國產(chǎn)MCU發(fā)展的五大驅(qū)動(dòng)力
全球疫情打亂了半導(dǎo)體供應(yīng)鏈的正常運(yùn)作流程,再加上自然災(zāi)害的影響,致使很多晶圓廠和封測(cè)工廠停產(chǎn)或減產(chǎn)。同時(shí)市場(chǎng)需求也出行了失衡,居家隔離和辦公的需求刺激了相關(guān)電腦和消費(fèi)電子的市場(chǎng)需求,但汽車和商業(yè)市場(chǎng)卻出現(xiàn)了需求驟降的情況。今年初開始出現(xiàn)全球范圍的“芯片短缺”,尤其以汽車電子行業(yè)最為嚴(yán)重。
對(duì)國產(chǎn)MCU廠商來說,“國產(chǎn)替代”和“芯片短缺”反而成為推動(dòng)其MCU產(chǎn)品線打入大中型OEM廠商供應(yīng)鏈,甚至汽車供應(yīng)鏈的驅(qū)動(dòng)力。據(jù)《電子工程專輯》分析師團(tuán)隊(duì)調(diào)查了解,凡是能夠保證代工廠和封測(cè)合作伙伴正常供應(yīng)的國產(chǎn)MCU廠商,都享受到了銷售和利潤同時(shí)增長的甜頭。
除了上述兩大宏觀經(jīng)濟(jì)和市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力外,新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、RISC-V處理器架構(gòu)和邊緣AI的興起,也將大力推動(dòng)國產(chǎn)MCU的發(fā)展。下面我們對(duì)這個(gè)五大驅(qū)動(dòng)因素逐一說明。
國產(chǎn)替代
自從“中興事件”和華為被禁以來,美國對(duì)中國在半導(dǎo)體技術(shù)和產(chǎn)品方面的出口限制逐漸收緊,即便特朗普下臺(tái),***政府在這一方面的正常也沒有絲毫松動(dòng)。像??低暤群芏嘀袊鴱S商都被列入美國政府的“實(shí)體清單”,這引起了國內(nèi)電子和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的極大恐慌。同時(shí),國內(nèi)廠商開始尋求“國產(chǎn)替代”,原來壓根都不考慮國產(chǎn)芯片的企業(yè)采購人員開始主動(dòng)邀請(qǐng)國產(chǎn)IC設(shè)計(jì)公司參與其產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程測(cè)試,甚至量產(chǎn)供貨。MCU芯片作為通用性基礎(chǔ)器件,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,“國產(chǎn)替代”的機(jī)會(huì)也更多。以華為供應(yīng)鏈為例,其全球采購金額巨大,供應(yīng)鏈去美國化和國產(chǎn)替代迫在眉睫。華為 2018年采購金額高達(dá)760億美元,覆蓋2,300?多個(gè)采購品類和13,000家供應(yīng)商,采購業(yè)務(wù)分布在全球140多個(gè)國家。據(jù)Gartner全球半導(dǎo)體采購報(bào)告顯示,由于美國政府的限制,華為在2020年大幅減少了半導(dǎo)體采購量,比2019年下降了23.5%,但仍高達(dá)190億美元。去年科創(chuàng)板上市的芯??萍季蛻{借觸控技術(shù)方案和信號(hào)鏈MCU成功打入華為采購供應(yīng)鏈。
芯片短缺
據(jù)半導(dǎo)體業(yè)界專家預(yù)測(cè),全球范圍的芯片短缺要到2023年才能緩解。在半導(dǎo)體含量比較高的應(yīng)用市場(chǎng),特別是汽車行業(yè)的芯片短缺最為嚴(yán)重。而在汽車半導(dǎo)體中,作為汽車微型“大腦”的車規(guī)級(jí)MCU短缺尤其嚴(yán)重。汽車市場(chǎng)的MCU用量占到了全球MCU市場(chǎng)的40%,由此可以看出汽車MCU的市場(chǎng)規(guī)模之大。隨著新能源智能網(wǎng)聯(lián)汽車的發(fā)展,車規(guī)級(jí) MCU 的應(yīng)用更加廣泛,覆蓋從座艙安全、發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)制動(dòng)控制到儀器表盤車身、環(huán)境控制、車載娛樂通信,直到ADAS和自動(dòng)駕駛等。按照全球每年銷售輕型車8000萬輛計(jì)算,車規(guī)級(jí)芯片搭載量每年超10億枚。有數(shù)據(jù)表明,中國車規(guī)級(jí)MCU市場(chǎng)占全球份額超過30%,但九成以上依賴進(jìn)口,國產(chǎn)替代空間巨大??吹狡嘙CU市場(chǎng)的潛力,再加上汽車MCU芯片的短缺,國產(chǎn)MCU廠商迎來了一個(gè)切入汽車市場(chǎng)的最佳窗口期。多家MCU廠商開始上位進(jìn)入車規(guī)級(jí)MCU市場(chǎng),比亞迪半導(dǎo)體宣稱其車規(guī)級(jí)MCU量產(chǎn)裝車量已經(jīng)突破1000萬顆,其獨(dú)立上市計(jì)劃將進(jìn)一步推動(dòng)MCU產(chǎn)品線在汽車市場(chǎng)的擴(kuò)展;專注于汽車市場(chǎng)的芯旺微電子采用自研處理器架構(gòu),MCU產(chǎn)品早已量產(chǎn)進(jìn)入汽車市場(chǎng);兆易創(chuàng)新正在開發(fā)車規(guī)級(jí)MCU,今年底有望進(jìn)入量產(chǎn)。
