2020年Q3 以来的MCU 涨价缺货状态已持续一年，交货周期也一再延长。那么MCU产能情况有何波动？未来供需是何走向？
今年AI电堂陆续发布过关于MCU的相关文章。如果大家想了解STM32如何在这一年成为理财芯片的，可以阅读往期文章，《缺货涨价行情下，国产替代真的那么香吗？》，《MCU的2020与2021》。
本篇为系列文章第二篇，MCU 产能增长相对有限，未来供需结构将趋于平衡。
《MCU缺货涨价后的国产化浪潮》系列文章：
▷ 第一篇：MCU 需求端多样化，汽车和物联网引领未来成长
▷ 第二篇：MCU 产能增长相对有限，未来供需结构将趋于平衡
▷ 第三篇：全球 MCU 市场高度集中，多因素共振加速国产替代
▷ 第四篇：MCU 会是中国芯片本土化的下一个亮点吗？
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短期供需错配，引发MCU价格暴涨
MCU 缺货状态持续，海内外厂家货期延长价格上升
20Q3 以来全球 MCU 进入供不应求状态，涨价缺货状态持续至今，除了原厂和渠道商价格上涨外，交货周期也呈现出延长局面。
各MCU 原厂多次上调 MCU 价格。国际巨头 ST 在 2020 年底和 2021 年 5 月两发涨价函，宣布调涨逻辑 IC 价格；瑞萨也于 2021 年 1 月调涨部分逻辑 IC 价格；国内 MCU 龙头厂商兆易创新在 2021 年 1 月/4 月两次上调 MCU 价格；另外，中国台湾 MCU 大厂盛群于 2021 年 4 月宣布暂停 2022 年订单并预计近期将涨价 15%-30%，新唐等在此前也纷纷调涨 MCU 价格。受本轮 MCU 涨价影响，自 2020 年下半年起，中国台湾 MCU 厂商营收同比大幅增长。
从经销渠道价格来看，多款 MCU 型号价格上涨 6-10 倍。根据正能量电子网的数据， 在本轮涨价潮之前，STM32 及 GD32 通用 MCU F1系列渠道价格维持在 5-10 元区间，在 20Q3 起，STM32F1系列渠道价格上涨至 55-70 元，兆易创新 GD32F1系列渠道价格上涨至 25-30 元，有的甚至飙涨至 60-70 元。
▲图1：STM32 部分型号渠道价格 来源：正能量电子网
▲图2：GD32 部分型号渠道价格 来源：正能量电子网
从货期来看，据富昌电子数据，2020 年以来，8 位和 32 位 MCU 货期延长至超过 16 周，普遍在 24 周，Microchip 的个别型号货期甚至达到了 55 周。
▲表1：2021Q1 8 位及 32 位 MCU 货期及价格 来源：富昌电子
全球 MCU 厂商对未来 MCU 景气度展望乐观。根据意法半导体展望，本轮 MCU 缺货将至少持续至 2021 年底；受新冠疫情影响，恩智浦表示面临产品严重紧缺和原料成本增加的双重影响，决定全线调涨产品价格；中国台湾盛群、松翰等厂商也表示，面对 MCU 缺货行情，未来有望继续调涨产品价格。
MCU 缺货起源于汽车芯片商后市指引和真实需求的错配
从需求侧情况看，本轮缺货起源于汽车整车厂紧急备货导致上游芯片厂应对不足。
MCU 为汽车 ECU（电子控制系统）的主控芯片，ECU 主要应用在汽车 ESP（电子稳定程序）和 ECO（智能发动机控制）系统中。在 2020 年上半年，蔓延至全球的疫情带来汽车销量骤降，全球汽车芯片厂商纷纷对未来后市持悲观预期，降低汽车芯片库存的同时也下修了代工厂的订单。而自20Q3 全球汽车需求复苏，出货量远超预期，整车厂商临时加单，汽车 MCU 厂商自身芯片库存较低，叠加新增产能短期无法释放，加剧了汽车 MCU 芯片的缺货程度。汽车供应链漫长而复杂，从芯片到整车厂要经过几级供应商，生产、测试到交付整个周期需要至少 6 个月，汽车 MCU 的紧缺也逐步蔓延至消费和工控 MCU 领域。
▲图3：2015-2020 年全球汽车产量及增速
来源：OCIA
