全球MCU市场和技术发展趋势（2017年5月）

James_Jiang

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  微处理器和单片机（MCU）从70年代在欧美开始兴起，1981年8051 单片机问世，到今天已经36年了。从数量上看，8位单片机依然是MCU 市场的主力，基于8051内核的单片机依然有许多公司在设计和生产。90年代初，由于价格的原因，32位MCU只是在一些需要高性能计算的应用中使用。2008年以后，以物联网（IoT）为代表的新技术出现，让开发者开始寻找具备无线通信功能、有一定计算能力，而且价格不是太贵的MCU。随着ARM CortexM核的MCU 逐渐在市场占据主导地位，应用的场合也越来越多，在芯片制造上采用更先进和高效的制程工艺，32位MCU 的价格与8位MCU 已经没有本质上的差异，有的甚至更便宜，加上ARM 创建的良好的生态环境，32位MCU 已经成为今天全球消费和工业电子产品的核心，我从以下三个方面回顾全球MCU发展历程，探讨发展趋势。

MCU 市场现状
   2015年开始，为争夺市场份额，布局强劲增长的物联网应用，MCU主要厂商之间发生了数起大规模并购。根据市场调研机构IC Insights的统计，从收购完成合并后的销售数据看， NXP、Microchip和Cypress2016年MCU产品线销售额同比大幅增长，排名也相应上升。未进行大规模收购的MCU厂商则表现平平，只有个位数的增长，比如ST和TI，有的出现了大幅下降，比如像Samsung，（见图1）。
                                                                           图12016全球MCU 市场格局
   从图1我们还看到，8大MCU厂商全球市场份额合计达到了88%，这也就是说除了几大MCU 外，小的MCU公司市场份额非常小。IC Insights 2016年8月的研究报告说，MCU市场将于2020年达到高峰，销售额达到209亿美元，销售267亿颗芯片，（见图2）。针对这样的市场形势，在刚刚结束的2017年STM32峰会上，ST给自己定下目标是2020年销售额将到达40亿美元，从目前市场10%份额增长到20%分额。
                                                                            图22013-2020全球MCU市场预估
MCU技术发展线路
开发工具
  8位MCU 时代，开发工具很简单，MCU 功能简单，存储器容量很小，应用代码甚至可以使用汇编语言书写， 简单的下载和编程工具可以胜任开发工作，后来随着MCU 功能增加，存储器容量增加，C语言逐渐成为首选，集成开发环境（IDE）和JATG 调试渐成主流，这种方式主导了过去20年MCU开发模式。
随着物联网的兴起，大量的电子产品急需智能化升级，联网就成为基本需求，特别是无线网络，RTOS 从以前的嵌入式系统中“奢饰品”变成今天的“必需品”。得益于开源社区和开源软件的帮助，开源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和ConTIki已经成为开发者的优选。 专门针对物联网应用的物联网OS 也应运而生，比如ARM mbed OS 、庆科 MicoOS和华为LiteOS， 其实这几种物联网OS的内核也是基于开源的RTOS技术。
   开发工具（IDE）价格昂贵，让创业者望而却步，借助开源软件，MCU企业纷纷推出自己的IDE，比如瑞萨的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，这些IDE 是基于开源Eclipse，编译软件也是开源的GCC ARM 。芯片公司的IDE 虽然在功能和优化上无法与Keil和IAR 相比，但已经完全到达可用的程度。 ARM 开发了基于Web的mbed工具，开发者不需要购买和安装任何IDE，只要有一块mbed兼容的开发板，就可以进行嵌入式开发。如果你使用的是Arduino开发板，Arudino IDE 集成大量开源硬件知识库，让你开发如虎添翼，事半功倍。
  今天，有了强大的开源的生态环境，MCU 开发者不再会因为缺乏资金无法购买开发工具，无法获得技术支持，因而耽误项目开发而犯愁了。
制造技术
