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半导体

物联网机遇前所未有,国产MCU有望出奇制胜

微处理器和单片机(MCU)从上个世纪70年代在欧美开始兴起,1981年8051单片机问世,到今天已经36年了。从数量上看,8位单片机依然是MCU市场的主力,32位MCU已经成为今天全球消费和工业电子产品的核心。

从2015年开始,为争夺市场份额,布局强劲增长的物联网应用,MCU主要厂商之间发生了数起大规模并购。根据市场调研机构IC Insights的统计,从收购完成合并后的销售数据看,NXP、Microchip和Cypress2016年MCU产品线销售额同比大幅增长,排名也相应上升。未进行大规模收购的MCU厂商则表现平平,只有个位数的增长,比如ST和TI,有的出现了大幅下降,比如像Samsung 。

8大MCU厂商全球市场份额合计达到了88%%,这也就是说除了几大MCU 外,小的MCU公司市场份额非常小。IC Insights 2016年8月的研究报告显示,MCU市场将于2020年达到高峰,销售额达到209亿美元,销售267亿颗芯片。针对这样的市场形势,在刚刚结束的2017年STM32峰会上,ST给自己定下目标是2020年销售额将到达40亿美元,从目前市场份额10%%增长到20%%。

MCU技术发展线路

1.开发工具

8位MCU时代,开发工具很简单,MCU功能简单,存储器容量很小,应用代码甚至可以使用汇编语言书写,简单的下载和编程工具可以胜任开发工作。后来随着MCU功能增加,存储器容量增加,C语言逐渐成为首选,集成开发环境(IDE)和JATG调试渐成主流,这种方式主导了过去20年MCU开发模式。

随着物联网的兴起,大量的电子产品急需智能化升级,联网就成为基本需求,特别是无线网络,RTOS (实时操作系统)从以前的嵌入式系统中“奢饰品”变成今天的“必需品”。得益于开源社区和开源软件的帮助,开源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已经成为开发者的优选。专门针对物联网应用的物联网OS 也应运而生,比如ARM mbed OS、庆科MicoOS和华为LiteOS,其实这几种物联网OS的内核也是基于开源的RTOS技术。

开发工具(IDE)价格昂贵,让创业者望而却步,借助开源软件,MCU企业纷纷推出自己的IDE,比如瑞萨的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso,这些IDE 是基于开源Eclipse,编译软件也是开源的GCC ARM 。芯片公司的IDE虽然在功能和优化上无法与Keil和IAR相比,但已经完全到达可用的程度。ARM开发了基于Web的mbed工具,开发者不需要购买和安装任何IDE,只要有一块mbed兼容的开发板,就可以进行嵌入式开发。如果你使用的是Arduino开发板,Arudino IDE集成大量开源硬件知识库,让你开发如虎添翼,事半功倍。

今天,有了强大的开源的生态环境,MCU开发者不再会因为缺乏资金无法购买开发工具和获得技术支持而耽误项目开发犯愁了。

2.制造技术

摩尔定律推动了芯片产业辉煌了40年,其中制程工艺发展是重要的助推剂。传统的MCU,比如8位OTP MCU ,长期是使用0.5微米的制程工艺,随着时间的推移,设备和技术的更新,现在主流的MCU 制程是180nm,甚至90nm技术,展望不远的将来,使用40nm甚至28nm制程工艺的MCU也不是遥不可及的事情。

我们知道,更先进的制程工艺会在MCU内部集成更多的晶体管,使处理器实现更多的功能和更高的性能。这样MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了,更多的32位MCU核心将替代8位,芯片的体积也不会变大,功耗反而会更小。此外,先进的制程工艺还能带来片内FLASH容量的增加,未来1MB甚至4MB的FALSH MCU 也是常见的产品了。

当然,制程工艺将会给MCU生态环境带来挑战,比如初期制造成本的增加,芯片设计复杂性增加。32位核心导入,软件开发难度增加,以及物联网应用带来MCU和RF 以及Sensor集成,进而带来功耗管理和PCB设计上一系列棘手问题。

3.应用设计方案

MCU应用五花八门,从最小的消费电子产品,到大型工业机器人,几乎涵盖了所有嵌入式电子产品。早期的MCU芯片公司只是提供应用指南和参考设计代码,方案性的设计一般是客户自己完成,或者由专业的方案公司和代理商完成,然后交给设备厂商生产,这样模式至今依然大量存在。

随着物联网兴起,电子产品智能化需求越来越多,传统产业升级已经迫在眉睫,电子产业急需MCU厂商提供更多更好的创新型设计方案。随着电商时代到来,渠道的扁平化,传统芯片代理商已经无力投入日趋复杂的方案设计,行业日趋细化和深入,传统的方案商已经转型成产品提供商,应用设计方案的重任再次落在MCU公司身上。

今天我们看到全球领先的MCU企业,比如ST、NXP、TI和瑞萨等公司,他们都能提供许许多多MCU应用解决方案,这些方案的技术越来越前沿,功能越来越完善。比如STM32峰会上展示的预防黑客侵入的智能锁的安全解决方案、可以在小屏幕上实现美观流畅游戏界面的超低功耗MCU智能手表方案,以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa网关。

近年兴起的创客运动也是MCU应用方案的一大贡献者。创客们大量采用的Arduino开源硬件,Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列处理器;机器人项目Pibot则采用Arduino作为核心控制板。在开源硬件环境下,没有开发基础,只有创意的开发者,也可以完成自己的产品开发。开发门槛的降低了,将吸引更多的人实现创意,极大地增加产品的种类和数量,从而导致对MCU需求的增长。

