一度出現(xiàn)的缺芯潮令許多非專業(yè)人士也熟悉了微控制器（MCU）這個(gè)專業(yè)名詞。近來MCU市場(chǎng)再次暗潮涌動(dòng)，國際MCU大廠紛紛推出基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的低成本MCU，旨在替代8位MCU。以32位MCU替代8位MCU是領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)長期話題，此番重新被炒熱，反映出MCU行業(yè)的何種動(dòng)向？


01
8位MCU歷久不衰的秘訣何在？

一個(gè)產(chǎn)品是MCU還是MPU（Micro Processor Unit），簡單來說就是看它是否可以在沒有外部存儲(chǔ)器或其他外圍電路的情況下運(yùn)行，而MCU除了CPU內(nèi)核本身之外，一般都是SRAM（用于程序操作/數(shù)據(jù)存儲(chǔ)）和閃存（大多數(shù)用于程序存儲(chǔ)，但有時(shí)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)），外圍電路。它配備了時(shí)鐘，外圍I / O，甚至PMIC，只要外部提供電源，它將自行運(yùn)行。MPU基本上具有外部存儲(chǔ)器，并將其用作程序存儲(chǔ)區(qū)域。

但是，有了這個(gè)定義，例如，ScratchPad區(qū)域中的SRAM呢（這很麻煩，因?yàn)橛袝r(shí)有些東西可以在這里放置代碼），或者Xeon MAX MCU是否具有64GB HBM2e封裝并且在沒有外部DRAM的情況下運(yùn)行？

另一個(gè)定義是MMU（內(nèi)存管理單元）在MPU上運(yùn)行，而MPU（內(nèi)存保護(hù)單元）運(yùn)行或（盡管現(xiàn)在數(shù)量不多）還有一個(gè)分類，即MCU首先沒有內(nèi)存管理單元。簡而言之，它是虛擬內(nèi)存是否有效。

適用于特定應(yīng)用程序的控制處理，以及各種控制電路不可缺少的組成部分。隨著智能家居、電動(dòng)汽車、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展， MCU芯片已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)IC Insights 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年MCU銷量超過290億個(gè)，市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到185億美元。并預(yù)計(jì)從2021年到2026年，MCU總銷售額預(yù)計(jì)將以6.7%的復(fù)合年增長率增長，2026年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到272億美元，市場(chǎng)空間廣闊。

根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，MCU可以被劃分為4位、8位、16位、32位以及64位微處理器，數(shù)據(jù)處理能力越來越強(qiáng)，應(yīng)用場(chǎng)景變得更加復(fù)雜。目前，雖然市場(chǎng)更青睞32位MCU，但8位MCU仍占據(jù)著巨大的市場(chǎng)。市場(chǎng)上許多小型家電和電子產(chǎn)品仍使用8位MCU芯片，8位MCU應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在電動(dòng)玩具、鍵盤和USB設(shè)備上。

回顧MCU產(chǎn)業(yè)歷程，1976年，8位MCU第一次面世，隨后很快便進(jìn)入了黃金時(shí)代，成為電子行業(yè)廣為應(yīng)用的器件。但是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的新設(shè)計(jì)問世，8位MCU開始逐漸無法滿足人們的需求。

之后，16位，32位MCU的出現(xiàn)給8位MCU帶來了較大威脅，不少廠商開始放棄8位MCU，轉(zhuǎn)身投入超低功耗32位MCU的研究。

20世紀(jì)90年代，隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，32位MCU出現(xiàn)迅速取代16位MCU的高端地位，并且進(jìn)入主流市場(chǎng)并發(fā)展到現(xiàn)在。與此同時(shí)，技術(shù)演進(jìn)下，傳統(tǒng)的8位MCU的性能也得到了飛速提高，處理能力比起70年代提高了數(shù)百倍不止。只有16位MCU，在面對(duì)8位和32位MCU的“雙向夾擊”下，不論在規(guī)格、功能和優(yōu)勢(shì)等方面都受到擠壓，市場(chǎng)份額逐步不受歡迎。

以當(dāng)前的主流應(yīng)用來看，4位與16位MCU幾乎消失，基本由8位與32位MCU瓜分整個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)。64位MCU市場(chǎng)還在萌芽階段，大部分應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、及高級(jí)終端機(jī)等領(lǐng)域。

回顧多年前，由于價(jià)格下降加上性能提升，使得32位MCU開始受到市場(chǎng)關(guān)注。這些優(yōu)異的性能，加上更低的功耗，兩相結(jié)合使得32位MCU產(chǎn)生一種不可抗拒的吸引力，在許多傳統(tǒng)看不到32位的產(chǎn)品上，現(xiàn)在都紛紛可見到32位MCU的身影。

