一輛傳統燃油車需要大約500到600顆芯片，輕混汽車大約需要1000顆，插電混動和純電動汽車則需要至少2000顆芯片。這就意味著在智能電動汽車快速發展的過程中，不僅對先進制程芯片需求不斷增加，而且對傳統芯片需求也會持續增加。MCU就是這樣，除了單車搭載的數量在不斷增長，域控制器也帶來了對高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增長。

汽車電子中所使用的半導體即車規級芯片，主要有主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），傳感器芯片（CIS）和存儲芯片（Flash）四大類，車規級芯片廣泛應用于汽車的動力系統、智能座艙及自動駕駛系統，是汽車電子不可或缺的核心元器件。

MCU芯片介紹

MCU，Microcontroller Unit，中文稱單片微型計算機/微控制器/單片機，將CPU、存儲器、外圍功能整合在單一芯片上，形成具有控制功能的芯片級計算機，主要用于實現信號處理和控制，是智能控制系統的核心。

MCU和汽車電子，工業，計算機和網絡，消費電子，家電和物聯網等我們生活和工作密切相關，汽車電子是汽車電子中最大的一個市場，全球范圍內汽車電子所占比例高達33%。

在汽車電子的各個系統當中，往往需要采用車用MCU（車用微控制器）作為運作控制的核心，負責各種信息的運算處理，用于汽車的動力總成、輔助駕駛、網絡互聯、底盤安全、信息娛樂以及車身電子等方向。

圖1、MCU的基本結構

構成MCU的幾個重要組件包括：

1、中央處理器（CPU）

CPU是單片機的大腦。它由算術邏輯單元（ALU）和控制單元（CU）組成。CPU讀取、解碼和執行指令以執行算術、邏輯和數據傳輸操作。

2、存儲單元

任何計算系統都需要兩種類型的存儲器：程序存儲器和數據存儲器。程序存儲器，顧名思義，包含程序，即要由CPU執行的指令。另一方面，數據存儲器需要在執行指令時存儲臨時數據。通常，程序存儲器是只讀存儲器（ROM），數據存儲器是隨機存取存儲器（RAM）。

3、輸入/輸出端口

單片機與外部世界的接口由輸入/輸出端口（I/O端口）提供。開關、鍵盤等輸入設備以二進制數據的形式從用戶向CPU提供信息。CPU在接收到來自輸入設備的數據后，執行適當的指令并通過LED、顯示器、打印機等輸出設備做出響應。

4、定時器/計數器

單片機的重要組件之一是定時器和計數器。它們提供時間延遲和計數外部事件的操作。此外，定時器和計數器可以提供函數生成、脈寬調制、時鐘控制等。

5、總線

單片機的另一個重要組件，但很少講到，它就是系統總線。系統總線是一組連接線，將CPU與其他外圍設備（如內存、I/O端口和其他支持組件）連接起來。

MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐條執行預存指令的過程，不同類型的單片機有不同的指令系統。為了讓一個單片功能自動完成某項具體任務，必須將所要解決的問題編成一系列的指令，并且這些指令必須是由一個單獨的函數來識別和執行的，這樣一系列指令的集合就變成了程序，這些程序需要預先儲存在有存儲能力的存儲器中，也就是我們常說的內存。

由于程序是按順序執行的，因此程序中的指令也是一條條地存儲，MCU在執行程序時要將這些指令逐個提取并執行，必須擁有能夠跟蹤指令所在存儲單元的功能，這個部分就是程序計數器PC（包括CPU在內），當程序開始運行時，PC將會被分配到程序中每一條指令的存儲單元，并一一執行該項指令，PC中的內容自動增加，增加量由這個指令長度決定，每一條都指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執行。

內核架構是影響MCU性能的一個關鍵要素，更優秀的運算單元需要更先進的內核架構。十幾年前，各大MCU廠商均采用各自的內核，如瑞薩采用RX內核，飛思卡爾采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。隨著ARM推出Cortex-M架構并開展了獨特的開創IP授權的模式，以其軟件代碼的共享和高兼容性、高密度指令集等特點，現已逐步占據主導地位。

