關(guān)于全球MCU市場和技術(shù)發(fā)展的介紹和應(yīng)用

微處理器和單片機(jī)（MCU）從70年代在歐美開始興起，1981年8051 單片機(jī)問世，到今天已經(jīng)36年了。從數(shù)量上看，8位單片機(jī)依然是MCU 市場的主力，基于8051內(nèi)核的單片機(jī)依然有許多公司在設(shè)計和生產(chǎn)。

90年代初，由于價格的原因，32位MCU只是在一些需要高性能計算的應(yīng)用中使用。2008年以后，以物聯(lián)網(wǎng)（IoT）為代表的新技術(shù)出現(xiàn)，讓開發(fā)者開始尋找具備無線通信功能、有一定計算能力，而且價格不是太貴的MCU。

隨著ARM CortexM核的MCU 逐漸在市場占據(jù)主導(dǎo)地位，應(yīng)用的場合也越來越多，在芯片制造上采用更先進(jìn)和高效的制程工藝，32位MCU 的價格與8位MCU 已經(jīng)沒有本質(zhì)上的差異，有的甚至更便宜，加上ARM 創(chuàng)建的良好的生態(tài)環(huán)境，32位MCU 已經(jīng)成為今天全球消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品的核心，我從以下三個方面回顧全球MCU發(fā)展歷程，探討發(fā)展趨勢。

01MCU 市場現(xiàn)狀

2015年開始，為爭奪市場份額，布局強(qiáng)勁增長的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，MCU主要廠商之間發(fā)生了數(shù)起大規(guī)模并購。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights的統(tǒng)計，從收購?fù)瓿珊喜⒑蟮匿N售數(shù)據(jù)看， NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產(chǎn)品線銷售額同比大幅增長，排名也相應(yīng)上升。未進(jìn)行大規(guī)模收購的MCU廠商則表現(xiàn)平平，只有個位數(shù)的增長，比如ST和TI，有的出現(xiàn)了大幅下降，比如像Samsung （見圖1）

圖12016全球MCU 市場格局

從圖1我們還看到，8大MCU廠商全球市場份額合計達(dá)到了88%，這也就是說除了幾大MCU 外，小的MCU公司市場份額非常小。IC Insights 2016年8月的研究報告說，MCU市場將于2020年達(dá)到高峰，銷售額達(dá)到209億美元，銷售267億顆芯片，（見圖2）。針對這樣的市場形勢，在剛剛結(jié)束的2017年STM32峰會上，ST給自己定下目標(biāo)是2020年銷售額將到達(dá)40億美元，從目前市場10%份額增長到20%分額。

圖22013-2020全球MCU市場預(yù)估

02MCU 技術(shù)發(fā)展線路

1開發(fā)工具

8位MCU 時代，開發(fā)工具很簡單，MCU 功能簡單，存儲器容量很小，應(yīng)用代碼甚至可以使用匯編語言書寫， 簡單的下載和編程工具可以勝任開發(fā)工作，后來隨著MCU 功能增加，存儲器容量增加，C語言逐漸成為首選，集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和JATG 調(diào)試漸成主流，這種方式主導(dǎo)了過去20年MCU開發(fā)模式。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，大量的電子產(chǎn)品急需智能化升級，聯(lián)網(wǎng)就成為基本需求，特別是無線網(wǎng)絡(luò)，RTOS 從以前的嵌入式系統(tǒng)中“奢飾品”變成今天的“必需品”。得益于開源社區(qū)和開源軟件的幫助，開源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已經(jīng)成為開發(fā)者的優(yōu)選。 專門針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應(yīng)運(yùn)而生，比如ARM mbed OS 、慶科 MicoOS和華為LiteOS, 其實這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內(nèi)核也是基于開源的RTOS技術(shù)。