  摩尔定律推动了芯片产业辉煌了40年，其中制程工艺发展是重要的助推剂。传统的MCU，比如8位OTP MCU ，长期是使用0.5u的制程工艺，随着时间的推移，设备和技术更新，现在主流的MCU 制程是180nm，甚至90nm技术，展望不远的将来，使用40nm甚至28nm制程工艺的MCU 也不是遥不可及事情。
我们知道，更先进的制程工艺会在MCU内部集成更多的晶体管，使处理器实现更多的功能和更高的性能。这样MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了，更多的32位MCU 核心将替代8位，芯片的体积也不会变大，功耗反而会更小。此外，先进的制程工艺还能带来片内FLASH 容量的增加，未来1MB甚至4MB 的FALSH MCU 也是常见的产品了。
   当然，制程工艺将会给MCU 生态环境带来挑战，比如初期制造成本的增加，芯片设计复杂性增加。32位核心导入，软件开发难度增加，以及物联网应用带来MCU和RF 以及Sensor集成，进而带来功耗管理和PCB设计上一系列棘手问题。
应用设计方案
  MCU应用五花八门，从最小的消费电子产品，到大型工业机器人，几乎涵盖了所有嵌入式电子产品。早期的MCU芯片公司只是提供应用指南和参考设计代码，方案性的设计一般是客户自己完成，或者由专业的方案公司和代理商完成，然后交给设备厂商生产，这样模式至今依然大量存在。
随着物联网兴起，电子产品智能化需求越来越多，传统产业升级已经迫在眉睫，电子产业急需MCU 厂商提供更多更好的创新型设计方案。随着电商时代到来，渠道的扁平化，传统芯片代理商已经无力投入日趋复杂的方案设计，行业日趋细化和深入，传统的方案商已经转型成产品提供商，应用设计方案的重任再次落在MCU 公司身上。
   今天我们看到全球领先的MCU企业，比如ST、NXP、TI 和瑞萨等公司，他们都能提供许许多多MCU 应用解决方案，这些方案的技术越来越前沿，功能越来越完善。比如STM32峰会上展示的预防黑客侵入的智能锁的安全解决方案，可以在小屏幕上实现美观流畅的游戏界面的超低功耗MCU 智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa网关。
   近年兴起的创客运动也是MCU 应用方案的一大贡献者。创客们大量采用的Arduino 开源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列处理器； 机器人项目Pibot则采用Arduino作为核心控制板。 在开源硬件环境下，没有开发基础， 只有创意的开发者， 也可以完成自己的产品开发。 开发门槛的降低了， 将吸引更多的人实现创意， 极大地增加产品的种类和数量， 从而导致对MCU需求的增长。

中国MCU 发展机遇
  80年代初北京工业大学电子厂掀起了TP801开发热潮，同期，上海和江苏等地开发了MCS-51的单片机开发系统，这股单片机的热潮引发了全国的智能电子大变革的时代的开始。1986年10月，在上海复旦大学举行了第一次全国单片机学术交流会，这标志了中国单片机事业的开始，也由此经历了中国单片机30年辉煌发展历史进程。2016年11月，嵌入式系统联谊会举办了中国单片机30年纪念活动，老中轻三代单片机工作者齐聚北航回忆这段历程，共议中国单片机发展的美好前景。
   过去几年中国MCU市场一直持续增长，据 isuppli Research 2015的研究报告（见图3），2011年中国MCU市场销售额大约30亿美元，到了2016年已经有40亿美元，其中32位MCU市场份额将持续增大，期内复合增长率已经接近10%。前面我们看到全球8大MCU 企业没有的中国企业（包括台湾），有关研究报告还指出，
   中国内地和台湾MCU企业在中国市场各有10%的份额。笔者从刚刚结束的2017年STM32峰会了解到，2016年ST 中国通用MCU市场营收在其全球市场中占比36%，从2007年开始就一直保持27% 的年复合增长率，以物联网，可穿戴、智能手机、智能楼宇和表计以及电动汽车和无人机等新型应用是拉动MCU快速增长重要引擎。
                                                                        图32011-2017中国MCU 市场预估