物聯(lián)網(wǎng)(IoT)
IoT 設(shè)備實(shí)際上并非一種全新的設(shè)備品類,而是通過在傳統(tǒng)設(shè)備上加入傳感器 執(zhí)行器 通信模組,以持續(xù)收集相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,從而提供增強(qiáng)的服務(wù)和運(yùn)營的產(chǎn)品。MCU的“低功耗 安全 經(jīng)濟(jì)”特性正好符合 IOT 設(shè)備要求,因此在各類IoT設(shè)備中運(yùn)用廣泛。根據(jù) IoT Analytics 預(yù)測(cè),全球IoT半導(dǎo)體組件市場(chǎng)將從2020年的330億美元增長到 2025年的800億美元,CAGR達(dá)高19%,其中MCU、連接芯片組、AI芯片組和安全芯片組四類芯片價(jià)值量占比最大。物聯(lián)網(wǎng)新興應(yīng)用也為國產(chǎn)MCU帶來很多新的機(jī)會(huì),比如家電智能化、消費(fèi)電子、可穿戴設(shè)備,以及智能卡和智能表計(jì)等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)。傳統(tǒng)的MCU(如8051和通用性32位MCU)功能相對(duì)簡單,各家的產(chǎn)品同質(zhì)化比較嚴(yán)重,在已經(jīng)成熟的市場(chǎng)上難以有標(biāo)新立異之處,國產(chǎn)廠商只能通過價(jià)格戰(zhàn)來維持生存。而物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景比較碎片化,傳統(tǒng)通用型MCU難以滿足不同應(yīng)用的特殊需求,國內(nèi)廠商開始嘗試在微處理器內(nèi)核上集成更多外圍功能,比如ADC、傳感器、射頻、驅(qū)動(dòng)、各種外設(shè)。對(duì)市場(chǎng)和客戶需求反應(yīng)速度快,靈活性強(qiáng),而且可以根據(jù)客戶的要求增加各種功能特性,這是國產(chǎn)MCU廠商擅長做的。
2019年在科創(chuàng)板上市的樂鑫科技多年深耕IoT 領(lǐng)域,專注于研發(fā)高集成、低功耗的 Wi-Fi 和藍(lán)牙MCU產(chǎn)品,現(xiàn)已發(fā)布 ESP8266、ESP32、ESP32-S 和 ESP32-C系列芯片、模組和開發(fā)板,不但成為國內(nèi)MCU市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者,而且在全球物聯(lián)網(wǎng)芯片市場(chǎng)占據(jù)了一席之地。原來以家電為主攻市場(chǎng)的深圳中微半導(dǎo)體最近幾年開始轉(zhuǎn)向混合信號(hào)SoC的MCU研發(fā)方向,在耳溫槍、電子煙和各種消費(fèi)電子和新興物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)獲得了很多客戶青睞。該公司的科創(chuàng)板申請(qǐng)已經(jīng)受理,預(yù)計(jì)也很快在科創(chuàng)板掛牌上市。
RISC-V
2019年8月份,兆易創(chuàng)新發(fā)布國內(nèi)首款基于RISC-V內(nèi)核的32位通用MCU-- GD32VF103,其RISC-V內(nèi)核Bumblebee是與芯來科技合作開發(fā)的,在封裝引腳和軟件開發(fā)方面都兼容對(duì)應(yīng)的Arm產(chǎn)品型號(hào)(GD32V對(duì)應(yīng)GD32)。中國工程院院士倪光南在新品發(fā)布會(huì)上總結(jié)道,“RISC-V基于標(biāo)準(zhǔn)寬松的BSD許可證,可自由免費(fèi)地使用設(shè)計(jì)CPU、開發(fā)并添加自有擴(kuò)展指令集,自主選擇是否公開發(fā)行、商業(yè)銷售或更換其他許可協(xié)議,或者完全閉源使用”。微處理器內(nèi)核是MCU的核心,在Arm之外增加RISC-V可以讓國產(chǎn)MCU廠商實(shí)現(xiàn)自主可控、增加選擇靈活性、降低開發(fā)成本,并針對(duì)特定應(yīng)用需求開發(fā)差異化的MCU產(chǎn)品。