車規MCU的種類

車規MCU按位數可分為8位、16位和32位。位數即MCU單次處理數據寬度，位數越高，MCU性能越強。

8位MCU成本/功耗低，便于開發，性能可滿足大部分場景需要，廣泛應用于基礎功能如風扇、雨刷、天窗，座椅控制等領域。32位MCU運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統等領域。32位的CPU內核以ARM為主流架構，由于CPU指令集龐大，軟件開發難度較高，單價一般數倍于8位MCU，因而也有較高的研發壁壘。

圖2、不同的MCU

從不同位數MCU規模占比來看，目前全球MCU芯片產品以32位為主。受益于其體積小性能優的特性以及汽車智能化的趨勢，32位MCU銷售額占比已經從2010年的38.1%提升至2015年的53.7%，進而躍升至2021年65.8%。隨著汽車智能化和電動化進一步發展，汽車電子功能將日趨復雜，勢必推動車規MCU向更高性能，更小尺寸，更低功耗的方向發展，32位芯片占比有望進一步提高。

從價格上來說，一般8位MCU的單價小于1美元，16位MCU的單價在1~5美元之間，32位MCU價格在5~10美元之間，部分高端產品在10美元以上。但在市場極端缺貨情況下，汽車MCU的單價波動幅度極大，德州儀器旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣到5000元一顆，此后該芯片單價一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車市場出貨的晴雨不一，芯片價格也隨之共振。

MCU產業鏈概況

MCU產業鏈上游為半導體材料及半導體設備，主要包括硅片、光刻膠、光掩模、電子特種氣體、靶材、單晶爐、刻蝕機、***等。中游為MCU制造環節，主要包括芯片設計、單晶硅片制造、晶圓制造、芯片封測。下游應用領域包括汽車電子、工業控制、消費電子、計算機網絡等。

圖3、MCU行業產業鏈

MCU市場情況

1、市場規模

IC Insights的數據顯示，全球MCU市場規模從2018年的186億美元增長至2021年的221億美元，CAGR為5.6%；2022年全球MCU市場規模有望達239億美元，同比增長8.1%。

圖4、全球MCU市場規模

MCU是汽車從電動化向智能化深度發展的關鍵元器件之一，汽車也是全球MCU第一大應用市場，占比超過1/3，平均每輛汽車MCU需求量高達上百顆。隨著汽車半導體行業技術演進和需求升級，智能化將逐步成為相關廠商競爭的主戰場，接力電動化成為重要驅動力，MCU作為核心算力芯片深度受益。

2、競爭格局

根據Omdia，MCU市場主要由歐美日芯片廠商牢牢把持，前七大廠商占據全球85.4%的市場份額，但各家企業的占比相對較為平均。

圖5、全球MCU市場競爭格局

國內MCU市場方面，根據CSIA和中國汽車工業協會的數據，2021年國內MCU市場約85%（2019年為94%）由外資把持，MCU國產化率低且多集中于消費級，車規級MCU自給率尚不足5%，仍有很大國產替代空間。

根據富昌電子行情預測，2022年4季度的全球車規半導體仍處于供不應求的狀態，主要車規MCU大廠如意法半導體，恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供貨緊張態勢，不論是芯片價格還是貨期較之前兩個季度都有明顯的升高。海外大廠的產能擴張尚不能滿足市場需求，國內MCU企業有望把握這個供需錯配的時間窗口，憑借先前的投入，與國內下游造車新勢力合作，加速車規級MCU的國產替代進程。

由于新能源汽車在政策導向及技術驅動下持續發力，預計2023年全球新能源汽車銷量將仍有約30%的出貨量增長，這也將帶動車用MCU的需求量持續提升。從供應端來看，隨著晶圓廠產能由消費電子陸續向車規轉移，車規半導體芯片總體供應也呈現增長態勢。隨著供應和需求的雙雙增長，全年供需將維持較為健康狀態，價格走勢相對平穩。根據群智咨詢（Sigmaintell）調研數據，2023年第一季度車用MCU價格基本停止上漲，預計后續車用MCU價格維持穩定走勢。

圖6、2023年車用芯片調研及預測

MCU技術發展趨勢

1、更高算力

隨著汽車智能化程度的不斷增加，車規級MCU將向多功能集成、高算力及超低功耗方向發展，且使用數量也會隨之增加。同時，未來智能汽車中大量使用的車載傳感器、車載攝像頭，也需要高性能的MCU來做模擬數據的運算處理與驅動控制。因此，在未來更高階自動駕駛等級的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢下，總線寬度32位乃至64位高算力車規級MCU將成為主流產品，而8/16位中低端MCU則會被更高制程的SOC所集成，失去增長動力。

