如果没有MCU，我们将不配称为“现代人”。
MCU不是漫威宇宙。作为现代化生活的必需品，MCU（Microcontroller Unit，微控制单元，又名单片机）早已融入人类的生产和生活，无处不在。空调、遥控器、智能充电器……任何生活中需要自动化性质的电子产品基本上都会搭载MCU，各种家电设备通常至少需要一颗，而复杂的工业设备或汽车则会使用几十到上百颗。它们承载着你习以为常的小功能：调温度、遥控锁车、选择洗衣机的工作模式，诸如此类。如果没有MCU，如同电子产品缺了“心脏”，造不出来，更卖不出去。
本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第一篇文章，关注MCU国产替代。在本文中，你将了解到：MCU的分类与市场概况；芯片荒期间，中国厂商的机遇与挑战。
付斌丨作者
李拓、刘冬宇丨编辑
果壳硬科技团队丨策划
“缺芯”是疫情以来热度不减的话题，而MCU不仅是缺货的“重灾区”，涨价幅度可能也最离谱。
比如，自2020年10月开始，常态下约10元/颗的STM32F103RET6便一路高涨，直到2021年7月一度出现最高400元/颗的报价，涨幅将近40倍。由于该型号MCU为某品牌共享单车所用物料，甚至曾被商贩拆下以40元/颗低价贩卖。[1]我们查询一些分销商的信息发现，目前大多数分销商库存量为0，有库存的报价则依然高达200元/颗左右。
全球 MCU 部分应用领域出货量拆分及市场概况
制表丨果壳硬科技
图源 | 部分公司官网及相关网站、招商证券、AI电堂
据德勤（Deloitte）预测，2022年期间许多类型的芯片仍将面临短缺，紧缺状况将持续24个月才会得到缓解，与2008年至2009年的芯片短缺情况相似。[2]但紧缺的情况下，MCU的需求量不降反增。根据行业研究机构ReserchAndMarkets统计，2020年全球MCU出货量在280亿颗以上。[3]
导入国产MCU正当时。在缺货与涨价并行下，国产MCU的机遇在哪里？
一颗MCU芯片上，集成了中央处理单元、随机存储器、只读存储器和计算机其它功能，相当于一个微型计算机，功能齐全、控制力强、抗干扰强、体积小、功耗低、成本低的它顺理成章成为电子时代的“宠儿”。[4]通过软件控制MCU能够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。除此之外，MCU也是嵌入式系统典型的处理器之一。
因此，MCU能够广泛使用在各类电子产品中，[5]工业控制、电机控制、智慧城市、智能表计、智能家电、智能门锁/门禁医疗、电池及能源管理、生物识别、光通信、传感器控制和机器人……可以说MCU是解决一切的有控制需求场景的“万能钥匙”，其下游应用也渗透入千行百业。
随着物联网、车联网、5G以及疫情之下的新式办公的兴起，能应用于各种场景的MCU市场也逐渐膨胀。IC Insights最新预测显示，全球半导体的资本支出有望在2021年达到1520亿美元，飙升34%，这是自2017年增长41%以来的最大百分比涨幅。其中代工和MPU/MCU部门的支出同比增幅最大，为42%。[6]赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念预计，2021年预计MCU将有明显增长，到2025年全球市场规模有望达229亿美元，2020年~2025年年复合增长率将达8%。[7]
2021年的半导体资本支出，图源丨IC Insights
目前，MCU根据不同指标分为消费级MCU、工业级MCU和汽车级MCU。不同MCU的良品率要求各异。其中，消费级MCU注重功耗和成本，工业级MCU注重平衡性能、功耗、成本和可靠性，汽车级MCU则注重安全和可靠。
从消费到工业再到汽车的领域，对MCU自身的要求愈发严格，产线也越来越高端，这是汽车MCU最难造的重要原因。
消费级MCU交付良率普遍≤200DPPM（DPPM：每百万缺陷数），而汽车级MCU的交付良率需要达到≤1DPPM，这意味着每百万器件中最多只有一个不良品，且汽车MCU使用寿命往往要大于15年，可靠性要求极高。另外，汽车级MCU运行环境恶劣，通常要求能够承受-40℃~125℃的工作温度，发动机舱甚至需要高达150℃的耐温能力。
