國內(nèi)32位MCU產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢及技術(shù)壁壘分析

摘要：MCU是一種廣泛使用的集成電路器件，它集成了CPU、片上存儲器、輸入輸出接口、以及信號采集、控制等電路。隨著應(yīng)用設(shè)計需要的資源越來越多，32位MCU將逐步取代8／16位MCU，占據(jù)主要市場。本文詳細(xì)論述了國內(nèi)32位MCU產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，同時，針對國內(nèi)本產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，指出該產(chǎn)業(yè)的技術(shù)壁壘，并提出相應(yīng)的攻克路徑，以推動國內(nèi)32位MCU產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：MCU；發(fā)展趨勢；技術(shù)壁壘

0 引言
    中國是全球最大的家電、電子產(chǎn)品整機(jī)生產(chǎn)國，也是MCU的最大應(yīng)用國，每年的MCU消耗量在20億美元以上。在20億美元的國內(nèi)MCU市場中，雖然8／16位單片機(jī)仍占有主要市場份額，但近年來32位MCU已有了飛速的發(fā)展，市場份額也有了穩(wěn)步的提高。32位MCU的特點是：低成本、低功耗和高性能等，可以替代目前工業(yè)市場和消費電子市場中一些16位MCU。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
    MCU集成了CPU、片上存儲器、輸入輸出接口、以及信號采集、控制等電路，廣泛應(yīng)用于制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、醫(yī)療電子和消費類產(chǎn)品等領(lǐng)域，是最關(guān)鍵的嵌入式系統(tǒng)處理芯片。
    就MCU產(chǎn)品來說，國際大型半導(dǎo)體公司，如Renesas、NEC、FreeScale、NXP、ST、Ti等，依靠其高品牌聲譽(yù)、技術(shù)實力、完善的銷售網(wǎng)絡(luò)，仍然占據(jù)主要市場。同時，隨著應(yīng)用設(shè)計需要的資源越來越多，32位MCU市場正受到市場追捧。眾多知名半導(dǎo)體廠商，紛紛將32位MCU視作策略性產(chǎn)品加以發(fā)展。國產(chǎn)的MCU雖已有相當(dāng)發(fā)展，如海爾集成電路、中穎電子、深圳中微等企業(yè)已經(jīng)有相當(dāng)多的8位MCU產(chǎn)品應(yīng)用，但大多集中在中低檔次的8位MCU領(lǐng)域。對于32位MCU，目前在內(nèi)地基本還沒有本土芯片提供商。

