架構(gòu)創(chuàng)新的AVR單片機

是第二代MCU蓬勃發(fā)展的縮影

20世紀(jì)的90年代初，挪威理工大學(xué)的兩個研究生Alf-Egil Bogen和Vegard Wolla因不滿于當(dāng)時主流的馮·諾依曼架構(gòu)在計算性能和數(shù)據(jù)處理速度方面的局限性，開拓性的基于哈佛結(jié)構(gòu)發(fā)明了一套Flash存儲器的RISC控制器架構(gòu)，接下來的幾年里，?Alf和Vegard不斷完善設(shè)計，成就了后來赫赫有名的AVR單片機。

Alf和Vegard共同定義的AVR架構(gòu)珍貴手稿 圖片來源：網(wǎng)絡(luò) ? Alf和Vegard堅信他們的創(chuàng)新設(shè)計極具競爭優(yōu)勢，應(yīng)該找一個合適的合伙公司將它商業(yè)化。此后，他們獲得了去往總部位于美國加州硅谷的Atmel推廣的機會。當(dāng)時的Atmel已經(jīng)在存儲器和基于c51架構(gòu)的微處理器產(chǎn)品上嶄露頭角。 ? 此后，Atmel做了一個徹底改變其公司命運的決定：設(shè)立挪威研發(fā)中心，全力支持Alf和Vegard的創(chuàng)新架構(gòu)的商業(yè)化。1997年首款以Alf和Vegard首字母命名的基于RISC指令架構(gòu)的AVR單片機1890S1200成功上市并大獲成功！? 當(dāng)時的1890S帶有采用系統(tǒng)內(nèi)編程方式的內(nèi)置Flash存儲器，板載EEPROM,在此基礎(chǔ)上還提供了免費的開發(fā)工具AVR Studio，提供低成本的硬件仿真器并免費贈送軟件工具。這個策略很快就被其快速增長的銷量業(yè)績證明是非常成功的。 ? AVR面世10年后的2007年，Atmel的AVR單片機年出貨量已經(jīng)高達3億片，一舉躍入8位MCU全球前五行列，并在2010年進入全球前三，Atmel因此獲得了巨大的商業(yè)成功。 ? “讓Atmel大獲成功的因素除了其創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)、更高的集成度、Atmel自有的Flash工藝、單周期執(zhí)行指令和高代碼密度的低功耗與高性能的折中優(yōu)化、穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品外，其易用的開發(fā)板、免費的軟件工具、豐富的應(yīng)用筆記文檔、成熟的基礎(chǔ)代碼、24小時全球覆蓋的線上技術(shù)支持、粉絲人氣活躍的社區(qū)論壇、機制健全的線下技術(shù)培訓(xùn)機制、全面的銷售渠道體系等也起著舉足輕重的作用。”時任Atmel亞太區(qū)AVR產(chǎn)品線負責(zé)人的熊海峰總結(jié)道。? 這些競爭力的融合逐漸成為主流歐美MCU品牌的標(biāo)準(zhǔn)配置，時至今日依然值得國產(chǎn)MCU廠商學(xué)習(xí)和效仿。 ?

ARM內(nèi)核普及，生態(tài)為王

如果我們把Intel早期主導(dǎo)的的x51以及這個架構(gòu)的前序架構(gòu)稱作為第一代MCU，那么AVR的發(fā)展史基本上代表了基于各家自定義架構(gòu)的第二代MCU的發(fā)展，除此之外還有Microchip的PIC系列、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430等優(yōu)秀架構(gòu)。

近10年，隨著應(yīng)用測對于性能要求和處理能力的提升，32位MCU逐漸成為市場主流。效仿在第二代8位MCU上的發(fā)展，各家主流MCU廠商紛紛推出基于各自架構(gòu)的32位MCU，但絕大部分都逐漸被同一種內(nèi)核代替，也就是目前市場占有率最高的ARM處理器內(nèi)核。 ? ARM處理器在20世紀(jì)90年代依然發(fā)展平平，進入21世紀(jì)后由于手機的快速發(fā)展，出貨量呈現(xiàn)爆炸式增長，ARM處理器占領(lǐng)了全球手機市場，占有率高達90%以上。ARM開放的商業(yè)模式，在手機市場中充分驗證的架構(gòu)成熟度在MCU市場逐漸代替各家自定義架構(gòu)，形成了第三代MCU的產(chǎn)品形態(tài)，即基于ARM內(nèi)核的32位MCU。? 這一趨勢也引領(lǐng)著MCU廠商逐漸將主要精力從架構(gòu)轉(zhuǎn)向產(chǎn)品本身，其競爭力更多體現(xiàn)在對于產(chǎn)品定義的把握以及產(chǎn)品開發(fā)和迭代的速度。產(chǎn)品定義來源于應(yīng)用側(cè)需求，如何更精準(zhǔn)的把握和預(yù)測下游廠商的應(yīng)用需求。

