深度揭秘MCU芯片，汽车电子王者！缺芯潮的主角 智东西内参

MCU（MicrocontrollerUnit），又称微控制器或单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存(Memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级计算机。从而实现终端控制的功能，具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。

MCU由Intel率先提出，经过4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已广泛应用于多种场景。目前市场上以8位和32位MCU为主，未来随着产品性能要求的不断提高，32位MCU的市场规模将进一步扩大。而在国内，现阶段8位、32位MCU企业居多，未来企业加大研发投入，将进一步实现MCU的国产替代。

MCU芯片在很多领域都有着广泛的应用，在此次“芯片荒”浪潮中，MCU是受影响最严重的芯片。

本期的智能内参，我们推荐方正证券的报告《MCU深度报告》， 从行业概况、产业链分析、应用领域三方面还原MCU行业全景。

原标题：

作者： 陈杭

一、MCU简介

微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) 就是我们俗称的“单片机”。 MCU内部的功能部件主要是CPU、存储器（程序存储器和数据存储器）、I/O端口、串行口、定时器、中断系统、特殊功能寄存器等八大部分，还有一些诸如时钟振荡器、总线控制器和供电电源等辅助功能部件。

此外，很多增强型单片机还集成了A/D、D/A、PWM、PCA、WDT等功能部件，以及SPI、I2C、ISP等数据传输接口方式，这些使单片机更具特色、更有市场应用前景。

MCU结构

在MCU应用中，真实世界的各种物理量，通过传感器转换为电信号，经信号调理，再通过放大器进行放大，然后通过ADC把模拟信号转化为数字信号，在MCU或CPU或DSP等处理后，再经由DAC还原为模拟信号，最后通过功率驱动器实现输出。

MCU信号链

MCU由Intel率先提出，经过4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已广泛应用于多种场景。目前市场上以8位和32位MCU为主，未来随着产品性能要求的不断提高，32位MCU的市场规模将进一步扩大。而在国内，现阶段8位、32位MCU企业居多，未来企业加大研发投入，将进一步实现MCU的国产替代。

目前市场的MCU以8位和32位为主。其中8位MCU凭借超低成本、设计简单等优势，活跃于市场，特别是中国市场。

由于32位MCU出现并持续降价及8位MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16位MCU市场不断被挤压，成为出货比例中最低的产品。

MCU位数及其应用场景

目前市场上主流的MCU中央处理器，包括由Intel开发MCS-51内核、由英国公司ARMHoldinds开发的ARM Cortex-M内核、由Motorola开发的6800内核、由MIPSTechnologies, Inc.开发的MIPS内核、由Atmel公司开发的AVR内核、由MicrochipTechnologies公司开发PIC内核、由加利福尼亚大学伯克利分校开发的RISC-V内核。

MCU常见中央处理器

据2020中国通用微控制器市场简报：市场上MCU，32位占比54%、8位占比43%；RISC指令集的MCU占比76%，CISC指令集的MCU占比24%；通用型MCU为主，占比73%；市场上MCU内核类型以ARM Cortex、8051和RISC-V为主，分别占比52%、22%和2%。

二、产业链概况

MCU产业链上游可分为原材料供应商和代工厂商（与中游Fabless厂商合作），原材料主要为圆晶、以及来自于ARM等的内核授权；代工厂商主要包括台积电、格罗方德、联电、中芯国际、华虹半导体等。

2019年头部的台积电、格罗方德、联电、中芯国际等厂商市占率超过90%，其中台积电市占率高达58.6%，由于原材料的不可替代性与代工厂商的高度集中性，上游厂商议价能力较强。

2019年MCU代工厂竞争格局

全球MCU供应商以国外厂商为主，行业集中度相对较高：全球MCU厂商主要为瑞萨电子（日本）、恩智浦（荷兰）、英飞凌（德国）、微芯科技（美国）、意法半导体等，TOP7头部企业市占率超过80%。

中国MCU奋起直追，逐步扩大市场份额：国内MCU芯片厂商在中低端市场具备较强竞争力。兆易创新、华大半导体、中颖电子、东软载波、北京君正、中国台湾企业新唐科技、极海半导体等市占率稳步上升。

另外， 国外大厂如意法半导体、瑞萨电子、德州仪器、微芯、英飞凌采用IDM模式，集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身；国外个别厂商如恩智浦以及大部分大陆厂商采用Fabless模式，只负责芯片的电路设计与销售；中国台湾企业盛群、松翰、新唐以及大陆厂商士兰微、华大半导体等采用IDM模式。