在32位 MCU價(jià)格一直下探的趨勢(shì)下，為何8位MCU還有市場(chǎng)，可以經(jīng)過幾十年仍歷久不衰？

隨著技術(shù)成本日益降低，越來越多的系統(tǒng)將利用各種技術(shù)來制造速度更快、性能更強(qiáng)和易用性更高的產(chǎn)品。例如以前的全模擬應(yīng)用正在逐漸向“智能”系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，這一趨勢(shì)促使對(duì)各種MCU的需求不斷增加。

Microchip MCU業(yè)務(wù)部醫(yī)療產(chǎn)品高級(jí)經(jīng)理表示，“最近一段時(shí)間，我們發(fā)現(xiàn)有一些生產(chǎn)32位MCU器件的競爭企業(yè)取消了其產(chǎn)品組合中存儲(chǔ)器較小且引腳數(shù)量較少的產(chǎn)品，這將導(dǎo)致該領(lǐng)域?qū)?位MCU的需求增加。此外，我們的MCU經(jīng)常與32位MCU一起出現(xiàn)在許多系統(tǒng)中。在某些領(lǐng)域中，8位MCU更適合現(xiàn)有任務(wù)?！?/span>

Microchip也多次強(qiáng)調(diào)了公司在8位MCU方面的持續(xù)創(chuàng)新。例如，Microchip一直在通過添加智能外設(shè)來重振8位MCU，這些外設(shè)既可以減輕主處理器的負(fù)擔(dān)，又可以使用高能效的睡眠模式，同時(shí)仍然保持對(duì)其系統(tǒng)的監(jiān)視，以便對(duì)事件進(jìn)行快速可靠的響應(yīng)。

之所以這樣做，是因?yàn)樗麄兛吹绞袌?chǎng)在持續(xù)增長，特別是獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)和智能模擬的普及，也推動(dòng)了這一增長趨勢(shì)。

其實(shí)早在2019年，憑借STM32產(chǎn)品在MCU市場(chǎng)贏得口碑的意法半導(dǎo)體，就啟動(dòng)了公司STM8產(chǎn)品戰(zhàn)略。意法半導(dǎo)體微控制器產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Patrice Hamard解釋了現(xiàn)在很多工程師還喜歡選擇8位MCU的三個(gè)原因：

（1）很多工程師已經(jīng)習(xí)慣了使用8位MCU做開發(fā)，所以在選擇的時(shí)候8位自然是首選；

（2）出于成本的考慮，電子產(chǎn)品尤其是消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)價(jià)格是十分敏感的，即使現(xiàn)在的32位MCU已經(jīng)很便宜了，但8位單片機(jī)仍然具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)；

（3）對(duì)于很多簡單的應(yīng)用，8位MCU已經(jīng)足夠了，完全沒必要選擇32位，適合的產(chǎn)品才是最佳的選擇。所以意法半導(dǎo)體依然十分重視8位MCU市場(chǎng)。

此外，8位MCU特色還在于架構(gòu)簡單。相較之下，處理效能更加優(yōu)異的32位MCU，卻同時(shí)也背負(fù)著架構(gòu)復(fù)雜的原罪。在許多嵌入式設(shè)計(jì)上，8位MCU比32位擁有更易設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，依循8位架構(gòu)的軟件和硬件比起32位將更為簡易。

除了傳統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)外，8位MCU在系統(tǒng)管理 IC和協(xié)處理器中的作用越來越大。這在很大程度上是由于分布式智能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備、汽車安全、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療電子和家用電子等應(yīng)用領(lǐng)域的急劇增長所推動(dòng)的。即使是最先進(jìn)的 5G系統(tǒng)，通常也可以受益于將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移到更小的8位MCU上，從而將更高級(jí)別的處理器釋放出來，做自己最擅長的事情。

從當(dāng)前應(yīng)用情況來看，很多8位MCU處理器的增長是由32位處理器驅(qū)動(dòng)的，32位處理器將諸如人機(jī)界面 (HMI)功能傳遞給了8位處理器。此外，8位MCU作為協(xié)同處理器的使用越來越多，可以執(zhí)行諸如讀取傳感器讀數(shù)和在將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給更高級(jí)別處理器之前對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理等任務(wù)。

還有一些事情表明8位MCU設(shè)計(jì)處于增長模式而非下降模式。那就是8位MCU在物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中占有一席之地。

可以看到，8位MCU遠(yuǎn)未過時(shí)。不僅是8位MCU這塊蛋糕的規(guī)模在增長，而且面對(duì)新技術(shù)還出現(xiàn)了各種各樣的新應(yīng)用，開辟了新的利基市場(chǎng)，它們可以在競爭中茁壯成長。

