MCU是机器人核心控制芯片特斯拉有望开启仿生机器人蓝海市场

1、1、 机器人蓬勃发展，特斯拉有望开启仿生机器新时代、 机器人行业快速发展，下游应用多点开花机器人的用途广泛，分类众多。行业不同，机器人的应用场景不一样；要求不同，机器人的控制方式也会有差异。根据中国电子学会研究，2021年全球机器人市场规模预计达到335.8亿美元，2016-2021年的平均增长率约为11.5。其中工业机器人144.9亿元，服务型机器人125.2亿美元，特种机器人65.7亿美元。工业机器人是广泛用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，具有一定的自动性，可依靠自身的动力能源和控制能力实现各种工业加工制造功能。工业机器人被广泛应用于电子、物流、化工等各个工业领域之中。图表

2、1：库卡工业机器人资料来源：库卡官网，华鑫证券研究全球疫情的持续蔓延一定程度限制了下游应用市场需求，我们预计随着疫情得到控制，全球经济呈现复苏趋势，制造业自动化改造的推动，工业机器人市场将迎来新的发展机遇。根据IFR发布的最新数据显示，2020年中国、美国、韩国和德国等主要国家工业机器人年装机数量合计超过全球72.9.此外，全球制造业领域工业机器人使用密度已达到113台/万人，机器换人趋势特征日益明显。图表 2：2016-2023 年全球工业机器人销售额及增长20018016014012010080604020025%176.120%18% 154154.817.60%158.5140.514

3、4.9131137.911.10%15%9.40%10%5.10%5%0.50%0%-1.80%-5%-9.20%-10%-15%2016201720182019202020212022E2023E销售额（亿美元）年增长率资料来源：IFR，中国电子学会，华鑫证券研究国际机器人联合会（IFR）发布数据显示，2021年全球工业机器人销量创新高，达到48.68万台，比前一年增长27。主要受益于疫情后经济有所恢复，叠加新能源等市场需求快速上升带来工业机器人销量快速增加。图表 3：2016-2021 年全球工业机器人销售量48.6842.2338.1337.3238.3529.4360.0050.004

4、0.0030.0020.0010.000.00201620172018201920202021全球工业机器人销售数量(万台)资料来源：IFR，中国电子学会，华鑫证券研究服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类的服务工作，但不包括从事生产的设备。根据IFR数据研究，2016年以来，全球服务机器人的市场规模年均增速达23.8，2021年预计达到125.2亿美元，其中家用服务机器人、医疗服务机器人和公共服务机器人市场规模预计82亿美元、13亿美元和31亿美元，其中家用机器人占比最高约为65。到2023年全球服务机器人有望突破201亿美元，上下游相关产业市场规模也将同步增长。图表

5、 4：2016-2023 年全球服务机器人销售额及增长25020029.2%28.6%32.3%201.827.7%35.0%30.0%15010023.0%94.622.6%125.2159.926.2%25.0%20.0%15.0%504355.36877.213.5%10.0%5.0%02016201720182019202020212022E2023E0.0%销售额（亿美元）年增长率资料来源：IFR，中国电子学会，华鑫证券研究随着人工智能和物联网技术的不断发展，技术升级、成本下降，专业服务机器人的应用领域也在不断拓展，销量也有大幅提升。2010-2019年，全球专用服务机器人销量逐年增

6、长，2010年为1.5万台，2020年上升至24万台，增长非常迅速。从专用服务机器人的应用领域来看，2019年物流机器人、公共环境机器人和军用机器人是前三大应用类型，其中物流机器人一直都是行业类的增长引擎，2019年物流机器人销量达到7.5万台，占全球专用服务机器人销量的43.35。从未来四年的发展增速来看，物流机器人、公共 环境机器人、专业清洁机器人的增速分别达到36、40和43。图表 5：2014-2020 年全球专业服务机器人销售量66.70%24.017.345.5%13.138.70%10.032.10%25.0%31.00%4.86.03.3300.80.7250.6200.515

7、0.40.3100.250.1002014201520162017201820192020销量（万台）同比增速（）资料来源：IFR，前瞻产业研究院，华鑫证券研究随着个人/家用服务机器人在全球范围内的大幅普及，销量也出现大幅增长。据IFR统计，2019年全球个人/家用服务机器人销量约为2320万台，同比增加34，初步估算 2020年个人/家用机器人的销量将进一步上升到2670万台。图表 6：2014-2020 年全球专业服务机器人销售量3000250068.9% 232026700.80.70.6200053.0% 17310.515001000500465540 16.1%670 24.1%1