2019年全球MCU竞争格局

2019年中国MCU竞争格局

国外厂商产品齐全，国内厂商集中在消费电子领域：国外厂商产品种类齐全，覆盖消费电子、汽车电子、工业控制领域，且产能分布较为均衡，国内厂商产能主要集中消费电子特别是家电领域，芯旺微、比亚迪等企业拥有车规级MCU产品，其他厂商尚处在研发或认证阶段。

国内外厂商产品位数相差不大：国外厂商如意法半导体、恩智浦、微芯科技等主流产品均为32位，部分国内厂商如中颖电子产品以8位为主，目前大部分国内厂商均具备32位产品生产能力，整体差距不大。

内核方面，各家厂商均以ARM内核为主，国内厂商主要使用ARM Cortex-M0/M3内核，国外厂商对更性能更好的M4/M7内核使用率较低。另外部分国外厂商如微芯科技拥有自主开发的内核，国内厂商中芯旺微拥有自研内核。

在应用领域上，

2019年全球MCU应用分布

2020年中国MCU应用领域销售额分布

三、应用领域

1、物联网

伴随着物联网的发展，MCU市场经历价量齐升的过程。未来物联网将实现端到端人机互动，几乎每个设备每个端都需要一个甚至多个MCU。更多的数据更高的计算要求，推动设备向32位高端MCU升级。

根据GSMA数据，2018年全球物联网设备数量为91亿个，2010-2018年复合增长率为20.9%，预计2025年全球物联网设备将高达252亿个。

中国物联网整体规模逐年增长，2015年中国物联网整体规模为7500亿元，预计2020年达到18300亿元，2015年-2020年复合增长率为19.5%。

全球物联网设备连接数量及预测情况

中国物联网整体规模及增长率

设备联网的关键在于组网技术，组网技术有LoRa（远距离无线电）、Zigbee（短距离低速）、WiFi、NB-IoT（蜂窝网络）、蓝牙，需要搭配响应的组网模块才能遥控设备。

我国物联网连接数2020年达到35亿，2017-2020的复合增长率为34%。主要的组网方式是WiFi和蓝牙，2020年WiFi和蓝牙组网技术占比达67.3%，蜂窝网络组网占比逐年提升，由2017年的3%上升到2020年占8.75%。

中国物联网连接数（单位：亿）

根据Techno Systems Research 2017年2月及2018年2月发布的各年度研究报告，在物联网Wi-Fi MCU 芯片领域，乐鑫是与高通、德州仪器、美满、赛普拉斯、瑞昱、联发科等同属于第一梯队的大陆企业。

目前主流嵌入式WiFi芯片企业包括:高通(美国)、瑞昱(中国台湾)、乐鑫、博通集成、联盛德以及博流，国产替代率高。

主流WiFi MCU性能对比

2、智能家居

家电智能化趋势：机械按键交互向触摸语音交互转变、数码管显示向液晶显示转变、单频向变频转变等。计算能力和抗干扰能力要求增大，需求向更高级的MCU转移。

2020年，中国智慧家庭产品出货总量达到2.8亿台，到2025年出货总量将增长至8.1亿台，年复合增长率可达23.7%。

家庭视频视讯设备（电视机、机顶盒）和智慧安防产品（摄像头、门锁）占比最高，分别达到39.2%和19.6%；智能白电（冰箱、空调、洗衣机）占比接近两成，达到17.1%。

中国智慧家庭出货量及预测（单位：百万台）

全国家用电器工业信息中心数据显示，2019年国内市场家电零售额规模8032亿元，同比增长率为-2.2%。

根据《IDC中国智能家居设备市场季度跟踪报告》，2019年上半年中国智能大家电市场出货量约为2838万台，同比增长22.8%。

家电市场整体表现平稳，智能家电市场的销售保持稳步增长态势。传统家电智能化转型迫在眉睫。

2016-2019年中国家电行业零售额

八大家电企业自给率高，纷纷加速智能化转型，加速家电芯片国产替代进程

一般家电芯片包括MCU主控芯片、电源管理芯片、通信芯片、驱动芯片和图像处理芯片，目前家电企业的造芯进程中，几乎所有芯片都已布局。八大家电企业造芯布局中，MCU的占比最高，达到34%

家电MCU国产替代程度高，中颖电子在中国小家电MCU中处于领先地位，据中国产业信息统计数据，2017年中颖电子在中国家电MCU中的占比为19.8%，排名第三，与排名前二的MCU厂家盛群半导体（22.6%）和盛群电子（21.2%）的差距不大，预计未来小家电领域MCU国产替代率会进一步提升。

