众所周知,半导体行业正在经历下行周期。多家机构均下调了对明年半导体市场的预期。世界半导体贸易统计协会发布预测称,2023年半导体市场规模将从此前预计的同比增长4.6%转为同比减少4.1%至5565亿美元,这将是2019年后该半导体行业首次出现回落。Gartner发布的报告预计,2023年半导体行业收入将下降3.6%,从2022年的6180亿美元降至5960亿美元,低于早先预测的6230亿美元。IC Insights的报告认为,全球半导体需求将在2023年出现周期性下滑,全年总销量预计将减少5%。
这样的市场下,存储、CPU、GPU等产品都已经受到影响,MCU也难以独善其身,一些入门级和中端MCU的价格已降至2019年的水平。消息人士称,去库存成为了MCU供应商和渠道运营商面对的关键问题,异常的库存水平可能会持续到2023年第二和第三季度。这意味着消费类MCU的价格竞争在2023年也将继续激烈,因为MCU供应商可能会大幅削减报价,以进一步巩固其在市场特别是国内市场上的份额。
为了抵御消费类MCU持续库存调整的影响,许多MCU公司都打算将越来越多的重点放在开发中高端32位产品上。
汽车电子推动32位MCU市场
根据IC Insights统计,2011-2020年全球MCU产品中,32位MCU产品市场占有率稳步上升,4/8位MCU产品占比呈下降趋势。2020年32位MCU占比为62%,而4/8位MCU占比为15%。据IC Insights预测,未来五年32位MCU的销售额将以9.4%的复合年增长率增长。
MCU的应用市场主要为车用电子、工控、消费电子、医疗健康,占比分别为35%、24%、18%和14%。行业普遍认可汽车行业将成为MCU产品成长的重要推动力。一辆传统汽车大约需要70个MCU,而智能汽车至少需要300个MCU。中国台湾的MCU公司新唐一直保持着较高的32位MCU产品比重,盛群半导体、凌通科技和伟诠电子也加紧了32位产品的开发。大多数制造商都在扩大了用于汽车和工业控制应用的产品范围。数据显示,2026年全球汽车应用MCU市场规模将达到100亿美元。
车用MCU主要有8位、16位和32位等各类型产品;其中8位MCU主要用在汽车风扇、雨刷、天窗、车窗、座椅等低端阶功能控制。32位MCU工作频率大多在100-350MHz之间,处理能力和执行效能比8/16位更好,其应用也更为宽泛。32位MCU主要用于整车控制、智能仪表、多媒体信息系统、动力系统、辅助驾驶等高端功能控制。随着汽车正在朝着电气化、智能化方向发展,尤其是电动汽车的车身车载模块,对宽电源域MCU的需求越来越大,这将驱动汽车未来对32位MCU的需求大幅增长。
目前车用MCU主要采用90纳米节点制造,随着汽车智能化程度增加,汽车芯片正在推进制造工艺升级,40纳米技术可能会在五年内取代90纳米成为主流工艺节点。麦肯锡报告预计,到2030年,90纳米及以上工艺制造的车用芯片需求占比仍将达到67%,但未来5年该类芯片的供应量年复合增长率仅为5%,成熟工艺车用芯片将供应紧张多年。90纳米工艺产能不足,促使车用芯片厂商纷纷向65/55纳米节点迁移,有的甚至直接推进到40纳米。采用40纳米工艺制造的新芯片至少需要五年时间才能通过验证,完成验证后,汽车芯片的主流制造工艺才会从90纳米迁移到40纳米,因此新的5-7年后,工艺升级热潮也会拉开序幕。
增长的需求和新工艺的升级为市场带来的新的可能性,32位MCU市场正迎来一场变革。
相比8位MCU,32位MCU特点和优势突出
运算效能大幅提升,可以支持高速的外设,以前需要用DSP、MPU等芯片完成的事情,目前在32位MCU上面可以快速实现,无疑是32位MCU的一大优势。尤其对ARM内核为基础的32位MCU而言,32位MCU的普及率相当高,生态成熟稳定,开发工具使用方便、友好。
同时32位MCU功能更强及性能更好。扫地机器人应用中, 简单平价功能的可用8位MCU, 而含激光扫描复杂功能, 显然32位MCU执行及运算速度更快, 程序及记忆体更大, 适合用在更高档的产品上。
32位MCU在其他复杂应用中也具有一定的突出表现。以处理运行速度为例,典型的8位MCU通常以8 MHz运行,而32位MCU的时脉频率则可达数百MHz,当应用的系统运行的是需要大量数据处理的应用程序时,这些速度上的差异就会变得明显;此外32位MCU的低功耗、高集成度也有明显的优势,在执行复杂任务时,片上集成的UART、LCD控制器、定时器、ADC、加密等将发挥关键作用。往后嵌入式应用的要求会越来越高,考虑到电子技术向智能化发展的趋势,32位MCU将拥有更多的可能性。
总体来说,相比8位MCU,运算速度快,资源丰富,集成度更高,开发环境更完善是32位MCU最突出的特点和优势。未来随着目前工艺的提升,32位MCU成本也逐渐下降,将更加快32位MCU逐步替代8位MCU的步伐,同时随着智能化普及,多数8位MCU不能满足市场需求,而32位MCU将会是未来趋势。
