國產(chǎn)MCU發(fā)展的五大驅(qū)動力
[導(dǎo)讀]經(jīng)過10多年的發(fā)展，國產(chǎn)MCU廠商已經(jīng)在家電、消費(fèi)電子應(yīng)用市場和中低端通用MCU產(chǎn)品端占據(jù)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(chǎn)替代”呼聲甚高，國產(chǎn)芯片廠商有了更多進(jìn)入中高端MCU市場的機(jī)會。很多電子設(shè)備和系統(tǒng)OE...
經(jīng)過10多年的發(fā)展，國產(chǎn)MCU廠商已經(jīng)在家電、消費(fèi)電子應(yīng)用市場和中低端通用MCU產(chǎn)品端占據(jù)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(chǎn)替代”呼聲甚高，國產(chǎn)芯片廠商有了更多進(jìn)入中高端MCU市場的機(jī)會。很多電子設(shè)備和系統(tǒng)OEM廠商也開始在設(shè)計中嘗試國產(chǎn)芯片以便有更靈活的采購自主權(quán)。
全球疫情打亂了半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的正常運(yùn)作流程，再加上自然災(zāi)害的影響，致使很多晶圓廠和封測工廠停產(chǎn)或減產(chǎn)。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(guān)電腦和消費(fèi)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(yán)重。
對國產(chǎn)MCU廠商來說，“國產(chǎn)替代”和“芯片短缺”反而成為推動其MCU產(chǎn)品線打入大中型OEM廠商供應(yīng)鏈，甚至汽車供應(yīng)鏈的驅(qū)動力。據(jù)《電子工程專輯》分析師團(tuán)隊調(diào)查了解，凡是能夠保證代工廠和封測合作伙伴正常供應(yīng)的國產(chǎn)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(jīng)濟(jì)和市場驅(qū)動力外，新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、RISC-V處理器架構(gòu)和邊緣AI的興起，也將大力推動國產(chǎn)MCU的發(fā)展。下面我們對這個五大驅(qū)動因素逐一說明。
以華為供應(yīng)鏈為例，其全球采購金額巨大，供應(yīng)鏈去美國化和國產(chǎn)替代迫在眉睫。華為 2018年采購金額高達(dá)760億美元，覆蓋2,300?多個采購品類和13,000家供應(yīng)商，采購業(yè)務(wù)分布在全球140多個國家。據(jù)Gartner全球半導(dǎo)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(dǎo)體采購量，比2019年下降了23.5％，但仍高達(dá)190億美元。去年科創(chuàng)板上市的芯?？萍季蛻{借觸控技術(shù)方案和信號鏈MCU成功打入華為采購供應(yīng)鏈。
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(jù)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(jìn)口，國產(chǎn)替代空間巨大?？吹狡嘙CU市場的潛力，再加上汽車MCU芯片的短缺，國產(chǎn)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(jìn)入車規(guī)級MCU市場，比亞迪半導(dǎo)體宣稱其車規(guī)級MCU量產(chǎn)裝車量已經(jīng)突破1000萬顆，其獨立上市計劃將進(jìn)一步推動MCU產(chǎn)品線在汽車市場的擴(kuò)展；專注于汽車市場的芯旺微電子采用自研處理器架構(gòu)，MCU產(chǎn)品早已量產(chǎn)進(jìn)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(jìn)入量產(chǎn)。
物聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用也為國產(chǎn)MCU帶來很多新的機(jī)會，比如家電智能化、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備，以及智能卡和智能表計等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)品同質(zhì)化比較嚴(yán)重，在已經(jīng)成熟的市場上難以有標(biāo)新立異之處，國產(chǎn)廠商只能通過價格戰(zhàn)來維持生存。而物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景比較碎片化，傳統(tǒng)通用型MCU難以滿足不同應(yīng)用的特殊需求，國內(nèi)廠商開始嘗試在微處理器內(nèi)核上集成更多外圍功能，比如ADC、傳感器、射頻、驅(qū)動、各種外設(shè)。對市場和客戶需求反應(yīng)速度快，靈活性強(qiáng)，而且可以根據(jù)客戶的要求增加各種功能特性，這是國產(chǎn)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(lǐng)域，專注于研發(fā)高集成、低功耗的 Wi-Fi 和藍(lán)牙MCU產(chǎn)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(nèi)MCU市場的領(lǐng)導(dǎo)者，而且在全球物聯(lián)網(wǎng)芯片市場占據(jù)了一席之地。原來以家電為主攻市場的深圳中微半導(dǎo)體最近幾年開始轉(zhuǎn)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(fèi)電子和新興物聯(lián)網(wǎng)市場獲得了很多客戶青睞。該公司的科創(chuàng)板申請已經(jīng)受理，預(yù)計也很快在科創(chuàng)板掛牌上市。
