国产MCU发展的五大驱动力
时间：2021-09-23 15:35:48
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[导读]经过10多年的发展，国产MCU厂商已经在家电、消费电子应用市场和中低端通用MCU产品端占据稳固的市场份额，但在工业控制、汽车电子和医疗电子等中高端MCU市场仍然占比甚微。自2018年以来，“国产替代”呼声甚高，国产芯片厂商有了更多进入中高端MCU市场的机会。很多电子设备和系统OE...
经过10多年的发展，国产MCU厂商已经在家电、消费电子应用市场和中低端通用MCU产品端占据稳固的市场份额，但在工业控制、汽车电子和医疗电子等中高端MCU市场仍然占比甚微。自2018年以来，“国产替代”呼声甚高，国产芯片厂商有了更多进入中高端MCU市场的机会。很多电子设备和系统OEM厂商也开始在设计中尝试国产芯片以便有更灵活的采购自主权。
全球疫情打乱了半导体供应链的正常运作流程，再加上自然灾害的影响，致使很多晶圆厂和封测工厂停产或减产。同时市场需求也出行了失衡，居家隔离和办公的需求刺激了相关电脑和消费电子的市场需求，但汽车和商业市场却出现了需求骤降的情况。今年初开始出现全球范围的“芯片短缺”，尤其以汽车电子行业最为严重。
对国产MCU厂商来说，“国产替代”和“芯片短缺”反而成为推动其MCU产品线打入大中型OEM厂商供应链，甚至汽车供应链的驱动力。据《电子工程专辑》分析师团队调查了解，凡是能够保证代工厂和封测合作伙伴正常供应的国产MCU厂商，都享受到了销售和利润同时增长的甜头。
除了上述两大宏观经济和市场驱动力外，新兴物联网应用、RISC-V处理器架构和边缘AI的兴起，也将大力推动国产MCU的发展。下面我们对这个五大驱动因素逐一说明。
以华为供应链为例，其全球采购金额巨大，供应链去美国化和国产替代迫在眉睫。华为 2018年采购金额高达760亿美元，覆盖2,300 多个采购品类和13,000家供应商，采购业务分布在全球140多个国家。据Gartner全球半导体采购报告显示，由于美国政府的限制，华为在2020年大幅减少了半导体采购量，比2019年下降了23.5％，但仍高达190亿美元。去年科创板上市的芯海科技就凭借触控技术方案和信号链MCU成功打入华为采购供应链。
按照全球每年销售轻型车8000万辆计算，车规级芯片搭载量每年超10亿枚。有数据表明，中国车规级MCU市场占全球份额超过30%，但九成以上依赖进口，国产替代空间巨大。看到汽车MCU市场的潜力，再加上汽车MCU芯片的短缺，国产MCU厂商迎来了一个切入汽车市场的最佳窗口期。多家MCU厂商开始上位进入车规级MCU市场，比亚迪半导体宣称其车规级MCU量产装车量已经突破1000万颗，其独立上市计划将进一步推动MCU产品线在汽车市场的扩展；专注于汽车市场的芯旺微电子采用自研处理器架构，MCU产品早已量产进入汽车市场；兆易创新正在开发车规级MCU，今年底有望进入量产。
物联网新兴应用也为国产MCU带来很多新的机会，比如家电智能化、消费电子、可穿戴设备，以及智能卡和智能表计等工业物联网市场。传统的MCU（如8051和通用性32位MCU）功能相对简单，各家的产品同质化比较严重，在已经成熟的市场上难以有标新立异之处，国产厂商只能通过价格战来维持生存。而物联网的应用场景比较碎片化，传统通用型MCU难以满足不同应用的特殊需求，国内厂商开始尝试在微处理器内核上集成更多外围功能，比如ADC、传感器、射频、驱动、各种外设。对市场和客户需求反应速度快，灵活性强，而且可以根据客户的要求增加各种功能特性，这是国产MCU厂商擅长做的。