8、02534.0%0.40.30.215.1%0.1002014201520162017 201820192020销量（万台）同比增速（)资料来源：IFR，前瞻产业研究院，华鑫证券研究、 MCU芯片机器人核心芯片，特斯拉机器人有望带来人型机器人蓬勃发展机器人方面，不管是工业机器人还是服务机器人，它们被赋予的任务流程上看，无 非就是从感知到决策到执行。对于机器人本身而言，执行层的运动控制是最基本也最核 心的动力。感知可以通过集成激光、机器视觉等传感器来丰富机器的信息获取，如何决 策则取决于各产商的上层软件和智能算法的能力。最终落实到执行层层的运控，还是依 赖于机器人本身内部控制元件的所赋予他的能动

9、性。MCU芯片是工控领域的核心零部件，应用于工业机器人、步进马达、机械手臂、工业电机等。目前看来，工业控制的MCU仍然是机器人厂商最优先考虑的选择。图表 7：机器人产业链资料来源：，华鑫证券研究工业机器人行业按产业链来看。上游为减速器、伺服系统、控制系统等核心零部件生产;中游为工业机器人本体生产;下游是基于终端行业特定需求的工业机器人系统集成，主要用于实现焊接、装配、检测、搬运、喷涂等工艺或功能。根据中国机器人产业数据联盟数据，上游三大核心零部件的成本占工业机器人总体成本的60,其中减速器成本占比最高达40,其次是伺服系统35和控制器25。伺服电机作为整个自动化系统的执行单元，通过电机的运转，

10、完成速度和位置的精确控制。与普通电机不同的是，伺服电机需要将整个系统的位置、速度等信息，通过编码器反馈给控制器，从而使得控制器更加准确的对伺服电机进行控制。伺服驱动主要成本为材料费用，其中IGBT、MCU等芯片占总材料成本的50以上。图表 8：伺服电机成本拆分10%30%7%10%10%12%21%IGBTMCUFPGAPCB显示面板接口接口其他资料来源：前瞻产业研究院，华鑫证券研究随着伺服系统技术水平的不断提升以及下游市场的不断渗透，全球伺服电机行业的市场规模在稳步增大。全球伺服电机市场规模从2017年的305亿元增长至2020年的 367亿元，年均复合增长率达6.36，预计2022年市场规

11、模将达382亿元。MCU芯片约占伺服电机成本的20，预计2022年伺服电机MCU市场将达到76亿美元。2021年8月，马斯克就在特斯拉人工智能日上发布了特斯拉机器人。据马斯克介绍，擎天柱是高约172厘米、体重约56公斤、负载20kg的人形机器人，身体由轻量材料覆盖，头部为扫描外界信息的屏幕，双手功能已达到“人类水平”。在软件层面，该机器人采用特斯拉Dojo（道场）机器学习培训系统，芯片为自研AI训练芯片D1。特斯拉机器人整体预计使用了40个电机推杆，胳膊上有12个电机，手上12个，腿上12个，咽喉2个，膝盖2个，电机数量较传统工业机械人和服务机器人有大幅提升。马斯克表示，特斯拉今年最重要的产品

12、就是机器人，甚至地位高于特斯拉汽车。假若得以完成研发生产，便有可能“彻底解决劳动力短缺，颠覆现有经济模式”。图表 9：特斯拉人型仿生机器人资料来源：特斯拉，华鑫证券研究其中MCU数量与伺服驱动器数量匹配，特斯拉机器人有40个伺服电机相对应一台特斯 拉机器人拥有80个MCU芯片。伺服电机中解码器中会有一个较为低端用来定位的MCU芯片，以及一个伺服控制或运动控制的高端MCU，大概会选择一个价格约为3美金的M7产品，我们推算出一个特斯拉机器人MCU的价值量大约为200美金。预计至2025年特斯拉机器人的出货量将达到100万台以上，对应的MCU增量市场约为2亿美金。2022年8月11日晚间的小米新品发

13、布会上，小米首款人形仿生机器人CyberOne正式亮相。其身高177cm、体重52kg，无论是身高还是体重均是标准的人形载体。并且在AI的加持下，它具有高情商、能够感知人类情绪；具有敏锐的视觉、可三维虚拟显示世界；可实现双足运动姿态平衡；四肢强健、动力峰值扭矩高达300nm；支持多达21个自由度，能实现各自由度0.5ms级别的实时响应，可充分模拟人的各项动作。全球科技公司纷纷参与人型机器人开发，有望带动人型仿生机器人市场快速爆发。图表 10：小米人型仿生机器人资料来源：小米，华鑫证券研究随着经济增长和制造业升级，全球工业机器人市场还会保持稳步增长，考虑新能源，光伏等下游产业还在快速增长，结合过