許多大型半導(dǎo)體制造商繼續(xù)支持8位MCU的生產(chǎn)，包括Microchip、NXP、瑞薩電子、意法半導(dǎo)體、Silicon Labs以及國內(nèi)眾多MCU行業(yè)廠商，能夠提供市場(chǎng)大量的8位MCU選擇。

從2020年MCU市場(chǎng)占比來看，32位MCU占了55%，8位MCU市占率仍有43%，可見32/8位MCU并非單選題，而是要視應(yīng)用場(chǎng)景而定。


02
大廠激戰(zhàn)8位MCU市場(chǎng)

從當(dāng)前市場(chǎng)情況來看，4位與16位MCU的應(yīng)用案例越來越少，市場(chǎng)上活躍的主要是8位與32位MCU。在過去以機(jī)械控制與簡單指令為主的年代里，8位MCU有過輝煌時(shí)光，曾廣泛應(yīng)用于遙控器、電源開關(guān)、鍵盤鼠標(biāo)，以及馬達(dá)、工具機(jī)等設(shè)備之中，目前依然堅(jiān)守著一片固有市場(chǎng)。但是隨著電子產(chǎn)品走向智能化、網(wǎng)絡(luò)化，網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、邊緣智能等高階需求促使新設(shè)備向32位MUC靠攏，32位MCU已經(jīng)成為主流，并不斷向下蠶食8位市場(chǎng)。

值得注意的是，近來國際MCU大廠加快了替代8位MCU的步伐。意法半導(dǎo)體近日推出基于ARM Cortex-M0+的STM32C0系列產(chǎn)品。Cortex-M0+是ARM推出面向低成本設(shè)備市場(chǎng)的芯片內(nèi)核。意法半導(dǎo)體中國區(qū)微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部總監(jiān)曹錦東表示，STM32C0是意法半導(dǎo)體非常實(shí)惠的32位MCU產(chǎn)品，大大降低了32位功能的使用門檻，縮短了8位或16位MCU與更高性能32位MCU之間的差距。

德州儀器也在近日帶來了基于ARM Cortex-M0+的MSPM0系列產(chǎn)品。德州儀器相關(guān)人員表示，這次推出的MCU新品為客戶提供了增強(qiáng)系統(tǒng)傳感和控制功能所需的靈活性，同時(shí)降低了成本、復(fù)雜性，并縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間。而在首次推出數(shù)十款產(chǎn)品以外，德州儀器計(jì)劃在今年推出100多款MCU，力圖將MSPM0產(chǎn)品系列打造為品類齊全的ARM Cortex-M0+ MCU產(chǎn)品組合。

對(duì)此，芯謀研究高級(jí)分析師張彬磊認(rèn)為，這些MCU大廠一直都有基于M0/M0+的32位產(chǎn)品。此番加速產(chǎn)品推出很正常，是他們強(qiáng)化低端市場(chǎng)的一個(gè)策略。中科芯蕊總經(jīng)理胡曉宇也表示，大家再次關(guān)注8位市場(chǎng)是因?yàn)槟壳靶袠I(yè)內(nèi)比較卷，市場(chǎng)不太好做。從去年開始，整個(gè)消費(fèi)類市場(chǎng)的訂單萎縮得非常嚴(yán)重。對(duì)于那些以32位MCU為主的大廠來說，至少8位的訂單是存在的。

8位MCU廠商對(duì)于這樣的舉措自然也并非全無反應(yīng)。依然保有較強(qiáng)8位產(chǎn)品線的MCU大廠微芯，日前宣布一項(xiàng)新的晶圓廠制造計(jì)劃，耗資8億美元將其位于美國俄勒岡州的格雷舍姆制造工廠產(chǎn)能提高兩倍。不難想見，微芯的這次擴(kuò)產(chǎn)行動(dòng)中亦將包含8位MCU的產(chǎn)能擴(kuò)充，進(jìn)一步顯示了其對(duì)8位MCU市場(chǎng)的信心。

有關(guān)8位MCU市場(chǎng)的競爭再次變得激烈起來。


03
成本是8位MCU當(dāng)前最大優(yōu)勢(shì)

面對(duì)32位MCU的“侵襲”，8位MCU有何優(yōu)勢(shì)？未來市場(chǎng)將會(huì)如何發(fā)展？對(duì)此，胡曉宇認(rèn)為，8位MCU最大的優(yōu)勢(shì)在于成本。8位MCU的發(fā)展可以上溯到20世紀(jì)70年代，以8051架構(gòu)為基礎(chǔ)的8位MCU得到廣泛應(yīng)用。發(fā)展至今，很多廠商又對(duì)8051內(nèi)核進(jìn)行了一系列精簡，以應(yīng)對(duì)不同應(yīng)用需求。這就使得此類芯片產(chǎn)品表現(xiàn)出極強(qiáng)的成本優(yōu)勢(shì)。