2019年在科创板上市的乐鑫科技多年深耕IoT 领域，专注于研发高集成、低功耗的 Wi-Fi 和蓝牙MCU产品，现已发布 ESP8266、ESP32、ESP32-S 和 ESP32-C系列芯片、模组和开发板，不但成为国内MCU市场的领导者，而且在全球物联网芯片市场占据了一席之地。原来以家电为主攻市场的深圳中微半导体最近几年开始转向混合信号SoC的MCU研发方向，在耳温枪、电子烟和各种消费电子和新兴物联网市场获得了很多客户青睐。该公司的科创板申请已经受理，预计也很快在科创板挂牌上市。
微处理器内核是MCU的核心，在Arm之外增加RISC-V可以让国产MCU厂商实现自主可控、增加选择灵活性、降低开发成本，并针对特定应用需求开发差异化的MCU产品。目前国内RISC-V的生态正在快速而健康地发展，阿里平头哥、芯来、赛昉和晶心等RISC-V内核IP供应商都在积极拓展物联网市场和国内MCU厂商客户。中国 RISC-V 产业联盟、中国开放指令生态（RISC-V）联盟（CRVA），以及国际RISC-V基金会等RISC-V行业组织结构都在积极参与中国市场和开发者社区的建设。
除兆易创新外，国产MCU厂商也纷纷尝试基于RISC-V内核的MCU产品开发。例如，南京沁恒微电子研发多款RISC-V内核IP，包括支持浮点运算V4F，并基于32位通用MCU架构外加USB高速PHY、蓝牙收发器、以太网PHY等专业接口模块推出增强版MCU ，进一步拓展了RISC-V在低功耗、无线通讯、高速率传输等多种嵌入式环境下的应用。深圳中微半导体、航顺、泰凌微、全志、乐鑫和博流智能等国产芯片设计公司都已经推出基于RISC-V内核的MCU系列产品。
瑞萨针对智能制造领域推出了嵌入式AI技术“e-AI”，这种AI单元解决方案可作为一个附加单元添加到设备上，通过预先学习好的AI处理模型，实现从传感器数据收集到数据处理、分析和评估/判断的全过程。Silicon Labs也展示了边缘AI在电机控制等工业物联网的应用，比如用机器学习算法对风扇运行模式进行训练，当检测到设备异常时，会通过蓝牙将警报发送到显示器上。
MCU 边缘AI已经开始在越来越多的领域得到应用。对于MCU厂商来说，除了需要对芯片本身的集成度、功耗、成本与安全性不断优化，还需要从多重维度来推进以应对层出不穷的应用需求。而把一些简单的人工智能算法融入MCU中，是对现有MCU产品系列的必要补充和增强。物联网产品对延迟和能耗提出了更高的要求，边缘计算便是非常好的解决方案。AI在MCU上实现的意义在于，可以将MCU低功耗、低成本、实时性、稳定性、开发周期短、广阔的市场覆盖率等特性与人工智能强大的处理能力相结合，从而使海量终端智能涌现出来。
全球疫情打乱了半导体供应链的正常运作流程，再加上自然灾害的影响，致使很多晶圆厂和封测工厂停产或减产。同时市场需求也出行了失衡，居家隔离和办公的需求刺激了相关电脑和消费电子的市场需求，但汽车和商业市场却出现了需求骤降的情况。今年初开始出现全球范围的“芯片短缺”，尤其以汽车电子行业最为严重。
对国产MCU厂商来说，“国产替代”和“芯片短缺”反而成为推动其MCU产品线打入大中型OEM厂商供应链，甚至汽车供应链的驱动力。据《电子工程专辑》分析师团队调查了解，凡是能够保证代工厂和封测合作伙伴正常供应的国产MCU厂商，都享受到了销售和利润同时增长的甜头。
除了上述两大宏观经济和市场驱动力外，新兴物联网应用、RISC-V处理器架构和边缘AI的兴起，也将大力推动国产MCU的发展。下面我们对这个五大驱动因素逐一说明。
国产替代
