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1、2022年半导体MCU行业专题报告国产化浪潮持续，国内MCU厂商快速发展1. MCU：基础介绍1.1. 结构：CPU、内存和外围共同构成的芯片级计算机MCU（Microcontro1.IerUnit）,即单片微型计算机，又称微控制器、单片机，通过将CPU、存储、外围功能都整合在单一芯片上，形成具有控制功能的芯片级计算机。对MCU的结构组成而言，MCU主要由CPU（包括运算器、控制器和寄存器组）、存储器（包括ROM和RAM）、输入输出I/O接口、串行口、定时器等构成。1）中央处理器CPU：包括运算器、控制器和寄存器组。CPU（CentraIProcessingUnit）是MCU内部的核心部件，包
2、括运算器、控制器和寄存器组。运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作，控制部件则按照一定时序协调工作，分析并执行指令。2）存储器：主要包括RoM和RAM等。ROM（Read-On1.yMemory）是程序存储器，信息以非破坏方式读取，存储数据掉电后不消失。ROM在MCU中用来存放编写好的程序（由制造厂家编制和写入），MCU则按照事先编制好的程序循序执行。ROM又分为MCU片内存储器和片外扩展存储器两种。RAM（RandomAccessMemory）数据存储器（也叫主存），与CPU直接进行数据交换。在程序运行过程中可以随时写入、读出，速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中程
3、序的临时数据存储介质。RAM存储数据在掉电后不能保持。3）外围功能电路：根据产品需求进行系统软硬件设计，通过I/O接口，与外部电路设备相连接。主要包括P0/P1/P2/P3等数字I/O接口，内部电路含端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器等电路，其中PO为三态双向接口，P1/P2/P3数字I/O端口。MCU中的端口作为数字信号输入或输出口亦具复用功能。1.2. 功能：MCU用于实现信号处理和控制MCU与CPU、MPU、SoC之间的关系可以理解为：CPU是运算控制的核心。MPU可以理解为增强版的CPUoMCU除包含CPU外还包含了RAM或ROM等，是芯片级芯片。SOC是系统级芯片（综合了MCU和MP
4、U的优点，可存放并运行系统级代码）。1) CPU是计算机的运算控制核心，是取址、译码、执行的对象。一般程序是CPU从存储器或高速缓冲存储器中一条一条取出指令，放入指令寄存器，并对指令进行译码，最后执行指令。CPU的构成包括运算器、控制器和寄存器及相应的总线。计算机的可编程性其实就是指对CPU的编程。2) MPU(MicroProcessorUnit),微处理器通常是指增强型CPUo3) MCU：主要用于实现信号处理和控制，是智能控制系统的核心。如前所述，MCU是CPU和RAM、ROM、定时器、I/O引脚集成在一个芯片上，通过直接添加电容、电阻等简单器件就能构成最小系统，从而运行代码。以意法半导
5、体的STM32和ARMCortex-M内核为例，意法半导体等MCU厂商在获得ARM内核使用授权后，通过添加存储器等外围设计，就能搭建出相应的MCU芯片。根据芯海科技招股说明书，通常在信号链中，MCU对ADC转化形成的数字信号进行处理、计算，输出信号经由DAC再次转换为模拟信号实现系统控制。MCU在信号链中起核心处理作用，而信号链是连接真实世界和数字世界的桥梁，是电子产品智能化的基础。4) SoC(SystemonChip),片上系统。MCU只是芯片级的芯片，而SoC是系统级芯片，它集成了MCU和MPU的优点。SoC可以理解为MPU加上其他外设电路，可存放并运行系统级别的代码，运行1.inI1.
6、X等操作系统。1.3. 产品分类标准较多，主要以位数和指令集区分MCU芯片可根据内核、主频、工艺、模拟功能、封装、引脚数、通信接口和存储类型等标准分为诸多种类。其中，目前最为主要的四大分类模式为：用途、位数、指令集内核和存储器架构。1.3. 1.用途：通用型MCU占据主要市场份额从产品应用领域来看，可以划分为通用型MCU和专用型MCU,其中通用型MCU市场份额更高。根据芯知汇数据,2020年国内MCU市场73%的份额为通用微控制器，专用MCU产品市场占比13%o另外，超低功耗MCU占比5%。意法半导体的STM32系列是典型的通用型MCU,拥有多个子系列以及上千款产品，满足用户不同需求。1.3.