八大家电布局芯片类型占比

2017年中国小家电MCU竞争格局

3、智能穿戴

2016年苹果发布第一代Air Pods，开创真无线耳机（TWS）时代，iPhone 12系列取消标配耳机，再次引发TWS耳机销量暴增。

传统有线耳机线路简单，无需配置MCU主控芯片。

TWS产业链主要包括ODM厂商，无线耳机和充电盒元器件厂商，其包括主控芯片、存储芯片、FPC、语音加速感应器、MEMS、过流保护IC、电池等。

据Counterpoint预计，TWS耳机市场会有十年前智能手机一样的增长趋势，智能手机市场2009-2012年CAGR为80%，预计TWS市场2019-2022年CAGR为80%。

在Air Pods引爆市场后，各手机厂商如华为、OPPO、vivo、小米以及传统音频厂商Sony、BOSE、1MORE、漫步者纷纷跟进推出相关产品，苹果市场份额虽仍是第一，其他品牌耳机也在加速抢占，使得苹果市场份额逐年减少，据Statista数据，苹果TWS耳机市场占有率从2018年Q4的60%下降到2019年Q3的45%。

TWS耳机市场竞争格局

高端手表处理的任务多，需要用内嵌操作系统的SoC，而手环只需要时钟、记步、统计热量小号、测血压等简单的功能，使用MCU即可。

随着智能手表性能和功能的加强，使用带系统的SoC+MCU会是的趋势，其中WiFi模块中集成了MCU，另外需要多一颗MCU来链接众多的传感器，辅助SoC采集数据。

小米手环3拆解

得益于硬件创新，智能手表逐步成熟，与智能手机组成的应用生态日趋完善。通过定位聚焦于运动、健康、移动支付领域，行业持续加速发展，预计2021年智能手表的支出将达到273.88亿美元。

智能手环相比智能手表，性能较低、功能单一、只支持苹果或安卓单一操作系统。t4ai预测未来整个智能手环市场将持续萎缩。

小米智能手环市场占有率高，预计未来市场集中度进一步提升。

全球智能手表消费趋势

未来，智能手表行业将更进一步地向头部集中。苹果、三星、华为、Garmin将占据超过75%的市场份额。

参考智能手机市场的发展，未来苹果TWS耳机的市场份额会进一步下降，而国内厂商诸如小米、华为、OPPO、vivo等手机厂商会快速崛起，为芯片国产替代提供条件。目前充电盒国产主控MCU方案成熟，如芯海科技、昇生微、微源半导体等均有成熟的方案且被各大TWS品牌商采用。

2020上半年全球主要智能手表企业

4、 汽车电子

ECU（Engine Control Unit），即发动机控制单元，特指电喷发动机的电子控制系统。但是随着汽车电子的迅速发展，ECU的定义也发生了巨大的变化，变成了electronic control unit即电子控制单元，泛指汽车上所有电子控制系统。而原来的发动机ECU有很多的公司称之为EMS（Engine Management System）。

常见的ECU有导航ECU、安全气囊ECU、引擎ECU、电动车窗ECU、悬吊系统ECU。

ECU由MCU、存储器、输入/输出接口、模数转换器以及驱动等集成电路组成。其中MCU是ECU真正起到控制作用的关键。

汽车ECU

汽车电子应用已经占据超过1/3的MCU市场，汽车向智能化过程中，对安全、环保要求越来越高，因此对MCU的需求增长迅猛。据IC Insights预测，车用MCU销售额将在2020年接近65亿美元，并在2023年达到81亿美元。

据Strategy Analytics统计，传统燃油车中MCU占整车半导体价值的23%，纯电动汽车MCU占整车半导体价值的11%，2018年传统燃油车单车半导体价值量为338美元，新能源汽车单车半导体价值量为704美元，MCU价值量在传统燃油车和新能源车中相当，均为78美元左右。

燃油和电动汽车半导体占比

据Strategy Analysis数据，全球以及国内车载MCU市场主要由恩智浦、瑞萨、英飞凌、德州仪器、微芯科技占领，共占约85%市场份额。

汽车级MCU产品品质严苛，认证过程很复杂，投入大，短期内难有盈利。目前国内汽车级MCU已量产的公司有：杰发科技、上海芯旺微电子、赛腾微电子、中微半导体等公司。

国内车载MCU起步晚，较少公司涉及该领域业务，未来国产替代潜力巨大。

5、工业控制

MCU是实现工业自动化的核心部件，如步进马达、机器手臂、仪器仪表、工业电机等。以工控的主要应用场景——工业机器人为例，为了实现工业机器人所需的复杂运动，需要对电机的位置、方向、速度和扭矩进行高精度控制，而MCU则可以执行电机控制所需的复杂、高速运算。

