MCU在半導(dǎo)體行業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，人們?cè)絹?lái)越追求高品質(zhì)的生活，從而智能穿戴、智能汽車(chē)等行業(yè)迎來(lái)了春天，得到了蓬勃發(fā)展，在半導(dǎo)體下游應(yīng)用市場(chǎng)有著舉足輕重的地位，各大互聯(lián)網(wǎng)科技巨頭也紛紛瞄準(zhǔn)智能汽車(chē)這塊大蛋糕，像華為、小米等國(guó)內(nèi)科技公司在汽車(chē)領(lǐng)域均有布局或正準(zhǔn)備布局，側(cè)重點(diǎn)均有不同。在層出不窮的智能產(chǎn)品的內(nèi)部，指揮所有電子系統(tǒng)的大腦——MCU發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

目前，全球芯片供應(yīng)緊張問(wèn)題已經(jīng)持續(xù)了一年多，MCU也是芯片供應(yīng)短缺的主角之一。據(jù)多家公司研究報(bào)告稱(chēng)，隨著國(guó)產(chǎn)化替代及缺貨潮的到來(lái)，MCU本土化速度加快，國(guó)產(chǎn)MCU發(fā)展進(jìn)入快通道，大陸MCU供應(yīng)商已處于發(fā)展黃金窗口期，開(kāi)始進(jìn)入各種市場(chǎng)，逐漸形成獨(dú)具特色的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

01、MCU應(yīng)用領(lǐng)域

微控制單元（Microcontroller Unit，MCU）又可稱(chēng)為單片機(jī)（Single Chip Microcontroller），從名字中便可看出，MCU更多應(yīng)用于控制，盡管MCU只是基于傳統(tǒng)晶圓制造工藝的一種看似非常普通的芯片，但其無(wú)論與復(fù)雜的CPU、GPU等高端芯片相比或是與簡(jiǎn)單卻體量龐大的模擬類(lèi)芯片相比，其重要程度毫不遜色。

MCU主要應(yīng)用于消費(fèi)類(lèi)電子、工業(yè)/醫(yī)療、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)MCU廠商很大一部分集中在消費(fèi)類(lèi)領(lǐng)域，以8位MCU居多。消費(fèi)類(lèi)MCU主要用于如掃地機(jī)器人等小家電、無(wú)人機(jī)、平衡車(chē)、物聯(lián)網(wǎng)等，其對(duì)于芯片規(guī)格的要求較低，據(jù)統(tǒng)計(jì)，消費(fèi)類(lèi)MCU芯片工作溫度區(qū)間為0℃~70℃，濕度要求較低，使用壽命大約在3~5年，但該類(lèi)MCU產(chǎn)品迭代較快、需求差異化，要求各大廠商能夠提供及時(shí)的、更為全面的本地服務(wù)。國(guó)外廠商中，微芯、意法半導(dǎo)體定位更多偏向消費(fèi)電子和低端工控領(lǐng)域，二者在消費(fèi)電子領(lǐng)域中分別占據(jù)約30%和15%的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)以小家電位代表的部分細(xì)分領(lǐng)域已經(jīng)有所突破，其中中穎電子、宏景電子等較為突出。

相比于消費(fèi)MCU，工控MCU的指標(biāo)嚴(yán)苛程度更高，工業(yè)級(jí)MCU的工作溫度區(qū)間為-40℃~+85℃，使用壽命為5~10年。工業(yè)級(jí)MCU多為32位，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，如工廠自動(dòng)化和機(jī)器人、電力傳輸和電網(wǎng)供電、電器電機(jī)的控制、智慧城市和智慧樓宇自動(dòng)化等等。車(chē)規(guī)MCU則是眾多MCU應(yīng)用領(lǐng)域?qū)π酒阅芎驮u(píng)估指標(biāo)要求最為嚴(yán)苛的，因?yàn)樗枰瑫r(shí)兼顧功能和安全性，汽車(chē)的不同位置對(duì)于MCU的評(píng)估指標(biāo)也不盡相同，以溫度為例，其發(fā)動(dòng)機(jī)艙的MCU工作溫度區(qū)間為-40℃~150℃，車(chē)身部分則是-40℃~125℃。

按照MCU位數(shù)分類(lèi)，目前市場(chǎng)上的MCU有4/8/16/32/64位幾種，MCU位數(shù)代表了其CPU一次處理數(shù)據(jù)的寬度，位數(shù)越大，MCU處理能力也越強(qiáng)，但也不代表我們只一味的要求更高的運(yùn)算速度和性能，不同位數(shù)的MCU在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著作用，如應(yīng)用最廣的8位和32位MCU，前者更多用于電表等對(duì)性能要求不高的場(chǎng)合，32位MCU可用于物聯(lián)網(wǎng)等。