从供给侧情况看，汽车 MCU 产能集中，全产业链缺芯情况下汽车 MCU 扩产不及时。
汽车 MCU 制程主要集中在 28nm-40/45nm 和 65nm，属于成熟制程。根据 IHS 数据， 国外大厂均将 MCU 部分或全部外包给台积电等 1-2 家晶圆厂进行生产。
▲表2：车用处理器/MCU 厂商代工厂选择
来源：IHS（*为车用处理器，非 MCU）
由于各 MCU 厂商一般采用不同的架构，产品覆盖范围不同，面向特定客户，所以产业链中 MCU 厂商拿到的订单一般较为固定，晶圆厂按计划分配产能。在下游需求扩张的情况下，如台积电等上游扩产可能并不及时，造成晶圆短缺，MCU 原材料价格上涨。
MCU 特有的经销模式放大了供需缺口。这一轮 MCU 缺货本质上是汽车和 IoT 带来的 MCU 增量市场，同时下游 MCU 产能释放非常有限，形成了供需缺口。由于 MCU 产品型号众多且下游为长尾市场，MCU 厂商均采用分销商 贸易商的销售模式，缺货行情下，经销商会出现结构性的囤货或者炒货情况，也加剧了下游客户对缺货的恐慌程度，于是纷纷加大对 MCU 备货，放大了供需缺口，渠道端出现价格暴涨的情况。
疫情、火灾、大雪等不可抗因素也加剧了 MCU 产能受限，因此 ST、NXP 等 MCU 厂 商多次发布产品涨价函。从全球 MCU 厂商季度财务数据来看，产能普遍受限情况下库 存占滚动 12 个月营收比例持续下滑。
1）意法半导体：
罢工和疫情影响自有 IDM 产能，库存持续下滑，产品多次涨价
意法半导体MCU前端产能采用双线策略，即自有 外包，自有 MCU 产能位于法国 Crolles 和 Rousset，在 2020 年 11 月也因工人罢工而受到影响；同时部分产能外包给台积电生产而不受自己支配。意法半导体位于马来西亚的后端封测厂部分产能用于 MCU 生产，2021 年 5 月 12 日至 6 月 7 日期间，受疫情恶化影响，马来西亚实施全国封锁，进一步影响意法 MCU 生产。
▲图4：左：18Q1-21Q1 ST MDG 部门营收及增速
右：18Q1-21Q1 ST 存货占滚动 12 个月营收比
来源：ST
产能受限叠加下游订单旺盛，ST 库存占滚动 12 个月营收比例自 20Q2 以来持续下滑， 同时 2020 年至 2021 年 5 月 ST 三发涨价函，其 MDG（微控制器和数字 IC）部门营收自 20Q1 以来持续上升，主要系缺货带来的产品涨价所致。
2）恩智浦：
德州大雪影响 MCU 8 英寸产线产能，产能紧缺带来产品全线涨价
恩智浦的 MCU 产能也采用自有加外包策略。恩智浦MCU、MPU自有产能依赖位于美国德州 2 座8 寸晶圆厂，因受德州大雪影响，于 2021 年 2 月 16 日开始停产，目前虽复工复产，但产能此前也受到影响；外包产能交由联电和台积电生产，由于晶圆厂扩产及产能分配不及时，恩智浦 MCU 产能受到影响。
▲图5：左-18Q1-21Q1 NXP 汽车业务营收及增速
右-18Q1-21Q1 NXP 存货占滚动 12 个月营收比
来源：NXP
产能不足的情况下，恩智浦库存在 20Q3 出现大幅下滑局面，存货占滚动 12 个月营收比例也逐季下降至历史低位，因此 NXP 在 2020 年底宣布产品全线涨价。在高景气度下，恩智浦汽车业务 2020 年全年营收 38.3 亿美元，在进入 20Q2 以来，汽车业务营收持续上升。
3）瑞萨电子：
火灾影响自有产能，存货水平逐步下滑同时营收稳步恢复
瑞萨自 2012 年起就开始将部分MCU产能转移给外包给台积电生产，今年则加大转移力度。自有产能方面，2021 年 3 月，瑞萨位于日本茨城县常陆那珂市的一座 12 寸 N3 厂发生火灾，该厂主要生产用于汽车、空调系统等的 MCU。火灾不仅烧毁N3 楼一楼的部分洁净室，还烧毁或影响生成设备共计 23 台。到2021 年 4月至6 月，N3 大楼产能逐步恢复，但瑞萨出货量的恢复预计要到 7 月第三周才能完全恢复。