14、去的复合增长率，我们预计未来几年全球工业机器人将保持10的复合增速。专业服务机器人随着智能物流，智能仓储的发展预计还将保持30的复合增速，个人或家用服务机器人随着产品越来越人性化和价格降低，消费量还会逐步提升，预计未来几年保持15的复合增速。特斯拉和小米集团纷纷推出人型仿生机器人，有望带来仿生机器人的蓬勃发展，参考特斯拉汽车的成长轨迹，我们预计出货量未来三年将保持高速成长，预计2025年将突破100万台。根据以上假设，我们对未来几年机器人MCU的价值量做了测算，预计2025年机器人MCU价值量将上升为6.55亿美元。图表 11：特斯拉人型仿生机器人机器人分类201920202021202220

15、2320242025全球工业机器人安装量(万辆)37384954596571国内工业机器人产量(万辆)19243741465158全球工业机器人 MCU 单机用量(颗)4-64-64-64-84-84-84-8全球工业机器人单颗 MCU 平均价值量(美元)5-305-305-305-305-305-305-30全球工业机器人 MCU 市场规模(百万美金)474861808897107全球服务机器人销量(万台)17243141536989全球服务机器人 MCU 单机用量(颗)2-42-42-42-42-42-42-4全球服务机器人单颗 MCU 平均价值量(美元)2-102-102-102-102

16、-102-102-10全球服务机器人 MCU 市场规模(百万美金)346791216全球个人/家用机器人销量(万台)2320267030713531406146705370全球个人/家用机器人 MCU 单机用量(颗)1-31-31-31-31-31-31-3全球个人/家用机器人单颗 MCU 平均价值量(美元)1-51-51-51-51-51-51-5全球个人/家用机器人 MCU 市场规模(百万美金)139160184212244280322全球人型机器人销量(万台)105080120全球人型机器人 MCU 单机用量(颗)30-4030-4030-4030-40全球人型机器人单颗 MCU 平均价

17、值量(美元)2-82-82-82-8全球人型机器人 MCU 市场规模(百万美金)17.587.5140210全球主流机器人 MCU 市场规模(百万美金)189212251317429530655全球主流机器人 MCU 市场规模 YoY12%18%26%35%23%24%资料来源：华鑫证券研究整理2、 机器人MCU壁垒较高，技术持续迭代、MCU技术不断更新迭代，AI加速器单元注入新动力作为工业机器人核心控制器件，MCU等控制芯片受惠于工业机器人市场的快速增长。机器人在位置、速度、动作顺序等控制方式上更加复杂、精细和智能化，这对机器人控 制器的功能、性能和接口提出了新的挑战，高性能和高集成度的MC

18、U成为机器人主控制器芯片的主流方案。目前40nm已成为MCU的成熟工艺，未来在更先进工艺下设计的MCU，采用更高性能的内核，其性能将得到大幅度提升，同时将部分核心控制算法进行硬件化加速，内置更高精度的ADC等，在提升机器人控制响应速度和精度的同时，还可降低系统成本。海外领先MCU厂商已经在机器人领域布局较早，形成了系统性的解决方案。主要领先厂商为瑞萨，NXP，意法半导体等海外公司。图表 12：瑞萨机器手臂控制解决方案资料来源：瑞萨官网，华鑫证券研究2017年开始智能MCU逐步成为主流趋势。2017年意法发布了ProjectOrlando作为实验性质的MCU超低功耗AI加速器单元，而瑞萨也在20

19、18年发布了针对MCU的可编程可重构协处理器DRP。在经过了三年发展之后，认为在MCU中加入AI加速器正在变得越来越主流，而且在需要AI相关算力的应用中，使用专用AI加速器的收益往往大于加强处理器性能。 从应用的角度来说，AI加速器搭配MCU更加主流的主要原因是需要AI的场景越来越普遍，而且从具体的算法和模型来看正在收敛到少数几个模型，例如机器视觉(人脸识别，物体识别)和语音唤醒词中需要的卷积神经网络，以及在一些较为先进的语音识别中需要的循环神经网络(RNN)。AI加速器已经成为较为明确的选择了，因为一方面使用专用化的AI加速器可以提供最佳的性能和能效比，而且另一方面在芯片设计门槛上事实上也并

