2021年08月24日
據權威市調機構統(tǒng)計預測，2020年全球MCU市場規(guī)模約為177.9億美元，出貨量超過280億顆。預計今年的MCU規(guī)模將達到184.8億美元，從2021至2028年的復合年增長率（CAGR）為10.1%，2028年將增長到361.6億美元。
另據IC Insights報告顯示，MCU全球營收在2018年創(chuàng)下空前紀錄，達到176億美元；2019年下滑7％；2020年繼續(xù)下降8％，至149億美元。2020年車用MCU銷售額為60億美元；工業(yè)MCU營收占比為29%，約為43億美元。預計2021年全球MCU市場總銷售額可達到190億美元，其中汽車和工業(yè)市場占據了70%，消費電子、家電，以及計算機和通信等市場占據了剩下的30%。
預計全球汽車MCU銷售額將在2021年猛增23%，達到創(chuàng)紀錄的76億美元，隨后2022年將增長14%，2023年增長約為16%。
從車用MCU類型來看，超過四分之三的是32位MCU，預計今年銷售額約為58億美元；16位占17.6%，為13.4億美元；8位占比不到6%，為4.41億美元。32位MCU較高的平均售價（ASP）也會推高今年的銷售額，部分原因是因為市場供應緊張，MCU供應商開始漲價。預計32位MCU的平均售價在2021年上漲13%，增至0.72美元。
我們再來看國內MCU市場。據 IHS數據統(tǒng)計，2008-2018 年間，中國 MCU 市場年平均復合增長率(CAGR)為 7.2%，是同期全球 MCU市場增長率的 4 倍。2019 年中國 MCU 市場規(guī)模達到256億元，2020年達到269億元，但主要被海外大廠霸占，國產MCU滲透率較低。
中國MCU應用市場主要集中在家電/消費電子、計算機網絡和通信、汽車電子、智能卡，以及和工控/醫(yī)療等領域。其中汽車電子和工業(yè)控制應用對MCU的需求增長是最快的，預期到2023年工業(yè)/醫(yī)療電子的市場份額將趕上消費電子，達到92億元人民幣。
國產MCU廠商主要集中在消費電子和家電等細分市場，而汽車和工業(yè)控制等中高端市場則被國際大廠壟斷。然而，在新興的物聯網應用領域，國產MCU廠商跟國際大廠幾乎站在同一起步線上。
從MCU行業(yè)競爭來看，全球主要供應商仍然以國際廠商為主，其中意法半導體、瑞薩、恩智浦、德州儀器、英飛凌（包括賽普拉斯）等廠商占據主導地位。這五大國際廠商主要以汽車電子和工業(yè)應用為主，而在消費電子、家電、計算機和網絡通信，以及新興物聯網等市場，Silicon Labs、臺灣廠商和眾多中國本土廠商則占據了更大份額。
我們將中國MCU市場按應用領域大致分為六個類別，分別是：家電和消費電子、物聯網、智能表計/IC卡和安全、計算機和網絡通信、工業(yè)控制、汽車電子。下表列出了每個應用類別的主要國產MCU廠商。
1. 家電和消費電子
據IDC 數據顯示，中國智能家居市場規(guī)模將由2018 年的116 億美元增長至2024 年的368 億美元，6年年均復合增長率為21.22%；出貨量將由2018 年的1.56 億臺增長至2023 年的4.53 億臺，5 年年均復合增長率為21.5%。
在國產MCU廠商中，中穎電子和深圳中微半導體在家電市場布局較早，有相對市場優(yōu)勢。隨著美的、格力和海爾等家電巨頭轉向智能家電領域，甚至自己開始啟動芯片研發(fā)項目，國產MCU廠商在這一市場將獲得持續(xù)的增長，將在全球市場上處于主導地位。