工业4.0时代下工业控制市场前景广阔，催涨MCU需求。根据Prismark统计，2019年全球工业控制的市场规模为2310亿美元，预计至2023年全球工业控制的市场规模将达到2600亿美元，年复合增长率约为3%。根据赛迪智库的数据，2020年中国工业控制市场规模达到2321亿元，同比增长13.1%。2021年市场规模有望达到2600亿元。

全球工业控制市场规模及其增速

中国工业控制市场规模及其增速

MCU市场现被国外厂商主导，国内厂商虽百花齐放，但占比较低，国产替代空间巨大。根据前瞻产业研究院，2019年全球MCU市场主要被微芯、意法半导体、瑞萨、德州仪器、恩智浦等厂商占据，前五大厂商合计市场份额达72.8%。中国MCU市场主要被意法半导体、恩智浦、微芯、瑞萨、英飞凌等厂商占据，前五大厂商合计市场份额达74.42%。

近期MCU市场缺货行情持续，本土MCU产业链有望加速产品的市场拓展，提升产品的价值量或出货量，从而充分受益于MCU市场高涨的应用需求。另一方面，高性能MCU的价量齐升，带来可观的毛利率，驱使更多国内优秀企业进军MCU领域，加快实现国产替代。

国内厂商在工业控制MCU产品方面，销售收入及其占比逐年上升，产品出货量增长显著，国产替代指日可待。

智东西认为，随着我国电动汽车如火如荼的快速发展，在汽车电子上的应用使得MCU芯片未来注定在我国的芯片行业中扮演者一个十分重要的角色。但是，现阶端国产MCU主要还是集中在家电等行业低端应用行业。好消息是，虽然32位MCU是现在的主流，但国内厂商有优势的8位芯片仍然在物联网等行业中有着广泛的应用，在国外巨头的统治下，国产MCU仍然有着不差的生长土壤，假以时日大规模的国产替代也不是不可能。

利用高度集成的8位MCU简化CAN汽车应用

利用高度集成的8位MCU简化CAN汽车应用

日期： 2019-12-16

作者：Edwin Romero

来源：Microchip

控制器局域网（CAN）协议是在20世纪80年代中期专为汽车行业设计的一种规范，可在日益增长的互联应用中减少数据传输的布线复杂性（重量、数量和成本）。

CAN的优势也被其他市场（包括工厂自动化和医疗应用）接受和吸纳，这使其应用范围更加广泛，全球每年交付的CAN节点超过10亿个。同样，每年交付的8位单片机（MCU）也超过10亿个。如今，虽然这些统计数据有部分重叠，但今后仍会有大幅增长。

CAN继续满足汽车制造商的需求

传统的CAN通信以事件为基础，允许单片机和专用集成电路（ASICS）在应用中直接相互通信，无需主机。CAN经过半导体公司集成后极大降低了成本，并且能够与更多汽车系统兼容。自2000年初以来，8位MCU也引入了CAN协议。最近，2015年最先推出的8位MCU设计方案使用独立于内核的外设（CIP），全新的8位MCU系列能够解决CAN应用中的许多系统问题。

除了成本效益高之外，CAN的成功还可以归功于：

§稳健性

§可靠的数据传输

§易于实现

毫无疑问，除了成本效益极高之外，8位MCU还具有上述优势。因此，8位MCU和CAN是用于满足汽车网络需求的完美组合。

多年来的实践足以证明CAN能够满足各种控制系统的需求。随着汽车网络需要的各种属性不断增加，包括时间触发、容错和单线实现以及具有灵活数据传输速率的CAN（CAN FD），CAN规范也得到扩展。表1显示的是自30多年前首次推出以来CAN发生的诸多变化。

表1.用于满足不同汽车需求的CAN版本

为了将传感器和执行器联网以提高系统舒适度，汽车工程师使用局域互连网络（LIN）协议来降低成本。但是，LIN是单线主从式网络，需要对使用CAN的硬件和软件进行更改。使用CAN的最新汽车应用包括门禁控制、电池充电/电池管理和诊断设备。为了实现全部的车辆要求，尤其是需要从另一个CAN控制系统访问数据的车辆要求，需要使用8位MCU/CAN。图1显示的是将8位MCU/CAN节点轻松添加到现有CAN总线的示例。

图1.不同的CAN实现可以共存，这增加了CAN总线的灵活性

使用支持CAN的8位MCU满足低成本网络需求

连接到CAN总线是系统设计人员需要实现的最低功能，通过增加专门用于满足其他系统要求的外设，简化设计人员的任务。这些系统任务包括感测一个或两个用于控制目的的参数、移动电机或激活电磁线圈或者提供其他功能。

