展望國產(chǎn)MCU的生態(tài)崛起

近兩年，國內(nèi)芯片設(shè)計類企業(yè)呈現(xiàn)出一種趨勢，之前專注于存儲、模擬、電源、射頻甚至AI等領(lǐng)域的設(shè)計公司，紛紛開始調(diào)整方向涉足MCU業(yè)務(wù)。部分公司選擇了通用MCU，更多的則是在原有功能芯片基礎(chǔ)上做MCU集成融合。

基于這一現(xiàn)象，筆者站在產(chǎn)業(yè)角度對國產(chǎn)MCU進行了一定程度的行業(yè)洞察和案例分析，希望對國內(nèi)的相關(guān)從業(yè)者、上下游廠商以及資本市場等相關(guān)的決策判斷有所幫助。更期望國產(chǎn)MCU能得到更加高質(zhì)量的發(fā)展，在追趕和超越國際頂級MCU廠商的道路上走得更順。

MCU的重要性、復雜性和成長性

MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，又名單片機，是將CPU、存儲器（RAM和ROM）、各種模擬外設(shè)、數(shù)字外設(shè)、多種I/O和接口等集成在一片芯片上，形成的芯片級計算機。MCU廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家電、汽車、數(shù)碼電子等產(chǎn)品中，是電子設(shè)備的核心零部件。單單中國市場，每年的產(chǎn)業(yè)規(guī)模就超過400億人民幣。

作為基于傳統(tǒng)晶圓制造工藝的一個看起來再普通不過的芯片，其戰(zhàn)略性重要程度絕不亞于任何其他類別的芯片，無論是更為復雜的AI芯片、GPU等高端芯片，還是體量上更為龐大的各類模擬芯片。除開近期階段性缺貨造成的稀缺性影響，MCU的戰(zhàn)略重要性、復雜性、及成長性都被嚴重低估。

◆ MCU的供給關(guān)乎中國電子信息制造產(chǎn)業(yè)

小至一只耳機，大到一輛汽車，但凡帶電的設(shè)備里，少則一顆，多則數(shù)百顆MCU，少一顆都成不了產(chǎn)品、出不了貨。中國是電子制造業(yè)的大國，但所制造的產(chǎn)品中采用的MCU有90%以上都還是依賴進口。國產(chǎn)MCU所占的大多都還是低端和同質(zhì)化的市場。人為斷供的風險時刻存在，即便是當下非人為的階段性缺貨，也對很多相關(guān)下游廠商造成了不可逆轉(zhuǎn)的影響。對于下游廠商來說，這波缺貨最大的教訓之一莫過于要學會和習慣做供應(yīng)鏈預測，這同樣也是MCU芯片廠商應(yīng)該要接受的教訓。而我們依然處于正在被教育的過程中。歐美MCU廠商將未來2年的晶圓產(chǎn)能通過部分預付款方式強行鎖定，意圖已是十分的明顯。

◆ 完成一顆高可靠性的可大規(guī)模應(yīng)用的MCU絕非易事

看似簡單的MCU芯片內(nèi)，從數(shù)字到模擬集成了至少50個的核心IP。每個IP都需要工匠般的精神精心打磨。長時間的大量仿真，不斷的調(diào)整電路和參數(shù)，不斷的流片，不斷的迭代，開發(fā)沒有任何捷徑。

MCU看似簡單，但因為其通用性，在應(yīng)用場景上非常多樣化并難以預測。而大量的出貨又要求產(chǎn)品的高度一致性和極低的不良率。這就要求電路的設(shè)計需要具備更好的容忍度，容忍一定的工藝偏差，容忍不同的溫濕度和電磁工作環(huán)境，容忍各種外設(shè)組合工作下的穩(wěn)定性，甚至需要考慮外圍應(yīng)用設(shè)計的容錯性。這才具備了高可靠性，高品質(zhì)MCU產(chǎn)品的基本要求。

而真正要將其大規(guī)模的商業(yè)化，其他生態(tài)相關(guān)的建設(shè)一樣都不能少。簡單易用的開發(fā)板、完善的軟件工具鏈、豐富的應(yīng)用筆記文檔、成熟的SDK開發(fā)包、及時有效的線上線下的技術(shù)支持、人氣旺盛的社區(qū)論壇、機制健全的線下技術(shù)培訓以及全面的銷售渠道體系等都起著舉足輕重的作用。

◆ MCU的增長數(shù)倍于終端產(chǎn)品的增長且不斷加速

電子產(chǎn)品的不斷普及提升了MCU需求的絕對數(shù)量，而電子產(chǎn)品的智能化和物聯(lián)網(wǎng)化則讓單位產(chǎn)品所需要的MCU的數(shù)量不斷攀升，導致對于MCU的需求遠超線性增長的增速。