在 20 年上半年由于疫情，瑞萨存货出现积压，而汽车销量下滑更加剧了其库存上升趋势。在 20Q3 以来，产能受限同时车企订单逐渐增多情况下，瑞萨库存水平明显下滑。
▲图6：左：18Q1-21Q1 瑞萨汽车业务营收及增速
右：18Q1-21Q1 瑞萨存货及占滚动 12 个月营收比
来源：RENESAS
受本轮 MCU 缺货潮影响，瑞萨于 2021 年 1 月起调涨部分逻辑 IC 和电源产品价格。缺 货涨价带来瑞萨营收稳步上升，瑞萨 2020 年实现营收 7157 亿日元（按 20 年汇率折合 为 67.5 亿美元），其中汽车业务占比 47.6%，实现营收 3410 亿日元（按 20 年汇率折 合为 32.2 亿美元），同比增长 10.4%。
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MCU 产能释放相对有限，长期供需态势表现健康
我们在第一篇《MCU 需求端多样化，汽车和物联网引领未来成长》文章中对 MCU 下游需求进行了详细拆分，发现 MCU 长期需求持续旺盛，主要体现在以下几个方面：
1）汽车智能化和电动化带动车规 MCU 需求量提升，同时新能源汽车智能化和电动化程度均要高于燃油车，且新能源车在电池管理等方面更为先进，相较传统燃油车车规 MCU 颗数更多；
2）在工控领域，光伏电站等新能源逐渐普及拉动逆变器、整流器等需求，带动 MCU 需求上升；
3）在家电领域，智能化变频化等智能家居需求同样拉动 MCU 增长；
4）在疫情得到控制之后，消费电子等产品出货量逐步恢复。
综合来看， MCU 未来几年将呈现较为明确的成长趋势。
从制程节点看，全球 MCU 制造目前主要是 40nm 及以上的成熟制程工艺节点，先进车用 MCU 已采用 28nm 制程。目前 MCU 主要集中于成熟制程，一方面系 MCU 本身对算力要求有限，暂不需要 14nm 及以下制程，另一方面，MCU 内置的嵌入式存储自身制程也限制 MCU 制程的提升。
嵌入式闪存（eFlash）是 MCU 中必不可少的组成部分，它不仅需要用来存储代码，而且需要用来存储使用过程中产生的数据，当前制造 MCU 能达到的制程节点很大一部分原因是受限于 eFlash 制程工艺。制造 MCU 时，其存储模块的解决方案有两种：嵌入式存储器（eNVM）和系统级封装 （片外存储器-SiP）。
eNVM 工艺：是在逻辑工艺平台基础上开发的特殊工艺，通过这种工艺生产出带有非挥发存储器模块的芯片。对于不同的 eNVM 工艺，需要增加不同层数的光罩，因此它的工艺成本相比于逻辑工艺有一定增加。
SiP 解决方案：通过 SiP 方式把一颗 NOR 闪存芯片和逻辑芯片封装在一起，代码和数据存储在独立、外挂的 NOR 闪存芯片上。兆易创新多个产品系列均使用 SiP 封装模式。
目前，世界多数 MCU 厂商主要使用 eNVM 方案，但 SiP 方案对于新进入的公司极具吸 引力。SiP解决方案设计简单、设计周期短，从而使厂商降低设计成本、加快上市速度；然而，SiP 解决方案无法满足特定应用场景的所有要求，综合考虑到成本、功耗、速度、 安全性、稳定性和可靠性要求，很多应用场景下，使用 eNVM 是更好的解决方案。
▲表3：存储模块解决方案
来源：格芯
全球MCU 头部厂商均为IDM，多采用成熟制程工艺
全球 MCU 头部厂商均为 IDM，90nm 及以上更成熟的制程主要使用自身的 8 英寸产线 进行制造，但部分先进制程会外包给技术领先的晶圆代工厂。当 MCU 步入 90nm/55nm/40nm/28nm 工艺时，自身 8 英寸在技术上很难满足生产制造，因此传统 MCU IDM 厂商逐步将 MCU 外包给 TSMC、UMC、格芯等代工厂进行代工制造。