中国MCU发展机遇

1.中国单机片30年

上个世纪80年代初北京工业大学电子厂掀起了TP801开发热潮,同期,上海和江苏等地开发了MCS-51的单片机开发系统,这股单片机的热潮引发了全国的智能电子的大变革。1986年10月,在上海复旦大学举行了第一次全国单片机学术交流会,这标志着由此开始,中国单片机事业经历30年辉煌发展历程。2016年11月,嵌入式系统联谊会举办了中国单片机30年纪念活动,老中轻三代单片机工作者齐聚北航回忆这段历程,共议中国单片机发展的美好前景。

过去几年,中国MCU市场一直持续增长。据isuppli Research研究报告,2011年中国MCU市场销售额约30亿美元,到了2016年已经有40亿美元,其中32位MCU市场份额持续增大,期内复合增长率已经接近10%%。但有关研究报告还指出,全球8大MCU企业没有中国的企业,中国大陆和中国台湾MCU企业在中国市场各有10%%的份额。2017年STM32峰会信息显示,2016年ST中国通用MCU市场营收在其全球市场占比36%%,从2007年开始一直保持27%%的年复合增长率,以物联网、可穿戴、智能手机、智能楼宇和表计以及电动汽车和无人机等新型应用,是拉动MCU快速增长重要引擎。

中国单片机30年,MCU厂商很多,但多数混迹8/16位低端市场,中国是全球第一大电子制造基地,有足够大的市场来养活这些小厂商。但设计能力低、缺少战略发展规划和资金支持的中小MCU 厂商,难以改变中国企业在MCU市场的弱势地位。

2.国产32位MCU提速

近年中国MCU企业的增长提速,尤其是在32位MCU市场上涌现出像兆易创新、致象科技和灵动微电子这样的企业,他们基于ARM Cortex M技术的MCU芯片受到了市场的欢迎,国产MCU产品的市场战略一般是更低的价格、更好的性能、本地周到的服务、与国外产品 pin-pin兼容,这些市场策略让国内企业非常受用,取得了丰硕的成果。

据财经媒体报道,2016年,兆易创新实现营收14.89亿元,净利1.76亿元,营收同比增长25%%、利润增长了12%%;MCU芯片实现营收1.97亿元,同比增长55.2%%,销量4578万颗,兆易创新最近以65亿元收购北京矽成。矽成的主营业务是以易失性存储芯片为主,主要从事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成电路产品的设计与销售,产品应用于汽车、工业医疗、网络移动通讯、电子消费产品等领域。这与兆易创新的非易失性存储芯片,包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生产品以及MCU微控制器产品的研发、技术支持和销售的业务范围正好互补。收购矽成对于未来兆易创新GD32系列MCU发展将起到积极作用,或将有助于兆易创新拓展汽车电子市场的计划。

3.国产MCU的挑战

比较国产高端CPU的发展,国产32位MCU 要顺利的多。相比智能手机芯片,生态环境相对单纯和简单是帮助国产MCU 发展的重要原因。我们知道,开发智能手机芯片要有巨资投入最先进的制程工艺,比如三星Galaxy S8 机型搭载高通骁龙830处理器,并且处理器将会由三星独家制造,制程工艺为惊人的10nm。还有Android OS,围绕Android OS 的开放手机联盟现在有84个成员,如果你们企业不是成员,你或许拿不到最新的Anrdoid版本的软件,即使你是成员,如果不能投入大量的Android开发人员,你也很难与高通、三星和华为这样的手机巨头竞争。

前面介绍MCU的技术线路,它与智能手机完全不一样,MCU 还是一个多元化的应用市场,虽然有几个很热闹的产品,比如无人机、可穿戴手环、智能温控器,但是这些产品在数量上与智能手机无法比拟,而且它们每一个的软硬件平台都不一样。凭借基础的开发工具、90nm制程和应用方案,加上中国企业擅长的“保姆式”服务,国产MCU 有机会出奇制胜,一展宏图。

是不是国产MCU可以高枕无忧,一路顺利发展呢?不是的。如果看看全球领先的MCU企业的产品线就不难发现,中国企业差距很大,STM32 750余款MCU,多数采用90nm制程上,ST计划发布的超高性能STM32H7将采用40nm制程,而灵动微电子成熟产品F103采用的还是传统的0.18um。

在开发工具上,国产MCU 基本没有自己的开发工具,推荐都是ARM KEIL和IAR,为了支持自己公司的MCU,一般会开发一个 KEIL MDK或者IAR插件,没有经费的用户多是使用盗版IDE。

在应用设计方案和生态环境建设方面,国产MCU 更是远远落在外国企业后面,比如STM32峰会第二天,几十家合作伙伴展示了包括LoRa、蓝牙和WiFi模块、空中固件升级、NB-IoT诊断仪、多功能汽车总线通信平台和安全认证的RTOS等百余种解决方案,以及大疆和小米无人机、华为运动手表、MOOV 耳机和阿儿法智能机器人等数十种国内设计和生产的基于STM32产品。这大大提升了与会的开发者的兴趣。

32位MCU市场发展,芯片设计和制造技术固然很重要,而产品线生态建设,开发工具的研究、嵌入式OS的支持、创新型的应用案例、稳定的货源供应和技术支持也非常重要,每一项都缺一不可,都做好了真的不容易,国产MCU要进入国内电子企业主流供应商名单,要走向国际舞台,还有很长路要走。面向未来5-10年百亿级的物联网设备市场,MCU迎来了前所未有的机遇,也给了中国MCU 发展和腾飞创造了绝佳的切入点。

责任编辑:陈炳欣


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