據(jù)了解，目前市場(chǎng)上的一顆8位MCU，售價(jià)還不到1元，廠商依然能夠保持不錯(cuò)的毛利率。這對(duì)32位MCU來說，具有非常大的挑戰(zhàn)性。即使廠商能把價(jià)格壓到1元以下，毛利也會(huì)變得非?？蓱z。張彬磊也認(rèn)為，8位MCU短期之內(nèi)仍不會(huì)被32位所取代。相對(duì)8位MCU，32位還沒有表現(xiàn)出足夠的性價(jià)比。據(jù)ICInsights統(tǒng)計(jì)，2011—2020年全球MCU產(chǎn)品中，4/8位MCU占比為15%。到2026年，全球4/8位MCU依然有24億美元的規(guī)模。

值得注意的是，即使8位MCU依舊會(huì)存留相當(dāng)長的一段時(shí)間，但隨著邊緣領(lǐng)域智能化的發(fā)展，被32位替代依然是大勢(shì)所趨，特別是當(dāng)8位MCU的成本優(yōu)勢(shì)不再明顯或者用戶對(duì)智能化的需求蓋過成本的時(shí)候。胡曉宇指出，現(xiàn)在32位MCU采用的工藝制程越來越先進(jìn)，很多新產(chǎn)品已經(jīng)開始采用了40納米甚至是28納米工藝。這比8位MCU已經(jīng)先進(jìn)太多。8位MCU表現(xiàn)出來的功耗優(yōu)勢(shì)在制程紅利面前已基本不存在。如果價(jià)格優(yōu)勢(shì)再失去，就會(huì)被32位所替代。

“現(xiàn)在M0內(nèi)核產(chǎn)品的價(jià)格已經(jīng)比較低了，但是M0內(nèi)核還是有授權(quán)費(fèi)用的，所以32位的性價(jià)比暫時(shí)還是不能超過8位和16位。但當(dāng)M0位內(nèi)核免費(fèi)或者是針對(duì)一些特殊市場(chǎng)免費(fèi)以后，那么它是可以和8位、16位競爭性價(jià)比的。它的晶圓面積更大，工藝節(jié)點(diǎn)也更小?！睆埍蚶谡J(rèn)為。


04
做好向32位MCU轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)備

在過去十多年的發(fā)展中，我國本土MCU企業(yè)取得了長足進(jìn)步，尤其是2021年的芯片短缺令本土MCU廠商獲得了一次難得的發(fā)展機(jī)遇?！斑@些年有越來越多的本土廠商投入MCU市場(chǎng)的開發(fā)，且這些企業(yè)多以32位為主?！焙鷷杂钪赋觥５矐?yīng)該注意到，行業(yè)內(nèi)依然存在不少固守8位市場(chǎng)的本土企業(yè)。當(dāng)前情況下，這些企業(yè)應(yīng)當(dāng)做好向32位轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)備。

“國內(nèi)MCU廠商現(xiàn)在確實(shí)是要把8位和16位盡快轉(zhuǎn)向32位，8位在短期內(nèi)是具有一些性價(jià)比優(yōu)勢(shì)的，但是在性能方面已經(jīng)相對(duì)落后了。32位產(chǎn)品一旦把價(jià)格打下來，你的8位還沒有來得及轉(zhuǎn)型，很可能就再?zèng)]有轉(zhuǎn)型的機(jī)會(huì)了。其實(shí)去年MCU市場(chǎng)轉(zhuǎn)冷之后，受沖擊最大的就是8位和16位產(chǎn)品。”張彬磊強(qiáng)調(diào)。

航順芯片資深FAE產(chǎn)品經(jīng)理陳水平則從另一個(gè)角度提出建議，目前中國本土的MCU公司越來越多，這也說明國內(nèi)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)行業(yè)的氛圍也越來越好，許多以前做8位MCU的企業(yè)現(xiàn)在開始轉(zhuǎn)向32位MCU。但是在轉(zhuǎn)向過程中，本土廠商開發(fā)的產(chǎn)品大部分依然集中于中低端市場(chǎng)，因此下一步最迫切的任務(wù)是向更高端的市場(chǎng)空間拓展。這就要求本土企業(yè)投入更多人才、設(shè)備、資金，同時(shí)處理好上游晶圓、制程工藝等問題。這一任務(wù)的達(dá)成是由多重因素決定的，需要企業(yè)投入大量的精力。