2、更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求會指數上升，部分MCU會和GPU，DSP，NPU和AI處理單元等不同類型芯片共同被集成到SoC（系統級芯片）上。SoC是MCU集成度更高的結果，其功能更復雜，資源利用效率更高，可勝任如無人駕駛和智能座艙等需要高算力的場景。

3、更高開放度

由于ARM內核IP授權費高昂（芯片售價的2%-15%），很多廠商已開始基于開源的RISC-V內核開發MCU，如瑞薩，英特爾，兆易創新等。RISC-V不僅完全免費開源，還具有低功耗，指令集精簡，設計編譯簡單，支持模塊化和可拓展等的特點，這和車規級MCU場景碎片化，功能模塊化的特點十分契合。

隨著汽車行業的快速發展，汽車電氣化率不斷提升，車上的ECU也越來越多，眾多的ECU由于功能和需求的差異，成本的差異，需要針對不同的ECU選擇合適的MCU進行功能和成本上的匹配，以滿足開發需求，這時MCU選型就顯得尤為重要。

圖7、ECU示意圖

汽車MCU選型要點

1、普通接口梳理：

梳理出ECU有哪些功能，需要處理的傳感器信號，需要控制的執行器數量、以及控制方式，數字檢測包括數字和模擬信號的數量。

2、通信功能統計：

有幾路CAN、LIN，甚至以太網，速率需求。

3、通信以及各類對外接口的電壓：

以及是否需要輔助器件如EEPROM、FLASH、DDR，以便確定哪種工作電壓的MCU更為合適。

4、確定GPIO的數量：

根據需求確定需要多少GPIO。

5、確定ADC接口數量：

模擬信號需要ADC檢測，需要確定ADC檢測的數量。

6、I2C，SPI等通信端口的數量：

一些輔助芯片需要I2C， SPI等通訊方式，不同MCU的資源數量不同且較為有限。

7、統計需要的RAM和FLASH的大小：

統計RAM和FLASH的大小，以便確定選擇哪種規格的MCU，以及是否需要外掛，哪種方式更具性價比等等。

8、MCU主頻算力確定：

根據當前通信端口、SPI、I2C、FLASH等外設的數據吞吐總量確定MCU算力需求。

圖8、MCU結構示意圖

車規MCU選型思路

國內外有眾多的MCU廠家，國外原廠有英飛凌、瑞薩、恩智浦、德州儀器、意法半導體、微芯等，而國內MCU廠家有芯馳、云途、賽騰微、復旦微、比亞迪半導體、芯旺、杰發、國芯、中微半導、凌鷗創芯、峰岹、國民技術、航順、芯海、旋智、旗芯、智芯、極海、先楫半導體、小華、兆易創新等，各個廠家的實力，質量，價格不盡相同，且定位和產品路線存在差異，需要多維度的考量廠家的實力和可靠性。

圖9、國產MCU原廠及其產品

另外需要確定MCU需要使用哪種核心，如RISC-V， POWER PC， ARM A， ARM M， ARM R5等系列，不同系列的側重點不同，如ARM A側重性能，ARM M側重功耗，ARM R則在性能和功能上進行了折中，另外RISC-V架構沒有受美國管制的風險，但是仍處于發展早期，技術及生態鏈尚不成熟，很多廠家人在觀望中，有個別廠家卻全身家押注，如：奕斯偉、芯科集成、凌思微，可重點關注此廠商。

圖10、ARM結構內核

最后根據功能的種類數量等需求確定MCU的引腳數，通過PCB的布線空間確定MCU的封裝，采用BGA還是LQPF封裝，另外根據I2C，SPI，CAN，LIN，PWM和ADC的數量需求確定最終型號。

MCU選型是ECU方案最為關鍵的一環，設計端需要根據ECU的需求確定最優方案，MCU市場同類產品眾多，選項較多，我們可以根據質量、保供、支持服務等角度出發優先培養國產供應商，不僅可以滿足工信部對國產化的要求，還能掌握更多主動權，甚至可以按我們的要求去設計更為合理的芯片以達到效益最大化。

總之MCU的選型圍繞需求、服務、質量、保供、價格這五大方向進行。