【導讀】微處理器和單片機從上個(gè)世紀70年代在歐美開(kāi)始興起，1981年8051單片機問(wèn)世，到今天已經(jīng)36年了。從數量上看，8位單片機依然是MCU市場(chǎng)的主力，32位MCU已經(jīng)成為今天全球消費和工業(yè)電子產(chǎn)品的核心。目前，8大MCU廠(chǎng)商全球市場(chǎng)份額合計達到了88%，這也就是說(shuō)除了幾大MCU外，小的MCU公司市場(chǎng)份額非常小。
從2015年開(kāi)始，為爭奪市場(chǎng)份額，布局強勁增長(cháng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，MCU主要廠(chǎng)商之間發(fā)生了數起大規模并購。根據市場(chǎng)調研機構IC Insights的統計，從收購完成合并后的銷(xiāo)售數據看，NXP、Microchip和Cypress 2016年MCU產(chǎn)品線(xiàn)銷(xiāo)售額同比大幅增長(cháng)，排名也相應上升。未進(jìn)行大規模收購的MCU廠(chǎng)商則表現平平，只有個(gè)位數的增長(cháng)，比如ST和TI，有的出現了大幅下降，比如像Samsung。
8大MCU廠(chǎng)商全球市場(chǎng)份額合計達到了88%，這也就是說(shuō)除了幾大MCU外，小的MCU公司市場(chǎng)份額非常小。IC Insights 2016年8月的研究報告顯示，MCU市場(chǎng)將于2020年達到高峰，銷(xiāo)售額達到209億美元，銷(xiāo)售267億顆芯片。針對這樣的市場(chǎng)形勢，在剛剛結束的2017年STM32峰會(huì )上，ST給自己定下目標是2020年銷(xiāo)售額將到達40億美元，從目前市場(chǎng)份額10%增長(cháng)到20%。
MCU技術(shù)發(fā)展線(xiàn)路
1.開(kāi)發(fā)工具
8位MCU時(shí)代，開(kāi)發(fā)工具很簡(jiǎn)單，MCU功能簡(jiǎn)單，存儲器容量很小，應用代碼甚至可以使用匯編語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，簡(jiǎn)單的下載和編程工具可以勝任開(kāi)發(fā)工作。后來(lái)隨著(zhù)MCU功能增加，存儲器容量增加，C語(yǔ)言逐漸成為首選，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）和JATG調試漸成主流，這種方式主導了過(guò)去20年MCU開(kāi)發(fā)模式。
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的興起，大量的電子產(chǎn)品急需智能化升級，聯(lián)網(wǎng)就成為基本需求，特別是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，RTOS （實(shí)時(shí)操作系統）從以前的嵌入式系統中“奢飾品”變成今天的“必需品”。得益于開(kāi)源社區和開(kāi)源軟件的幫助，開(kāi)源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)者的優(yōu)選。專(zhuān)門(mén)針對物聯(lián)網(wǎng)應用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應運而生，比如ARM mbed OS、慶科MicoOS和華為L(cháng)iteOS，其實(shí)這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內核也是基于開(kāi)源的RTOS技術(shù)。
開(kāi)發(fā)工具（IDE）價(jià)格昂貴，讓創(chuàng )業(yè)者望而卻步，借助開(kāi)源軟件，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，這些IDE 是基于開(kāi)源Eclipse，編譯軟件也是開(kāi)源的GCC ARM 。芯片公司的IDE雖然在功能和優(yōu)化上無(wú)法與Keil和IAR相比，但已經(jīng)完全到達可用的程度。ARM開(kāi)發(fā)了基于Web的mbed工具，開(kāi)發(fā)者不需要購買(mǎi)和安裝任何IDE，只要有一塊mbed兼容的開(kāi)發(fā)板，就可以進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)。如果你使用的是Arduino開(kāi)發(fā)板，Arudino IDE集成大量開(kāi)源硬件知識庫，讓你開(kāi)發(fā)如虎添翼，事半功倍。