2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析
    隨著人們需求的發(fā)展和科技的進(jìn)步，綠色、節(jié)能、智能化是家電發(fā)展的三大趨勢，尤其是節(jié)能與智能化，這跟MCU有著密切的聯(lián)系。通過實地調(diào)研，結(jié)合當(dāng)前國際國內(nèi)發(fā)展情況，MCU面臨著以下幾大發(fā)展趨勢。
    (1)高性能，低價格。物聯(lián)網(wǎng)、智能家電等應(yīng)用，要求MCU不再僅僅是一些簡單的開環(huán)、開關(guān)控制，而需要處理更復(fù)雜的物理傳感信號，具有更加細(xì)膩、智能的控制策略，如TCP／IP等的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、無線網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜路由控制以及多線程問題等；同時，豐富的人機(jī)界面要求處理器也具有更高的處理性能、分辨率更高的LCD顯示器、細(xì)膩的觸摸屏等輸入設(shè)備，要求嵌入式系統(tǒng)具有強(qiáng)大的GUI系統(tǒng)的支持。為滿足以上要求需要處理器具有更高性能。相對DSP、FPGA等器件，又應(yīng)具有成本相對低廉、開發(fā)高效的特點。
    (2)32位MCU未來還會向多核方向發(fā)展。我們知道多核應(yīng)用目前主要集中在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中，但是伴隨密集計算需求的產(chǎn)生，比如汽車電子、圖像處理和視頻監(jiān)控行業(yè)，將會出現(xiàn)多核MCU，比如今天我們看到的飛思卡爾MPC563xM系列包括32位汽車動力總成MCU，用以改善擁有一至四個氣缸的小型引擎的效率和性能。MPC563xM器件韻MCU核是基于多核PowerArchitecture和DSP引擎技術(shù)；另外一個例子是TI達(dá)芬奇TMS3 20DM644X數(shù)字媒體處理器就是由雙核MCU(ARM9+C64X DSP)組成的。
    (3)在8／16／32位之間的無縫移植的技術(shù)方案。大量的嵌入式應(yīng)用過去和今后一段時間還將集中在8／16位機(jī)上，但是考慮到市場競爭的加劇，推出高性能的升級產(chǎn)品已經(jīng)是產(chǎn)品設(shè)計初期必須考慮的問題之一，便于實現(xiàn)輕松升級的靈活MCU架構(gòu)將得到歡迎。比如Microchip最新推出的32位MCU PIC32的時候重點強(qiáng)調(diào)也是和PIC24／disPIC DSC的引腳、寄存器和外設(shè)兼容，新版本的MPLAB開放環(huán)境在原有8／16位MCU上增加了32位PIC32支持和16位通用外設(shè)API庫，這樣同樣的開放環(huán)境在更換MCU的時候只是重新編譯一下代碼就可以運行了，同樣思路的產(chǎn)品線是飛思卡爾的Flexis QE128，包括了8位S08和ColdfireV1的六款內(nèi)核的升級方案。
    (4)單一功能和高集成度。單一化和集成化是MCU發(fā)展的一個趨勢，特別是體現(xiàn)在8／16位MCU上。在無線通信領(lǐng)域我們已經(jīng)看到了集成8051核的TI公司的ZigBee MCU CC2430和飛思卡爾的68HC08核ZigBee MCU MC1321X；在連接和存儲方面USB的作用在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛認(rèn)可，大量USB MCU應(yīng)運而生，NEC的USB 2．0主機(jī)和外設(shè)的MCU，PIC18F13K50和PIC18F14K50是一個8位USB MCU。為了滿足最終產(chǎn)品對高級USB連接功能與日俱增的需求，Mieroehip PIC32 USB OTG是一個引入針對USB OTG功能的32位USB MCU。這些單一功能的MCU都具有單芯片的高集成度，配合一些外圍功率和電源部件的電路板就可以組成一個完整的嵌入式系統(tǒng)，而且這些芯片一般都配備了優(yōu)化好的支持ZigBee的協(xié)議和USB協(xié)議的軟件庫，讓設(shè)計者可以很快完成項目，其他傳統(tǒng)的單一功能MCU的應(yīng)用還包括數(shù)字電源、電機(jī)控制、電表，比如瑞薩針對電表應(yīng)用的R8C／Tiny系列的MCU。
    (5)低功耗設(shè)計和能耗管理。能耗管理是芯片設(shè)計、制造工藝、系統(tǒng)設(shè)計、軟件工程師都在為之努力的研究課題，人們力求在各個環(huán)節(jié)盡可能地減少靜態(tài)和動態(tài)的電源消耗。傳統(tǒng)的控制電壓的調(diào)節(jié)方式和管理待機(jī)模式依然被多數(shù)電子設(shè)備在采用，還將繼續(xù)延續(xù)下去，但是隨著移動終端、無線傳感網(wǎng)絡(luò)裝置、新型智能玩具、便攜式血糖儀、血壓計和體能監(jiān)測儀等手持醫(yī)療設(shè)備等這些對電量消耗極大和永遠(yuǎn)在線的設(shè)備市場規(guī)模的迅速增加，解決電源管理已經(jīng)成為整個電子設(shè)計正在面臨的重要課題，市場對綠色產(chǎn)品的需求促使制造商考慮采用低功耗的待機(jī)模式，作為嵌入式系統(tǒng)靈魂部件的MCU近年在低功耗設(shè)計和能耗管理方面的動作很大，各種新產(chǎn)品應(yīng)運而生。如Silicon Lab公司的單電池供電的80C51 MCU-8051F9XX，最低電壓可達(dá)0．9 V；同時，Atmel公司發(fā)布的行業(yè)第一款超低功耗ARM7TDMI閃存MCU-AT91SAM7L，其在關(guān)機(jī)模式只消耗100nA的電流。