隨著技術瓶頸不斷突破，無線充電市場規(guī)模逐年增長。根據智研咨詢數據，2019年全球無線充電市場規(guī)模為87億美元，2024年全球無線充電市場規(guī)模將增長至150億美元，年均復合率達到12%。伴隨著全球無線充電市場的強勁發(fā)展，中國無線充電市場規(guī)模也在不斷增加。2018 年到2026 年，預計實現從3.6 億元至239.4 億元的市場規(guī)模增長。在消費電子領域，手機是無線充電的最大市場。伏達半導體和深圳中微半導體等國產廠商在無線充電發(fā)射和接受芯片，以及相應的MCU和SoC芯片領域處于領先地位。
2. 物聯網
隨著物聯網的快速發(fā)展，傳感器市場需求不斷增長。2019 年，全球傳感器市場規(guī)模為2,263 億美元，同比增速11.63%；預計到2023 年，全球傳感器市場規(guī)模將達到2,985 億美元，較2019 年年均復合增長率為7.14%。中國傳感器市場與美國、日本、德國相比仍存在較大差距，但增長速度整體領先于全球。2019 年，中國傳感器市場規(guī)模為243 億美元，同比增速13.45%；預計到2023 年，中國傳感器市場規(guī)模將達到388 億美元，較2019 年年均復合增長率為12.44%。
在物聯網應用領域，傳感器與MCU結合構成智能傳感器將有較大的發(fā)展空間。匯頂科技、芯?？萍肌⒄滓讋?chuàng)新（收購思立微）和艾為電子等國產廠商在觸控、智能傳感器和高精度ADC方面都有一定的技術實力和市場應用優(yōu)勢。
3. 智能表計、IC卡及安全
國內智能電表行業(yè)經過近20 年發(fā)展，電能計量芯片、智能電表MCU 和載波通信芯片等核心元器件已經基本實現全面國產化。以智能電表MCU為例，當前主控MCU芯片普遍采用32位ARM Cortex-M內核，運行頻率從十幾到幾十MHz，一般采用180-90nm 嵌入式閃存工藝制造，集成128KB - 512KB 大容量嵌入式閃存，8KB - 64KB 嵌入式SRAM，并集成了包括ADC、溫度傳感器、LCD液晶驅動、UART/SPI/I2C 等通信接口、高精度實時時鐘等豐富外設功能，具有極低的運行功耗和休眠功耗。
在智能卡與安全芯片方面，國民技術、復旦微電子、紫光同芯、中電華大科技為國內相關領域的主流廠商。恩智浦在該領域處于國際領先地位，但因為缺乏含有商用密碼算法的產品，在國內安全市場領域的競爭力逐步降低。紫光同芯、中電華大科技由于較早進入智能卡與安全芯片行業(yè)，具有一定的先發(fā)優(yōu)勢，在國內金融卡領域的市場占有率較其它公司具有優(yōu)勢。
4. 計算機和網絡通信
5. 工業(yè)控制
中國工控和自動化市場規(guī)模持續(xù)擴大，預計到2022年將達到2085億元。工業(yè)MCU產品主要用于電機控制、儀器儀表、低壓配電、電動工具、工業(yè)機器人等應用場景，其功能主要是電機控制運算、數據采集控制等。隨著工業(yè)設備復雜度的提升，工業(yè)MCU單機使用數量持續(xù)增長。以工業(yè)機器人為例，單機至少使用十余顆MCU芯片。
傳統(tǒng)工控MCU領域向來是TI、ST、ADI和瑞薩等國際大廠的地盤，國內MCU廠商中只有華大半導體的MCU事業(yè)部在這一細分市場占據一席之地。最近幾年，萬高、航順和極海半導體也可以發(fā)力工業(yè)MCU市場。比如，極海半導體目前已有基于M0+、M3、M4的MCU，工作溫度覆蓋-45℃~+125℃，已經應用到變頻器、電機驅動器、伺服器、逆變器、BMS管理等工控行業(yè)。位于深圳的峰岹科技作為專注于高性能BLDC電機驅動控制芯片的設計公司，其產品涵蓋電機驅動控制的全部關鍵芯片，包括電機主控芯片MCU/ASIC、電機驅動芯片HVIC、電機專用功率器件MOSFET、智能功率模塊IPM等。
6. 汽車電子
作為車輛控制的核心器件，MCU主要用于車身控制、駕駛控制、信息娛樂和駕駛輔助系統(tǒng)。汽車MCU是一個相對成熟的市場，競爭格局比較穩(wěn)定。恩智浦、英飛凌、瑞薩、意法半導體和德州儀器長期以來一直占據全球汽車MCU市場的前五名，2020年市場占比超過95%。