微處理器內(nèi)核是MCU的核心，在Arm之外增加RISC-V可以讓國產(chǎn)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(yīng)用需求開發(fā)差異化的MCU產(chǎn)品。目前國內(nèi)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(nèi)核IP供應(yīng)商都在積極拓展物聯(lián)網(wǎng)市場和國內(nèi)MCU廠商客戶。中國 RISC-V 產(chǎn)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(jié)構(gòu)都在積極參與中國市場和開發(fā)者社區(qū)的建設(shè)。
除兆易創(chuàng)新外，國產(chǎn)MCU廠商也紛紛嘗試基于RISC-V內(nèi)核的MCU產(chǎn)品開發(fā)。例如，?南京沁恒微電子研發(fā)多款RISC-V內(nèi)核IP，包括支持浮點運(yùn)算V4F，并基于32位通用MCU架構(gòu)外加USB高速PHY、藍(lán)牙收發(fā)器、以太網(wǎng)PHY等專業(yè)接口模塊推出增強(qiáng)版MCU ，進(jìn)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(yīng)用。深圳中微半導(dǎo)體、航順、泰凌微、全志、樂鑫和博流智能等國產(chǎn)芯片設(shè)計公司都已經(jīng)推出基于RISC-V內(nèi)核的MCU系列產(chǎn)品。
瑞薩針對智能制造領(lǐng)域推出了嵌入式AI技術(shù)“e-AI”，這種AI單元解決方案可作為一個附加單元添加到設(shè)備上，通過預(yù)先學(xué)習(xí)好的AI處理模型，實現(xiàn)從傳感器數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)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(jī)控制等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，比如用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對風(fēng)扇運(yùn)行模式進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)檢測到設(shè)備異常時，會通過藍(lán)牙將警報發(fā)送到顯示器上。
MCU 邊緣AI已經(jīng)開始在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)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(jìn)以應(yīng)對層出不窮的應(yīng)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(chǎn)品系列的必要補(bǔ)充和增強(qiáng)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(qiáng)大的處理能力相結(jié)合，從而使海量終端智能涌現(xiàn)出來。
全球疫情打亂了半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的正常運(yùn)作流程，再加上自然災(zāi)害的影響，致使很多晶圓廠和封測工廠停產(chǎn)或減產(chǎn)。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(guān)電腦和消費(fèi)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(yán)重。
對國產(chǎn)MCU廠商來說，“國產(chǎn)替代”和“芯片短缺”反而成為推動其MCU產(chǎn)品線打入大中型OEM廠商供應(yīng)鏈，甚至汽車供應(yīng)鏈的驅(qū)動力。據(jù)《電子工程專輯》分析師團(tuán)隊調(diào)查了解，凡是能夠保證代工廠和封測合作伙伴正常供應(yīng)的國產(chǎn)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(jīng)濟(jì)和市場驅(qū)動力外，新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、RISC-V處理器架構(gòu)和邊緣AI的興起，也將大力推動國產(chǎn)MCU的發(fā)展。下面我們對這個五大驅(qū)動因素逐一說明。
國產(chǎn)替代
