• 正文
    • 01、MCU应用领域
    • 02、MCU内核
    • 03、MCU国内外发展对比
    • 04、MCU国内外最新动态
    • 05、总结与展望
  • 相关推荐
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半导体行业在控制领域的核心:MCU

2022/11/28 作者:半导体产业纵横
阅读需 12 分钟
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特邀作者:步鹤

桂林电子科技大学

随着国家经济水平的不断提高,人们越来越追求高品质的生活,从而智能穿戴、智能汽车等行业迎来了春天,得到了蓬勃发展,在半导体下游应用市场有着举足轻重的地位,各大互联网科技巨头也纷纷瞄准智能汽车这块大蛋糕,像华为、小米等国内科技公司在汽车领域均有布局或正准备布局,侧重点均有不同。在层出不穷的智能产品的内部,指挥所有电子系统的大脑——MCU发挥着至关重要的作用。

目前,全球芯片供应紧张问题已经持续了一年多,MCU也是芯片供应短缺的主角之一。据多家公司研究报告称,随着国产化替代及缺货潮的到来,MCU本土化速度加快,国产MCU发展进入快通道,大陆MCU供应商已处于发展黄金窗口期,开始进入各种市场,逐渐形成独具特色的核心竞争力。

01、MCU应用领域

微控制单元(Microcontroller Unit,MCU)又可称为单片机(Single Chip Microcontroller),从名字中便可看出,MCU更多应用于控制,尽管MCU只是基于传统晶圆制造工艺的一种看似非常普通的芯片,但其无论与复杂的CPU、GPU等高端芯片相比或是与简单却体量庞大的模拟类芯片相比,其重要程度毫不逊色。

MCU主要应用于消费类电子、工业/医疗、汽车电子等领域。

国内MCU厂商很大一部分集中在消费类领域,以8位MCU居多。消费类MCU主要用于如扫地机器人等小家电、无人机、平衡车、物联网等,其对于芯片规格的要求较低,据统计,消费类MCU芯片工作温度区间为0℃~70℃,湿度要求较低,使用寿命大约在3~5年,但该类MCU产品迭代较快、需求差异化,要求各大厂商能够提供及时的、更为全面的本地服务。国外厂商中,微芯、意法半导体定位更多偏向消费电子和低端工控领域,二者在消费电子领域中分别占据约30%和15%的市场,国内以小家电位代表的部分细分领域已经有所突破,其中中颖电子、宏景电子等较为突出。

相比于消费MCU,工控MCU的指标严苛程度更高,工业级MCU的工作温度区间为-40℃~+85℃,使用寿命为5~10年。工业级MCU多为32位,在工业领域的应用十分广泛,如工厂自动化和机器人、电力传输和电网供电、电器电机的控制、智慧城市和智慧楼宇自动化等等。车规MCU则是众多MCU应用领域对芯片性能和评估指标要求最为严苛的,因为它需要同时兼顾功能和安全性,汽车的不同位置对于MCU的评估指标也不尽相同,以温度为例,其发动机舱的MCU工作温度区间为-40℃~150℃,车身部分则是-40℃~125℃。

按照MCU位数分类,目前市场上的MCU有4/8/16/32/64位几种,MCU位数代表了其CPU一次处理数据的宽度,位数越大,MCU处理能力也越强,但也不代表我们只一味的要求更高的运算速度和性能,不同位数的MCU在不同的领域发挥着作用,如应用最广的8位和32位MCU,前者更多用于电表等对性能要求不高的场合,32位MCU可用于物联网等。

02、MCU内核

说起MCU,就不得不提及其内核,也就不得不提及ARM公司,不论国内国外,各大MCU厂商的32位MCU都是外购内核并将主要精力投身其他部分的研发(除以自研内核为主、外购内核为辅的瑞萨外),而32位ARM Cortex M系列内核在各大内核厂商开发的内核中占据主导地位。2004年ARM公司推出第一款Cortex-M系列处理器M3,之后便迅猛发展,成为主流,但ARM采用IP授权的形式,往往授权费较高。近几年RISC-V内核以其简单且免费开源的优势迅速成为了32位MCU内核市场的后起之秀。

相比于32位设计,基于传统8051内核的8位架构往往被认为“相对老旧”,研发的技术要求不高,因此MCU厂商的8位产品内核自研率较高,至少远高于32位MCU,在上世纪末8051内核失去专业保护后成为开源IP后,各大厂商在原来的8051内核基础上纷纷按需改动,以此研发出各自不同的8位MCU。对于市场而言,8位产品有着突出的价格优势,往往又同时伴随着丰富的外设加持,性能满足的情况下其功耗更低,同时,8051单片机在嵌入式教学中也是入门级的必学项。