以ST为例，ST 全球共有 13 个生产基地，其中3 个工厂用于生产 MCU，主要位于新加坡和法国，包括 8 英寸和 12 英寸产线，据2020 年年报，ST 所有芯片产品中约 24%是由代工厂生产 的，ST 的总产能达到了约当 8 英寸 12 万片/周；恩智浦收购飞思卡尔后，位于美国的工厂成为了生产 MCU 的主力；微芯有 3 个 Fab 用于生产 MCU，均位于美国， 2020 年有 61%的半导体产品由外包工厂生产。
从意法半导体的各产品系列来看，大部分产品还是集中在 180/130nm、90nm 和 40nm 等成熟制程范围。180/130nm 主要是主流型系列，包括 STM32F0/F1/F3 以及 8 位产品 STM8 系列；110nm 产品包括超低功耗的 STM32L0/L1；90nm 制程覆盖的产品系列较广，涵盖了高性能、主流、超低功耗和无线四大类；最先进的 40nm 制程则用于近年推出的产品，包括 2019 年推出的 STM32MP1（MPU）和高性能 H7， 以及 2021 年推出的超低功耗 STM32U5。但基于产品出货量，ST 目前 MCU 主要以 90nm 及以上制程为主。
▲图7：意法半导体 MCU 各系列及其工艺制程
来源：ST
恩智浦和瑞萨是全球主要的汽车 MCU 供应商，它们最先进的车用 MCU 已经采用了 28nm 制程。
▲表4：部分国外 MCU 公司工厂及产能情况
来源：各公司官网及公告、招商证券
国内MCU 厂商均为Fabless，全球 MCU 代工厂主要集中在台积电、联电、格芯、中芯国际和华虹
中颖电子、复旦微等国产 MCU 公司制程主要集中在 90nm 及以上微米级别，兆易创新、乐鑫科技、东软载波等最先进制程 MCU 已经达到 40nm，兆易创新的 GD32E507/GD32E505 高性能微控制器，采用台积电低功耗 40nm 嵌入式闪存制程。
▲表5：国内厂商 MCU 产品工艺节点
来源：各公司官网及公告
全球 MCU 代工厂主要集中在台积电、联电、格芯、中芯国际和华虹等，ST、NXP、瑞萨主要给 TSMC/UMC 代工，国内兆易创新等厂商主要在华虹代工，SMIC 给兆易创新和芯海科技等代工，国内厂商也在 TSMC/UMC 等代工。
▲表6：国内 MCU 厂商代工厂
来源：各公司官网及公告、招商证券
对于全球主要的 MCU 代工厂，台积电的 eFlash 制程范围最广，为 22nm-0.5um，联电最先进的 eFlash 技术可达到 40nm，格芯最先进的 eFlash 技术可达到 40nm，同时 格芯已掌握 22nm eMRAM 技术。
▲表7：全球 MCU 代工厂 eFlash 工艺情况
来源：各公司官网、招商证券
1）全球代工厂 eFlash 技术解读
台积电：全球技术最先进的芯片代工厂，2018 年 eFlash 晶圆出货量位列全球第一，同时 2018 年推出了用于汽车的 40nm eFlash 技术量产，当前已经代工汽车领域的 28nm MCU，截至 2019 年年报，台积电已具备了 22nm-0.5um 的 eFlash 技术。
▲图8：台积电各类技术节点进程图（截至 2019 年年报）
来源：台积电 2019 年商业评论
联电：2017 年推出 40nm eFlash 技术，也是公司目前能达到的最先进 MCU 制程，联电用于制造 MCU 的制程都是 40nm 及以上成熟制程，目前 28nm 和 22nm eFlash 技术正在开发中。
▲表8：联电各类技术节点进程（绿色为已有制程技术，蓝色为开发中制程技术）
来源：联电、招商证券
格芯（Global Foundries）：最先进的 eFlash 制程为 40nm，据官网信息，由于 eFlash 发展到 28nm 以后，在制造工艺上会遇到一定的限制，且 eMRAM（另一种非易失性存储器，磁性随机读取存储器）有望达到比 eFlash 更好的性能，格芯已于 2020 年投产 22nm eMRAM。格芯在全球拥有 5 家 8 英寸晶圆厂和 5 家 12 英寸晶圆厂，近期格芯宣布将在新加坡新建 12 英寸晶圆厂，预计 2023 年完工，当下新加坡晶圆厂的制程为 40nm-180nm，届时年产能将增加 45 万片，整体新加坡厂区年产能上升至 150 万片， 以此支援终端市场高速增长的需求。
