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MCU芯片两大应用场景应用现状及趋势

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MCU芯片两大应用场景应用现状及趋势

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2021年中国半导体系列报告:MCU芯片两大应用场景应用现状及趋势
2021年中国半导体系列报告:MCU芯片两大应用场景应用现状及趋势

头豹研究院

发布时间

2021-12-10 00:00

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全文字数:4691字,精读时间:8分钟

本文援引于报告《2021年中国半导体系列报告:MCU芯片两大应用场景应用现状及趋势》,首发于头豹科技创新网(www.leadleo.com)。

 

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核心摘要:

汽车微控制器,在过去十年间占微控制器(MCU)总销量约40%,近期受疫情影响仍处于不平衡状态,2021年上半年,全球出现“缺芯危机”,导致全球汽车累计停产数约为300万辆,其中,手机芯片供货周期从3个月延长到12个月,其重要原因是,新数字终端对芯片的需求出现大幅增长。根据IC Insights数据,尽管微控制器持续短缺,导致汽车制造商不得不暂时关闭工厂,但随着经济复苏,2021年汽车微控制器的销售额预计将激增23%,达到76亿美元的历史新高,2022年和2023年也将出现14%的强劲增长。


中国汽车芯片自给率不到5%,MCU端尤为薄弱!

据每日经济新闻报道,在6月19日举行的2021中国汽车论坛上,中国汽车工业协会总工程师、副秘书长叶盛基介绍称,当前,我国各类芯片中MCU控制芯片最为紧缺,国内MCU控制芯片企业最为薄弱。截至目前,中国半导体自给率为15%,其中汽车芯片自给率不足5%。

目前,芯片短缺已成为全球性发展问题。叶盛基认为,由于当前汽车芯片供应缺口、恢复周期等信息的不清晰,市场上出现芯片分销商囤货居奇、漫天要价情况。同时,企业也选择大量囤货扫货,提高芯片库存,来抵御未来风险,进一步加剧当前芯片短缺困境。

中汽协方面预测,今年第二季度汽车芯片短缺将达到最高峰,乐观预计汽车芯片短缺情况将在今年下半年开始缓解。“目前半导体行业产能对汽车行业提供了较大的支持,当汽车行业不缺芯片后,其他行业再经过半年周期性调整,预计到2022年年底整个半导体产业供应将恢复平衡。”叶盛基认为。


MCU(微控制器)芯片:轻量化数字计算芯片

MCU ( Microcontroller Unit)微控制器,又称单片机是一类轻量化数字计算芯片。MCU是把中央处理器(CPU, Central Processing Unit) 的频率与规格做适当缩减,并将内存、计数器、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口,甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制,其具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。

MCU基本组成主要包括CPU (核心部件包括运算器、控制器)、存储器(用于存储程序和数据)、输入/输出I/O接口、定时器/计数器与串行通信端口(和不同外设之间进行数据交换)等,用于实现包括计时、作为输入/输出口连接外部渠道、实施外部中断控制、提供通讯接口等功能。


中国下游需求以消费电子、计算机、汽车电子为主总占61%。根据IC Insights 数据,2019年全球MCU下游应用主要分布在汽车电子、工控/医疗、计算机和消费电子四大领域,分别为33%、25%、23%和11%;而2019 年中国MCU下游需求以消费电子领域为主占比26%,计算机、汽车电子、智能卡和工控领域分别占比19%、16%、15%和11%。

中国市场需求更偏向于消费应用,但随着车规产品不断推出与渗透,汽车电子应用占比有望持续上升;此外随着工业基础设施数字化、智能化的不断深入,工业应用市场对MCU的需求也会上升。此次全球“芯片荒”直接对汽车、3C、工控等领域造成较大冲击。


MCU作为数字信号的处理器件,在信号链环节中具有重要作用

信号链是电子设备实现感知和控制的基础,MCU在信号链中起核心处理作用。一个完整信号链的工作原理为:从传感器探测到真实世界实际信号,如电磁波、声音、图像、温度、光信号等并将这些自然信号转化成模拟的电信号,通过放大器进行放大,然后通过ADC把模拟信号转化为数字信号,经过MCU或CPU或DSP等对数字信号进行处理后,再经由DAC还原为模拟信号。

信号链将真实世界和数字世界进行连接,是电子产品智能化、智慧化的基础。

MCU芯片位数发展历程

按位数分类:8/32位占据主流,其中8位具有低成本、低功耗、易开发等优点,而32位主要应用在较高端场景。MCU位数是指CPU一次处理的数据的宽度,也可理解为参与运算的寄存器的数据长度。位数越大,代表CPU一次处理的数据量越多,运算速度越快,即位数越高的MCU处理能力更强。

