MCU的成長(zhǎng)史

MCU（Microcontroller Unit），微控制器，它有一個(gè)大家熟知的名字：單片機(jī)。

它“真香”的地方在于，把一套基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)搬到了一塊芯片上，內(nèi)部包含減配版CPU、RAM、ROM、I/O、計(jì)數(shù)器、串口等，雖然性能肯定不及廣泛意義上的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但它低功耗、可編程又靈活，因此在消費(fèi)電子、醫(yī)療、工業(yè)、通信、汽車中有著非常廣泛的應(yīng)用。

它誕生于1971年，英特爾設(shè)計(jì)出的全球第一顆微處理器——編號(hào)為4004的4位芯片，這顆芯片上集成了2000多顆晶體管，同時(shí)英特爾還設(shè)計(jì)出了4001、4002、4003芯片，分別為RAM、ROM和寄存器。

這四大產(chǎn)品上市時(shí)，英特爾在廣告中寫(xiě)道“宣告集成電路新紀(jì)元：微電腦濃縮在單顆芯片上。”彼時(shí)，小型機(jī)與大型機(jī)以8位元和16位元處理器為主，因此英特爾很快在1972年推出了8位微處理器8008，以快速贏得市場(chǎng)，從此開(kāi)啟了單片機(jī)的時(shí)代。

1976年，英特爾推出了全球首顆可程序化的微電腦控制器8748，內(nèi)部集成8位CPU、8位并行I/O、8位計(jì)數(shù)器、RAM、ROM等，可滿足一般工業(yè)控制和儀表等的需求，以8748為代表，開(kāi)啟了單片機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域的探索。

到了1980年代，8位單片機(jī)開(kāi)始愈發(fā)成熟，RAM、ROM容量加大，普遍帶有串行接口，也有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，多個(gè)16位計(jì)數(shù)器等。1983年，英特爾推出MCS–96系列16位高性能單片機(jī)，內(nèi)部集成晶體管數(shù)量達(dá)到了12萬(wàn)顆。

從1990年代開(kāi)始，單片機(jī)就進(jìn)入了百家爭(zhēng)鳴的階段，在性能、速度、可靠性、集成度上全面開(kāi)花，根據(jù)總線或數(shù)據(jù)寄存器的位數(shù)，從最初4位逐漸發(fā)展，有了8位、16位、32位和64位單片機(jī)。

目前，MCU的指令集主要分為CISC和RISC，內(nèi)核架構(gòu)以ARM Cortex、Intel 8051和RISC-V為主。

不同位數(shù)、內(nèi)核及指令集的MCU所占市場(chǎng)份額均不同，根據(jù)2020中國(guó)通用微控制器（MCU）市場(chǎng)簡(jiǎn)報(bào)，32位MCU產(chǎn)品市場(chǎng)占比最高達(dá)55%，其次是8位產(chǎn)品，占比達(dá)43%，4位產(chǎn)品占比達(dá)2%，16位產(chǎn)品占比達(dá)1%，可見(jiàn)市場(chǎng)主流產(chǎn)品為32位和8位MCU，16位MCU產(chǎn)品市場(chǎng)空間被嚴(yán)重?cái)D壓。

CISC指令集產(chǎn)品市場(chǎng)占比為24%，RISC指令集產(chǎn)品占比為76%，為市場(chǎng)主流產(chǎn)品；Intel 8051內(nèi)核產(chǎn)品市場(chǎng)占比為22%，其次是ARM Cortex-M0產(chǎn)品，占比達(dá)20%，ARM Cortex-M3產(chǎn)品占比達(dá)14%，ARM Cortex-M4產(chǎn)品占比達(dá)12%，ARM Cortex-M0+產(chǎn)品占比為5%，ARM Cortex-M23產(chǎn)品占比為1%，RISC-V內(nèi)核產(chǎn)品占比為1%，其他占比為24%。綜合來(lái)看，ARM Cortex系列內(nèi)核占比高達(dá)52%，為市場(chǎng)主流。