▲图9：格芯全球晶圆厂分布
来源：格芯官网
2）全球代工厂制程应用
台积电营业收入以 14nm 及以下先进制程为主，多用于智能手机及 HPC 等高性能应用。据台积电公告，公司 21Q1 营收中，28nm 及以下制程合计占比高达 74%，是公司营收的主要来源，90nm 及以上制程合计占比仅 14%。按平台划分营收，智能手机和 HPC 合计占比达 80%，IoT 和自动驾驶占比分别为 9%和 4%。2018 年后，40nm-90nm 制程范围保持相对平稳趋势。
▲图10：左-21Q1 台积电按制程营收占比
右-21Q1 台积电按平台营收占比
来源：台积电、招商证券
▲图11：左-18Q1-21Q1 台积电部分制程营收（亿美元）
右-18Q1-21Q1 台积电自动驾驶和 IoT 营收（亿美元）
来源：台积电、招商证券
联电的营收主要由成熟制程提供，通信、消费和计算机等为主要营收领域。据公司公告，联电 21Q1 营收中没有 14nm 及以下制程的产品，22/28nm、40nm、65nm 占比都将近 20%，90nm-0.35um 之间的各制程占比接近。按应用领域分类，通信占比达 46%，是 第一大领域，计算机以及消费占比分别为 16%和 27%。从制程拆分数据来看，联电 40/65/90nm 三种制程合计营收稳定，自 19Q4 以来联电并未在 40/65/90nm 制程范围有任何扩产。
▲图12：左-21Q1 联电按制程营收占比
右-21Q1 联电按应用领域营收占比
来源：联电、招商证券
▲图13：左-18Q1-21Q1 联电部分制程营收（亿美元）
右-18Q1-21Q1 联电按应用领域营收（亿美元）
来源：联电、招商证券
3）国内代工厂制程工艺及产能
目前，国内 MCU 代工厂产能较小，具有 eFlash 技术的 MCU 代工厂有华虹宏力、中芯国际、上海华力等。从制程上看，华虹宏力拥有的 eFlash 制程范围最广，为 90nm-0.25um。中芯国际目前已拥有 0.162/0.18um eFlash 技术，与华虹宏力的 55nm 均在验证中。上海华力拥有 55nm eFlash 技术，40nm eFlash 技术正在开发中。
▲表9：国内主要芯片代工厂 eFlash 技术工艺节点
来源：华虹宏力，中芯国际，上海华力、招商证券
华虹集团的 MCU 技术位居大陆代工企业前列，华虹宏力最先进 eFlash 技术达 90nm。华虹集团下属多个子公司，包括华虹宏力、上海华力、华虹无锡等，目前华虹宏力和华虹无锡最先进的 eFlash 技术节点已达 90nm。
▲图14：华虹集团 eFlash 技术发展历程
来源：华虹宏力
华虹宏力的 eNVM 销售收入占比较高，MCU 代工是公司主要营收来源之一。华虹宏力是华虹集团的子公司，是中国大陆地区的重要芯片代工企业，据公司公告，2021Q1 华虹宏力的 eNVM 销售收入占比高达 31%，仅次于分立器件的销售收入占比。
▲图15：左-21Q1 华虹宏力按工艺技术节点的销售收入占比
右-21Q1 华虹宏力按技术平台的销售收入占比
来源：华虹宏力、招商证券
华虹 MCU 产能主要集中在 8 英寸产线，8 英寸产线产能利用率持续保持高位。据公司公告，华虹一厂、二厂和三厂是 8 英寸晶圆厂，MCU 主要使用 8 英寸晶圆生产，三条产线合计产能达到 17.8 万片/月，之后产能未再增加；从 20Q2 开始， 8 英寸产线的产能利用率一直高于 100%，且未来 8 英寸产线没有大幅扩产规划，因此 8 英寸 MCU 产能增长相对有限。
▲图16：华虹 8 英寸产线（华虹一厂、二厂和三厂）产能和产能利用率 来源：华虹宏力
华虹无锡 12 英寸线的产能释放预计会带来 MCU 增量产能。