通常而言,越高内核处理速度配置的存储器空间更大,相应外设组合也更为丰富。根据CSIA数据,2019年中国MCU产品中32位占据主要份额45%,,8位占比40%。

随人工智能与物联网的兴起,未来MCU设计向高性能、高智能、更低功耗、更安全、更小尺寸和集成无线功能等6大方向发展,将向64位MCU芯片进一步演进

根据电子工程专辑信息,随着AI和IOT的发展与融合,微控制器MCU的设计趋于复杂,头豹分析师认为MCU将逐渐从传统单一功能向计算性能更强、集成更多功能的系统级芯片(SOC)演进,MCU设计方向也将向6个维度转变。

此外,随着先进制程工艺的采用,32位MCU成本逐年降低。32位MCU将持续保持高速增长,将向MCU芯片六大演进方向进一步推进。

受到疫情影响全球电子供应链疲软,此次全球“芯片荒”直接对汽车、3C、工控等领域造成较大冲击。随着疫情好转,下游市场快速复苏,全球MCU市场逐渐恢复稳健成长

全球MCU芯片市场规模达150亿美元,预计未来三年复合增速达8%。据IC Insights数据,2020年MCU市场规模下滑8.6%至150亿美元,其预计MCU市场将在2021年恢复增长,2023年预计规模达到188亿美元,对应2021-2023年复合增速为8.0%。从全球MCU下游应用领域来看,MCU主要应用于汽车电子、工控/医疗、计算机与消费电子四大领域,从2019年IC Insights数据来看,汽车电子是MCU最大市场,占据33%的份额,工控/医疗、计算机领域分别占比25%、23%。

MCU芯片行业两大应用领域——汽车电子

MCU的车内应用场景主要包括五大系统:动力总成系统、底盘安全系统、车身控制系统、电机驱动系统与ADAS (高级辅助驾驶系统)&信息娱乐系统。

其中:1) 动力总成:变速器、发动机套件、汽油/柴油喷射系统等以及电动汽车新增的电池管理系统、电机控制等;2) 底盘安全:安全气囊、主动悬挂控制、制动助力器等一系列维护汽车安全与稳定性的系统;3) 车身控制:包括后视镜、前车灯、车顶部、座椅、车门、车窗等车身控制模块;4) 电机驱动:这部分为电动汽车新增的逆变器与充电模块;5) ADAS&信息娱乐系统:智能汽车新增的功能,包含传感器、摄像头、雷达以及升级的语音娱乐设备等。

随着汽车电动化与智能化趋势演进,汽车电子的自动化程度提高,车内系统与功能的增加带动了ECU数量增长,MCU作为ECU的必备元器件,也将伴随着单车ECU数量的提升迎来快速增长。

从低端切入,并逐步高端产品研发!

中国厂商从中低端车规MCU切入,并考虑研发高算力产品。车规级MCU由于认证周期长、可靠性要求高,是国产替代最难突破的阵地。近年来,不少中国厂商已从与安全性能相关性不大的中低端车规MCU切入,比如雨刷、车窗、遥控器、环境光控制、动态流水灯等车身控制模块,并逐步开始研发未来汽车智能化所需的高端MCU,如智能座舱、ADAS等。目前,行业内推进较为快速的厂商包括华大北斗、兆易创新、比亚迪半导体、杰发科技等。

在汽车应用中,从雨刷、车窗、座椅,到车载娱乐信息系统,几乎都会用到MCU来实现控制,据iSuppli数据,一辆汽车内半导体器件数量中,MCU芯片约占30%。MCU主要作为ECU核心参与汽车各个系统控制之中。而随着汽车智能化水平越来越高,MCU用处和用量还有望进一步提升。

车规MCU国产替代正起步!

车规级MCU要求较高,国产替代仍处于起步阶段:其一,车规级MCU相比消费级和工业级产品性能要求更高;其二,车规级产品认证周期长,需要满足AEC-Q100和ISO/TS 16949标准;其三,全球整车供应链基本固化,生态切入困难。

因此,车规级MCU市场以海外龙头为主,瑞萨电子、NXP、英飞凌、TI以及微芯等头部厂商CR5达到85.6%。当前国产车规级MCU生产商主要包括:比亚迪半导体、杰发科技(四维图新)、芯旺微电子、赛腾微电子等。

汽车电子架构调整,MCU需求随之变革!