開發(fā)工具（IDE）價格昂貴，讓創(chuàng)業(yè)者望而卻步，借助開源軟件，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，這些IDE 是基于開源Eclipse，編譯軟件也是開源的GCC ARM 。芯片公司的IDE 雖然在功能和優(yōu)化上無法與Keil和IAR 相比，但已經(jīng)完全到達(dá)可用的程度。 ARM 開發(fā)了基于Web的mbed工具，開發(fā)者不需要購買和安裝任何IDE，只要有一塊mbed兼容的開發(fā)板，就可以進(jìn)行嵌入式開發(fā)。如果你使用的是Arduino開發(fā)板，Arudino IDE 集成大量開源硬件知識庫，讓你開發(fā)如虎添翼，事半功倍。

2制造技術(shù)

摩爾定律推動了芯片產(chǎn)業(yè)輝煌了40年，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑。傳統(tǒng)的MCU，比如8位OTP MCU ，長期是使用0.5u的制程工藝，隨著時間的推移，設(shè)備和技術(shù)更新，現(xiàn)在主流的MCU 制程是180nm，甚至90nm技術(shù)，展望不遠(yuǎn)的將來，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU 也不是遙不可及事情。

我們知道，更先進(jìn)的制程工藝會在MCU內(nèi)部集成更多的晶體管，使處理器實現(xiàn)更多的功能和更高的性能。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了，更多的32位MCU 核心將替代8位，芯片的體積也不會變大，功耗反而會更小。此外，先進(jìn)的制程工藝還能帶來片內(nèi)FLASH 容量的增加，未來1MB甚至4MB 的FALSH MCU 也是常見的產(chǎn)品了。

當(dāng)然，制程工藝將會給MCU 生態(tài)環(huán)境帶來挑戰(zhàn)，比如初期制造成本的增加，芯片設(shè)計復(fù)雜性增加。32位核心導(dǎo)入，軟件開發(fā)難度增加，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來MCU和RF 以及Sensor集成，進(jìn)而帶來功耗管理和PCB設(shè)計上一系列棘手問題。

3應(yīng)用設(shè)計方案

MCU應(yīng)用五花八門，從最小的消費(fèi)電子產(chǎn)品，到大型工業(yè)機(jī)器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產(chǎn)品。早期的MCU芯片公司只是提供應(yīng)用指南和參考設(shè)計代碼，方案性的設(shè)計一般是客戶自己完成，或者由專業(yè)的方案公司和代理商完成，然后交給設(shè)備廠商生產(chǎn)，這樣模式至今依然大量存在。

隨著物聯(lián)網(wǎng)興起，電子產(chǎn)品智能化需求越來越多，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)迫在眉睫，電子產(chǎn)業(yè)急需MCU 廠商提供更多更好的創(chuàng)新型設(shè)計方案。隨著電商時代到來，渠道的扁平化，傳統(tǒng)芯片代理商已經(jīng)無力投入日趨復(fù)雜的方案設(shè)計，行業(yè)日趨細(xì)化和深入，傳統(tǒng)的方案商已經(jīng)轉(zhuǎn)型成產(chǎn)品提供商，應(yīng)用設(shè)計方案的重任再次落在MCU 公司身上。

今天我們看到全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)，比如ST、NXP、TI 和瑞薩等公司，他們都能提供許許多多MCU 應(yīng)用解決方案，這些方案的技術(shù)越來越前沿，功能越來越完善。比如STM32峰會上展示的預(yù)防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案，可以在小屏幕上實現(xiàn)美觀流暢的游戲界面的超低功耗MCU 智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網(wǎng)關(guān)。

近年興起的創(chuàng)客運(yùn)動也是MCU 應(yīng)用方案的一大貢獻(xiàn)者。創(chuàng)客們大量采用的Arduino 開源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器； 機(jī)器人項目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。 在開源硬件環(huán)境下，沒有開發(fā)基礎(chǔ)， 只有創(chuàng)意的開發(fā)者， 也可以完成自己的產(chǎn)品開發(fā)。 開發(fā)門檻的降低了， 將吸引更多的人實現(xiàn)創(chuàng)意， 極大地增加產(chǎn)品的種類和數(shù)量， 從而導(dǎo)致對MCU需求的增長。

