半导体行业在控制领域的核心：MCU

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。