在國內眾多MCU廠商中，杰發(fā)科技（AutoChips）、芯旺（ChipON）、賽騰微、琪埔維半導體（Chipways）和比亞迪半導體等少數公司已經批量生產MCU，并進入了汽車OEM廠商供應鏈，但他們的產品仍然局限于簡單的控制應用，例如車窗、照明和冷卻系統(tǒng)，而在動力總成控制、智能座艙和ADAS等復雜應用中仍不多見。
隨著AI和IoT的發(fā)展與融合，微處理器（MCU）的設計也更加復雜，逐漸從傳統(tǒng)單一功能的微控制器轉向集成更多功能特性、計算性能更強的系統(tǒng)級芯片（SoC）。ASPENCORE《電子工程專輯》分析師團隊識別出如下六個MCU設計的發(fā)展方向。
1. 更加智能（AI）
自2017年開始，MCU廠商嘗試在MCU中添加AI功能。例如，ST的Project Orlando項目作為實驗性質的MCU超低功耗AI加速器單元，瑞薩在2018年發(fā)布了針對MCU的可編程可重構協處理器DRP。經過三年的發(fā)展，在MCU中加入AI加速器正在變得越來越主流。在需要AI相關算力的應用場景，使用專用AI加速器往往比提升處理器性能更為有效。
從應用的角度來看，AI加速器搭配MCU漸成主流的主要原因是需要AI的應用場景越來越普遍。從具體的算法和模型來看，正在集中到少數幾個模型，例如機器視覺（人臉識別，物體識別）和語音喚醒詞中需要的卷積神經網絡，以及在一些較為先進的語音識別中需要的循環(huán)神經網絡（RNN）。
2. 更強算力（Performance）
Cortex-M系列基于ARMv7-M架構（用于Cortex-M3和Cortex-M4），而較低的Cortex-M0+基于ARMv6-M架構。首款Cortex-M處理器于2004年發(fā)布，當一些主流MCU供應商選擇這款內核開始量產MCU芯片后，Cortex-M處理器迅速受到市場青睞。可以說，Cortex-M之于32位MCU就如同8051之于8位MCU，迅速成為業(yè)界標準微處理器內核，各家MCU供應商基于該內核進行自己的開發(fā)，在市場中提供差異化產品。
對于成本特別敏感的應用或者正在從8位遷移到32位的應用而言，Cortex-M系列的最低端產品可能是最佳選擇。雖然Cortex-M0+的性能僅為0.95 DMIPS/MHz，比Cortex-M3和Cortex-M4的性能低一些，但仍可與同系列其他高端產品兼容。Cortex-M0+采用Thumb-2指令集的子集，而且這些指令大都是16位操作數（雖然所有數據運行都是32位的），這使得它們能夠很好的適應Cortex-M0+所提供的2級流水線服務。
Cortex-M3和Cortex-M4是非常相似的內核，二者都具有1.25 DMIPS/MHz的性能，配有3級流水線、多重32位總線接口、時鐘速率可高達200MHz，并配有非常高效的調試選項。二者最大的不同是，
Cortex-M4的內核性能針對的是DSP。Cortex-M3和Cortex-M4具有相同的架構和指令集（Thumb-2）。然而，Cortex-M4增加了一系列特別針對處理DSP算法而優(yōu)化的飽和運算和SIMD指令。
作為RISC-V微處理器的開路先鋒，SiFive提供的RISC-V內核正好對標Arm的3個系列內核，分別是：E核 -- 32位嵌入式內核，針對邊緣計算、AI和物聯網應用，對標ARM Cortex-M系列；S核 -- 64位嵌入式內核，針對存儲、AR/VR和機器人應用，對標ARM Cortex-R系列；U核 -- 64位應用處理器，面向數據中心、通信網絡等領域，對標ARM Cortex-A系列。