這種“戴維斯雙擊”式的增長對MCU產(chǎn)業(yè)來說固然是件好事情，但同時也伴隨著產(chǎn)能匱乏的困擾。尤其是相當一部分的MCU都采用了傳統(tǒng)工藝節(jié)點和制程，基于產(chǎn)能持續(xù)萎縮的8英寸晶圓產(chǎn)線。這需要產(chǎn)業(yè)上下游的協(xié)同和共識，需要更長遠和科學的需求預測和產(chǎn)能規(guī)劃，更需要頂層設(shè)計對MCU戰(zhàn)略重要性的認同和政策扶持。

這不僅僅關(guān)乎國產(chǎn)MCU的崛起，更關(guān)乎著中國電子信息制造產(chǎn)業(yè)生存發(fā)展的安全性。而對于資本市場來說，則意味著巨大的投資機會。

國產(chǎn)MCU發(fā)展縮影

國產(chǎn)MCU品牌的數(shù)量比國外品牌多一個數(shù)量級，但市占率卻反而少了一個數(shù)量級。國產(chǎn)MCU多應(yīng)用于消費類電子產(chǎn)品中，內(nèi)核以8位為主，且以O(shè)TP和MTP類居多，可靠性要求也相對較低而成本壓力較大。

對于可靠性要求較高的工業(yè)應(yīng)用和行業(yè)應(yīng)用而言，則多以進口MCU品牌為主。這類應(yīng)用除了高可靠性外，還需要確保供貨的可持續(xù)性，同一產(chǎn)品通常需要保證10年以上的供貨，產(chǎn)品生命期內(nèi)，廠商不會貿(mào)然更換方案。而汽車領(lǐng)域的要求則更為苛刻，前裝市場入局的國產(chǎn)品牌鳳毛麟角。造成以上格局的原因有很多，筆者根據(jù)多年的MCU從業(yè)經(jīng)歷暫且羅列了以下幾點：

◆ 通用MCU賣的是Catalog

歐美頭部MCU品牌經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，技術(shù)迭代使得產(chǎn)品在穩(wěn)定性、可靠性及產(chǎn)品系列化方面非常全面。產(chǎn)品大多都能橫跨幾個管腳到幾百個管腳的各種級別MCU，且未來數(shù)年的產(chǎn)品路標清晰明確。這是對質(zhì)量、可靠性和供應(yīng)商資質(zhì)等要求較高的大客戶在方案選擇方面考慮的重要因素。國產(chǎn)MCU發(fā)展時間相對較短，基礎(chǔ)還不夠深厚。一方面需要更長時間的產(chǎn)品積累和能力提升，另一方面也需要開拓思路，尋求彎道超車的戰(zhàn)略拐點。

◆ 中國的電子信息制造業(yè)起步于純代工

早期產(chǎn)品方案的MCU主平臺選型和采購都是全球化的，決策權(quán)不在本土。有相當一部分的國內(nèi)市場需求是從國外研發(fā)導入到國內(nèi)生產(chǎn)的移交性需求。其MCU平臺的選型具有延續(xù)性，隨著國內(nèi)系統(tǒng)廠商的研發(fā)團隊自主權(quán)的提升，國產(chǎn)MCU亟需伺機切入。

◆ 大多國產(chǎn)通用MCU以替代性兼容設(shè)計為主

這樣的產(chǎn)品思路目標就是作為二供進行部分替代。可替代的市場大多屬于對可靠性要求不那么高的消費類市場。對于更高要求的工業(yè)及汽車類應(yīng)用來說，國產(chǎn)MCU還有很大的提升空間以滿足相應(yīng)要求。

◆ 通過大學計劃占領(lǐng)長期戰(zhàn)略制高點

歐美MCU品牌多年前就開始通過持續(xù)性的大學計劃從大學生入手，通過與高校設(shè)立聯(lián)合實驗室，將產(chǎn)品植入到課件、畢設(shè)和競賽中。培養(yǎng)先入為主的使用習慣和未來用戶群。近幾年也陸續(xù)看到國內(nèi)的頭部MCU廠商開始效仿類似做法，這樣的投入有一定的滯后性，通常需要3-5年。但長期來看是最具性價比、最長效的生態(tài)建設(shè)投入。

MCU下游應(yīng)用分散，種種原因?qū)е潞Ｍ馀c國內(nèi)存在結(jié)構(gòu)性差異。國外MCU以汽車電子，高端工控及品牌類應(yīng)用為主，而國產(chǎn)MCU則主要以消費電子為主。對標國際頭部MCU廠商，差距客觀存在，除了不斷彌補明顯的短板外，國產(chǎn)MCU更需要持續(xù)尋找差異化創(chuàng)新的機會，借助彎道超車實現(xiàn)更大的突破。

