国产家电芯片突围喜忧参半

如今的中国家用电器市场,完全被国产品牌占据,日韩和欧洲品牌在中国的市场占有率已经少得可怜,据统计,中国三大白色家电(冰箱,空调,洗衣机)年产能超3亿台,全球占比约70%。然而,家电中用到的各种芯片,及其采用的技术、产品来源等情况与家电终端产品相比,则要复杂得多。

目前,应用于空调、冰箱、洗衣机、抽油烟机、洗碗机等家电的芯片和模块主要有四类,分别是:微(MCU),功率器件(IPM、IGBT、MOSFET等)和电源管理IC,通信IC和模块,传感器。

随着智能化水平的提升,白色家电中使用芯片的量和价值也在上涨,目前已超过单机价值量的15%,且这一比例还在增长。

在常规家电设备中,MCU和IPM(智能功率模块)是应用最广泛的,前者主要用在智能家电,如吸尘器、洗衣机的智能控制、变频应用场景中,后者主要用于家电的功率管理,IPM的需求主要集中在空调和洗衣机当中,两者占比超过95%。

白色家电,特别是冰箱,在朝着变频化方向发展,与以前机械式产品相比,需要用到更多MCU,很多冰箱现在都有显示面板,需要多一个显示和触控MCU,变频板也要多一个变频MCU,主控板还需要相应的主控MCU,另外,温湿度控制也需要不同的MCU。

与此同时,空调和洗衣机也在朝着变频化方向加速,2023年,空调变频化普及率有望超过70%,洗衣机的变频化普及率也将达到近50%,这些对MCU和功率器件的需求量会进一步上涨。

随着家电用MCU向32位转变,集成化趋势越来越明显,因此,结构升级带来的单位产品附加值显著提升,这就为相应芯片供应商带来了更多商机和利润,为众多厂商提供了开发新技术的动力。

变频化的发展趋势非常有利于IPM,空调风机的变频比例快速上升,对应的小功率IPM需求迎来了快速增长,变频洗衣机销量上涨也提升了市场对IPM的需求量。变频家电需要2-3个IPM模块,这可以将家电中芯片的价值量提升约70%,此外,随着智能化不断升级,高档冰箱将使用5组或更多IPM,空调、洗衣机、洗碗机等通常使用2-3组IPM,使用1-8个电源管理IC。

目前,冰箱冷柜、小家电等主要以IGBT分立器件实现变频或加热,未来,IPM体积会进一步减小,性能越来越高,能耗和价格降低,向高电压、大电流和高集成度模组方向演进,IPM模块的应用占比将持续提升,在冰箱冷柜应用中,IPM未来还有几十倍的增长空间。

国际大厂占主导地位

目前,无论是MCU,还是IPM,特别中高端产品,大部分市场还是被国外芯片大厂把持着。

MCU方面,日本、德国和美国企业的份额最多,前四大芯片供应商占据着76%以上的市场份额,它们是瑞萨电子、英飞凌、德州仪器(TI)和意法半导体(ST),此外,Microchip、恩智浦(NXP)和东芝处在第二梯队。

空调MCU市占率排名前三的厂商分别为Renesas、英飞凌(收购了MCU厂商Cypress)和 TI,三家市占率合计85%左右;冰箱MCU市占率排名前三的厂商是英飞凌、Renesas和 Eastsoft(东软载波),三家市占率合计58.1%左右;洗衣机MCU市占率排名前三的厂商是英飞凌、Renesas和Sinowealth,三家市占率合计67.3%左右。

IPM更是中国本土芯片和模块供应链的软肋,家电设备中,排名前三的IPM供应商为三菱电机半导体、英飞凌和三垦电气,这三家市占率合计在60%以上。

国产化进程

面对巨大的家电市场,以及高端化发展趋势,为了抓住更多商机,中国本土相关芯片企业也在加紧研发进程,争取能从国际大厂手中夺得更多的中高端芯片市场份额。

以MCU为例,最近3年,国内相关企业和芯片产品发展很快,主要得益于几家重点芯片企业前几年的铺垫、验证,使得近3年,特别是2021年,迎来了出货量的爆发。不过,在2022年,受技术壁垒、价格问题和供需关系变化等因素影响,导致国内一些厂商的MCU国产化进程有所放缓。

目前,中国本土家电MCU厂商,如中颖电子、比亚迪半导体、格力零边界、美仁半导体等的产品市占率正在稳步增长,目前占比超过15%。

IPM方面,中国本土产品也保持着良好的发展势头,特别是在2022年,全球功率器件整体供不应求,家电用IPM同样如此,这一年,国内IPM产能释放,极大地缓解了国际大厂产能不足的困扰。本土企业,如士兰微、斯达半导体、格力新元、美垦半导体等的IPM产品市占率达到10%左右。

除了以上提到的本土芯片企业,多个家电设备企业也在研发符合自家产品定位的芯片,以求通过量身定制进一步优化性能和能效,同时掌控关键零部件供应链话语权。

据不完全统计,格力、美的、格兰仕、海信、创维、海尔、康佳、TCL、长虹等家电品牌都已经成立了芯片设计部门,或通过投资初创芯片公司的方式,开发家电芯片。

最具代表性的就是格力、美的、海尔和海信。

格力于2015年成立了微电子所和功率半导体所,2017年成立了微电子部门,开始自研芯片。2018年8月,格力投入10亿元成立珠海零边界集成电路有限公司,专注设计以空调为主的家电MCU、AIoT SoC和功率器件,同年,格力还投入30亿元,帮助闻泰科技收购荷兰功率器件龙头安世半导体。