過(guò)去20年，MCU市場(chǎng)一直面臨價(jià)格大幅下滑的困境，但在過(guò)去5年間，其平均售價(jià)（ASP）下降速度在放緩。在經(jīng)歷汽車行業(yè)低迷、全球經(jīng)濟(jì)疲軟、疫情危機(jī)后，MCU市場(chǎng)從2020年開(kāi)始復(fù)蘇。根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，2020年，MCU出貨量增長(zhǎng)8%，2021年MCU總出貨量增長(zhǎng)到12%，創(chuàng)下歷史新高，達(dá)309億顆，而ASP也上漲10%，創(chuàng)25年來(lái)最高漲幅。

IC Insights預(yù)計(jì)未來(lái)5年，MCU出貨量將達(dá)358億顆，總銷售額將達(dá)272億美元。其中，32位MCU的銷售額預(yù)計(jì)達(dá)到200億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為9.4%，16位MCU預(yù)計(jì)達(dá)到47億美元，4位MCU預(yù)計(jì)不會(huì)出現(xiàn)增長(zhǎng)。

汽車MCU瘋狂超車

汽車電子是MCU最大的應(yīng)用場(chǎng)景。IC Insights預(yù)計(jì)，2022年全球MCU銷售額將增長(zhǎng)10%，達(dá)到215億美元，創(chuàng)歷史新高，其中汽車MCU的增長(zhǎng)將超過(guò)大多數(shù)其他終端市場(chǎng)。

有超40%的MCU銷售額來(lái)自于汽車電子，并且預(yù)計(jì)未來(lái)5年內(nèi)，汽車MCU銷售額將以7.7%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，超過(guò)通用MCU（7.3%）。

目前汽車MCU主要以8位、16位、32位為主，不同位數(shù)的MCU打的工也不盡相同。

具體來(lái)看：

8位MCU主要用于比較基礎(chǔ)的控制功能，如座椅、空調(diào)、風(fēng)扇、車窗、門控模塊等控制。

16位MCU主要用于下車身，如引擎、電子剎車、懸吊系統(tǒng)等動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)。

32位MCU契合汽車智能化，主要用于座艙娛樂(lè)、ADAS、車身控制等高端智能和安全的應(yīng)用場(chǎng)景。

現(xiàn)階段，8位MCU的性能和內(nèi)存容量都在不斷增長(zhǎng)，加上本身成本效益，可以替代部分16位MCU的應(yīng)用，也能向下兼容4位MCU的應(yīng)用。而32位MCU將在整個(gè)汽車E/E架構(gòu)中扮演著越來(lái)越重要的主控角色，可以管理四散地中低端ECU單元，使用數(shù)量會(huì)不斷增加。

以上情況使得16位MCU處于比較尷尬的位置，高不成低不就，但在部分應(yīng)用場(chǎng)景下，它仍有用武之地，如一些動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵應(yīng)用。

汽車智能化大幅提振了32位MCU的需求，根據(jù)McClean報(bào)告，2021年，超過(guò)四分之三的汽車MCU銷售額來(lái)自32位MCU，預(yù)計(jì)達(dá)到58.3億美元左右；16位MCU的收入約為13.4億美元；8位MCU的收入約為4.41億美元。

而從應(yīng)用層面看，信息娛樂(lè)是汽車MCU銷售同比增幅最高的應(yīng)用場(chǎng)景，2021年較2020年增長(zhǎng)了59%，其余場(chǎng)景收入增幅為20%。

現(xiàn)在汽車所有電控都要用到ECU（電子控制單元），而MCU又是ECU的核心控制芯片，每個(gè)ECU至少有一顆MCU，因此現(xiàn)階段的智能電動(dòng)化轉(zhuǎn)型升級(jí)促使MCU單車用量的需求提升。

中國(guó)市場(chǎng)學(xué)會(huì)汽車營(yíng)銷專家委員會(huì)研究部數(shù)據(jù)顯示，普通傳統(tǒng)燃油汽車平均單車搭載ECU數(shù)量為70顆，豪華傳統(tǒng)燃油汽車因?yàn)閷?duì)座椅、中控娛樂(lè)、車身穩(wěn)定與安全等性能要求更高，單車搭載ECU數(shù)量可達(dá)150顆，而智能汽車由于自動(dòng)駕駛和輔助駕駛新增的軟硬件需求，平均單車搭載ECU數(shù)量能夠達(dá)到300顆，與此對(duì)應(yīng)，MCU的單車用量也將達(dá)到300顆以上。