消费、工业、汽车级芯片评估指标对比
制表丨果壳硬科技
资料来源丨芯路通讯、电子发烧友网、知乎、民生证券研究院、芯片国产替代
因此，许多国产企业都是从消费级和工业级做起，逐渐突入汽车级MCU。华大半导体MCU事业部（现为“小华半导体”）人士就曾对笔者表示，公司将构建超低功耗、通用控制、电机控制和汽车电子四大产品系列逐渐深入，并以汽车MCU作为公司的“最高的台阶”，实现“全面开花”。
民生证券研报显示，MCU市场长期被海外七大MCU巨头ST、NXP、Microchip、Renesas、Infineon、TI、Cypress包揽75%以上市场份额，中国MCU市场占全球比例约23%，其中尤其在高端市场自给率较低。[8]
国产MCU是行业的追赶者，这也会整体体现在国内外MCU的应用分布上。全球MCU市场中，汽车电子占比为33%，为MCU最大市场，其次为工控/医疗、计算机网络、消费电子。反观中国MCU市场，消费电子领域占比最高，达到26%，汽车与工业MCU分列二三位。[9]
全球MCU下游市场应用占比&中国MCU应用市场占比
图源丨信达证券研发中心
国产MCU各领域主要厂商
图源丨ASPENCORE
但值得骄傲的是，近年来国内市场增速明显。数据显示2013~2018 年期间，国内MCU市场CAGR为10.9%，远高于同期全球4.5%的增速。另据IHS数据，2020年中国MCU市场规模预计达到268.8亿元，2020~2022年中国MCU市场CAGR为8.99%。
在缺芯潮中，海外七大巨头交付周期均呈现上升趋势，部分企业面临长期无货的状态，这种状况成为导入国产产品的“窗口期”。行业人士曾向笔者表示，虽然看似不起眼的一颗小小的芯片，却影响着整个产品的交付进度，一些车企因为缺少汽车的“微型大脑”MCU而无法交付整车。
MCU交货周期不断延长，图源丨华泰研究所[10]
也有很多工程师向笔者坦言，此前公司长期稳定使用国外产品，并无替换动机，但在这轮芯片短缺潮中，公司开始鼓励工程师对MCU产品实施平行替换。
“空窗期”内，消费级、工业级和汽车级MCU均形成较大的市场，国产MCU厂商的机会来了。
在2021年下半年，“MCU缺乏症”愈发严重，但需求并没有减少，Silicon Labs首席技术官Daniel Cooley最近表示，到2023年，全球MCU出货量预计将达到300亿颗，并且没有放缓的迹象。
国内厂商早期就意识到巨大的入场机会，在研发和投融资上增速，从消费级升级至工业汽车级MCU。这催生许多新兴企业，同时市场耕耘多年的企业也开始利用投融资巩固地位，颇有一种“赶集”的气氛。
这拨浪潮中，不同企业的策略也不尽相同，有些专攻汽车领域，有些大呼“我全都要”，有些则另辟蹊径采用RISC-V，或开发自主IP。从下游应用市场上来讲，消费级、工业级、汽车级MCU均有不同的“突围”重点。
2021年下半年MCU相关企业投融资情况；
制表丨果壳硬科技，资料来源丨官方公开信息
消费级MCU：智能设备带动的市场
国产MCU主要起步于消费电子，消费市场占比也非常可观。但据多家媒体求证和企业自述，国产消费级MCU上正从价格上“拼杀”，以求“低价抢客”。
随着物联网的兴起，智能家电和可穿戴设备成为消费级MCU市场增长的关键，功能多样化势必导致MCU使用数量上升。
智能家电分为大家电和小家电，大家电包括空调、冰箱、洗衣机等白色家电和音箱、家庭影院等黑色家电，小家电主要指以家居和厨卫等应用为目的的家用电器，包括豆浆机、破壁机、电磁炉、电风扇、电吹风等日用电器。
白电和小家电是消费市场MCU突围的重点。据招商证券测算，中国家电MCU整体规模约50亿元，其中白电MCU约25亿~30亿元，小家电MCU约20亿元，大家电出货量未来增长相对有限，但智能化和变频化升级有望提升MCU需求；小家电市场规模不断增长，智能化带来小家电MCU量价齐升。[11]