02、MCU內(nèi)核

說(shuō)起MCU，就不得不提及其內(nèi)核，也就不得不提及ARM公司，不論國(guó)內(nèi)國(guó)外，各大MCU廠商的32位MCU都是外購(gòu)內(nèi)核并將主要精力投身其他部分的研發(fā)（除以自研內(nèi)核為主、外購(gòu)內(nèi)核為輔的瑞薩外），而32位ARM Cortex M系列內(nèi)核在各大內(nèi)核廠商開(kāi)發(fā)的內(nèi)核中占據(jù)主導(dǎo)地位。2004年ARM公司推出第一款Cortex-M系列處理器M3，之后便迅猛發(fā)展，成為主流，但ARM采用IP授權(quán)的形式，往往授權(quán)費(fèi)較高。近幾年RISC-V內(nèi)核以其簡(jiǎn)單且免費(fèi)開(kāi)源的優(yōu)勢(shì)迅速成為了32位MCU內(nèi)核市場(chǎng)的后起之秀。

相比于32位設(shè)計(jì)，基于傳統(tǒng)8051內(nèi)核的8位架構(gòu)往往被認(rèn)為“相對(duì)老舊”，研發(fā)的技術(shù)要求不高，因此MCU廠商的8位產(chǎn)品內(nèi)核自研率較高，至少遠(yuǎn)高于32位MCU，在上世紀(jì)末8051內(nèi)核失去專(zhuān)業(yè)保護(hù)后成為開(kāi)源IP后，各大廠商在原來(lái)的8051內(nèi)核基礎(chǔ)上紛紛按需改動(dòng)，以此研發(fā)出各自不同的8位MCU。對(duì)于市場(chǎng)而言，8位產(chǎn)品有著突出的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，往往又同時(shí)伴隨著豐富的外設(shè)加持，性能滿足的情況下其功耗更低，同時(shí)，8051單片機(jī)在嵌入式教學(xué)中也是入門(mén)級(jí)的必學(xué)項(xiàng)。

03、MCU國(guó)內(nèi)外發(fā)展對(duì)比

在所有MCU產(chǎn)品中，32位產(chǎn)品集中度最高。在32位市場(chǎng)中，瑞薩和恩智浦兩家首當(dāng)其沖且主攻車(chē)載市場(chǎng)，其中日本的瑞薩電子以自研內(nèi)核為主（據(jù)統(tǒng)計(jì)約為全部所使用內(nèi)核的78%），即瑞薩的MCU都是用自己的架構(gòu)。而32位市場(chǎng)中另一個(gè)不可忽視的是意法半導(dǎo)體，它是大陸廠商32位的最重要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，ST從穩(wěn)健的低功耗8位單片機(jī)STM8系列，到基于ARM內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)，為嵌入式開(kāi)發(fā)人員提供了豐富的MCU資源，開(kāi)創(chuàng)了MCU行業(yè)建立完善生態(tài)的先河。

在8位MCU市場(chǎng)中，微芯（Microchip）份額超過(guò)30%，一家獨(dú)大，它強(qiáng)調(diào)節(jié)約成本的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存儲(chǔ)器，微芯的主要產(chǎn)品是16C系列8位單片機(jī)，CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，運(yùn)行速度快，價(jià)格低廉，功耗低，抗干擾性好。除此之外，還有德國(guó)的英飛凌，側(cè)重汽車(chē)、工業(yè)；美國(guó)的德州儀器，除模擬產(chǎn)品外，也推出了以Piccolo系列微處理器為代表的一系列32位單片機(jī)。

與國(guó)外MCU廠商相比，國(guó)產(chǎn)MCU本土占有率極低，目前MCU市場(chǎng)的主要份額還是被國(guó)際大廠占據(jù)，但在當(dāng)下產(chǎn)能緊張的背景下，如文章開(kāi)頭所說(shuō)，國(guó)內(nèi)供應(yīng)商遇到了難得的發(fā)展機(jī)會(huì)，由于國(guó)際大廠不能兼顧本土客戶(hù)的所有需求，尤其是在消費(fèi)電子等迭代速度快的領(lǐng)域，中國(guó)本土企業(yè)有著服務(wù)客戶(hù)的響應(yīng)更及時(shí)、對(duì)市場(chǎng)需求理解更確切等優(yōu)勢(shì)，因此國(guó)內(nèi)廠商存在著不小的競(jìng)爭(zhēng)力。