自从“中兴事件”和华为被禁以来，美国对中国在半导体技术和产品方面的出口限制逐渐收紧，即便特朗普下台，***政府在这一方面的正常也没有丝毫松动。像海康威视等很多中国厂商都被列入美国政府的“实体清单”，这引起了国内电子和半导体产业的极大恐慌。同时，国内厂商开始寻求“国产替代”，原来压根都不考虑国产芯片的企业采购人员开始主动邀请国产IC设计公司参与其产品设计、工程测试，甚至量产供货。MCU芯片作为通用性基础器件，应用领域十分广泛，“国产替代”的机会也更多。以华为供应链为例，其全球采购金额巨大，供应链去美国化和国产替代迫在眉睫。华为 2018年采购金额高达760亿美元，覆盖2,300 多个采购品类和13,000家供应商，采购业务分布在全球140多个国家。据Gartner全球半导体采购报告显示，由于美国政府的限制，华为在2020年大幅减少了半导体采购量，比2019年下降了23.5％，但仍高达190亿美元。去年科创板上市的芯海科技就凭借触控技术方案和信号链MCU成功打入华为采购供应链。
芯片短缺
据半导体业界专家预测，全球范围的芯片短缺要到2023年才能缓解。在半导体含量比较高的应用市场，特别是汽车行业的芯片短缺最为严重。而在汽车半导体中，作为汽车微型“大脑”的车规级MCU短缺尤其严重。汽车市场的MCU用量占到了全球MCU市场的40%，由此可以看出汽车MCU的市场规模之大。随着新能源智能网联汽车的发展，车规级 MCU 的应用更加广泛，覆盖从座舱安全、发动机传动制动控制到仪器表盘车身、环境控制、车载娱乐通信，直到ADAS和自动驾驶等。按照全球每年销售轻型车8000万辆计算，车规级芯片搭载量每年超10亿枚。有数据表明，中国车规级MCU市场占全球份额超过30%，但九成以上依赖进口，国产替代空间巨大。看到汽车MCU市场的潜力，再加上汽车MCU芯片的短缺，国产MCU厂商迎来了一个切入汽车市场的最佳窗口期。多家MCU厂商开始上位进入车规级MCU市场，比亚迪半导体宣称其车规级MCU量产装车量已经突破1000万颗，其独立上市计划将进一步推动MCU产品线在汽车市场的扩展；专注于汽车市场的芯旺微电子采用自研处理器架构，MCU产品早已量产进入汽车市场；兆易创新正在开发车规级MCU，今年底有望进入量产。
物联网（IoT）
IoT 设备实际上并非一种全新的设备品类，而是通过在传统设备上加入传感器 执行器 通信模组，以持续收集相关设备的数据并进行分析，从而提供增强的服务和运营的产品。MCU的“低功耗 安全 经济”特性正好符合 IOT 设备要求，因此在各类IoT设备中运用广泛。根据 IoT Analytics 预测，全球IoT半导体组件市场将从2020年的330亿美元增长到 2025年的800亿美元，CAGR达高19％，其中MCU、连接芯片组、AI芯片组和安全芯片组四类芯片价值量占比最大。物联网新兴应用也为国产MCU带来很多新的机会，比如家电智能化、消费电子、可穿戴设备，以及智能卡和智能表计等工业物联网市场。传统的MCU（如8051和通用性32位MCU）功能相对简单，各家的产品同质化比较严重，在已经成熟的市场上难以有标新立异之处，国产厂商只能通过价格战来维持生存。而物联网的应用场景比较碎片化，传统通用型MCU难以满足不同应用的特殊需求，国内厂商开始尝试在微处理器内核上集成更多外围功能，比如ADC、传感器、射频、驱动、各种外设。对市场和客户需求反应速度快，灵活性强，而且可以根据客户的要求增加各种功能特性，这是国产MCU厂商擅长做的。
2019年在科创板上市的乐鑫科技多年深耕IoT 领域，专注于研发高集成、低功耗的 Wi-Fi 和蓝牙MCU产品，现已发布 ESP8266、ESP32、ESP32-S 和 ESP32-C系列芯片、模组和开发板，不但成为国内MCU市场的领导者，而且在全球物联网芯片市场占据了一席之地。原来以家电为主攻市场的深圳中微半导体最近几年开始转向混合信号SoC的MCU研发方向，在耳温枪、电子烟和各种消费电子和新兴物联网市场获得了很多客户青睐。该公司的科创板申请已经受理，预计也很快在科创板挂牌上市。