举个例子，美的数据显示，智能变频电冰箱所需MCU数量就要提升5个以上。因为增设温度调节、Wi-Fi连接、智能显示等高级功能，使得家电中MCU数量增加，并驱动消费级MCU从8位向32位升级。但白电厂商在明确的市场预期和成本控制需求面前，往往选择走上自研MCU的道路，根据“爱集微”统计，美的、格力、海尔、格兰仕等品牌，都有MCU等芯片投产或在研。[12]#说造芯可不一定都是高大上的几纳米SoC#
除此之外，智能手机、平板、电脑和可穿戴设备等领域也为国产MCU市场增长提供空间。比如，苹果手机内会配备一颗STM32支持NFC功能，智能手表和智能手环通常会配备一颗低功耗MCU用于通信和传感，近年来渗透率蹿升的真无线耳机，它的充电盒也要配备1颗MCU作为主控芯片。[13]
工业级MCU：一条比较“磨人”的路
工业级MCU一直处于重要地位。工业机器人、步进马达、机器手臂、仪器仪表、工业电机、工业柴油机、呼吸机系统、能源网关、电机驱动、表计的大量应用，使工业级MCU市场广阔。
MCU在工业中主要实现变速控制、收集信号、传输数据、执行复杂高速运算等。在工业物联网驱动下，许多国内企业开始拓展产线，不断推出低功耗新品或专用品。
但工业级MCU是一条艰难且走不快的路。一方面讲求更高的抗静电能力、抗浪涌电压、浪涌电流能力、工作温度范围和寿命，另一方面讲求更高的实时处理能力和功能安全。种种压力导致芯片研发过程非常“磨人”，考验着团队的技术沉淀。
复旦微电子电力电子事业部技术市场总监梁磊介绍，工业MCU芯片普遍拥有10~15年的生命周期，迭代并不如消费类MCU迅速，且在核心器件替换上非常谨慎，慢赛道生意并没有那么容易做；产品导入相比消费类MCU也拥有更长的时间窗口，相对来说更高的研发投入使得企业需要“沉得住气”，潜心研发。
据前瞻产业研究院数据，自2015年开始，工控MCU产品市场呈现波动上升趋势，2020年工控对MCU产品需求规模达到26亿元，预计2026年中国工业控制MCU市场规模达约35亿元。[14]
汽车级MCU：从低端逐渐转入中高端
近期，整个MCU圈子飘来浓浓的“上车风”。由于供需关系，车规级MCU缺货问题短期内不会得到明显缓解，同时车规级MCU需求仍在上升，还是国产厂商进入的好时期。集微咨询（JW insights）预计，由于单价更高的32位MCU应用比例继续提升，汽车MCU市场规模仍将处于持续增长趋势，预计从目前的59.16亿美元提升至2024年的88.78亿美元。[15]
“得车规者得天下”似乎成了企业的座右铭，能够取得汽车的高安全标准的产品，必然拥有极高的安全可靠性。但较为可惜的是，高端产品汽车MCU依然是海外巨头的天下，市占率超过95%。2020年全球汽车MCU市场中，Renesas、NXP、Infineon、TI和Microchip五大厂商合计市占率达86.6%。[16]目前拥有车规级MCU的国内厂商只有极少数，不过这也意味着发展空间更大。
“车规级MCU在产品定义、产品设计以及技术门槛上拥有极高的壁垒，不仅要满足ISO 26262认证中稳定性、安全性、可靠性的复杂指标要求，还需要大量投入，短期内很难盈利。”复旦微电力电子事业部技术市场经理王超表示，2021年确实有很多车企或者零部件厂家为MCU企业提供了窗口期，这个窗口期对于国产MCU厂家来说是挑战和机遇并存的。如何在“窗口期”内将产品顺利推向整车，以及提升未来占有率都是值得思考的问题。
公开信息显示，国内有10家（其中5家上市公司，5家未上市）厂商已进入汽车MCU领域，包括比亚迪电子、杰发科技、芯旺微、国芯科技、芯海科技、兆易创新、北京君正、紫光国微、中颖电子、复旦微电子。其中，比亚迪半导体、赛腾微、复旦微电子等车规级MCU已批量出货，兆易创新、国芯科技、芯海科技处于客户导入期。
2021年12月8日，复旦微电子发布首款通过AEC-Q考核的MCU芯片；2021年12月24日，芯海科技再融资布局汽车MCU芯片；2021年12月27日，汽车芯片公司旗芯微宣布完成新一轮融资，小米、上汽纷纷进场；2021年12月28日，汽车电子MCU企业芯旺微电子宣布完成数亿元C1轮融资。