“MCU+”或是國產(chǎn)MCU彎道超車的機會

電子產(chǎn)品的數(shù)量在不斷攀升，形態(tài)也在不斷進化，尤其近些年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起與普及，產(chǎn)品智能化已成為大勢所趨，而這波缺貨潮會加快這一趨勢。有限的供貨將會流向更高附加值的產(chǎn)品中去，包括高附加值的品牌和更高定位的產(chǎn)品。

這一趨勢又會反過來影響MCU未來的發(fā)展和分布，促使MCU同樣會朝著更高的附加值發(fā)展。更高的可靠性、更低的功耗、更高的集成度。這其中集成度的提升將會是MCU發(fā)展的主旋律，我們認為這會是國產(chǎn)MCU彎道超車的主要著力點。集成度的提升意味著和應(yīng)用的深度結(jié)合。從需求挖掘和產(chǎn)品定義來說，本土MCU廠商最靠近市場和真實應(yīng)用，占據(jù)了絕對的優(yōu)勢。

時間追溯至2020年的4月份，距上海泰矽微首次公開提出“MCU+”的發(fā)展思路已經(jīng)過去整整一年的時間。一年前半導體行業(yè)因受到疫情影響尚未走出陰霾，也固然不存在缺貨現(xiàn)象。但產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢不容改變，后疫情又恰恰起到了促進作用，進一步加速了“MCU+”這一趨勢的形成。

前文中提到的眾多MCU以外的廠商介入MCU業(yè)務(wù)，大多也是基于集成的需求，比如，電源類芯片需要加協(xié)議、加快充；電池管理需要加算法；物聯(lián)網(wǎng)類無線通信類芯片需要加應(yīng)用相關(guān)的控制和處理；存儲芯片需要集成智能化算法等等。

總之，目前看到的集中轉(zhuǎn)向MCU的現(xiàn)象并非當下缺貨潮所致，而是市場在需求側(cè)變化的推動下產(chǎn)品形態(tài)的自然演繹。這波缺貨潮終將過去，當潮水退去的那一刻，產(chǎn)品競爭力是取決于價格還是產(chǎn)品自身？

上海泰矽微設(shè)立之初就直接定位于”MCU+”的發(fā)展思路，站在應(yīng)用角度，基于MCU來定義適合于各垂直市場的高性能專用MCU+／SoC芯片。在這過程中并沒有因為通用MCU暫時的缺貨和爆炒動搖過產(chǎn)品方向的決心。

經(jīng)過一段時間的封閉開發(fā)，多個“MCU+”系列芯片逐漸從開發(fā)到流片再到工程，進入量產(chǎn)。產(chǎn)品涉及信號鏈、電源管理、電池管理、無線通信等技術(shù)領(lǐng)域。覆蓋消費類、工業(yè)及汽車等相關(guān)應(yīng)用。

泰矽微宣布量產(chǎn)首個“MCU+”產(chǎn)品，高性能信號鏈SoC

泰矽微日前正式量產(chǎn)發(fā)布目前業(yè)內(nèi)超高集成度的高性能高可靠性信號鏈系列化SoC芯片。傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分存在于絕大部分的物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點中，在基于通用MCU的傳統(tǒng)方案中，傳感器的信號調(diào)理、采集或測量需要額外的多顆芯片來實現(xiàn)，性能要求越高，外圍的復雜程度和成本代價越高。

TCAS系列芯片集成了32位ARM® Cortex®-M0高性能內(nèi)核，最高工作頻率可達48MHz，內(nèi)置最高64KB FLASH和8KB SRAM。其內(nèi)部集成了24bit高精度Sigma-Delta ADC、14bit高速SAR ADC、最高1024倍增益放大的超低噪聲PGA、VDAC、IDAC、TIA、運放等多種模擬前端外設(shè)，同時集成了多路UART、SPI、I2C等數(shù)字接口外設(shè)，支持多種硬件加密算法。

泰矽微還開發(fā)了獨創(chuàng)的降低系統(tǒng)整體功耗的Tinywork®技術(shù)（專利號：CN111427443A），使得外設(shè)在睡眠模式下，無需內(nèi)核處理器的干預也能獨立工作和相互協(xié)同，可將典型應(yīng)用場景中的工作電流降低80%以上，并且支持超低功耗待機，支持獨立備用電池供電。

MCU產(chǎn)品定位的基本要素是高可靠性，對于TCAS系列而言，從芯片的開發(fā)到測試的流程、單個模擬或數(shù)字IP及IO Ring的實現(xiàn)、基于整芯片的Floor plan布局以及封裝材料的選取等都將可靠性放在了首位。對比常規(guī)工業(yè)級芯片2KV的ESD靜電測試指標，TCAS的實測數(shù)據(jù)可輕松通過6KV，且HTOL、Latch up等全部Pass。為了配合產(chǎn)品發(fā)布和后續(xù)推廣，除了基本數(shù)據(jù)手冊外，也準備了大量的應(yīng)用筆記、低成本的開發(fā)評估板、典型應(yīng)用的參考設(shè)計、調(diào)試工具以及培訓材料等。