RISC-V
2019年8月份，兆易创新发布国内首款基于RISC-V内核的32位通用MCU-- GD32VF103，其RISC-V内核Bumblebee是与芯来科技合作开发的，在封装引脚和软件开发方面都兼容对应的Arm产品型号（GD32V对应GD32）。中国工程院院士倪光南在新品发布会上总结道，“RISC-V基于标准宽松的BSD许可证，可自由免费地使用设计CPU、开发并添加自有扩展指令集，自主选择是否公开发行、商业销售或更换其他许可协议，或者完全闭源使用”。微处理器内核是MCU的核心，在Arm之外增加RISC-V可以让国产MCU厂商实现自主可控、增加选择灵活性、降低开发成本，并针对特定应用需求开发差异化的MCU产品。目前国内RISC-V的生态正在快速而健康地发展，阿里平头哥、芯来、赛昉和晶心等RISC-V内核IP供应商都在积极拓展物联网市场和国内MCU厂商客户。中国 RISC-V 产业联盟、中国开放指令生态（RISC-V）联盟（CRVA），以及国际RISC-V基金会等RISC-V行业组织结构都在积极参与中国市场和开发者社区的建设。
除兆易创新外，国产MCU厂商也纷纷尝试基于RISC-V内核的MCU产品开发。例如，南京沁恒微电子研发多款RISC-V内核IP，包括支持浮点运算V4F，并基于32位通用MCU架构外加USB高速PHY、蓝牙收发器、以太网PHY等专业接口模块推出增强版MCU ，进一步拓展了RISC-V在低功耗、无线通讯、高速率传输等多种嵌入式环境下的应用。深圳中微半导体、航顺、泰凌微、全志、乐鑫和博流智能等国产芯片设计公司都已经推出基于RISC-V内核的MCU系列产品。
边缘AI
跟AI关联的芯片设计主要涉及功能强大的CPU、GPU、FPGA，以及专门的AI芯片。主频和计算性能相对较低的MCU跟 AI有什么关系呢？随着 AI从云到边缘和终端的扩展，AI 计算引擎可让MCU突破嵌入式应用的极限，不但能够提升MCU的就地处理性能，而且可以提高网络攻击的实时响应能力和设备安全性。配备AI算法和功能模块的MCU 正在深入到人脸识别、智能语音服务和自然语言处理等新兴应用领域。AI还有助于提高物联网设备、可穿戴设备和医疗应用中电池供电设备的准确性和数据隐私性。瑞萨针对智能制造领域推出了嵌入式AI技术“e-AI”，这种AI单元解决方案可作为一个附加单元添加到设备上，通过预先学习好的AI处理模型，实现从传感器数据收集到数据处理、分析和评估/判断的全过程。Silicon Labs也展示了边缘AI在电机控制等工业物联网的应用，比如用机器学习算法对风扇运行模式进行训练，当检测到设备异常时，会通过蓝牙将警报发送到显示器上。
MCU 边缘AI已经开始在越来越多的领域得到应用。对于MCU厂商来说，除了需要对芯片本身的集成度、功耗、成本与安全性不断优化，还需要从多重维度来推进以应对层出不穷的应用需求。而把一些简单的人工智能算法融入MCU中，是对现有MCU产品系列的必要补充和增强。物联网产品对延迟和能耗提出了更高的要求，边缘计算便是非常好的解决方案。AI在MCU上实现的意义在于，可以将MCU低功耗、低成本、实时性、稳定性、开发周期短、广阔的市场覆盖率等特性与人工智能强大的处理能力相结合，从而使海量终端智能涌现出来。
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