要實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)MCU的突破，就需要在人才、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)等方面入手，比如在技術(shù)上，應(yīng)當(dāng)在MCU架構(gòu)、性能、功耗等方面提升自身水平，目前中國(guó)企業(yè)在發(fā)展上已經(jīng)出現(xiàn)了各具特色的應(yīng)用方向，特別是隨著RISC-V架構(gòu)的逐步投入使用，出現(xiàn)了許多不同于國(guó)外通用的特色產(chǎn)品。當(dāng)前大部分國(guó)產(chǎn)廠商都是從消費(fèi)電子等中低端應(yīng)用領(lǐng)域切入，逐步進(jìn)攻工控/醫(yī)療，甚至是汽車(chē)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)的重要廠商也各有側(cè)重，如領(lǐng)頭的兆易創(chuàng)新，在消費(fèi)、工業(yè)、汽車(chē)三個(gè)領(lǐng)域均有涉及，但大多用于消費(fèi)電子市場(chǎng)，工業(yè)等占比較小，華大半導(dǎo)體也在三個(gè)領(lǐng)域都有產(chǎn)品，工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品有變頻器和工業(yè)伺服器等；中穎電子、宏景科技、芯海科技等在8位領(lǐng)域均有突破，其中中穎電子是國(guó)內(nèi)小家電龍頭，宏晶科技提供基于8051架構(gòu)的產(chǎn)品，芯?？萍?位產(chǎn)品均采用自研內(nèi)核；另外熟知的樂(lè)鑫科技的ESP系列MCU走出了國(guó)門(mén)，可以說(shuō)在國(guó)內(nèi)外都有著不錯(cuò)的成績(jī)。車(chē)規(guī)MCU門(mén)檻較高，從低端的車(chē)身域入手，如雨刷、車(chē)窗、座椅等，逐步轉(zhuǎn)向中高端產(chǎn)品，除兆易創(chuàng)新、華大外，如芯?？萍?、BYD半導(dǎo)體等廠商均有車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品，國(guó)民技術(shù)、中穎電子等也在規(guī)劃中。

04、MCU國(guó)內(nèi)外最新動(dòng)態(tài)

目前，隨著智能家居、健康醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域產(chǎn)品的快速普及，全球?qū)CU的需求量在快速增長(zhǎng)，這種需求不僅是在芯片數(shù)量，更在芯片的低功耗、定制化、特定外設(shè)等方面的新需求。

新能源汽車(chē)將會(huì)是未來(lái)持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間的熱門(mén)之一，全球車(chē)用MCU市場(chǎng)被意法半導(dǎo)體、恩智浦、瑞薩、英飛凌、德州儀器、微芯科技六大國(guó)際IDM廠商占據(jù)，這幾家廠商的市場(chǎng)占有率超過(guò)八成。我國(guó)絕大多數(shù)公司的車(chē)用MCU產(chǎn)品在車(chē)窗、照明和冷卻系統(tǒng)等控制應(yīng)用方面更為常見(jiàn)，在動(dòng)力總成控制、智能座艙和ADAS等復(fù)雜應(yīng)用中仍不多見(jiàn)。

今年，全球半導(dǎo)體解決方案供應(yīng)商瑞薩電子推出兩款全新控制器——RL78/F24和RL78/F23，專(zhuān)為汽車(chē)執(zhí)行器和傳感器控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，借此擴(kuò)展了RL78低功耗16位MCU產(chǎn)品家族，加強(qiáng)了瑞薩廣泛的汽車(chē)電子產(chǎn)品陣營(yíng)。

意法半導(dǎo)體今年推出新款車(chē)規(guī)級(jí)MCU，是基于ARM內(nèi)核的Stellar微控制器產(chǎn)品家族的延伸，新產(chǎn)品對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)集中式電氣架構(gòu)優(yōu)化了性能，有助于降低電動(dòng)汽車(chē)成本、延長(zhǎng)續(xù)航里程、加快充電速度。

國(guó)內(nèi)眾多MCU廠商中，像比亞迪半導(dǎo)體等少數(shù)公司已經(jīng)批量生產(chǎn)了車(chē)用MCU，并進(jìn)入了汽車(chē)OEM廠商供應(yīng)鏈。兆易創(chuàng)新GD32 MCU作為系統(tǒng)控制的核心器件，目前擁有很多包括智能座艙在內(nèi)的周邊功能應(yīng)用，比如汽車(chē)儀表、電子聲浪模擬系統(tǒng)、車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和車(chē)載自動(dòng)診斷系統(tǒng)（OBD）等。

除了傳統(tǒng)MCU廠商，在物聯(lián)網(wǎng)MCU（WiFi，BT，LPWAN等）領(lǐng)域，也涌現(xiàn)出更多新興的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，中國(guó)的新型芯片廠商很好地抓住了機(jī)會(huì)。

05、總結(jié)與展望

綜上，在國(guó)內(nèi)MCU發(fā)展的黃金窗口期，國(guó)內(nèi)廠商紛紛抓住機(jī)會(huì)努力從消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)切入，逐步將重點(diǎn)放到車(chē)規(guī)級(jí)賽道，為企業(yè)打開(kāi)全新的高端市場(chǎng)，努力完善生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，開(kāi)發(fā)具有自己特色的產(chǎn)品，提升產(chǎn)品質(zhì)量，發(fā)揮高性?xún)r(jià)比等優(yōu)勢(shì)，抓住市場(chǎng)動(dòng)態(tài)，與終端市場(chǎng)多交流，進(jìn)而取得更大的進(jìn)步。

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