03中國MCU 發(fā)展機(jī)遇

1中國單機(jī)片30年

80年代初北京工業(yè)大學(xué)電子廠掀起了TP801開發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開發(fā)了MCS-51的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，這股單片機(jī)的熱潮引發(fā)了全國的智能電子大變革的時代的開始。1986年10月，在上海復(fù)旦大學(xué)舉行了第一次全國單片機(jī)學(xué)術(shù)交流會，這標(biāo)志了中國單片機(jī)事業(yè)的開始，也由此經(jīng)歷了中國單片機(jī)30年輝煌發(fā)展歷史進(jìn)程。2016年11月，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會舉辦了中國單片機(jī)30年紀(jì)念活動，老中輕三代單片機(jī)工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國單片機(jī)發(fā)展的美好前景。

過去幾年中國MCU市場一直持續(xù)增長，據(jù) isuppli Research 2015的研究報告（見圖3），2011年中國MCU市場銷售額大約30億美元，到了2016年已經(jīng)有40億美元，其中32位MCU市場份額將持續(xù)增大，期內(nèi)復(fù)合增長率已經(jīng)接近10%。前面我們看到全球8大MCU 企業(yè)沒有的中國企業(yè)（包括***），有關(guān)研究報告還指出，

中國內(nèi)地和***MCU企業(yè)在中國市場各有10%的份額。筆者從剛剛結(jié)束的2017年STM32峰會了解到，2016年ST 中國通用MCU市場營收在其全球市場中占比36%，從2007年開始就一直保持27% 的年復(fù)合增長率，以物聯(lián)網(wǎng)，可穿戴、智能手機(jī)、智能樓宇和表計以及電動汽車和無人機(jī)等新型應(yīng)用是拉動MCU快速增長重要引擎。

圖32011-2017中國MCU 市場預(yù)估

中國單片機(jī)30年，MCU廠商很多，但多數(shù)混跡8/16位低端市場，中國是全球第一大電子制造基地，有足夠大的市場來養(yǎng)活這些小廠商。但設(shè)計能力低，缺少戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和資金支持的中小MCU 廠商，難以改變中國企業(yè)在MCU市場的弱勢地位。

2國產(chǎn)32位MCU提速

近年中國MCU企業(yè)的增長提速，尤其是在32位MCU市場上涌現(xiàn)出像兆易創(chuàng)新、致象科技和靈動微電子這樣的企業(yè)，他們基于ARM Cortex M 技術(shù)的MCU 芯片受到了市場的歡迎，國產(chǎn) MCU產(chǎn)品的市場戰(zhàn)略一般是更低的價格，更好的性能，本地周到的服務(wù)，最主要的是與國外產(chǎn)品 pin-pin兼容， 這些市場策略讓國內(nèi)企業(yè)非常受用，取得了豐碩的成果。

據(jù)財經(jīng)媒體報道，2016年，兆易創(chuàng)新實現(xiàn)營收14.89億，凈利1.76億，營收同比增長25%、利潤增長了12%；MCU芯片實現(xiàn)營收1.97億元，同比增長55.2%，銷量4578萬顆，兆易創(chuàng)新最近以65億收購北京矽成。矽成的主營業(yè)務(wù)是以易失性存儲芯片為主，主要從事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成電路產(chǎn)品的設(shè)計與銷售，產(chǎn)品應(yīng)用于汽車、工業(yè)醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)移動通訊、電子消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。這與兆易創(chuàng)新的非易失性存儲芯片，包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生產(chǎn)品以及MCU微控制器產(chǎn)品的研發(fā)、技術(shù)支持和銷售的業(yè)務(wù)范圍正好互補(bǔ)。收購矽成對于未來兆易創(chuàng)新GD32系列MCU發(fā)展都將起到積極作用，或?qū)⒂兄谡滓讋?chuàng)新拓展汽車電子市場的計劃。

3國產(chǎn)MCU的挑戰(zhàn)