20、不太高，事实上更考验设计能力的反而是编译器和相关的软件/模型优化。因此，未来提供更多智能MCU相关的产品和解决方案的厂商更有竞争力。图表 13：microNPU Ethos U55 系列图表 14：microNPU Ethos U65资料来源：半导体行业观察，华鑫证券研究资料来源：半导体行业观察，华鑫证券研究、工业级MCU市场海外厂商大幅领先，本土亟待突破全球MCU行业龙头企业主要为IDM厂商，其中，意法半导体、瑞萨电子、NXP、德州仪器、英飞凌等MCU产品竞争力较强。三星电子、东芝等产品竞争力位居其次，其中，三星电子、东芝MCU业务占比较小。兆易创新、中颖电子、乐鑫科技等国内MCU龙头厂商构

21、成行业的第三梯队，其中，兆易创新布局32位通用型MCU市场，目前已经形成近27个系列、360多款芯片的产品矩阵。其中，工业级MCU芯片仍被国外大厂占据主导地位。图表 15：2020 年 MCU 市场竞争格局16%17%13%17%7%16%15%萨瑞电子NXP英飞凌意法半导体TIMicrochip其他资料来源：前瞻产业研究，华鑫证券研究全球MCU行业企业通过收购兼并方式提升市场份额。对行业主要收购兼并事件进行汇总，2008年，微芯科技收购触摸屏控制器龙头公司Hampshire;2012年收购收购单片机、模拟器件和闪存专利解决方案供应商SMSC;2016年收购拥有触控传感器IP、MEMS传感器接

22、口与安全技术的Atmel;收购Atmel之后，微芯科技全球市场份额大幅提升。同时，恩智浦、赛普拉斯、德州仪器、英飞凌相继通过收购方式完善MCU产品布局。图表 16：MCU 企业收购进程公司时间事件NXP2015 年收购飞思卡尔，完善在汽车领域的布局微芯科技2018 年收购触摸屏控制器龙头Hampshire2012 年收购单片机、模拟器件和闪存专利解决方案供应商 SMSC2016 年收购拥有触屏传感器 IP，MEMS 传感器接口与安全技术的ATMEL赛普拉斯2015 年收购 Spansion，完善模拟和微控制器布局德州仪器2016 年收购 32 位 MCU 供应商 Luminary Micro英

23、飞凌2019 年收购塞普拉斯，完善车载 MCU 和存储器领域的布局资料来源：前瞻产业研究，华鑫证券研究3、 下游需求旺盛，国产替代推动本土MCU公司快速崛起、国内MCU厂商技术升级，有望开拓全球市场在市场前景广阔的情况下，根据研究机构 Omdia 的数据报告显示，在中国工业 MCU应用市场中，国外厂商占据 90的市场份额。目前国内 MCU 厂商主要在消费电子、智能卡等中低端应用领域竞争，在市场潜力大且利润高的工业控制、汽车电子和物联网市场，基本都被国外 MCU 厂商垄断，国内厂商份额较低。工规和车规级 MCU 由于供需失衡，交货周期被不断拉长。在缺货行情持续的情况下，原本使用国外芯片的许多下游

24、整机厂商积极寻找国内供应商，本土 MCU 企业顺势切入高端市场，产品迭代和出货量持续上升。MCU 缺芯直接导致汽车厂停产，工业缺芯同样导致制造业受阻，尤其制造业升级离不开 MCU 的国产化。我国作为工业大国和新能源汽车制造大国如果 MCU 被卡脖子对国民经济影响巨大。我们人口大国，医疗领域 MCU 同样重要,国产替代各刻不容缓。图表 17：MCU 交货日期18Q218Q318Q419Q119Q219Q319Q420Q120Q220Q320Q421Q121Q221Q321Q422Q122Q2NXP4020-2420-2413-1613-1613-1613-1613-1616-1812-1416-

25、2616-2616-2626-52紧缺紧缺紧缺Microchip12-1612-1612-1612-1610-1210-1210-1210-1216-2216-2616-2616-3840-5540-5552+52+52+Renesas24-2624-2624-2614-1614-1620202020202012-16302635-4040-4552ST3014-3014-301212128-128-121220-2424-36紧缺紧缺紧缺紧缺紧缺紧缺资料来源：富昌电子，华鑫证券研究近年来，以传统制造业为中心，各行各业都掀起了一股“人机协作”狂潮。“机器人革命”在全世界范围内掀起热潮，同时也正

