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半导体

MCU的“芯”机遇

MCU可说是集成电路中最激发创意和设计灵感的核心元器件。它拥有着完整的运算,存储,感知,通讯,人机交互等组件,基于具体应用完成功能的配置和调用,即可满足各种各样需求场景的差异化需要。不夸张的说,我们的现实生活中遇到的每款电子产品里面,都或多或少有着MCU的身影。所以在这样一个创新空前活跃的时代,去理解和探知MCU的过去、现在和将来是一个有趣而颇具意义的话题。

MCU,麻雀虽小五脏俱全

MCU(Micro control unit) 也即微控制器,国内形象的称之为单片机,是伴随着集成电路同步发展起来的一个产品分支,自从20世纪70年代中期,由Intel公司首先推出4bit微处理器以来,已历经8bit,16bit,32bit等多个发展代次,至今已有采用多核架构的32bit MCU产品,拥有强悍的整数和浮点运算能力,具备640KB的eFlash和320KB的SRAM,高达300MHz的主频以及600MHz的DSP工作频率。可以说现在的小小一片芯片的运算能力已经远远超过当年超大型机的运算能力!

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不同于其他类型的电子元器件,MCU从诞生之初,就是以一个完整系统的面貌出现,以丰富的外设见长。随着几十年的发展,不断丰富和拓展自己的外设

MCU内部的外设一般包括:串口控制模块,SPI模块,I2C模块,A/D模块,PWM模块,CAN模块,SRAM, eNVM,比较器模块,等等,它们都集成在MCU内部,有相对应的内部控制寄存器,可通过指令直接控制。

随着MCU在各个应用领域的广泛应用,外设也不断丰富, 现已包含了各类高速通讯接口如USB1.1/2.0/3.0接口,MIPI接口等,面向有线网络的以太网接口,还有包含LCD屏的驱动和控制接口,Touch pad/panel的接口,一些传感器的专用接口,面向无线应用的蓝牙,Sub-GHz等射频外设等。

在内核方面,除了8051,6502等内核外,32bit的MCU主要采用ARM的cortex-M系列。也有大量的MCU采用RISC内核。同时由于计算量不断增加以及功能不断强化,市场上也出现了多核MCU,集成有多个内核,包含DSP等内核可以对浮点运算提供更快的速度。随着AI的发展和普及,未来的MCU中也会集成一定规模的AI硬件加速模块,面向边缘计算,提供强大的硬件支持。

随着物联网的发展和广泛应用,用户对数据安全也越来越关注,使得MCU中也集成了硬件加密模块,支持各类加密算法。而MCU本身也发展出了数据安全架构,保证从内到外的数据安全。

基于MCU性能和外设的不断强化,已经可以运行复杂的片上操作系统。有别于PC的操作系统,MCU的操作系统更精简和轻量化,同时更加强调实时性。使得MCU的控制更加精准,满足实时性要求高的应用需求,如各类工业、电机等产品的应用。

MCU的主要应用市场

作为嵌入式电子应用领域不可或缺的核心部件,MCU开发的各种嵌入式应用也不断拓展,PC、网络通信、工业控制、汽车电子、消费电子、金融电子、政府身份认证都离不开MCU。

根据市场研究公司IHS表示,针对连网汽车、可穿戴电子设备、建筑物自动化以及其他有关物联网(IoT)应用的全球微控制器(MCU)市场预计将以11%的复合年成长率(CAGR)成长,从2014年的17亿美元增加到2019年时达到28亿美元的市场规模。

2017年,国内MCU市场已达403.2亿元,同比增长达12%,据预测,随着中国大陆汽车电子和物联网领域的快速发展,对MCU的需求将越来越大,国内MCU市场将保持12%左右的增速高速增长。