汽車制造商對(duì)MCU的旺盛需求，在因?yàn)橐咔槿毙镜?021年顯得尤為明顯。那年，許多車企因?yàn)槿毙静坏貌欢虝宏P(guān)停部分生產(chǎn)線，但汽車MCU的銷售額飆漲23%，達(dá)到76億美元，創(chuàng)歷史新高。

車用芯片大多采用8英寸晶圓生產(chǎn)，部分廠商如TI向12英寸線轉(zhuǎn)移，IDM也會(huì)將部分產(chǎn)能委外代工，其中以MCU為主，約有70%的產(chǎn)能由臺(tái)積電承擔(dān)。但汽車業(yè)務(wù)本身占臺(tái)積電比例很小，并且臺(tái)積電重頭在消費(fèi)電子的先進(jìn)制程技術(shù)領(lǐng)域，因此使得汽車MCU市場(chǎng)顯得尤為緊缺。

汽車芯片引領(lǐng)的缺貨也讓整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迎來(lái)一波擴(kuò)產(chǎn)潮，各大代工及IDM廠積極擴(kuò)產(chǎn)，但重點(diǎn)各有不同。

臺(tái)積電熊本廠預(yù)計(jì)2024年底投產(chǎn)，除22/28納米制程，還將進(jìn)一步提供12和16納米制程，南京廠擴(kuò)產(chǎn)28納米，月產(chǎn)能擴(kuò)增4萬(wàn)片；

中芯國(guó)際計(jì)劃2021年至少擴(kuò)產(chǎn)4.5萬(wàn)片8英寸晶圓，至少1萬(wàn)片12英寸晶圓，在臨港建設(shè)月產(chǎn)能12萬(wàn)片的12英寸產(chǎn)線，聚焦于28納米及以上節(jié)點(diǎn)；

華虹預(yù)計(jì)2022年加快推進(jìn)12英寸產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)至9.45萬(wàn)片；

瑞薩宣布入股臺(tái)積電熊本廠，有意擴(kuò)大外包，并且目標(biāo)在2023年前，將車用MCU供貨量提高5成，高端MCU產(chǎn)能預(yù)計(jì)較2021年底增加5成，低端MCU產(chǎn)能增加約7成；

意法半導(dǎo)體2022年將投入14億美元用于擴(kuò)產(chǎn)，計(jì)劃到2025年間將歐洲工廠產(chǎn)能提升一倍，主要增加12英寸產(chǎn)能，對(duì)于8英寸產(chǎn)能，意法半導(dǎo)體將針對(duì)不需要12英寸技術(shù)的產(chǎn)品進(jìn)行選擇性提升；

德州儀器將新增4座工廠，預(yù)計(jì)2025年第一家工廠投產(chǎn)，第三、四家工廠將于2026年-2030年間建設(shè)；

安森美將資本投入增加到12%，主要用于12英寸晶圓產(chǎn)能擴(kuò)產(chǎn)。

IC insights有一項(xiàng)有趣的數(shù)據(jù)，所有32位MCU的ASP在2015年至2020年期間是以-4.4%的復(fù)合年增長(zhǎng)率逐年下降，但在2021年上漲約13%，達(dá)到0.72美元左右。

反映在現(xiàn)貨市場(chǎng)，汽車MCU的價(jià)格波動(dòng)更為明顯：常態(tài)價(jià)為22元的NXP 32位MCU FS32K144HAT0MLH最高沖到550元，幅度超20倍，是當(dāng)時(shí)最缺的汽車芯片之一；英飛凌32位汽車MCU SAK-TC277TP-64F200N DC曾一度漲到4500元，漲幅近百倍，同系列的SAK-TC275T-64F200N DC也暴漲至2000多元。

在另外一邊，原本火熱的消費(fèi)電子開(kāi)始降溫，需求疲軟，以及國(guó)產(chǎn)替代的加速，使得通用、消費(fèi)類MCU價(jià)格回落，一些ST芯片型號(hào)如F0/F1/F3系列價(jià)格來(lái)到常態(tài)價(jià)附近，甚至市場(chǎng)傳出部分MCU的價(jià)格已跌穿代理價(jià)。