使用CIP方法可以降低软件的复杂程度，并以较低的时钟速度提供更快的响应时间，同时降低功耗。Microchip PIC18 K83系列中丰富的CIP系统类别包括：

·智能模拟（包括传感器接口）

·波形控制

·时序和测量

·逻辑和数学

·安全和监视

·通信

·低功耗和系统灵活性

在这些类别中，具体外设包括：

·带有存储器扫描的循环冗余校验（CRC），用于确保非易失性存储器的完整性

·直接存储器访问（DMA），用于在没有CPU参与的情况下进行存储器和外设之间的数据传输

·窗口看门狗定时器（WWDT），用于触发系统复位

·带计算功能的12位模数转换器（ADC2），可自动进行模拟信号分析，从而实现实时系统响应

·互补波形发生器（CWG），用于使能电机控制的高效同步开关

除了使用CAN 2.0B外，集成CAN控制器还能够完全兼容以前版本的CAN模块（CAN 1.2和CAN 2.0A）。该产品的功能包括存储器访问分区（MAP），用于在数据保护和自举程序应用中为设计人员提供支持。器件信息区（DIA），用于为工厂编程的器件ID和外设校准值提供专用存储空间。

由于CAN节点的主要目标是通信，因此8位MCU改进了串行通信，包括支持异步通信和LIN协议的UART以及更高速的独立I2C和SPI串行通信接口。表2显示了15个CIP以及它们满足具体系统需求的方式。

表2. PIC18 K83系列中独立于内核的外设可满足多种系统需求

过去并没有考虑过在8位MCU中实施这些片上结构，而正是由于这些结构，现在的8位MCU的性能与许多设计人员的期望完全不同，提供的功能远远超过十年前设计的MCU。

8位MCU的编程方式非常简单，与CAN和CIP结合使用时甚至更加容易。当这些8位MCU能够提供足够的处理能力时，特别是针对远程节点的处理能力，便能够替代更昂贵且更难编程的16位MCU。而CIP可以提供更多处理能力，实现更多8位MCU选项。

可灵活配置的片上硬件模块能够更高效更确定地处理重复嵌入。事实上，由于CAN的确定性，如果MCU陷入循环，使用CIP的CAN仍然可以在内核之外继续运行。

借助最新的8位MCU/CAN + CIP和LIN，网络设计人员现在可以为CAN和LIN通信提供更多灵活性和选择。实际上，一些典型的8位MCU LIN应用现在是潜在的CAN应用。例如，如果模块需要了解网络上的其他数据（如车辆速度），CAN可能是更好的选择，或者至少是LIN的备选方案。这对于挡风玻璃雨刮非常有用，可以根据车辆的速度改变雨刷速度，而无需CAN到LIN的网关。另外，如图2所示，使用系统级CIP可以少用一两个额外的ASIC。

多年来，汽车中一直使用相同的PWM和互补波形发生器CIP生成相当复杂的多色LED气氛照明。由于MCU没有应用CAN功能，这些驱动程序会连接到LIN总线。将该功能与支持CAN功能的高性价比8位MCU相结合，可为设计提供更高的灵活性和简化的备用方法。

虽然市面上大多数8位MCU都严重依赖内核来处理外设功能，但CIP可实现其他系统设计可能性，不会对CPU造成明显负担，这包括：各种传感器的高精度接口、高功率LED驱动器和/或相当复杂的电机控制水平。

可以使用各种开发工具确定这些和其他可能性中的哪一种适合特定网络。例如，MPLAB 代码配置器（MCC）是一款免费的软件插件，可提供图形界面来配置特定于应用的外设和功能。借助该工具，系统设计工程师在完成特定任务时可以轻松配置基于硬件的外设，而不必编写和验证整个软件程序。

树立自信的态度

对于汽车和工业应用中的总线架构，系统设计人员肯定有多种选择。作为一种广受认可的总线，当需要为现有网络增加检测和/或控制功能时，具有附加功能来满足不同系统需求的MCU使CAN成为一种出色的选择。凭借其独立于内核的外设，8位MCU/CAN系列可将CAN扩展到网络上更具成本效益的节点中。

新型8位MCU/CAN + CIP为新兴汽车网络应用提供了灵活、经济高效、简单而可靠的数据传输以及访问控制、电池充电/电池管理和诊断设备所需的更高性能和系统支持。

参考资料

1.PIC18 K83产品系列：http://www.microchip.com/promo/pic18f-k83

2.MPLAB代码配置器（MCC）：http://www.microchip.com/mplab/mplab-code-configurator

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