信號鏈作為TCAS系列芯片的主要特性，可通過軟件配置實現(xiàn)多種傳感器的信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集，外圍電簡單，噪聲系數(shù)極低，可實現(xiàn)高精度測量。

以下羅列了部分傳感器接口的典型電路及應(yīng)用介紹：

1. 橋式傳感器接口：橋式傳感器應(yīng)用框圖所示是一個基于低噪聲PGA、24Bit Σ-△ADC等的高精度橋式傳感器測量系統(tǒng)。

TCAS14A內(nèi)置2級具有可調(diào)增益的低噪聲PGA，以及低均方根(RMS)噪聲的24Bit Σ-△ADC和溫度補償電路，因此可以直接測量來自橋式傳感器等的小信號。

2. 熱電偶傳感器接口：熱電偶傳感器應(yīng)用框圖所示是一個基于24Bit Σ-△ADC的熱電偶測量系統(tǒng)。TCAS14A內(nèi)置PGA、24bit Σ-△ADC、基準電壓源VDAC和激勵電流IDAC等。芯片內(nèi)部集成的偏置電壓發(fā)生器偏置熱電偶信號,確保輸入信號滿足輸入電壓限值的要求。片內(nèi)提供1mA的激勵電流用于為熱敏電阻和采樣電阻電阻供電。基準電壓利用該外部采樣電阻產(chǎn)生。

3. 電化學氣體傳感器：電化學氣體傳感器應(yīng)用框圖是一個基于24Bit Σ-△ADC或14bit SAR ADC的電流型電化學氣體傳感器系統(tǒng)。TCAS14A內(nèi)置運放OPA、跨阻放大器TIA、24bit Σ-△ADC或14bit SAR ADC、VDAC等。

通過傳感器參考電極(RE)向OPA提供反饋，從而改變反電極(CE)上的電壓來保持WE引腳的恒定電位。內(nèi)部TIA將傳感器的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，提供給ADC。內(nèi)部VDAC為TIA提供偏置電壓，使得信號處于ADC支持的電壓范圍內(nèi)，以便為不同類型的傳感器提供充足裕量。

4. 三線制RTD傳感器：三線制RTD傳感器應(yīng)用框圖是一個基于24Bit Σ-△ADC的具有外部參考的比例型三線制RTD(Resistance Temperature Detector)傳感器測量系統(tǒng)。該方案在很大程度上消除了傳感器引線對測量結(jié)果的影響，可進行高精度的測量。

泰矽微的這款信號鏈SoC是其在“MCU+”戰(zhàn)略路線上走出的堅實一步，后續(xù)還將推出更多系列化“MCU+”芯片，覆蓋電源管理、電池管理、射頻、觸控等技術(shù)領(lǐng)域。這種體系化、系列化創(chuàng)新的模式也代表著國產(chǎn)MCU在通過探索技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新等追求更高質(zhì)量發(fā)展的一股新的力量。

從產(chǎn)品定義到架構(gòu)設(shè)計和芯片開發(fā)，都堅持從“0”起步走全原創(chuàng)自主開發(fā)，充分尊重和重視知識產(chǎn)權(quán)。選擇走自定義產(chǎn)品而不是兼容設(shè)計和國產(chǎn)替代之路，通過應(yīng)用場景和需求的深度分析倒逼產(chǎn)品創(chuàng)新，通過和行業(yè)標桿的下游廠商共同定義產(chǎn)品，開辟了全新的商業(yè)模式，解決了行業(yè)痛點的同時也可鎖定大客戶訂單。

新能源革命給中國的汽車工業(yè)帶來了全新的發(fā)展機遇，而電子信息產(chǎn)業(yè)的這次物聯(lián)網(wǎng)化革命也同樣會給國產(chǎn)MCU帶來彎道超車的機會。毋庸置疑，歐美頭部MCU廠商擁有非常強大的周邊生態(tài)，但容易被忽略的是，層出不窮的國產(chǎn)兼容替代實質(zhì)上是在為進口MCU芯片的生態(tài)不斷修筑護城河。

真正的彎道超車是緊追而不跟隨、借鑒但不復制。實現(xiàn)國產(chǎn)MCU的自主可控和產(chǎn)業(yè)振興尚有一段距離，需要全產(chǎn)業(yè)鏈的集體智慧與努力。不過，中國擁有全世界最全的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，最大的本地市場，緊抓類似“MCU+”這樣全新的機會，產(chǎn)業(yè)上下游聯(lián)動，通過創(chuàng)新走高質(zhì)量發(fā)展之路，國產(chǎn)MCU的生態(tài)崛起，可期！