1）8 英寸产线上的智能卡产能转移至 12 英寸产线，留出 8 英寸 MCU 增量空间。公司 2020 年已将具有 90nm eFlash 技术相关的智能卡产品顺利转移至 12 英寸产线。
2）12 英寸产线 MCU 技术平台逐步完善，预计 21Q3-Q4 逐步输出 MCU 产能。
上海华力最先进的 eFlash 制程已达 55nm。据官网信息上海华力最先进的 eFlash 技术 节点已达 55nm，公司的 55nm 2.5V 和 5V 两个版本均可用于生产 MCU，40nm eFlash 技术正在开发中。上海华力下有华虹五厂和华虹六厂两个 12 英寸晶圆厂，其中华虹五 厂工艺水平覆盖 65/55nm、40nm 和 28nm 技术节点，设计产能为 3.5 万片/月，华虹六 厂主要覆盖 28/22nm 和 14nm 技术节点。
中芯国际是目前大陆最先进的芯片代工厂，最先进的 eFlash 制程为 0.18/0.162um。据公司公告，中芯国际最先进的工艺制程已达 14/28nm，拥有大陆芯片代工厂最先进技术，但是中芯国际 eFlash 技术目前能达到的最高制程仅为 0.18/0.162um，并且 0.11um eFlash 技术还在研发当中，后续随着中芯国际在成熟制程领域的发力，我们认 为 0.11um、90nm、40nm 等 eFlash 工艺平台将逐渐成熟，预计 2022 年后将逐步输出产能。
▲图17：左-21Q1 中芯国际按工艺技术节点的销售收入占比
右-中芯国际嵌入式非挥发性存储器技术进程
来源：中芯国际
小结：
全球主要代工厂均在 2021 年大幅开启资本支出进行产能扩张，但对 40nm 及以上主流 MCU 制程产能扩张相对有限。
- TSMC：上修 2021 年资本支出为 300 亿美元，其中 80%用于先进制程 （3nm/5nm/7nm），10%用于特殊工艺，10%用于封装及大规模生产。
- UMC：全年资本支出从 15 亿美元上修至 23 亿美元，主要用于扩产 22/28nm 产品 线。年初确定的 15 亿美元资本支出大部分将用于扩产南科 12A P5 厂，以 28nm 及 以下制程为主，2021 年南科 12A P5 厂产能预计增加 1 万片/月。南科 12A P6 厂计划未来三年扩建，总资本支出约 1000 亿新台币。另外，厦门 12X 厂（28/40/65nm） 产能目前已扩产至约 2.5 万片/月。
- 格芯：扩产主要集中在 12-90nm 制程，位于新加坡的晶圆厂预计 2023 年投产，每月增加 3.75 万片产能，总产能增至 12.5 万片/月。
- 中芯国际：2021 年资本支出为 43 亿美元，其中大部分用于扩产成熟工艺，小部分用于先进工艺、北京合资项目土建及其他。8 寸在 2021H2 有望增加 4.5 万片/月， 目前已建设 1/3 产能。12 寸方面，2021 年 3 月中芯国际在深圳项目上签署合作协议，计划建设一条 4 万片/月的成熟制程产线。另外在 2021 年底，12 寸线有望增加 1 万片/月产能。
- 华虹：2021 年资本支出为 13 亿美元，华虹无锡 12 英寸产线当前月产能 4 万片（功 6.9% 16.3% 32.8% 4.1% 6.0% 30.3% 3.6% 14/28nm 40/45nm 55/65nm 90nm 0.11/0.13um 0.15/0.18um 0.25/0.35um 行业研究 敬请阅读末页的重要说明 Page 53 率分立 1.8 万片 CIS 1 万片 嵌入式和 BCD 工艺 1 万片等），制程以 90nm 为主， 预计年底达到 6.5 万片，后续增加产能以 55nm 为主，新增产能主要分配给 CIS、 MCU 等 eFlash 产品。
▲表十：主要 MCU 代工厂 2021 年 Capex 和扩产规划 来源：各公司官网
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