应用领域广泛,市场前景可观
随着产品功能的增加及升级, 32位MCU不仅需要更快的速度或更精准的电压电流或温度、环境侦测, 而且还要更低功耗。以特性拆分, 32位MCU可分为基本通用系列, 高效系列( High Performance), 低功耗系列以及无线传输系列。
目前国产MCU行业集中度很高,在汽车电子、工控医疗等高端领域,基本处于寡头市场,排名靠前的企业占据了超过80%的市场,但在MCU供不应求的当下,终端厂商也在寻求替代产品,国产MCU企业目前迎来一个发展窗口期;与此同时,大陆的MCU厂商在中低端市场具备较强的竞争力,有较多的终端制造商,会更有意向寻找国内的MCU厂商合作,以应对芯片涨价现状。
另外,医疗电子、指纹门锁、物联网、工业及电机、汽车后装及配件、仪器仪表、传感器、智能家居等领域也是厦门澎湃微电子有限公司(简称:澎湃微电子)目前32位MCU的主要应用。据介绍,在医疗电子及指纹门锁等市场,相关产品均已经大批量出货;在电机领域,尤其是电动工具等细分行业,近年来也取得不错的成绩;在新能源领域,包括电动汽车充电桩市场也已经大批量出货中;在物联网等超低功耗领域,尤其在表类等市场,也取得终端客户的认可。澎湃微电子市场总监雷江峰表示,随着智能制程2025及物联网时代的到来,这些市场均会持续增长且后力强劲,澎湃微电子会持续加大迭代产品的投入,完成从紧密跟随到引领市场的转变。
国民技术发展迅速,大陆初具实力
从料号数量和ARM内核来看,海内外还存在差距,但大陆已明显具备实力。目前海内外的大趋势都是从自研内核转为外购ARM内核,而外购内核中ARM Cortex M系列占据主流地位。
最初大部分MCU厂商多是自研内核,随着计算要求越来越高,内核厂商开始出现,分工进一步细化,MCU厂商开始使用外购内核,并将主要精力投入到其他产品的研发。
外购内核占据主流的ARM Cortex M系列是由ARM开发的,并且采用IP授权形式,相比于ARM公司的其他系列产品,如Cortex-A系列、Cortex-R系列以及Cortex-M系列,Cortex-M系列具有短流水线、超低功耗的设计特点,专门面向MCU及深度嵌入系统市场。Cortex-M系列的特点是短流水线、超低功耗,专门面向MCU及深度嵌入系统市场。
高端产品领域,海内外还存在差距,大陆厂商仍有较大进步空间,大陆厂商中兆易创新可谓龙头,技术最为领先,属于第一梯队,其次国民技术发展势头较猛。
料号数量上,海外厂商中除微芯、德州仪器32位产品略微少一些(300-500种),其他海外厂商均有上千颗料号;大陆厂商中目前领先的有兆易创新(370+颗)、华大半导体(100+颗)、国民技术(80+颗)。
如何拿下32位MCU市场?
目前,全球的MCU市场仍由海外巨头主导,面对已经有相当积累的MCU巨头,单纯靠价格优势不是办法,因此国内的MCU公司们也将目光对准了RISC-V。RISC-V架构具有低功耗、低成本、开源开放、可模块化、简洁、面积小和速度快等优点,国内厂商已经推出了一部分RISC-V内核的产品。
兆易创新发布了其首款基于RISC-V的32位通用MCUGD32VF103,并宣布未来将坚持Arm和RISC-V两种架构并行;核芯互联凭借着“高性能模拟、自研RISC-V架构、芯片敏捷设计方法”三大护城河在业内崭露头角;爱普特微电子全线产品均基于RISC-V架构内核研发,其2021年发布的新品APT32F1023已累计出货超一亿颗,同时爱普特与阿里平头哥达成深度合作,双方计划未来一年推出六大RISC-V芯片系列产品,主要面向的领域包括车载领域;中微半导体的ANT32RV56xx也是集成RISC-V内核的32位MCU,该系列芯片集成模拟外设并简化设计;航顺电子针对AIoT已推出一款M3+RISC-V双核MCU,并会相继的推出RISC-V内核、M4+RISC-V多核以及M33+RISC-V多核异构的产品。
除了打造产品的差异化,产业的其他环节也都“时刻准备着”。在设计人才方面,作为国家培养国内人才措施的一部分,半导体相关专业的大学生开始学习设计和开发32位MCU原型,这一发展展现了国内半导体产学研融合的趋势。在芯片制造方面,国内代工厂也已经实现14纳米的量产。从下游市场来看,中国作为新能源汽车最大的市场,对MCU产品的需求是旺盛的。
此外,从整个大环境来看,市场也对MCU厂商有利。防疫管控放开将对行业需求产生影响,业内人士普遍表示预计消费电子会率先受益。消费电子有希望从谷底反弹,带动半导体整体需求的回暖,客户和渠道积累的存货将有机会释放,预计到明年上半年库存会达到比较正常的水平。对于国内MCU公司来说,未来是光明的。