由于国内MCU产品主要面向中低端应用,技术和市场竞争力都不高,与国外厂商差距明显。

2018年以来国内和国外主流MCU厂商图表

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随着MCU的位数越大,单颗芯片成本也随之增加。通常,8位MCU工作频率在16到50MHz之间,适合简单的控制,如温度和颜色等控制应用,成本也是相对最低的;16位MCU,工作频率在24到100MHz之间,功能也会比8位MCU强,但价格可能是三到五倍;32位MCU的工作频率在100到350MHz之间,功能非常强大,成本也增加不少,也是目前主流的;64MCU已经研发出来了,在智能时代将会大有可为。

各bit MCU的市场份额图表

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目前MCU的应用大致包括:

1)家电:如电视机、空调、、电冰箱、洗衣机、微波炉、电饭煲等。

2)办公自动化设备:如打印机、复印机、传真机、考勤机、电话等。

3)商业营销设备:如扫码枪、电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。

4)工业自动化控制:如各种测控系统、过程控制、程序控制、机电一体化、PIC等。

5)智能化仪表。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。

6)智能化通信产品。

7)计量表计,如水、电、燃气表计;集中器和抄表终端等;

8)市政控制:如路灯等公共设施控制;

9)航空航天和国防军工;

芯机遇,新挑战

随着物联网时代的到来,MCU的应用将更加广阔。一些传统的产品将被加入智慧的功能,一些全新的应用场景也将横空出世。这给了MCU应用以极大的想象空间,也不断的改变着MCU的产品形态。

1) 物联网

IoT是Internet of Things的缩写,指的是将各种信息传感设备,如射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起,方便识别和管理。简单理解就是互联网从人向物的延伸。

据IDC预测数据,到2020年全球IoT总连接数将达到300亿,市场空间达到1.7万亿美金。

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物联网将是碎片化的市场,不同场景需要不同的功能外设,这使得ASIC难以兼顾各类场景的需要。而满足功能的同时,由于产品多为移动终端、手持设备或外挂至难以维护区域的设备,使得电池成为主要的供电方式,因此低功耗成为产品的硬性需要。MCU拥有良好的通用性,同时具备多种工作模式,其超低功耗模式可以满足300nA以下的待机功耗要求,完全适用于IoT的场景需要。成为IoT产品的不二选择!

2) 汽车电子

由于电动汽车,混合汽车以及自动驾驶的发展,汽车电子将会成为MCU最大的市场之一。包括车载信息娱乐产品,雨刷、车窗、电动座椅,发动机和车身控制领域,安全监控和自动驾驶等方方面面都会大量采用MCU控制,乐观估计未来MCU在单辆汽车内的用量将有望超过200个。

汽车电子产品需要通过AEC-Q100的测试,在严苛的高温测试下长期稳定和可靠的工作,是这类产品最突出的特点。包括TI,ST,NXP,Microchip等公司都已推出了面向汽车应用的高可靠MCU系列产品,这些产品都特别的突出了产品的可靠性和长期供货能力。

新的应用也带来的新的挑战。一方面,不断增加的运算能力和外设推升了MCU的整体功耗,而MCU的应用场景,更多的面向移动应用,从而选用电池供电,这又不断的要求更低的功耗表现。这要求MCU的低功耗要低至百nA级才能满足。另一方面,由于大量的应用于汽车电子等领域,要求MCU的产品可靠性不断提升。如发动机舱和传动机构附近的温度将超过150℃,如何在这么高的温度下稳定长期的工作,是对MCU可靠性的一大挑战。

ACTT的超低功耗模拟IP平台和高可靠性eNVM IP,完美的解决了低功耗和高可靠性的两大需求。目前已实现350nA级别的功耗表现,产品已被大量国内通用MCU客户采用。

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面向汽车电子的高可靠性要求,ACTT的eNVM产品可提供最佳的可靠性能表现。在175℃下可以稳定工作10年以上。产品已为多家客户采用并量产。

面对未来,机遇总是与挑战共存,当产品特性与市场需求完美结合,将造就最佳的应用方案,从而不断改变和优化我们的世界。在未来的MCU市场,国内厂商通过依托国内巨大的市场,将会有前所未有的发展机遇。如何把握住这个历史机遇,是每一个中国半导体人不断要去思考和践行的核心命题。敢问路在何方,路在脚下!


责任编辑:陈炳欣


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