比較國產(chǎn)高端CPU的發(fā)展，國產(chǎn)32位MCU 要順利的多。 相比智能手機(jī)芯片，生態(tài)環(huán)境相對單純和簡單是幫助國產(chǎn)MCU 發(fā)展的重要原因。我們知道，開發(fā)智能手機(jī)芯片要有巨資投入最先進(jìn)的制程工藝，比如三星Galaxy S8 機(jī)型搭載高通驍龍830處理器，并且處理器將會由三星獨(dú)家制造，制程工藝為驚人的10nm。還有Android OS，圍繞Android OS 的開放手機(jī)聯(lián)盟 （Open Handset Alliance）現(xiàn)在有84個成員，如果你們企業(yè)不是成員，你或許拿不到最新的Anrdoid版本的軟件，即使你是成員，如果不能投入大量的Android開發(fā)人員，你也很難與高通、三星和華為這樣的手機(jī)巨頭競爭。

我們前面已經(jīng)介紹MCU 的技術(shù)線路，它與智能手機(jī)完全不一樣，MCU 還是一個多元化的應(yīng)用市場，雖然有幾個很熱鬧的產(chǎn)品，比如無人機(jī)、可穿戴手環(huán)，智能溫控器，但是這些產(chǎn)品在數(shù)量上與智能手機(jī)無法比擬，而且它們每一個的軟硬件平臺都不一樣。憑借基礎(chǔ)的開發(fā)工具、90nm制程和應(yīng)用方案，加上中國企業(yè)擅長的“保姆式”服務(wù)，國產(chǎn)MCU 有機(jī)會出奇制勝，一展宏圖。

是不是國產(chǎn)MCU 可以高枕無憂，一路順利發(fā)展了呢？不是的，如果大家看看全球領(lǐng)先的MCU 企業(yè)的產(chǎn)品線就不難發(fā)現(xiàn)，中國企業(yè)（包括***）差距很大，STM32 750余款MCU，多數(shù)采用90nm制程上，ST 計劃發(fā)布的超高性能STM32H7 將采用40nm制程工藝，而靈動微電子成熟產(chǎn)品F103 采用還是傳統(tǒng)的0.18um。

在開發(fā)工具上，國產(chǎn)MCU 基本沒有自己的發(fā)工具（IDE）,推薦都是ARM KEIL 和 IAR，為了支持自己公司的MCU ，一般會開發(fā)一個 KEIL MDK 或者IAR 插件，沒有經(jīng)費(fèi)的用戶多是盜版IDE使用。

在應(yīng)用設(shè)計方案和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面，國產(chǎn)MCU 更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在外國企業(yè)后面，比如STM32峰會第二天，幾十家合作伙伴展示了包括LoRa、藍(lán)牙和WiFi模塊、空中固件升級、NB-IoT診斷儀、多功能汽車總線通信平臺和安全認(rèn)證的RTOS等百余種解決方案，以及大疆和小米無人機(jī)、華為運(yùn)動手表、MOOV 耳機(jī)和阿兒法智能機(jī)器人等數(shù)十種國內(nèi)設(shè)計和生產(chǎn)的基于STM32產(chǎn)品。 這大大提升了與會的開發(fā)者的興趣 （見圖4）

圖4 STM32 峰會現(xiàn)場展示

32位MCU市場發(fā)展，芯片設(shè)計和制造技術(shù)固然很重要，而產(chǎn)品線生態(tài)建設(shè)，開發(fā)工具的研究、嵌入式OS的支持、創(chuàng)新型的應(yīng)用案例、穩(wěn)定的貨源供應(yīng)和技術(shù)支持也非常重要，每一項都缺一不可，都做好了真的不容易，國產(chǎn)MCU要進(jìn)入國內(nèi)電子企業(yè)主流供應(yīng)商名單，要走向國際舞臺，還有很長路要走。面向未來5-10年百億級的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場，MCU迎來了前所未有的機(jī)遇，也給了中國MCU 發(fā)展和騰飛創(chuàng)造了絕佳的切入點。

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