而瑞薩、NXP、英飛凌、ST等車用MCU還處于相對(duì)緊缺的狀態(tài)，如ST高性能32位MCU STM32H743VIT6在去年年末報(bào)價(jià)攀升至600元，而兩年前其報(bào)價(jià)僅為48元，漲幅有10來(lái)倍；英飛凌汽車MCU SAK-TC237LP-32F200N AC去年10月市場(chǎng)價(jià)在1200元左右，12月報(bào)價(jià)高達(dá)3800元，甚至在第三方網(wǎng)站上的報(bào)價(jià)超過(guò)5000元。

這一顆顆成為爆款、網(wǎng)紅的汽車MCU，同時(shí)也宣告著，MCU在汽車電子中的地位。

市場(chǎng)很大，國(guó)產(chǎn)很小

MCU競(jìng)爭(zhēng)版圖一如整個(gè)半導(dǎo)體競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境那樣，海外巨頭占據(jù)主導(dǎo)地位。2021年，排名前五的MCU廠商分別是NXP、Microchip、瑞薩、ST、英飛凌，這五大MCU廠商的銷售額占全球總銷售的82.1%，而2016年為72.2%，頭部企業(yè)的規(guī)模在這幾年間愈發(fā)壯大。

以下是國(guó)內(nèi)部分MCU企業(yè)：

汽車MCU市場(chǎng)頭部效應(yīng)還要顯著，相較于消費(fèi)及工業(yè)MCU，車用MCU認(rèn)證門檻高、認(rèn)證周期長(zhǎng)，認(rèn)證體系包括ISO26262標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、AEC－Q001～004 以及 IATF16949 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證、AEC－Q100／Q104 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，其中ISO26262對(duì)汽車功能安全劃分為ASIL-A至D四個(gè)等級(jí)，例如底盤(pán)等場(chǎng)景對(duì)安全性要求最高，需要ASIL-D等級(jí)的認(rèn)證，能夠滿足條件的芯片廠商寥寥無(wú)幾。

據(jù)Strategy Analysis數(shù)據(jù)，全球以及國(guó)內(nèi)車載MCU市場(chǎng)主要由恩智浦、瑞薩、英飛凌、德州儀器、Microchip占據(jù)，市場(chǎng)份額高達(dá)85%。我國(guó)MCU廠商主要集中在中低端領(lǐng)域，32位MCU雖然仍被海外巨頭壟斷，但國(guó)內(nèi)有部分企業(yè)已經(jīng)有所起色。

杰發(fā)科技、比亞迪半導(dǎo)體、國(guó)芯科技、芯海科技、芯旺微、琪埔維、賽騰微及凌鷗創(chuàng)芯的32位MCU都通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證。國(guó)融證券統(tǒng)計(jì)顯示，國(guó)內(nèi)大多量產(chǎn)公司均能夠通過(guò)AEC－Q100的認(rèn)證，但主要集中在Garde1／3。而國(guó)內(nèi)能夠通過(guò)ISO26262 認(rèn)證的廠商極少，且大部分集中在ASIL-B等級(jí)。

結(jié) 語(yǔ)

智能電動(dòng)汽車的高速發(fā)展，讓一批消費(fèi)級(jí)芯片大廠悉數(shù)加入，如英偉達(dá)、高通、英特爾均已在智能座艙、自動(dòng)駕駛芯片上有了突破性的成績(jī)，壓縮了老牌汽車芯片廠商的生存空間。車用MCU的發(fā)展已經(jīng)從注重自我研發(fā)、提升性能到了全方位的競(jìng)爭(zhēng)，爭(zhēng)取降本的同時(shí)還要保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

隨著汽車E/E架構(gòu)從分布式到域控制，最終走向中央集成，會(huì)有越來(lái)越多功能簡(jiǎn)單的中低端芯片會(huì)被取代，高性能、高算力等高端芯片會(huì)成為未來(lái)汽車芯片競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，作為主控角色的MCU受到未來(lái)ECU數(shù)量減少的影響相對(duì)較小，如特斯拉底盤(pán)控制的ECU，單個(gè)包含3-4顆MCU，但一些功能簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)MCU會(huì)被融合。總體而言，車用MCU未來(lái)幾年的市場(chǎng)和國(guó)產(chǎn)替代空間，無(wú)疑是廣袤的。

編輯：黃飛