今天，有了強大的開(kāi)源的生態(tài)環(huán)境，MCU開(kāi)發(fā)者不再會(huì )因為缺乏資金無(wú)法購買(mǎi)開(kāi)發(fā)工具和獲得技術(shù)支持而耽誤項目開(kāi)發(fā)犯愁了。
2.制造技術(shù)
摩爾定律推動(dòng)了芯片產(chǎn)業(yè)輝煌了40年，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑。傳統的MCU，比如8位OTP MCU，長(cháng)期是使用0.5微米的制程工藝，隨著(zhù)時(shí)間的推移，設備和技術(shù)的更新，現在主流的MCU制程是180nm，甚至90nm技術(shù)，展望不遠的將來(lái)，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU也不是遙不可及的事情。
我們知道，更先進(jìn)的制程工藝會(huì )在MCU內部集成更多的晶體管，使處理器實(shí)現更多的功能和更高的性能。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了，更多的32位MCU核心將替代8位，芯片的體積也不會(huì )變大，功耗反而會(huì )更小。此外，先進(jìn)的制程工藝還能帶來(lái)片內FLASH容量的增加，未來(lái)1MB甚至4MB的FALSH MCU 也是常見(jiàn)的產(chǎn)品了。
當然，制程工藝將會(huì )給MCU生態(tài)環(huán)境帶來(lái)挑戰，比如初期制造成本的增加，芯片設計復雜性增加。32位核心導入，軟件開(kāi)發(fā)難度增加，以及物聯(lián)網(wǎng)應用帶來(lái)MCU和RF以及Sensor集成，進(jìn)而帶來(lái)功耗管理和PCB設計上一系列棘手問(wèn)題。
3.應用設計方案
MCU應用五花八門(mén)，從最小的消費電子產(chǎn)品，到大型工業(yè)機器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產(chǎn)品。早期的MCU芯片公司只是提供應用指南和參考設計代碼，方案性的設計一般是客戶(hù)自己完成，或者由專(zhuān)業(yè)的方案公司和代理商完成，然后交給設備廠(chǎng)商生產(chǎn)，這樣模式至今依然大量存在。
隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)興起，電子產(chǎn)品智能化需求越來(lái)越多，傳統產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)迫在眉睫，電子產(chǎn)業(yè)急需MCU廠(chǎng)商提供更多更好的創(chuàng )新型設計方案。隨著(zhù)電商時(shí)代到來(lái)，渠道的扁平化，傳統芯片代理商已經(jīng)無(wú)力投入日趨復雜的方案設計，行業(yè)日趨細化和深入，傳統的方案商已經(jīng)轉型成產(chǎn)品提供商，應用設計方案的重任再次落在MCU公司身上。
今天我們看到全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)，比如ST、NXP、TI和瑞薩等公司，他們都能提供許許多多MCU應用解決方案，這些方案的技術(shù)越來(lái)越前沿，功能越來(lái)越完善。比如STM32峰會(huì )上展示的預防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案、可以在小屏幕上實(shí)現美觀(guān)流暢游戲界面的超低功耗MCU智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網(wǎng)關(guān)。