26、在成为“第四次工业革命”的切入点和重要增长点。目前机器人零部件仍由国外几大厂商处于垄断地位，国产化率仍占比很小，空间广阔。中国对机器人及相关产业表现出高度重视，2012 年我国“十三五”便明确提出要攻克核心部件共性技术，实现工业机器人核心部件的技术突破和产业化。到 2015 年，中国制造 2025明确提出任务指标：2020 年自主品品牌工业机器人市场占有率达到 50，关键零部件国产化率 50，2025 年国内市场占有率达到 70，关键零部件国产化率 80。机器人零部件的国产化的替代，也会带动国产芯片市占率的不断提高，给与国内 MCU 产商巨大的机遇。图表 18：2020 年国产机器人市场份额8

27、.6%8.06.2%14.5%43.3%3.4%6.1%10.2%发那科ABB安川机电库卡爱普生雅马哈埃斯顿其他资料来源：，华鑫证券研究、兆易创新工业级MCU成长迅速，进军全球市场兆易创新作为本土 MCU 龙头技术领先，品类丰富，是 MCU 行业国产替代最合适的厂 商，2019 年 HW 被制裁叠加新冠疫情，导致缺芯愈演愈烈，公司在缺货潮中 MCU 加速抢 占市场和替代国际厂商。公司 MCU 型号逐年增长，尤其高端产品品类提升快速，公司更 高端的 M33 和 M4 型号数量 2022 年分别同比增加 30和 39。公司拥有 1）优秀产品线： MCU 产品对标 ST，NOR 产品对标 Micro

28、n。主要服务全球品牌客户，客户粘性高，成长性 好，品牌力越来越强。2）丰富产品线：公司品类齐全，可以提供更多解决方案，降低客户开发成本。客户粘性进一步加强。3）头部效应：半导体是高技术壁垒和高客户壁垒的行业，头部厂商的规模效应具备更好的议价能力和盈利能力，从而获得更强的研发能，良性力图表 19：兆易创新 MCU 产品型号MCU 产品系列2020202120222022 增速2022 占比实M23现272734268M3177177161-938M332330307M41291331853944RISC-V14141403。总计34737442413100循环资料来源：兆易创新产品手册，华鑫证券

29、研究M7 是 MCU 技术壁垒最高，景气度最好的细分领域，机器人关节伺服器预计使用 M7 系列产品、单个机器人 M7 架构 MCU 总价值量约为 30 到 150 美金，其他光伏储能等高端 且成本最不敏感的领域，M7 也大量使用。无论车还是机器人，M7 产品应用将越来越广 泛。国内 M7 市场超过 2 亿美金，未来还会快速增长，供给有较大缺口，目前主要供应 商为 NXP 和 ST 等，兆易创新的 M7 将弥补国产高端 MCU 的空白，未来两年将迅速扩大份 额。公司 m7 的主频在 800 兆，而同期 NXP 和 ST 均为 500 兆，公司在性能上有较大优势，我们预计公司将迅速拿下国内 M7

30、市占率的 25以上。公司汽车第一颗 MCU 预计 Q3 内推出，是国内少有的车规MCU 产品供应商，未来将持续受益于汽车智能化的发展。、中颖电子国产工控MCU成长龙头，产品持续供不应求公司主要产品为工业控制级别的微控制器芯片和 OLED 显示驱动芯。公司微控制器系统主控单芯片主要用于智能家电、锂电池管理、变频电机控制、智能电表及物联网领域。是国内知名的智能家电 MCU 供应商，智能家电控制 MCU 占公司销售约近四成。目前公司车规级 MCU 计划于第四季送样客户认证，虽短期贡献不大，却是公司正式进入新能源汽车芯片领域的里程碑。公司且计划变频电机控制芯片扩大变频智能大家电市占，进军工业机器人，并将持续加大 32 位元产品的开发及推广，积极进军海外市场。凭借公司在专用 MCU 的长期积累，发挥 MCU+优势，把握智能家居发展机遇，进一步提升产值及市占率。2022 年上半年工业控制类产品实现营收 7.22 亿元，同比增长 31.29。图表 20：中颖电子 MCU 产品型号类别细分行业下游应用领域及应用示范工业控制芯片智能家电控制智能家电变频电机控制电动自行车墩号变频电机锂电池管理手机、笔电、动力锂电池资料来源：中颖电子中报，华鑫证券研究、芯海科技加码车规级MCU投入，下游应用