本土RISC-V處理器內核開發(fā)商芯來科技也推出了四個不同性能級別的處理器內核，分別是：N100系列處理器內核主要面向極低功耗與極小面積的場景而設計；N200系列32位超低功耗RISC-V處理器為物聯網IoT終端設備的感知、連接、控制以及輕量級智能應用而設計；N300系列32位超低功耗RISC-V處理器面向機制能效比高且需要DSP和FPU特性的場景而設計，適用于IoT和工業(yè)控制等場景；N600系列32位RISC-V處理器面向實時控制或高性能嵌入式應用場景，適用于AIoT邊緣計算、存儲或其他實時控制應用。
臺灣晶心科技的RISC-V處理器系列包括：22內核應用于小型物聯網及穿戴設備等入門級MCU，效能達同級別間最高的 3.95 Coremark/MHz，其高性能和精簡設計，適合處理以高數據傳輸率運行中的協定封包；N25F內核適合浮點密集型的多元應用，例如聲音處里、先進馬達控制器、衛(wèi)星導航、高精度傳感器融合以及高階智能電表等；45系列內核均采用有序的8級雙發(fā)射超標量技術，N-系列支持RTOS的應用，D-系列則支持RISC-V的SIMD / DSP指令集（P擴展指令集）。
3. 更低功耗（Power）
消費電子、可穿戴設備及其它電池供電的物聯網終端都低功耗都有嚴格的要求。系統(tǒng)功耗是物聯網部署的主要考慮因素之一，很多應用場景下的IoT設備都是電池供電，而且要求可持續(xù)使用10 年以上。在很多應用中，MCU大部分時間都是處于低功耗睡眠模式，只是偶爾被喚醒讀取傳感器發(fā)送的一些數據，或處理和傳送數據。
MCU子系統(tǒng)的功耗包括兩部分——MCU工作時的動態(tài)功耗（與處理器主頻成正比），以及MCU在睡眠狀態(tài)下與漏電流相關的靜態(tài)功耗（大部分是恒定的）。因此，總功耗受工作模式電流、睡眠模式電流和工作模式持續(xù)時間的影響。如果應用在大部分時間都處于關閉狀態(tài)，睡眠電流甚至比工作電流更重要。32位MCU一般主頻更高些，工作電流相應也大，但其處理速度也快，可以通過更快地完成處理任務和更快地進入睡眠模式來節(jié)省電量。此外，睡眠模式、發(fā)送和接收模式下的無線收發(fā)器電流消耗也是決定整體系統(tǒng)功耗的重要因素。
4. 更加安全（Security）
開始注重安全問題乃是一個領域發(fā)展到高級階段的體現，因為安全的技術投入和產出經常不成比例，很多時候還影響開發(fā)進度，但安全的缺失卻足以造成致命打擊。從MCU層面開始融入安全技術，讓供應鏈下游的開發(fā)者將安全融入到開發(fā)生命周期中去，本身對MCU生態(tài)就是個比較積極的信號。
5. 無線連接（Wireless）
過去幾年，物聯網 (IoT) 設備和無線連接產品（如無線傳感器、智能電表、智能家居和可穿戴設備）出現了爆炸式增長。傳感器和處理器等電子器件的成本逐漸降低，同時無線連接功能和AI性能的加持讓許多產品變得更加“智能”，無需人工干預即可相互通信。然而，成功的AIoT產品必須滿足特定應用的要求，比如低功耗、長無線連接范圍，以及更高的計算處理能力等。
無線MCU將成為AIoT時代的標準處理器芯片，像Silicon Labs這樣的國際廠商數年前就開始專注于IoT應用市場，甚至將其它業(yè)務剝離出去，而100%投入物聯網，他們在各種無線連接通信協議的集成和支持上是值得關注的。而像樂鑫科技和聯盛德等國內芯片廠商也開始在其芯片中集成更多的無線連接特性，他們有望把握住新興的物聯網機會，而成為AIoT時代的領導廠商。
6. 更小尺寸（Area）
為迎合物聯網應用的需求，MCU開發(fā)商需要在性能、功耗和尺寸（PPA）三方面達到最佳平衡。前面我們大致介紹了高性能和低功耗設計，現在來探討一下小尺寸的設計挑戰(zhàn)。IoT 終端節(jié)點的基本要求是小尺寸，因為這些器件通常被限制在很小的基底面內。例如，可穿戴設備的設計，體積小和重量輕是獲得客戶認可的關鍵。