细分不同的车用MCU，国内MCU新晋玩家普遍是从车身、车内环境相关控制做起，逐渐转入电池管理系统、汽车照明、辅助驾驶等领域。以复旦微最新发布的FM33 LG0xxA为例，该产品主要用于ETC、门窗、车灯、方向盘、防盗器、玻璃升降等。
“希望我们以后开的每辆汽车里面都是国产的芯片，这是我们的目标，我们发现国产的芯片一点也不差，只不过是大家还没有真正的挖掘。” 复旦微电子高级工程师、电力电子事业部总经理助理翟金刚如是说。
入局者越来越多，竞争也越来越激烈的国产MCU逐渐呈现“内卷”的态势，而且还“卷”的各有特色……
产线必须全：可以不用，但不能没有
从位数来讲，MCU包括4位、8位、16位、32位，目前62%产品使用32位产品，23%使用的是16位产品，15%使用的4/8位产品。在系统任务日益复杂化，对于计算能力的需求越来越高，促使MCU全面进入32位时代，但对于实现功能简单，代码量较低的应用来讲，“8条腿”或者“16条腿”的产品仍要有。
从内核来讲，目前形成了Arm、RISC-V、国产自研IP“三分天下”的格局。[17]目前来说，Arm内核是主流，并且大部分是Cortex-M系列。笔者经过走访国民技术、航顺、兆易创新、华大半导体、沁恒微电子后发现，国产MCU企业均已拥有Cortex-M0/M0 /M3/M4/M7/M33的齐全产线，能够让用户灵活选择。内核直接决定了MCU的性能、功耗、存储大小等，更齐全的内核才能对应不同的方案。
Arm Cortex-M 各系列介绍，图源丨Arm官网、招商证券
为了在细分领域可以满足更多的差异化需求，厂商纷纷投向新架构的怀抱。目前，航顺、兆易创新、沁恒微电子等厂商均已布局RISC-V架构，实现RISC-V单核或RISC-V Arm双核的特色产线；芯旺微的自主内核KungFu是自研架构的领军，不存在芯片IP授权问题是其产品的主要优势之一。
从应用领域来讲，国内厂商追求更加通用，力求应用领域更加广泛。“作为通用MCU，我们的市场目标是‘全面开花’，任何领域都能发挥最好的功效”，国民技术曾这样告诉笔者。
为了“瓜分”不同市场，国产厂商的战略格局一直在放大。MCU既然在哪里都可以用，就要“高矮胖瘦”都有，加之“玩家赶集式激增”，企业就要不断拓宽产线，在低端做好口碑后慢慢渗透中低端市场。
功耗必须低：设计之本，格局打开了
在消费电子领域，可穿戴设备、智能家居及其它电池供电的物联网终端都对功耗都有严格的要求，只有更久的待机才能抓住消费者的心，产品需要实现的功能又越来越多，留给MCU能够使用的电量不多了。
实际上，MCU的功耗也有类似手机跑分的榜单。嵌入式微处理基准协会（EEMBC）曾提出两个版本ULPMark标准，为开发人员提供能可靠与合理测量微控制器能效的方法，相应跑分也会被上传到EEMBC的ULPMark跑分榜单。
一般来说，内核直接决定着整体功耗，而在MCU领域也会采取“亚阈值电路”的设计来减少功耗。这种设计将芯片的工作电压降低到晶体管阈值附近，进而降低静态漏电和动态功耗。
MCU功耗分为静态漏电和动态功耗两部分。静态漏电部分，为了减小漏电，可减小电源电压、使用低漏电标准单元设计；在动态功耗部分，可减小电源电压或者降低电路无效翻转来降低功耗。
集成度和主频也是MCU厂商调控功耗的主要方式。国内厂商“千方百计”地把功耗压到最低，这个数据还是要刷的。
兼容必须强：即插即用，替代更顺手
在巨大市场吸引力下，国内厂商普遍采用 Pin to Pin（引脚对引脚）的形式，以便下游使用者更快从国外产品导入到自家产品。兼容性直接影响着客户能否快速替换国外产品，不同的厂商有着不同的选择。
这里的“兼容性”指的是与替代品与国外成熟MCU越像，就越容易替代。国产MCU拥有全兼容、硬件兼容、基本兼容和不兼容四种类型。
为了快速导入客户，市场会出现一些硬件和寄存器全兼容的产品，无需改动任何代码，直接移植烧写源代码即可工作，但这种全兼容的产品既没有门槛也没有特色，“寄存器级别”的仿制也隐含侵犯他人知识产权的风险；硬件兼容指的是电源、时钟、复位基本一致，但寄存器微调的产品；基本兼容指的是寄存器不兼容，时钟、复位、电源个别引脚不一致的产品，客户需要重新设计电路板；不兼容指的是MCU整体全部拥有特色，但用户设计难度较大。