近年興起的創(chuàng )客運動(dòng)也是MCU應用方案的一大貢獻者。創(chuàng )客們大量采用的Arduino開(kāi)源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器；機器人項目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。在開(kāi)源硬件環(huán)境下，沒(méi)有開(kāi)發(fā)基礎，只有創(chuàng )意的開(kāi)發(fā)者，也可以完成自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)門(mén)檻的降低了，將吸引更多的人實(shí)現創(chuàng )意，極大地增加產(chǎn)品的種類(lèi)和數量，從而導致對MCU需求的增長(cháng)。
中國MCU發(fā)展機遇
1.中國單機片30年
上個(gè)世紀80年代初北京工業(yè)大學(xué)電子廠(chǎng)掀起了TP801開(kāi)發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開(kāi)發(fā)了MCS-51的單片機開(kāi)發(fā)系統，這股單片機的熱潮引發(fā)了全國的智能電子的大變革。1986年10月，在上海復旦大學(xué)舉行了第一次全國單片機學(xué)術(shù)交流會(huì )，這標志著(zhù)由此開(kāi)始，中國單片機事業(yè)經(jīng)歷30年輝煌發(fā)展歷程。2016年11月，嵌入式系統聯(lián)誼會(huì )舉辦了中國單片機30年紀念活動(dòng)，老中輕三代單片機工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國單片機發(fā)展的美好前景。
過(guò)去幾年，中國MCU市場(chǎng)一直持續增長(cháng)。據isuppli Research研究報告，2011年中國MCU市場(chǎng)銷(xiāo)售額約30億美元，到了2016年已經(jīng)有40億美元，其中32位MCU市場(chǎng)份額持續增大，期內復合增長(cháng)率已經(jīng)接近10%。但有關(guān)研究報告還指出,全球8大MCU企業(yè)沒(méi)有中國的企業(yè)，中國大陸和中國臺灣MCU企業(yè)在中國市場(chǎng)各有10%的份額。2017年STM32峰會(huì )信息顯示，2016年ST中國通用MCU市場(chǎng)營(yíng)收在其全球市場(chǎng)占比36%，從2007年開(kāi)始一直保持27%的年復合增長(cháng)率，以物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴、智能手機、智能樓宇和表計以及電動(dòng)汽車(chē)和無(wú)人機等新型應用，是拉動(dòng)MCU快速增長(cháng)重要引擎。
中國單片機30年，MCU廠(chǎng)商很多，但多數混跡8/16位低端市場(chǎng)，中國是全球第一大電子制造基地，有足夠大的市場(chǎng)來(lái)養活這些小廠(chǎng)商。但設計能力低、缺少戰略發(fā)展規劃和資金支持的中小MCU 廠(chǎng)商，難以改變中國企業(yè)在MCU市場(chǎng)的弱勢地位。
2.國產(chǎn)32位MCU提速
近年中國MCU企業(yè)的增長(cháng)提速，尤其是在32位MCU市場(chǎng)上涌現出像兆易創(chuàng )新、致象科技和靈動(dòng)微電子這樣的企業(yè)，他們基于A(yíng)RM Cortex M技術(shù)的MCU芯片受到了市場(chǎng)的歡迎，國產(chǎn)MCU產(chǎn)品的市場(chǎng)戰略一般是更低的價(jià)格、更好的性能、本地周到的服務(wù)、與國外產(chǎn)品 pin-pin兼容，這些市場(chǎng)策略讓國內企業(yè)非常受用，取得了豐碩的成果。
據財經(jīng)媒體報道，2016年，兆易創(chuàng )新實(shí)現營(yíng)收14.89億元，凈利1.76億元，營(yíng)收同比增長(cháng)25%、利潤增長(cháng)了12%；MCU芯片實(shí)現營(yíng)收1.97億元，同比增長(cháng)55.2%，銷(xiāo)量4578萬(wàn)顆，兆易創(chuàng )新最近以65億元收購北京矽成。矽成的主營(yíng)業(yè)務(wù)是以易失性存儲芯片為主，主要從事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成電路產(chǎn)品的設計與銷(xiāo)售，產(chǎn)品應用于汽車(chē)、工業(yè)醫療、網(wǎng)絡(luò )移動(dòng)通訊、電子消費產(chǎn)品等領(lǐng)域。