對國產MCU廠商來說，“國產替代”和“芯片短缺”反而成為推動其MCU產品線打入大中型OEM廠商供應鏈，甚至汽車供應鏈的驅動力。據《電子工程專輯》分析師團隊調查了解，凡是能夠保證代工廠和封測合作伙伴正常供應的國產MCU廠商，都享受到了銷售和利潤同時增長的甜頭。
除了上述兩大宏觀經濟和市場驅動力外，新興物聯網應用、RISC-V處理器架構和邊緣AI的興起，也將大力推動國產MCU的發(fā)展。下面我們對這個五大驅動因素逐一說明。
1. 國產替代：自從“中興事件”和華為被禁以來，美國對中國在半導體技術和產品方面的出口限制逐漸收緊，即便特朗普下臺，拜登政府在這一方面的正常也沒有絲毫松動。像海康威視等很多中國廠商都被列入美國政府的“實體清單”，這引起了國內電子和半導體產業(yè)的極大恐慌。同時，國內廠商開始尋求“國產替代”，原來壓根都不考慮國產芯片的企業(yè)采購人員開始主動邀請國產IC設計公司參與其產品設計、工程測試，甚至量產供貨。MCU芯片作為通用性基礎器件，應用領域十分廣泛，“國產替代”的機會也更多。
2. 芯片短缺：據半導體業(yè)界專家預測，全球范圍的芯片短缺要到2023年才能緩解。在半導體含量比較高的應用市場，特別是汽車行業(yè)的芯片短缺最為嚴重。而在汽車半導體中，作為汽車微型“大腦”的車規(guī)級MCU短缺尤其嚴重。汽車市場的MCU用量占到了全球MCU市場的40%，由此可以看出汽車MCU的市場規(guī)模之大。隨著新能源智能網聯汽車的發(fā)展，車規(guī)級 MCU 的應用更加廣泛，覆蓋從座艙安全、發(fā)動機傳動制動控制到儀器表盤車身、環(huán)境控制、車載娛樂通信，直到ADAS和自動駕駛等。
3. IoT：物聯網新興應用也為國產MCU帶來很多新的機會，比如家電智能化、消費電子、可穿戴設備，以及智能卡和智能表計等工業(yè)物聯網市場。傳統(tǒng)的MCU（如8051和通用性32位MCU）功能相對簡單，各家的產品同質化比較嚴重，在已經成熟的市場上難以有標新立異之處，國產廠商只能通過價格戰(zhàn)來維持生存。而物聯網的應用場景比較碎片化，傳統(tǒng)通用型MCU難以滿足不同應用的特殊需求，國內廠商開始嘗試在微處理器內核上集成更多外圍功能，比如ADC、傳感器、射頻、驅動、各種外設。對市場和客戶需求反應速度快，靈活性強，而且可以根據客戶的要求增加各種功能特性，這是國產MCU廠商擅長做的。
4. RISC-V：微處理器內核是MCU的核心，在Arm之外增加RISC-V可以讓國產MCU廠商實現自主可控、增加選擇靈活性、降低開發(fā)成本，并針對特定應用需求開發(fā)差異化的MCU產品。目前國內RISC-V的生態(tài)正在快速而健康地發(fā)展，阿里平頭哥、芯來、賽昉和晶心等RISC-V內核IP供應商都在積極拓展物聯網市場和國內MCU廠商客戶。中國 RISC-V 產業(yè)聯盟、中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯盟（CRVA），以及國際RISC-V基金會等RISC-V行業(yè)組織結構都在積極參與中國市場和開發(fā)者社區(qū)的建設。
5. 邊緣AI：跟AI關聯的芯片設計主要涉及功能強大的CPU、GPU、FPGA，以及專門的AI芯片。主頻和計算性能相對較低的MCU跟 AI有什么關系呢？隨著 AI從云到邊緣和終端的擴展，AI 計算引擎可讓MCU突破嵌入式應用的極限，不但能夠提升MCU的就地處理性能，而且可以提高網絡攻擊的實時響應能力和設備安全性。配備AI算法和功能模塊的MCU 正在深入到人臉識別、智能語音服務和自然語言處理等新興應用領域。AI還有助于提高物聯網設備、可穿戴設備和醫(yī)療應用中電池供電設備的準確性和數據隱私性。
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