MCU芯片生態(tài)組成? 圖片來源：芯師爺 ? 經(jīng)過10多年的產(chǎn)品迭代和彼此競爭發(fā)展。基于ARM內(nèi)核的歐美主流MCU廠商在產(chǎn)品組合和生態(tài)方面都取得了長足發(fā)展，也形成了一整套成熟的方法論。這一整套的生態(tài)和方法論恰恰是國產(chǎn)MCU與積累了數(shù)十年的歐美老牌MCU廠商相比所欠缺的核心要素之一。? 同樣是強大的生態(tài)使得ARM在MCU領(lǐng)域的地位依然堅不可摧，RISC-V的開源策略或許可在其他領(lǐng)域奏效，但在MCU領(lǐng)域，ARM的時代遠未過去。 ?

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用爆發(fā)催生“MCU+”

近些年，內(nèi)核的歸一化，產(chǎn)品形態(tài)的同質(zhì)化讓歐美品牌之間的產(chǎn)品差異也在逐漸縮小，比拼價格不單單是國產(chǎn)MCU的普遍現(xiàn)象，也成為歐美品牌間爭奪客戶的關(guān)鍵要素之一。

與此同時，近幾年物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式的增長以及傳統(tǒng)產(chǎn)品的智能化改造對MCU提出了重新定義的需求。基于傳統(tǒng)MCU需要添加越來越多的外圍器件才能滿足這些新的產(chǎn)品需求。 ? 比如：傳感器的普遍使用對MCU的片上運放和ADC都提出了更高的精度要求，也需要更為低功耗的定制系統(tǒng)架構(gòu)來延長電池壽命；無線應(yīng)用的普及需要將無線無縫的融入應(yīng)用系統(tǒng)，催生了Wireless MCU的產(chǎn)生；對于語音和詞條的智能識別不再是專用芯片的專利，而成為MCU需要附加的功能；對于流量和電荷等的計量除了實現(xiàn)計量外，還需要更為智能化的可自定義的功能……越來越多的垂直領(lǐng)域呈現(xiàn)類似的“MCU+特定功能”的需求。在被發(fā)明半個世紀(jì)之際，這些需求無不例外的都指向了MCU的重新定義。 ? Atmel在2016年被老對手Microchip收購，對比兩家來說，Atmel產(chǎn)品定義一直中規(guī)中矩，產(chǎn)品穩(wěn)定可靠。而Microchip一直尋求自身在產(chǎn)品定義，產(chǎn)品特性上的差異化，通過大量市場調(diào)研，針對應(yīng)用場景和特定垂直應(yīng)用提取共性的定制需求，注重更高性能模擬電路部分的功能整合，最后形成獨特定義的MCU。 ? 其目標(biāo)市場的單個客戶體量不會特別大，但銷售單價高，毛利率較高。某種意義上也代表MCU+的優(yōu)勢，間接驗證了MCU+的商業(yè)邏輯。Microchip整合了包括Atmel在內(nèi)的多家公司之后的策略依然是毫不猶豫的剝離低毛利同質(zhì)化的產(chǎn)品，保持差異化獲勝和高毛利銷售。

順勢而生的MCU+

或助力國產(chǎn)MCU彎道超車！

早年，國產(chǎn)MCU在ARM內(nèi)核方向的一個重要發(fā)展分支是做歐美品牌的兼容替代。由于與被替代品的價格差較明顯，Pin-to-Pin甚至是Register-to-Register替代方便，存量市場給初入者帶來了業(yè)績的快速成長。