   中国单片机30年，MCU厂商很多，但多数混迹8/16位低端市场，中国是全球第一大电子制造基地，有足够大的市场来养活这些小厂商。但设计能力低，缺少战略发展规划和资金支持的中小MCU 厂商，难以改变中国企业在MCU市场的弱势地位。
国产32位MCU 提速
  近年中国MCU企业的增长提速，尤其是在32位MCU市场上涌现出像兆易创新、致象科技和灵动微电子这样的企业，他们基于ARM Cortex M 技术的MCU 芯片受到了市场的欢迎，国产 MCU产品的市场战略一般是更低的价格，更好的性能，本地周到的服务，最主要的是与国外产品 pin-pin兼容， 这些市场策略让国内企业非常受用，取得了丰硕的成果。
   据财经媒体报道，2016年，兆易创新实现营收14.89亿，净利1.76亿，营收同比增长25%、利润增长了12%；MCU芯片实现营收1.97亿元，同比增长55.2%，销量4578万颗，兆易创新最近以65亿收购北京矽成。矽成的主营业务是以易失性存储芯片为主，主要从事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成电路产品的设计与销售，产品应用于汽车、工业医疗、网络移动通讯、电子消费产品等领域。这与兆易创新的非易失性存储芯片，包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生产品以及MCU微控制器产品的研发、技术支持和销售的业务范围正好互补。收购矽成对于未来兆易创新GD32系列MCU发展都将起到积极作用，或将有助于兆易创新拓展汽车电子市场的计划。
国产MCU 的挑战
  比较国产高端CPU的发展，国产32位MCU 要顺利的多。 相比智能手机芯片，生态环境相对单纯和简单是帮助国产MCU 发展的重要原因。我们知道，开发智能手机芯片要有巨资投入最先进的制程工艺，比如三星Galaxy S8 机型搭载高通骁龙830处理器，并且处理器将会由三星独家制造，制程工艺为惊人的10nm。还有Android OS，围绕Android OS 的开放手机联盟 （Open Handset Alliance）现在有84个成员，如果你们企业不是成员，你或许拿不到最新的Anrdoid版本的软件，即使你是成员，如果不能投入大量的Android开发人员，你也很难与高通、三星和华为这样的手机巨头竞争。
   我们前面已经介绍MCU 的技术线路，它与智能手机完全不一样，MCU 还是一个多元化的应用市场，虽然有几个很热闹的产品，比如无人机、可穿戴手环，智能温控器，但是这些产品在数量上与智能手机无法比拟，而且它们每一个的软硬件平台都不一样。凭借基础的开发工具、90nm制程和应用方案，加上中国企业擅长的“保姆式”服务，国产MCU 有机会出奇制胜，一展宏图。
   是不是国产MCU 可以高枕无忧，一路顺利发展了呢？不是的，如果大家看看全球领先的MCU 企业的产品线就不难发现，中国企业（包括台湾）差距很大，STM32 750余款MCU，多数采用90nm制程上，ST 计划发布的超高性能STM32H7 将采用40nm制程工艺，而灵动微电子成熟产品F103 采用还是传统的0.18um。
  在开发工具上，国产MCU 基本没有自己的发工具（IDE），推荐都是ARM KEIL 和 IAR，为了支持自己公司的MCU ，一般会开发一个 KEIL MDK 或者IAR 插件，没有经费的用户多是盗版IDE使用。
  在应用设计方案和生态环境建设方面，国产MCU 更是远远落在外国企业后面，比如STM32峰会第二天，几十家合作伙伴展示了包括LoRa、蓝牙和WiFi模块、空中固件升级、NB-IoT诊断仪、多功能汽车总线通信平台和安全认证的RTOS等百余种解决方案，以及大疆和小米无人机、华为运动手表、MOOV 耳机和阿儿法智能机器人等数十种国内设计和生产的基于STM32产品。 这大大提升了与会的开发者的兴趣，（见图4）。
                                                                                 图4 STM32 峰会现场展示
   32位MCU市场发展，芯片设计和制造技术固然很重要，而产品线生态建设，开发工具的研究、嵌入式OS的支持、创新型的应用案例、稳定的货源供应和技术支持也非常重要，每一项都缺一不可，都做好了真的不容易，国产MCU要进入国内电子企业主流供应商名单，要走向国际舞台，还有很长路要走。面向未来5-10年百亿级的物联网设备市场，MCU迎来了前所未有的机遇，也给了中国MCU 发展和腾飞创造了绝佳的切入点。