在市场利好的现状下，媒体曾指出为了快速打入市场，赚快钱，就有企业做寄存器全兼容产品，利用价格优势生存。这就形成了“价格内卷”，带动了MCU市价格持续走低，结果是都不赚钱。
但无论如何，与国外产品的兼容性必然是用户考虑的第一因素，是保持自己的个性还是随波逐流，这是个问题。[17]
许多一线嵌入式工程师向笔者透露，缺芯稍有苗头之时，自己所在公司便启动国产替代计划，要求工程师测试各类MCU的替换效果；也有一些企业“临时抱佛脚”，只有等到自家产品“弹尽粮绝”之际才会想起找替代方案。
不论怎样，经过重重的测试，许多替代MCU仍然存在一定的问题，导致更换国产计划不得不搁置甚至放弃。
替代有成本，想说爱你非常难
一位常年处在一线的嵌入式工程师表示，公司效益与项目直接挂钩，实际给工程师找替代MCU的时间非常短暂，一款国产MCU想要被“翻牌子”，需要考虑开发人员的熟悉程度、开发难易度、开发时长。“产品经理会在产品选型阶段考虑开发人员能否快速完成开发，如果开发周期过长，即使这片MCU货源充足还物美价廉，也会面临PASS的命运”，他这样解释道。
虽然很多国产MCU在研发之初，就奔着替代和兼容的目的进行Pin to Pin的对标甚至“高度致敬”，但时常有工程师反映在跑程序过程中会遇到跑不动、跑飞、呆板的问题。
开发过程中工程师会碰到许多错综复杂的问题，这些都大大影响着开发进度，与此同时便是替代成本的直线上升。
售后有阻力，我爱你你不爱我
- “售后电话永远打不通，即使打通了，对面永远会判定是工程师自己的问题。”
- “国产MCU只注重推广力度，而售后服务却是落后，甚至连简单的技术支持都没有。”
- “有些bug技术支持也都不知道怎么解决。”
- “资料丰富程度和国外大厂差挺多，不过好在该有的都有，没有的多提一下也能补上。”
一些工程师向笔者列举了一系列国产MCU厂商的售后难题。
当然，也有部分工程师持不同看法，他们认为，国产本身质量真的非常不错，自己也从来没有遇到过售后问题，而且国外牌子不一定就会有人性化的售后服务。
“售后的态度也会随着客户要买多少有关系，要是能一次提货上千的大客户，必然畅通无阻，但如果是个人研发者或者小批量用户，那就不好说了。”一位MCU资深设计者如是说。
开发有难度，出问题也没资料
开发资料问题是工程师向笔者反映最为严重的问题，“诸如ST这种国外大品牌，即使售后不响应，我们也可以从网上查到许多资源，包括开发资料和前辈的经验。但国产MCU毕竟较为‘年轻’，很多问题从网上基本搜不到。长期被国外品牌挤压，可获取的资源有限，让我们开发难度大大增加。”
一些工程师也表示国产MCU现有的资料中也经常会出现标注错误、阐述不清晰等问题，大大增加了开发难度，间接影响了开发周期，很多工程师也因此错失了与国产MCU“谈个长久恋爱”的机会。
“ST等国外大厂在国内深耕多年，其中不乏一些嵌入式教育者将国外产品列入自己的教学教程或书籍内，甚至还‘贴心’地把英文手册翻译成了中文，让小白可在学习阶段就能快速学会并产生成就感，这无疑是一种良性循环。”这位从业者强调，国内MCU产品甚至还没有中文手册，更别说视频教程了。
市场有波动，供需矛盾与差价
虽然缺芯成为国产的重要“空窗期”，但国内厂商也逃不掉受上游波动影响的命运。地缘政治摩擦、疫情及自然灾害导致国际物流受阻，原材料供应和封装测试产能都会影响MCU的交付。
缺芯之下，终端恐慌性备货，导致8英寸晶圆产能严重不足，从而加剧MCU厂商交期拉长。目前，消费市场MCU缺芯情况略有缓解，但业内人士仍对市场表示不乐观，汽车市场MCU恐还要持续至2022年下半年，这些都直接导致市场波动明显。
此前，部分现货商和贸易商囤货和哄抬价格等行为，使得一些热门产品价格上涨10余倍，给市场造成极其恶劣的负面影响。伴随市场上扬，国内厂商一度出现“低价抢单”的情况，导致价格波动加剧。
缺芯，既是危机，也是机遇。MCU企业大量浮现，而在这波浪潮中，行业必然会迎来新一波的优胜略汰和洗牌。
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