随着汽车智能化趋势推进,汽车功能增加与电子架构的集成化推动单车MCU价值量的提升,促使汽车从分布式架构向集成化域架构的转变,将进一步促进车用MCU的需求增长。

新能源汽车普及和无人驾驶技术升级与成熟

新能源汽车的普及和无人驾驶技术的升级与成熟,将催生32位MCU芯片大量需求:无人驾驶技术的发展将快速推进驾驶辅助系统、自适应巡航控制、预碰撞、引擎控制等需求的落地转化,由此将产生较大的32位甚至64位MCU需求。

中国政府大力推动新能源汽车普及,陆续出台《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》、 《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》等涉及购置补贴、生产补贴及技术研发支持相关政策,促使新能源汽车销量持续处于高速增长态势。2020年,中国新能源汽车市场规模达2,231.9亿元,其中纯电动车占比最高,达80%。

MCU芯片行业两大应用领域——物联网

IoT设备需求与MCU相契合,是未来各领域增量的重要来源。IoT实际上并非一种新的设备,而是指通过在传统设备上加入传感器+执行器+通信模组,以持续收集相关设备的数据并进行分析,从而提供增强的服务和运营的产品。

MCU下游领域多样,以AIoT应用场景目前较快的消费物联网和车联网领域为切入口。(1)智能化浪潮在量级上驱动MCU需求提升:从智能家电到新能源汽车,一方面,单设备对MCU的需求量有提高,另一方面对各类智能设备需求量的提高也推动MCU需求增长。(2)性能要求推动MCU单价走高:为满足下游应用性能需求,32位MCU已成为市场主流,未来8位MCU仍将会向32位迁移,推动产品单价走高。(3)国产替代大背景下格局变迁:无论是供应链安全需要还是缺芯带来的机遇,国产替代逻辑已成为目前半导体产业一大主要背景。

智能终端产品更新换代加速

loT设备需求与MCU相契合,是未来各领域增量的重要来源。IoT实际上并非一种新的设备,而是指通过在传统设备上加入传感器+执行器+通信模组,以持续收集相关设备的数据并进行分析,从而提供增强的服务和运营的产品。

多技术、多应用融合及多样化需求,使得智能终端产品更新换代的速度越来越快。到2020年全球物联网连接数量将接近300亿个,物联网市场规模在2020年以前将按照每年 16.9%速度递增,2020年将增至1.7万亿美元。

MCU作为联网设备的关键元件,从2014年起,MCU+传感器结合成为主流物联网方案。物联网设备增多提升对联网能力需求,同时也需要兼顾成本和功耗,由此促使无线MCU解决方案快速进入行业视野。目前而言,除了将传感器和MCU整合到SOC当中,把蓝牙、WiFi等通信技术作为拓展功能整合到产品中也逐步成为一种产品发展趋势。

“智能手环与手表”穿戴式设备高速增长

智能穿戴设备以无线耳机、智能手表与手环为主。针对无线耳机而言,配套耳机充电盒配备1颗MCU芯片,主要用于实现充电盒跟耳机双向通信以及控制电量显示灯等功能。智能手表手环则主要配置低功耗设计MCU,以保证器件续航能力。随着可穿戴设备市场出货量持续增长,预计低功耗MCU需求量将稳步增长。

中国智能穿戴市场规模,自2017年的147.9亿元增长至2020年的430.2亿元,复合增长率达42.7%,智能穿戴设备对于涉及儿童、老人安全,健康监护,定位起到关键性作用,为推动其智能穿戴市场需求扩张的主要因素,预计2025年市场规模将达941.8亿元,复合增长率达17.0%。

智能化+消费升级,智能家居需求迎来爆发

MCU:智能家居产品桥梁,随智能家居渗透有望提升MCU用量,与普通家居相比,智能家居不仅能提供品味高端、舒适安全家庭生活空间,还由原来被动静止结构转变为具有动能的智能工具,提供全方位信息交换功能。因此智能家居概念是对传统家电行业全面升级,其中每一个智能终端、节点、网关都需要MCU进行各模块连接、数据交付,以及实时控制并显示,MCU扮演桥梁纽带角色。

目前,以中国智能家居市场为准,智能安防、智能照明和智能家电为最大应用领域之一,分别占比达21%、16%和14%。

深度见解:全球智能汽车MCU产品需求将迎来爆发式增长

半导体市场需求一般以3~4年为一个枯荣周期。2020年,全球半导体市场进入新一轮上行周期,各类需求均较旺盛,产能供应开始趋紧。2021年,此次汽车“芯荒”主要是由于汽车产业需求与半导体产业周期“错配”所导致的。

2020年年初,汽车产业因疫情影响对市场预期偏低、主动减少半导体订单,使得半导体制造企业将部分产能向消费电子芯片转移,到2020年年底全球汽车市场复苏时,半导体行业难以完成产能切换和恢复产品供应。“此次汽车‘芯荒’,使汽车界认识到车用半导体供应链安全稳定的重要性,为重塑中国车用半导体产业链提供窗口机遇。

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