隨著進入者越來越多，替代產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊，這門生意越來越不具有可持續(xù)性。不過我們也慶幸的看到像華大半導(dǎo)體這樣有特色的MCU廠商開始自主定義和開發(fā)更有差異化更有競爭力的ARM MCU產(chǎn)品，這樣的踐行也給華大帶來了業(yè)務(wù)的飛速成長。我們也看到類于泰矽微這樣深入行業(yè)，深入市場和應(yīng)用，致力于定義物聯(lián)網(wǎng)時代新的MCU形態(tài)的創(chuàng)新型初創(chuàng)公司。

摸索中前行的國產(chǎn)MCU更應(yīng)回歸商業(yè)的本質(zhì)---盈利。放下急功近利的心態(tài)，無論是產(chǎn)品開發(fā)還是銷售。

01、從產(chǎn)品開發(fā)出發(fā)，認真打磨

一顆小小的、看似簡單的MCU芯片內(nèi)，從數(shù)字到模擬集成了超過50個的核心IP。尤其是模擬IP，每個IP都需要工匠般的精心打磨，長時間的大量仿真，不斷的調(diào)整電路和參數(shù)，不斷的流片，不斷的迭代，開發(fā)沒有任何捷徑。

MCU看似簡單，但因為其通用型，在應(yīng)用場景上非常多樣化并難以預(yù)測。而大量的出貨又要求產(chǎn)品的高度一致性和低不良率。這就要求電路的設(shè)計需要具備更好的容忍度，容忍一定的工藝偏差，容忍不同的溫濕度和電磁工作環(huán)境，容忍各種外設(shè)組合工作下的穩(wěn)定性，甚至需要考慮外圍應(yīng)用設(shè)計的容錯性。這才具備了可靠性，高品質(zhì)MCU產(chǎn)品的基本要求。 ?

02、后MCU需要更精準(zhǔn)的產(chǎn)品定義

無論是像Microchip這樣成功的踐行者，還是像Tinychip這樣專注于精準(zhǔn)定義MCU+并初獲認可的探索者，都是這個方向的典型代表。產(chǎn)品給芯片原廠帶來的是利潤，而給客戶帶來的是價值。只有更高的附加價值才會帶來高額的利潤。物聯(lián)網(wǎng)的到來則把MCU的產(chǎn)品重新定義從一個基本準(zhǔn)則推升到了勢在必行的地步。

03、物聯(lián)網(wǎng)時代的生態(tài)尤為重要

物聯(lián)網(wǎng)本身就具備超長生態(tài)鏈的典型特征。MCU的生態(tài)與物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)的重疊、銜接與融合將會起到相互促進和共同發(fā)展的作用。擁抱生態(tài)，融入生態(tài)，擁有生態(tài)是與歐美品牌MCU廠商進入正面交鋒的基本條件。

04、芯片國產(chǎn)化的大背景助推

芯片國產(chǎn)化推動著技術(shù)與資本的化學(xué)反應(yīng)，MCU作為一個頗有爭議的方向，其反應(yīng)程度并不算劇烈。而在物聯(lián)網(wǎng)這個催化劑下，MCU自身正在悄然發(fā)生變化，無論是叫“后MCU”也好，或者是Tinychip所定義的“MCU+”也罷，先知先覺的資本已經(jīng)開始悄然布局。對于資本市場來說，只要碰上認真踏實做事的團隊，靠譜接地氣的創(chuàng)始人，大膽出手，一定能投出平臺級的新型MCU公司。

05、國內(nèi)MCU的市場前景可期

國內(nèi)MCU市場高達400多億人民幣，如果進一步融合應(yīng)用側(cè)形成MCU+的形態(tài)，加之基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的爆發(fā)，未來的千億市場是可以預(yù)期的。如此龐大的市場可以容納多家國產(chǎn)芯片的存在，廠商更應(yīng)立足于自身優(yōu)勢，避免一窩蜂的相互踩踏。畢竟，利潤才是商業(yè)的本質(zhì)。

在國產(chǎn)MCU領(lǐng)域，出現(xiàn)平臺級芯片公司的前提條件是可以與歐美品牌正面競爭和抗衡。目前來看無論是產(chǎn)品還是生態(tài)都尚存一段差距。除了逐步補齊差距外，在物聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)之際，從新興市場切入，深耕行業(yè)，走MCU+的道路或許是彎道超車的良機。