經過10多年的發(fā)展，國產MCU廠商已經在家電、消費電子應用市場和中低端通用MCU產品端占據穩(wěn)固的市場份額，但在工業(yè)控制、汽車電子和醫(yī)療電子等中高端MCU市場仍然占比甚微。自2018年以來，“國產替代”呼聲甚高，國產芯片廠商有了更多進入中高端MCU市場的機會。很多電子設備和系統(tǒng)OEM廠商也開始在設計中嘗試國產芯片以便有更靈活的采購自主權。

全球疫情打亂了半導體供應鏈的正常運作流程，再加上自然災害的影響，致使很多晶圓廠和封測工廠停產或減產。同時市場需求也出行了失衡，居家隔離和辦公的需求刺激了相關電腦和消費電子的市場需求，但汽車和商業(yè)市場卻出現(xiàn)了需求驟降的情況。今年初開始出現(xiàn)全球范圍的“芯片短缺”，尤其以汽車電子行業(yè)最為嚴重。

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(lián)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。

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?？低暤群芏嘀袊鴱S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。

以華為供應鏈為例，其全球采購金額巨大，供應鏈去美國化和國產替代迫在眉睫。華為 2018年采購金額高達760億美元，覆蓋2,300 多個采購品類和13,000家供應商，采購業(yè)務分布在全球140多個國家。據Gartner全球半導體采購報告顯示，由于美國政府的限制，華為在2020年大幅減少了半導體采購量，比2019年下降了23.5％，但仍高達190億美元。去年科創(chuàng)板上市的芯?？萍季蛻{借觸控技術方案和信號鏈MCU成功打入華為采購供應鏈。

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(lián)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。

按照全球每年銷售輕型車8000萬輛計算，車規(guī)級芯片搭載量每年超10億枚。有數(shù)據表明，中國車規(guī)級MCU市場占全球份額超過30%，但九成以上依賴進口，國產替代空間巨大。看到汽車MCU市場的潛力，再加上汽車MCU芯片的短缺，國產MCU廠商迎來了一個切入汽車市場的最佳窗口期。多家MCU廠商開始上位進入車規(guī)級MCU市場，比亞迪半導體宣稱其車規(guī)級MCU量產裝車量已經突破1000萬顆，其獨立上市計劃將進一步推動MCU產品線在汽車市場的擴展；專注于汽車市場的芯旺微電子采用自研處理器架構，MCU產品早已量產進入汽車市場；兆易創(chuàng)新正在開發(fā)車規(guī)級MCU，今年底有望進入量產。

物聯(lián)網（IoT）

IoT 設備實際上并非一種全新的設備品類，而是通過在傳統(tǒng)設備上加入傳感器+執(zhí)行器+通信模組，以持續(xù)收集相關設備的數(shù)據并進行分析，從而提供增強的服務和運營的產品。MCU的“低功耗+安全+經濟”特性正好符合 IOT 設備要求，因此在各類IoT設備中運用廣泛。根據 IoT Analytics 預測，全球IoT半導體組件市場將從2020年的330億美元增長到 2025年的800億美元，CAGR達高19％，其中MCU、連接芯片組、AI芯片組和安全芯片組四類芯片價值量占比最大。

物聯(lián)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(lián)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(lián)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。

2019年在科創(chuàng)板上市的樂鑫科技多年深耕IoT 領域，專注于研發(fā)高集成、低功耗的 Wi-Fi 和藍牙MCU產品，現(xiàn)已發(fā)布 ESP8266、ESP32、ESP32-S 和 ESP32-C系列芯片、模組和開發(fā)板，不但成為國內MCU市場的領導者，而且在全球物聯(lián)網芯片市場占據了一席之地。原來以家電為主攻市場的深圳中微半導體最近幾年開始轉向混合信號SoC的MCU研發(fā)方向，在耳溫槍、電子煙和各種消費電子和新興物聯(lián)網市場獲得了很多客戶青睞。該公司的科創(chuàng)板申請已經受理，預計也很快在科創(chuàng)板掛牌上市。

RISC-V

2019年8月份，兆易創(chuàng)新發(fā)布國內首款基于RISC-V內核的32位通用MCU-- GD32VF103，其RISC-V內核Bumblebee是與芯來科技合作開發(fā)的，在封裝引腳和軟件開發(fā)方面都兼容對應的Arm產品型號（GD32V對應GD32）。中國工程院院士倪光南在新品發(fā)布會上總結道，“RISC-V基于標準寬松的BSD許可證，可自由免費地使用設計CPU、開發(fā)并添加自有擴展指令集，自主選擇是否公開發(fā)行、商業(yè)銷售或更換其他許可協(xié)議，或者完全閉源使用”。

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(xiàn)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(lián)網市場和國內MCU廠商客戶。中國 RISC-V 產業(yè)聯(lián)盟、中國開放指令生態(tài)（RISC-V）聯(lián)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。

除兆易創(chuàng)新外，國產MCU廠商也紛紛嘗試基于RISC-V內核的MCU產品開發(fā)。例如，?南京沁恒微電子研發(fā)多款RISC-V內核IP，包括支持浮點運算V4F，并基于32位通用MCU架構外加USB高速PHY、藍牙收發(fā)器、以太網PHY等專業(yè)接口模塊推出增強版MCU+，進一步拓展了RISC-V在低功耗、無線通訊、高速率傳輸?shù)榷喾N嵌入式環(huán)境下的應用。深圳中微半導體、航順、泰凌微、全志、樂鑫和博流智能等國產芯片設計公司都已經推出基于RISC-V內核的MCU系列產品。

邊緣AI

跟AI關聯(lián)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(lián)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(shù)據隱私性。

瑞薩針對智能制造領域推出了嵌入式AI技術“e-AI”，這種AI單元解決方案可作為一個附加單元添加到設備上，通過預先學習好的AI處理模型，實現(xiàn)從傳感器數(shù)據收集到數(shù)據處理、分析和評估/判斷的全過程。Silicon Labs也展示了邊緣AI在電機控制等工業(yè)物聯(lián)網的應用，比如用機器學習算法對風扇運行模式進行訓練，當檢測到設備異常時，會通過藍牙將警報發(fā)送到顯示器上。

MCU+邊緣AI已經開始在越來越多的領域得到應用。對于MCU廠商來說，除了需要對芯片本身的集成度、功耗、成本與安全性不斷優(yōu)化，還需要從多重維度來推進以應對層出不窮的應用需求。而把一些簡單的人工智能算法融入MCU中，是對現(xiàn)有MCU產品系列的必要補充和增強。物聯(lián)網產品對延遲和能耗提出了更高的要求，邊緣計算便是非常好的解決方案。AI在MCU上實現(xiàn)的意義在于，可以將MCU低功耗、低成本、實時性、穩(wěn)定性、開發(fā)周期短、廣闊的市場覆蓋率等特性與人工智能強大的處理能力相結合，從而使海量終端智能涌現(xiàn)出來。