3 技術(shù)壁壘分析
    MCU產(chǎn)品面對跨國大公司的競爭壓力，必須提供高質(zhì)量的產(chǎn)品才能從中殺開一條血路。在技術(shù)方面，還是存在相當(dāng)多的技術(shù)難題，如以下方面有待研究開發(fā)：
    (1)電器可靠性。控制類產(chǎn)品面臨強(qiáng)電磁干擾，必須突破ESD、EMS、EMI等障礙。EMC是電磁兼容性，包括EMI和EMS，即電磁干擾輻射強(qiáng)度和抗干擾輻射強(qiáng)度。ESD可減少靜電損傷不良，提高產(chǎn)品品質(zhì)及合格率。ESD20．20是一個買方認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，對于那些芯片、電子元器件、電源及轉(zhuǎn)換器、顯示屏的制造商而言，要成為知名品牌的供應(yīng)商，ESD20．20：近似于一個強(qiáng)制認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。
    (2)存儲器工藝。MCU邏輯與存儲工藝復(fù)合技術(shù)，必須解決有關(guān)Flash、OTP、E2PROM電路設(shè)計及它們的良品率。
    (3)外圍重要口庫。MCU的成功除了CPU核，外圍電路起著更關(guān)鍵的作用；需要解決一些常用外圍IP電路的來源問題，特別是有關(guān)的數(shù)?；旌想娐罚纾?strong>AD、DA等；其次，豐富優(yōu)化的系統(tǒng)外圍電路更便于系統(tǒng)搭建，如眾多的數(shù)字通信接口、嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部常用部件；最后，優(yōu)化的MCU的常用基礎(chǔ)電路與技術(shù)，如：RC振蕩器，精簡調(diào)試接口，DC-DC變換電路，復(fù)位電路。
    (4)生產(chǎn)、開發(fā)支持技術(shù)。如ISP、IAP、軟件加密技術(shù)、芯片軟件量產(chǎn)燒寫技術(shù)。
    (5)開發(fā)環(huán)境與優(yōu)化軟件庫。友好、穩(wěn)定的軟件開發(fā)環(huán)境，可靠的軟件調(diào)試仿真器、開發(fā)板；優(yōu)化的與處理器相結(jié)合的軟件開發(fā)支持庫。
    (6)低功耗技術(shù)。低功耗的設(shè)計應(yīng)從頂層到底層各個階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的工作，主要運用各級的低功耗策略，如工藝及低功耗技術(shù)、電路及低功耗設(shè)計、邏輯(門)級低功耗技術(shù)、RTL級(寄存器傳輸級)低功耗技術(shù)、體系結(jié)構(gòu)及低功耗技術(shù)、算法級低功耗技術(shù)、系統(tǒng)級低功耗技術(shù)等。
    (7)產(chǎn)品測試系統(tǒng)。隨著IT產(chǎn)業(yè)和計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，與之配套的電子測量設(shè)備必須適應(yīng)這種形勢。因此，綜合測量技術(shù)、電子技術(shù)、自動化技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)于一體的自動測試系統(tǒng)應(yīng)該日益完善。
    (8)封裝技術(shù)。封裝技術(shù)對于芯片來說是必須的，也是至關(guān)重要的。因為芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。另一方面，封裝后的芯片也更便于安裝和運輸。由于封裝技術(shù)的好壞還直接影響到芯片自身性能的發(fā)揮和與之連接的印制電路板的設(shè)計和制造，因此它是至關(guān)重要的。

4 結(jié)語
    本文通過對國內(nèi)32位MCU發(fā)展趨勢及技術(shù)壁壘的分析。指出，當(dāng)前，在終端市場需求的推動下，整個半導(dǎo)體行業(yè)都在朝著低功耗，高性能方向發(fā)展，為了在愈加激烈的競爭中脫穎而出，各大MCU廠商可通過技術(shù)引進(jìn)、聯(lián)合研發(fā)、拓寬市場，逐步實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破，進(jìn)而提高MCU產(chǎn)業(yè)的整體競爭力。