自從“中興事件”和華為被禁以來，美國對中國在半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)品方面的出口限制逐漸收緊，即便特朗普下臺，***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(nèi)電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的極大恐慌。同時，國內(nèi)廠商開始尋求“國產(chǎn)替代”，原來壓根都不考慮國產(chǎn)芯片的企業(yè)采購人員開始主動邀請國產(chǎn)IC設(shè)計公司參與其產(chǎn)品設(shè)計、工程測試，甚至量產(chǎn)供貨。MCU芯片作為通用性基礎(chǔ)器件，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，“國產(chǎn)替代”的機(jī)會也更多。以華為供應(yīng)鏈為例，其全球采購金額巨大，供應(yīng)鏈去美國化和國產(chǎn)替代迫在眉睫。華為 2018年采購金額高達(dá)760億美元，覆蓋2,300?多個采購品類和13,000家供應(yīng)商，采購業(yè)務(wù)分布在全球140多個國家。據(jù)Gartner全球半導(dǎo)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(dǎo)體采購量，比2019年下降了23.5％，但仍高達(dá)190億美元。去年科創(chuàng)板上市的芯?？萍季蛻{借觸控技術(shù)方案和信號鏈MCU成功打入華為采購供應(yīng)鏈。
芯片短缺
據(jù)半導(dǎo)體業(yè)界專家預(yù)測，全球范圍的芯片短缺要到2023年才能緩解。在半導(dǎo)體含量比較高的應(yīng)用市場，特別是汽車行業(yè)的芯片短缺最為嚴(yán)重。而在汽車半導(dǎo)體中，作為汽車微型“大腦”的車規(guī)級MCU短缺尤其嚴(yán)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(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展，車規(guī)級 MCU 的應(yīng)用更加廣泛，覆蓋從座艙安全、發(fā)動機(jī)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(jù)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(jìn)口，國產(chǎn)替代空間巨大?？吹狡嘙CU市場的潛力，再加上汽車MCU芯片的短缺，國產(chǎn)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(jìn)入車規(guī)級MCU市場，比亞迪半導(dǎo)體宣稱其車規(guī)級MCU量產(chǎn)裝車量已經(jīng)突破1000萬顆，其獨立上市計劃將進(jìn)一步推動MCU產(chǎn)品線在汽車市場的擴(kuò)展；專注于汽車市場的芯旺微電子采用自研處理器架構(gòu)，MCU產(chǎn)品早已量產(chǎn)進(jìn)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(jìn)入量產(chǎn)。
物聯(lián)網(wǎng)（IoT）
IoT 設(shè)備實際上并非一種全新的設(shè)備品類，而是通過在傳統(tǒng)設(shè)備上加入傳感器 執(zhí)行器 通信模組，以持續(xù)收集相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，從而提供增強(qiáng)的服務(wù)和運(yùn)營的產(chǎn)品。MCU的“低功耗 安全 經(jīng)濟(jì)”特性正好符合 IOT 設(shè)備要求，因此在各類IoT設(shè)備中運(yùn)用廣泛。根據(jù) IoT Analytics 預(yù)測，全球IoT半導(dǎo)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(dá)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(wǎng)新興應(yīng)用也為國產(chǎn)MCU帶來很多新的機(jī)會，比如家電智能化、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備，以及智能卡和智能表計等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)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(chǎn)品同質(zhì)化比較嚴(yán)重，在已經(jīng)成熟的市場上難以有標(biāo)新立異之處，國產(chǎn)廠商只能通過價格戰(zhàn)來維持生存。而物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景比較碎片化，傳統(tǒng)通用型MCU難以滿足不同應(yīng)用的特殊需求，國內(nèi)廠商開始嘗試在微處理器內(nèi)核上集成更多外圍功能，比如ADC、傳感器、射頻、驅(qū)動、各種外設(shè)。對市場和客戶需求反應(yīng)速度快，靈活性強(qiáng)，而且可以根據(jù)客戶的要求增加各種功能特性，這是國產(chǎn)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(lǐng)域，專注于研發(fā)高集成、低功耗的 Wi-Fi 和藍(lán)牙MCU產(chǎn)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(nèi)MCU市場的領(lǐng)導(dǎo)者，而且在全球物聯(lián)網(wǎng)芯片市場占據(jù)了一席之地。