美的集团于2018年成立了上海美仁半导体有限公司,开始自研芯片。美仁半导体主攻MCU、功率器件、电源管理IC和IoT芯片。

2019年,美的与阿里云合作推出适配AliOS Things的定制芯片,还与三安光电合作成立了第三代半导体联合实验室,研发GaN和SiC功率器件。

美的特别看重IPM的研发,2004年就与当时的国际整流器公司(已经被英飞凌收购了)、德州仪器和日本三洋等成立了变频芯片联合研发实验室,2014年在重庆建设IPM工厂,并在2019年实现IPM模块量产。2021年初,该重庆IPM厂更名为美垦半导体技术有限公司。

相对于格力和美的,海尔和海信在芯片领域的布局更早。

2000年,海尔就成立了北京海尔集成电路设计有限公司、上海海尔集成电路有限公司,前者于2001年成功研发出数字电视MPEG-II解码芯片“爱国者I号”,后者在2005年宣布量产首颗MCU芯片,该公司后来被东软载波收购。

2017和2019年,海尔旗下的优家智能科技有限公司联合瑞昱(Realtek)推出U+物联云解决方案U+云芯和云芯Ⅱ代HR3010。

海信于2005年注资5亿元成立了青岛海信信芯科技有限公司,同年研制出数字视频处理芯片“信芯HiView”VPE1X,使同类进口芯片价格从每颗13美元下降到5美元。2017年,海信收购日本东芝电视,整合其画质芯片设计团队。2019年6月将芯片部门海信信芯和上海宏祐公司整合成立青岛信芯微电子公司。发展至今,其画质处理芯片已经迭代4次。

几家家电企业也先后研发出了适于自家产品应用的芯片,这里就不一一详述了。

2022年,在白色家电MCU需求中,空调的需求量为4.3026亿个,洗衣机为1.5314亿个,冰箱冰柜为1.087亿个。虽然疫情给家电行业带来了一些影响,但整体来看并不严重。

尽管家电市场对MCU的需求量很大,但国内家电厂商多年来依赖于进口MCU芯片,主要来自日本(38.2%)和德国(25.1%)。2016年,空调、冰箱、洗衣机三大白电的芯片国产化率不到2%,近几年,随着国产MCU厂商的快速发展,技术和产品趋于成熟,家电MCU国产替代进程加速,2019年国产MCU仅占比11.1%,2020年上升到12%,2021年,国产MCU占比迅速增加,达到17.4%,据不完全统计,2022年占比约22%,预计2023年将达到27.2%。

2021年,家电国产IPM的全球市场份额约14.7%,这个成绩虽然还不错,但远低于日本的71.3%,还有很大的成长空间。

中国本土家电芯片的问题

近些年,经过国内厂商的不懈努力,中国本土家电芯片取得了长足的进步,国产化率也有所提升,但与进口的国际大厂产品相比,仍有差距。

首先,虽然国产家电芯片没有明显的技术短板,但实际应用规模不够大,使用时间不够长,因此,国产家电芯片稳定性、可靠性和一致性缺乏足够多实时监测数据的支撑,而家电厂商非常注重芯片的可靠性。这样,没有充分的市场数据证明自己可以做得和进口芯片一样,甚至更好,家电厂商就难以放心进行大批量采购,很少被使用,就更难拿到需要的数据,从而形成恶性循环。

其次,国产家电芯片生态系统不够健全,兼容性不如国际大厂产品。家电厂商如果变更家电芯片,需要投入大量的研发资源,一旦国产家电芯片不能满足家电厂商现有平台的要求,不能兼容现有软件,就会增加成本,降低效率,这是家电企业最不愿意看到的。因此,要想让家电企业放心使用国产芯片,必须构建起成熟、健全、稳定,兼容性好的生态系统。

再有,中国家电企业自研芯片也存在一定问题,那就是多为中低端产品,高端芯片仍受制于人。

无论是意法半导体、德州仪器等国际大厂,还是中国本土芯片龙头企业,在芯片研发方面,都比跨界的家电企业具备先天优势,特别是在性价比方面。

一方面,随着消费者对家电节能、智能、互联的需求提升,芯片的功能需求随之变化,而家电企业的灵活性和产品迭代速度有限;另一方面,家电企业在芯片技术上的专业程度和聚焦程度,很难快速赶上芯片厂商。家电企业需要不断加大研发投入,才能弥补这些不足,然而,从近几年研发投入的增长情况来看,家电企业在芯片研发上的投入,与它们想要实现的愿望和效果之间,仍有很大差距,对于很多家电企业来说,这似乎成了一个“无底洞”,有点儿不堪重负了。这就大大降低了它们自研芯片的性价比,而且,越是高端芯片,需要投入的资金量越大,当投入不足时,这些家电企业只能使用自研的中低端芯片,中高端的依然要依赖外购。

未来发展趋势

未来,家电业会朝着高能效、智能化、网络化方向发展,家电设备对于更高端芯片的需求也对国产芯片提出了新的挑战。从芯片的角度来看,智能化意味着需要更多的芯片,需要更大的存储空间,对传感器、更高算力、更智能的处理器,以及可实现智能节能的功率和电源管理芯片,还有多设备互联所需的通信芯片,都提出了更多、更高的要求。同时,软件会更复杂。

家电变频技术普及还有很大空间。空调、冰箱的变频化走得最快,扫地机器人、蒸汽拖把、吸尘器等电机型家电产品的变频化也是趋势。另外,电热型家电产品,如果用IGBT模组,也可实现变频化。这些会促使IGBT/IPM的需求大幅增加。

另外,随着智能化进一步发展,家电的“学习能力”会逐渐凸显出来,随着相关芯片成本下降,用于智能家电的神经网络芯片NPU也会普及开来,同时,用于隐私安全保护和相关数据处理的智能芯片也会在家电领域有广阔的发展空间。