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MCU行业深度解析

发表时间:2022-04-06

MCU:MicrocontrollerUnit,即微控制单元,又称单片微型计算机或者单片机,是把中央处理器(CPU)的频率与规格做适当缩减,并将内存、计数器、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,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制。

处理功能类似于小型CPU,能够用软件控制来取代复杂的电子线路控制系统,实现智能化以及轻量化控制。MCU在信号链中起核心处理作用,而信号链是连接真实世界和数字世界的桥梁,是电子产品智能化、智慧化的基础。

中国MCU行业市场概述——MCU产品分类介绍

MCU产品种类繁多,主要分类依据为应用领域、位数、指令集和存储器结构。

按照位数:可分为4位、8位、16位、32位、64位。位数越高,运算能力越强。2020年中国通用型MCU市场规模中,32位占比54%,8位占比43%,4位占比2%,16位占比1%。32位和8位占据市场主流,且未来32位产品占比预计仍将不断提高。

按照应用领域:可分为通用型和专用型。专用型MCU 其硬件和指令是按照某种特定用途设计的,例如用于体温计的单片机、用于洗衣机的单片机等。通用型MCU 将可开发的资源(ROM、RAM、I/O、EPROM)等全部提供给用户,功能相对更全面。在通用型的单片机中,8位单片机成本低,价格廉,便于开发,其性能能满足大部分需要,只有在航天、汽车、机器人等高技术领域,需要高速处理大量数据时,才需要选用16/32位。而在一般工业领域,8位通用型单片机,仍然是目前应用最广的单片机。

按照指令集:可分为CISC(复杂指令集架构)和RISC(精简指令集架构)两类。据统计,2020年中国通用型MCU市场规模中,CISC占比24%,RISC占比76%。

按照存储器结构:可分为哈佛(Harvard)结构和冯诺依曼(Von Neumann)结构。

现在的单片机绝大多数都是基于冯诺伊曼结构的,这种结构清楚地定义了嵌入式系统所必需的四个基本部分:(1)中央处理器核心,(2)程序存储器(只读存储器或者闪存)、数据存储器(随机存储器),(3)定时/计时器,(4)与外围设备进行通信的输入/输出端口,所有这些都被集成在单个集成电路芯片上。

中国MCU行业市场概述——MCU行业历程不长,发展迅猛

MCU出现的历史并不长,但发展十分迅猛。它的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步,自1971年美国Intel公司首先推出4位微处理器以来,它的发展到目前为止大致可分为五个阶段。

中国MCU行业产业链分析

产业链上游

MCU产业链上游可分为原材料供应商和代工厂商。

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。代工厂商行业集中度较高,成寡头竞争格局。2020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%。

上游议价能力较强。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。



产业链中游

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%。国内MCU芯片厂商在中低端市场具备较强竞争力,市占率稳步上升。国外厂商IDM模式为主,国内厂商Fabless模式为主。

产业链下游

MCU应用领域全球汽车电子占比最高,中国集中在消费领域:2020年汽车电子是全球MCU第一大应用领域,占比为33%,其次是工业控制、医疗、计算机网络、消费电子等领域。

2020年中国MCU市场销售额第一的应用领域为消费电子,其次是计算机网络,而汽车电子及工业控制领域的MCU占比则显著低于全球水平,中国MCU应用仍主要集中在消费、家电等品类。

厂商需二次开发,最终实现产品商用化:下游厂商需要根据自身产品特点进行硬件和软件设计。

硬件设计包括选择满足系统要求的MCU芯片和其它电子元器件,并进行电路设计等。软件设计包括代码编译、仿真系统程序调试等。在软硬件设计完成后,根据电路原理图生产PCB板,将MCU芯片及其它电子器件焊接在电路板上,进行系统联调,直到最后功能无误。

中国MCU行业商业模式——IDM模式VS Fabless模式

MCU厂商经营模式MCU厂商依据是否自建晶圆生产线或者封装测试生产线分为IDM模式和Fabless模式。

(1)IDM模式:即垂直整合元件制造模式,是指企业从MCU的设计、制造、封装测试到销售都一手包办,业务范围涵盖MCU行业的全部业务环节。该模式对企业的技术能力、资金实力、管理组织水平以及市场影响力等方面都有极高的要求。

(2)Fabless模式:即无晶圆厂的MCU企业经营模式。与IDM模式相比,Fabless模式专注于MCU的设计研发和销售,晶圆制造、封装测试等环节分别委托给专业的晶圆制造企业和封装测试企业代工完成。该模式对资金要求和规模门槛相对较低,因此全球绝大部分MCU企业均采用Fabless模式。

目前国外大厂如意法半导体、瑞萨电子、德州仪器、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;中国大陆厂商士兰微、华大半导体以及中国台湾企业盛群、松翰、新唐等采用IDM模式。

中国MCU行业应用领域——汽车电子:全球MCU第一大市场

MCU在汽车电子中的应用汽车的电子控制单元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。

在汽车电子芯片领域,MCU应用范围较广,从车身动力总成,到车身控制、信息娱乐、辅助驾驶,从发动机控制单元,到雨刷、车窗、电动座椅、空调等控制单元,每一个功能的实现背后都需要复杂的芯片组支撑,MCU在其中扮演着最重要的角色。

在一辆汽车所装备的所有半导体器件中,MCU占比约30%,平均每辆车包含70颗以上的MCU芯片,需要实现车内各类应用场景,同时对安全性要有足够保证。

车规级MCU壁垒较高

MCU本身具有较大的技术壁垒、生产工艺壁垒和成本控制的壁垒,新进入者具有较大的难度。汽车架构的集成对MCU运算能力提出了更高计算要求,32位车用MCU得到了更广泛的应用,成为市场最大的MCU类型,2020年其占比超62%。与消费级和工业级MCU相比,车规级MCU壁垒较高,主要体现在工作的环境温度、良品率要求和工作寿命要求等方面。

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