原來以家電為主攻市場的深圳中微半導(dǎo)體最近幾年開始轉(zhuǎn)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(fèi)電子和新興物聯(lián)網(wǎng)市場獲得了很多客戶青睞。該公司的科創(chuàng)板申請已經(jīng)受理，預(yù)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(nèi)首款基于RISC-V內(nèi)核的32位通用MCU-- GD32VF103，其RISC-V內(nèi)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(yīng)的Arm產(chǎn)品型號（GD32V對應(yīng)GD32）。中國工程院院士倪光南在新品發(fā)布會上總結(jié)道，“RISC-V基于標(biāo)準(zhǔn)寬松的BSD許可證，可自由免費(fèi)地使用設(shè)計CPU、開發(fā)并添加自有擴(kuò)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(nèi)核是MCU的核心，在Arm之外增加RISC-V可以讓國產(chǎn)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(yīng)用需求開發(fā)差異化的MCU產(chǎn)品。目前國內(nèi)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(nèi)核IP供應(yīng)商都在積極拓展物聯(lián)網(wǎng)市場和國內(nèi)MCU廠商客戶。中國 RISC-V 產(chǎn)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(jié)構(gòu)都在積極參與中國市場和開發(fā)者社區(qū)的建設(shè)。
除兆易創(chuàng)新外，國產(chǎn)MCU廠商也紛紛嘗試基于RISC-V內(nèi)核的MCU產(chǎn)品開發(fā)。例如，?南京沁恒微電子研發(fā)多款RISC-V內(nèi)核IP，包括支持浮點運(yùn)算V4F，并基于32位通用MCU架構(gòu)外加USB高速PHY、藍(lán)牙收發(fā)器、以太網(wǎng)PHY等專業(yè)接口模塊推出增強(qiáng)版MCU ，進(jìn)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(yīng)用。深圳中微半導(dǎo)體、航順、泰凌微、全志、樂鑫和博流智能等國產(chǎn)芯片設(shè)計公司都已經(jīng)推出基于RISC-V內(nèi)核的MCU系列產(chǎn)品。
邊緣AI
跟AI關(guān)聯(lián)的芯片設(shè)計主要涉及功能強(qiáng)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(guān)系呢？隨著 AI從云到邊緣和終端的擴(kuò)展，AI 計算引擎可讓MCU突破嵌入式應(yīng)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(wǎng)絡(luò)攻擊的實時響應(yīng)能力和設(shè)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(wù)和自然語言處理等新興應(yīng)用領(lǐng)域。AI還有助于提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療應(yīng)用中電池供電設(shè)備的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)隱私性。瑞薩針對智能制造領(lǐng)域推出了嵌入式AI技術(shù)“e-AI”，這種AI單元解決方案可作為一個附加單元添加到設(shè)備上，通過預(yù)先學(xué)習(xí)好的AI處理模型，實現(xiàn)從傳感器數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)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(jī)控制等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，比如用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對風(fēng)扇運(yùn)行模式進(jìn)行訓(xùn)練，當(dāng)檢測到設(shè)備異常時，會通過藍(lán)牙將警報發(fā)送到顯示器上。
MCU 邊緣AI已經(jīng)開始在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)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(jìn)以應(yīng)對層出不窮的應(yīng)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(chǎn)品系列的必要補(bǔ)充和增強(qiáng)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)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(qiáng)大的處理能力相結(jié)合，從而使海量終端智能涌現(xiàn)出來。
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