目前國內(nèi)RISC-V的生態(tài)正在快速而健康地發(fā)展,阿里平頭哥、芯來、賽昉和晶心等RISC-V內(nèi)核IP供應(yīng)商都在積極拓展物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)和國內(nèi)MCU廠商客戶。中國 RISC-V 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、中國開放指令生態(tài)(RISC-V)聯(lián)盟(CRVA),以及國際RISC-V基金會(huì)等RISC-V行業(yè)組織結(jié)構(gòu)都在積極參與中國市場(chǎng)和開發(fā)者社區(qū)的建設(shè)。
除兆易創(chuàng)新外,國產(chǎn)MCU廠商也紛紛嘗試基于RISC-V內(nèi)核的MCU產(chǎn)品開發(fā)。例如,?南京沁恒微電子研發(fā)多款RISC-V內(nèi)核IP,包括支持浮點(diǎn)運(yùn)算V4F,并基于32位通用MCU架構(gòu)外加USB高速PHY、藍(lán)牙收發(fā)器、以太網(wǎng)PHY等專業(yè)接口模塊推出增強(qiáng)版MCU ,進(jìn)一步拓展了RISC-V在低功耗、無線通訊、高速率傳輸?shù)榷喾N嵌入式環(huán)境下的應(yīng)用。深圳中微半導(dǎo)體、航順、泰凌微、全志、樂鑫和博流智能等國產(chǎn)芯片設(shè)計(jì)公司都已經(jīng)推出基于RISC-V內(nèi)核的MCU系列產(chǎn)品。
邊緣AI
跟AI關(guān)聯(lián)的芯片設(shè)計(jì)主要涉及功能強(qiáng)大的CPU、GPU、FPGA,以及專門的AI芯片。主頻和計(jì)算性能相對(duì)較低的MCU跟 AI有什么關(guān)系呢?隨著 AI從云到邊緣和終端的擴(kuò)展,AI 計(jì)算引擎可讓MCU突破嵌入式應(yīng)用的極限,不但能夠提升MCU的就地處理性能,而且可以提高網(wǎng)絡(luò)攻擊的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力和設(shè)備安全性。配備AI算法和功能模塊的MCU 正在深入到人臉識(shí)別、智能語音服務(wù)和自然語言處理等新興應(yīng)用領(lǐng)域。AI還有助于提高物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療應(yīng)用中電池供電設(shè)備的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)隱私性。瑞薩針對(duì)智能制造領(lǐng)域推出了嵌入式AI技術(shù)“e-AI”,這種AI單元解決方案可作為一個(gè)附加單元添加到設(shè)備上,通過預(yù)先學(xué)習(xí)好的AI處理模型,實(shí)現(xiàn)從傳感器數(shù)據(jù)收集到數(shù)據(jù)處理、分析和評(píng)估/判斷的全過程。Silicon Labs也展示了邊緣AI在電機(jī)控制等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,比如用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)風(fēng)扇運(yùn)行模式進(jìn)行訓(xùn)練,當(dāng)檢測(cè)到設(shè)備異常時(shí),會(huì)通過藍(lán)牙將警報(bào)發(fā)送到顯示器上。
MCU 邊緣AI已經(jīng)開始在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。對(duì)于MCU廠商來說,除了需要對(duì)芯片本身的集成度、功耗、成本與安全性不斷優(yōu)化,還需要從多重維度來推進(jìn)以應(yīng)對(duì)層出不窮的應(yīng)用需求。而把一些簡單的人工智能算法融入MCU中,是對(duì)現(xiàn)有MCU產(chǎn)品系列的必要補(bǔ)充和增強(qiáng)。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品對(duì)延遲和能耗提出了更高的要求,邊緣計(jì)算便是非常好的解決方案。AI在MCU上實(shí)現(xiàn)的意義在于,可以將MCU低功耗、低成本、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性、開發(fā)周期短、廣闊的市場(chǎng)覆蓋率等特性與人工智能強(qiáng)大的處理能力相結(jié)合,從而使海量終端智能涌現(xiàn)出來。