汽车“眼睛”的作用，为无人驾驶提供安全保障。用于环境感 知的主流雷达传感器包括超声波雷达、 毫米波雷达和激光雷达三种。 芯片是雷达传感器的核 心组件，对雷达传感器的性能起到决定性作用。 雷达传感器用芯片由主芯片（MCU、DSP、FPGA）、雷达芯片（如 MMIC、ASIC） 和其他辅助芯片（如 PMI、ADC）构成（见图 2-1）。 图 2-1 雷达传感器应用芯片的构成 来源：头豹研究院编辑整理 超声波雷达、 毫米波雷达、 激光雷达等各类雷达传感器在工作原理和数据处理量上各有 不同，因此其适用的芯片也有所区别： 13 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 （1）超声波雷达：超声波雷达是通过接收超声波回波的时间就算障碍物距离的雷达， 超声波在高速运行情况下具备局限性， 因而超声波雷达只适用于低速测距场景， 如倒车预警， 其数据处理量不大，需要的芯片组合为“MCU（适合计算能力要求不高的应用场景）+超 声波雷达传感器芯片+PMIC（为 MCU 和传感器芯片提供电源）”； （2）毫米波雷达：毫米波雷达利用发射出的毫米波回波来探测障碍物的距离、速度和 角度，毫米波的波束呈现锥状，探测角度大，发射和接收模块仅需 MMIC 芯片即可进行接 发信号。毫米波雷达可探测距离、速度及角度等多种信息，其数据处理量大于超声波雷达， 因而其主芯片还可选择计算能力更强的 DSP 芯片，并辅以 PMIC 芯片； （3）激光雷达：激光雷达是利用激光器发出的激光来探测目标的位置、速度的装置， 以光粒子发射为主要方法， 其波形为直线， 因而车载激光雷达需采用多个激光发射器和接收 器， 建立三维点云图， 从而达到实时进行环境感知的目的。 此外， 激光雷达数据处理量巨大， 包含距离、方位、高度、速度、形状等，其激光发射模块、回波接收模块以及雷达数据处理 模块都由若干个分立芯片构成的板级电路组成，适合大规模组合逻辑电路应用的 FPGA 芯 片或 ASIC 芯片是其最佳选择。 2.2 中国雷达传感器用芯片行业发展历程 进入芯片行业的时机与芯片企业的竞争力一般呈现正向相关关系，进入行业时间越早， 其先发优势愈明显，企业竞争力愈强。 芯片行业为技术和资本双密集型企业， 行业存在极高 的技术门槛且初期投入巨大，进入壁垒极高。因而占据先发优势的企业将获得丰厚的利润， 给企业持续带来雄厚的研发资金， 形成良性循环， 促进其技术研发与专利注册， 从而形成资 金、 技术及客户资源方面的领先优势。 随着先进入者技术不断提升， 行业的标准也将随之提 升，后进入者加入生态圈的难度增加，此外，因需支付先进入者高昂的专利费用，后进入者 14 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 的利润空间受到挤压，其自主知识产权、供应链以及发展等一系列自主性（见图 2-2）也 将随之减弱。 图 2-2 芯片实现自主生产的标志 来源：新华社，头豹研究院编辑整理 根据下图发展时间对比，可发现，中国企业在超声波雷达用芯片、毫米波雷达用芯片、 激光雷达用芯片领域的起步时间均晚于德国、 美国、 日本等其他全球半导体领先国家 （见图 2-3），因而其在雷达传感器用芯片行业的技术积累及产业布局均落后于全球领先水平，芯 片的自主程度及国产化程度低。 图 2-3 雷达传感器用芯片中外发展时间对比 来源：头豹研究院编辑整理 15 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 2.3 中国雷达传感器用芯片行业市场规模 汽车是雷达传感器应用占比最大的下游应用领域， 各雷达传感器在汽车应用占比均超过 80.0%。根据中汽协数据，2014-2018 年，中国汽车产量由 2,372.5 万辆上升至 2,781.8 万辆，年复合增长率为 4.1%，是全球最大的汽车市场。与此同时，消费者对汽车安全性要 求和智能驾驶需求的提升，推动雷达传感器需求量上涨。其中，超声波雷达装载量上涨，平 均增长幅度达到 17.7%，毫米波雷达装载量也从 2015 年的 12.3 万件激增至 2018 年的 500.7 万件，年复合增长率达到 244.0%（见图 2-4）。 图 2-4 中国毫米波及超声波雷达传感器装载量，2014-2018 年 备注：因中国激光雷达尚未在汽车上实现量产，因而此处未将其装载量纳入考量 来源：头豹研究院编辑整理 受益于中国雷达传感器装配数量的提升， 中国雷达传感器用芯片行业市场规模持续增长， 2014-2018 年，中国雷达传感器用芯片行业市场规模（按销售额统计）从 4.4 亿元人民币 增长至 16.8 亿元人民币，年复合增长率为 39.8%（见图 2-5）。其中，受 2018 年中国汽 车产量下跌影响（2018 年中国汽车产量为 2,781.9 万台，同比下降 4.1%），当年雷达传 感器用芯片行业的增速有所放缓，由 2017 年的 54.1%下降至 2018 年的 35.8%。 16 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 图 2-5 中国雷达传感器用芯片行业市场规模（按销售额统计），2014-2023 年预测 来源：头豹研究院编辑整理 预计 2018 年至 2023 年中国雷达传感器用芯片市场规模 （按销售额统计） 年复合增长 率将达到 43.0%， 超过 2014-2018 年年复合增长率， 2023 年中国雷达传感器用芯片市场 规模将达到 100.5 亿元。两因素叠加推动中国雷达传感器用芯片行业增长： （1）在国家政 策大力支持下，雷达传感器用芯片行业迎来发展良机；（2）自动驾驶需求上升，拉动雷达 传感器渗透率继续上升，其中，毫米波雷达将成为增长主力。 2.4 中国雷达传感器用芯片经营模式 雷达传感器用芯片行业投资巨大，如毫米波雷达 MMIC 芯片的投资成本约上亿美金， 行业进入门槛极高，因而行业逐渐垂直分化为 IDM 和 Fabless 两种经营模式： 17 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 图 2-6 中国雷达传感器用芯片行业经营模式 来源：头豹研究院编辑整理 （1） IDM 模式 IDM 模式指集芯片设计、制造、封装和测试等多个产业链环节于一身的经营模式，其 设计、 制造等环节均在同一企业内部进行， 可通过内部资源协同优化充分发掘技术潜力， 但 采用该种经营模式的企业规模庞大，管理成本高，资本回报率偏低。IDM 模式对企业的资 金和技术要求极高，目前，只有德州仪器、英飞凌等资金充足、技术实力雄厚的国际头部半 导体企业采用该模式； （2） Fabless 模式 Fabless，又称无工厂芯片供应商模式，即芯片供应商只负责芯片的电路设计与销售， 而将生产、测试、封装等环节外包的经营模式。该种经营模式初始投资小，创业难度小，企 业的运行费用低，可灵活进行转型。但与 IDM 模式相比，其工艺无法协同优化，技术水平 较低。Fabless 模式已成为雷达传感器用芯片行业最常见的经营模式，中国多数芯片初创企 业均采用该种轻资产经营模式。 2.5 中国雷达传感器用芯片销售模式分析 中国雷达用芯片行业存在三种销售模式（见图 2-7）： 18 此文件为内部工作稿，仅供内部使用 报告编号19RI0850 图 2-7 中国雷达传感器用芯片