這與兆易創(chuàng )新的非易失性存儲芯片，包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生產(chǎn)品以及MCU微控制器產(chǎn)品的研發(fā)、技術(shù)支持和銷(xiāo)售的業(yè)務(wù)范圍正好互補。收購矽成對于未來(lái)兆易創(chuàng )新GD32系列MCU發(fā)展將起到積極作用，或將有助于兆易創(chuàng )新拓展汽車(chē)電子市場(chǎng)的計劃。
3.國產(chǎn)MCU的挑戰
比較國產(chǎn)高端CPU的發(fā)展，國產(chǎn)32位MCU 要順利的多。相比智能手機芯片，生態(tài)環(huán)境相對單純和簡(jiǎn)單是幫助國產(chǎn)MCU 發(fā)展的重要原因。我們知道，開(kāi)發(fā)智能手機芯片要有巨資投入最先進(jìn)的制程工藝，比如三星Galaxy S8 機型搭載高通驍龍830處理器，并且處理器將會(huì )由三星獨家制造，制程工藝為驚人的10nm。還有Android OS，圍繞Android OS 的開(kāi)放手機聯(lián)盟現在有84個(gè)成員，如果你們企業(yè)不是成員，你或許拿不到最新的Anrdoid版本的軟件，即使你是成員，如果不能投入大量的Android開(kāi)發(fā)人員，你也很難與高通、三星和華為這樣的手機巨頭競爭。
前面介紹MCU的技術(shù)線(xiàn)路，它與智能手機完全不一樣，MCU 還是一個(gè)多元化的應用市場(chǎng)，雖然有幾個(gè)很熱鬧的產(chǎn)品，比如無(wú)人機、可穿戴手環(huán)、智能溫控器，但是這些產(chǎn)品在數量上與智能手機無(wú)法比擬，而且它們每一個(gè)的軟硬件平臺都不一樣。憑借基礎的開(kāi)發(fā)工具、90nm制程和應用方案，加上中國企業(yè)擅長(cháng)的“保姆式”服務(wù)，國產(chǎn)MCU 有機會(huì )出奇制勝，一展宏圖。
是不是國產(chǎn)MCU可以高枕無(wú)憂(yōu)，一路順利發(fā)展呢？不是的。如果看看全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)的產(chǎn)品線(xiàn)就不難發(fā)現，中國企業(yè)差距很大，STM32 750余款MCU，多數采用90nm制程上，ST計劃發(fā)布的超高性能STM32H7將采用40nm制程，而靈動(dòng)微電子成熟產(chǎn)品F103采用的還是傳統的0.18um。
在開(kāi)發(fā)工具上，國產(chǎn)MCU 基本沒(méi)有自己的開(kāi)發(fā)工具，推薦都是ARM KEIL和IAR，為了支持自己公司的MCU，一般會(huì )開(kāi)發(fā)一個(gè) KEIL MDK或者IAR插件，沒(méi)有經(jīng)費的用戶(hù)多是使用盜版IDE。
在應用設計方案和生態(tài)環(huán)境建設方面，國產(chǎn)MCU 更是遠遠落在外國企業(yè)后面，比如STM32峰會(huì )第二天，幾十家合作伙伴展示了包括LoRa、藍牙和WiFi模塊、空中固件升級、NB-IoT診斷儀、多功能汽車(chē)總線(xiàn)通信平臺和安全認證的RTOS等百余種解決方案，以及大疆和小米無(wú)人機、華為運動(dòng)手表、MOOV 耳機和阿兒法智能機器人等數十種國內設計和生產(chǎn)的基于STM32產(chǎn)品。這大大提升了與會(huì )的開(kāi)發(fā)者的興趣。
32位MCU市場(chǎng)發(fā)展，芯片設計和制造技術(shù)固然很重要，而產(chǎn)品線(xiàn)生態(tài)建設，開(kāi)發(fā)工具的研究、嵌入式OS的支持、創(chuàng )新型的應用案例、穩定的貨源供應和技術(shù)支持也非常重要，每一項都缺一不可，都做好了真的不容易，國產(chǎn)MCU要進(jìn)入國內電子企業(yè)主流供應商名單，要走向國際舞臺，還有很長(cháng)路要走。面向未來(lái)5-10年百億級的物聯(lián)網(wǎng)設備市場(chǎng)，MCU迎來(lái)了前所未有的機遇，也給了中國MCU 發(fā)展和騰飛創(chuàng )造了絕佳的切入點(diǎn)。
（來(lái)源：中國電子報）
推薦閱讀：