03、MCU国内外发展对比

在所有MCU产品中,32位产品集中度最高。在32位市场中,瑞萨和恩智浦两家首当其冲且主攻车载市场,其中日本的瑞萨电子以自研内核为主(据统计约为全部所使用内核的78%),即瑞萨的MCU都是用自己的架构。而32位市场中另一个不可忽视的是意法半导体,它是大陆厂商32位的最重要竞争对手,ST从稳健的低功耗8位单片机STM8系列,到基于ARM内核的STM32系列单片机,为嵌入式开发人员提供了丰富的MCU资源,开创了MCU行业建立完善生态的先河。

在8位MCU市场中,微芯(Microchip)份额超过30%,一家独大,它强调节约成本的最优化设计,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器,微芯的主要产品是16C系列8位单片机,CPU采用RISC结构,运行速度快,价格低廉,功耗低,抗干扰性好。除此之外,还有德国的英飞凌,侧重汽车、工业;美国的德州仪器,除模拟产品外,也推出了以Piccolo系列微处理器为代表的一系列32位单片机。

与国外MCU厂商相比,国产MCU本土占有率极低,目前MCU市场的主要份额还是被国际大厂占据,但在当下产能紧张的背景下,如文章开头所说,国内供应商遇到了难得的发展机会,由于国际大厂不能兼顾本土客户的所有需求,尤其是在消费电子等迭代速度快的领域,中国本土企业有着服务客户的响应更及时、对市场需求理解更确切等优势,因此国内厂商存在着不小的竞争力。

要实现国产MCU的突破,就需要在人才、技术、产业等方面入手,比如在技术上,应当在MCU架构、性能、功耗等方面提升自身水平,目前中国企业在发展上已经出现了各具特色的应用方向,特别是随着RISC-V架构的逐步投入使用,出现了许多不同于国外通用的特色产品。当前大部分国产厂商都是从消费电子等中低端应用领域切入,逐步进攻工控/医疗,甚至是汽车领域。

国内的重要厂商也各有侧重,如领头的兆易创新,在消费、工业、汽车三个领域均有涉及,但大多用于消费电子市场,工业等占比较小,华大半导体也在三个领域都有产品,工业领域的产品有变频器和工业伺服器等;中颖电子、宏景科技、芯海科技等在8位领域均有突破,其中中颖电子是国内小家电龙头,宏晶科技提供基于8051架构的产品,芯海科技8位产品均采用自研内核;另外熟知的乐鑫科技的ESP系列MCU走出了国门,可以说在国内外都有着不错的成绩。车规MCU门槛较高,从低端的车身域入手,如雨刷、车窗、座椅等,逐步转向中高端产品,除兆易创新、华大外,如芯海科技、BYD半导体等厂商均有车规级产品,国民技术、中颖电子等也在规划中。

04、MCU国内外最新动态

目前,随着智能家居、健康医疗、物联网等领域产品的快速普及,全球对MCU的需求量在快速增长,这种需求不仅是在芯片数量,更在芯片的低功耗、定制化、特定外设等方面的新需求。

新能源汽车将会是未来持续较长一段时间的热门之一,全球车用MCU市场被意法半导体、恩智浦、瑞萨、英飞凌、德州仪器、微芯科技六大国际IDM厂商占据,这几家厂商的市场占有率超过八成。我国绝大多数公司的车用MCU产品在车窗、照明和冷却系统等控制应用方面更为常见,在动力总成控制、智能座舱和ADAS等复杂应用中仍不多见。

今年,全球半导体解决方案供应商瑞萨电子推出两款全新控制器——RL78/F24和RL78/F23,专为汽车执行器和传感器控制应用而设计,借此扩展了RL78低功耗16位MCU产品家族,加强了瑞萨广泛的汽车电子产品阵营。

意法半导体今年推出新款车规级MCU,是基于ARM内核的Stellar微控制器产品家族的延伸,新产品对电动汽车和汽车集中式电气架构优化了性能,有助于降低电动汽车成本、延长续航里程、加快充电速度。

国内众多MCU厂商中,像比亚迪半导体等少数公司已经批量生产了车用MCU,并进入了汽车OEM厂商供应链。兆易创新GD32 MCU作为系统控制的核心器件,目前拥有很多包括智能座舱在内的周边功能应用,比如汽车仪表、电子声浪模拟系统、车载信息娱乐系统和车载自动诊断系统(OBD)等。

除了传统MCU厂商,在物联网MCU(WiFi,BT,LPWAN等)领域,也涌现出更多新兴的市场机会,中国的新型芯片厂商很好地抓住了机会。

05、总结与展望

综上,在国内MCU发展的黄金窗口期,国内厂商纷纷抓住机会努力从消费级和工业级切入,逐步将重点放到车规级赛道,为企业打开全新的高端市场,努力完善生态系统建设,开发具有自己特色的产品,提升产品质量,发挥高性价比等优势,抓住市场动态,与终端市场多交流,进而取得更大的进步。

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