7、2. 位数：8位市场地位稳固，32位占比逐渐提升从MCU位数来看，可分成8位、16位、32位等。位数是指MCU每次处理数据的宽度，位数越高，MCU数据处理能力越强。其中，8位MCU成本低、便于开发，性能可以满足大部分场景需要，被广泛应用于消费、工业控制、家电和汽车（比如汽车风扇、雨刷天窗等）等下游领域。由于其良好的产品稳定性及高性价比，8位至今仍占据市场重要地位。而对于32位MCU来说，其运算能力更强，能满足高速处理的需求，多用于解决复杂场景问题（比如汽车智能座舱、车身控制等）。尽管全球市场和国内市场均以32位MCU为主，但份额占比差距较大。根据ICInsights统计，2011-2020年全
8、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，其中2020年32位MCU占比为62%,而4/8位MCU占比为15%o据ICInsights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，2026年预计达到200亿美元。同时，预计4/8位MCU的销售额在未来五年内不会出现显著增长，预计2026年市场规模在24亿美元左右。中国通用型MCU市场基本被8位、32位平分，预计32位产品占比将进一步提升。据芯知汇统计，2020年中国通用型MCU市场中，32位和8位占据市场主流，32位略高于8位MCU产品。其中，32位市场份额54%,8位市场占比43
9、%o随着32位MCU的综合成本逐渐降低，预计未来32位产品的市场份额仍将不断提高。1.3.3. 指令集架构：RISC类MCU市场份额76%MCU的另一主流分类标准为指令系统，即CISC（复杂指令集）或RISC（精简指令集）。根据芯知汇统计，CISC和RISC指令集MCU市场占比分别约为24%和76%,其中RISC指令集产品市场份额占比较高。CISC（复杂指令集，CompIexInstructionSetCo叩Irting）,其指令格式和指令大小均不固定，指令按照顺序串行执行。CISC每条指令按照规范设计为最合适的格式和大小，各条指令按顺序串行执行、每条指令中的各个操作也按顺序串行执行，因此每条
10、指令执行的时间也不一致。顺序执行的优点是控制简单、能力强，但复杂度较高，计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。CISC以Inte1.x86为代表，主要用于笔记本、台式机。RISC（精简指令集，ReducedInstructionSetComputer）,其指令长度固定，采用多级指令流水线结构。所谓精简，即指令集长度一致，指令数不超过128条、寻址方式不超过4种、指令格式不超过4种。所谓流水线结构，即以流水线的模式将处理过程划分为离散的多个周期，每个周期执行一条指令，执行部分并行处理。RISC优点在于保持成本较低的同时能很好地提高速度，但同时编译后指令长度较长、需要较大内存。MCU主要的ARM、
11、PowerPC.MIPS、R1.SC-V等程序架构均属于RISC指令集。1）ARM内核：是英国Acorn公司设计的低功耗、低成本的第一款RISC微处理器。ARM生态建设比较完善，促使主要厂商纷纷迁移到32位MCU产品开发，成为目前主流架构。全球前十大MCU厂商32位产品均有导入ARM架构。ARMCortex包括三大类，分别为A系列、R系列和M系列。在不同应用领域具体内核不同，A系列主打算力，比如手机、服务器等；R系列主要用于实时系统（比如汽车底盘和控制系统）；最早集成到芯片级的是Cortex-M系列，主要面向各类嵌入式MCUo2）MIPS:即无内部互锁流水级的微处理器，其原理是尽可能利用软件手
12、段避免流水线中的数据问题。MIPS是最早一批实现商业化的RISC架构之一，被广泛应用于RISCCPU,例如Sony和Nintendo的游戏机、Cisco路由器和SGI超级计算机等。3）PowerPC:具有较好的嵌入式表现。PowerPC是1991年由App1.e、IBM、MotOrO1.a组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。性能优异、能量损耗低，基于PowerPC的处理器嵌入式表现十分出色。4）RISC-V:是基于精简指令集的的开源指令集架构。RISC-V最大的特点就是开源，RISC-V指令集可以自由地被应用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。从市场份额看，ARM
13、架构为当前MCU主流。根据芯知汇数据，ARMCortex-M内核产品合计占比过半，达到52%,是市场主流，被广泛应用于手机、平板等智能移动终端；同时，随着汽车智能化发展，ARM架构的MCU芯片也被应用于汽车中控娱乐中，市场潜在空间进一步打开。（）1.3.4.存储器结构：冯诺依曼结构和哈佛结构根据存储器结构中程序指令和数据是否位于相同的地址，可将MCU分为冯诺依曼结构和哈佛结构。其中，MCU中大部分都是哈佛结构（指令存储在F1.ash中，而数据存储在RAM中），包括51单片机、典型的STM32单片机等。1.4.50年历程，未来向六大方向发展MCU出现已经有50年历史，产品性能不断升级。自1971
14、年美国Inte1.公司首先推出4位微处理器以来，其发展历程大致可分为5个阶段。1）1971-1976年：MCU发展的初级阶段。1971年11月，Inte1.推出第一台MCS-4MCU,即Inte1.4004,是集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器，同时配有RAM、ROM和移位寄存器。在随后的几年里，其他公司开始相继推出8位的MCU产品。2) 1976-1980年：低性能单片机阶段。这一阶段的MCU沿用了Inte1.MCS-48系列，将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一颗芯片上，功能可满足一般工控需要。3) 1980-1983年：高性能8位MCU,存
15、储容量逐步加大。这一阶段推出的高性能8位MCU普遍带有串行口、多个16位定时器/计数器以及多级中断处理系统等。此外,片内RAM、ROM的容量也在逐步加大。4) 1983-80年代末：16位MCU阶段，芯片集成度提升。1983年Inte1.推出了高性能16位MCUMCS-96系列，芯片集成度高达12万只晶体管/片。不过16位的MCU尽管制造工艺、芯片集成度升级，但由于性能不如后来的32位MCU、性价比不及8位微控制器，当前16位MCU的市场空间相对有限。5) 1990年代至今：全方位、高水平不断迭代更新。随着A1.和IoT的发展与融合，MCU的设计也更加复杂。智能化(AI):在MCU中加入A1.
16、加速器正在变得越来越主流。在需要A1.算力的应用场景，使用专用A1.加速器能够显著提升处理器的综合性能。2020年10月，Arm发布了Ethos-U65microNPU神经处理单元，此后NXP选择该内核作为Cortex-M系统。同时，更智能的开发生态，也能缩短产品上市时间。高性能（Performance）:性能提升既包括内核ArmCortex-M系列性能的提升，也包括MCU芯片制造工艺的不断升级。以ST高性能MCU为例，STM32F4是基于ARMCorte-M33内核，具有200MHz主频，且采用更为先进的40nm制造工艺。低功耗（PoWer）:MCU总功耗受工作模式电流、睡眠模式电流和工作模式持续时间的影响。可穿戴设备、消费电子以及采用电池供电的物联网设备，对MCU等器件功耗的要求愈来愈高。32位MCU一般主频更高、工作电流相应更大、处理速度更快，可以通过更快地完成处理任务和更快地进入睡眠模式来节省电量。STM32U
