中国 · 深圳
会展中心
2017展会时间
12月21-23日
展会
倒计时
177
全球 MCU 市场和技术发展趋势

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。

01
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

02
MCU 技术发展线路

1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。

 

2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。

 

3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。

 

03
中国MCU 发展机遇 

 

1中国单机片30年

 

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。

 

2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。

 

3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。

 

关于ELEXCON2017深圳国际电子展暨嵌入式系统展:作为华南地区规模最大的专业电子和嵌入式技术展,ELEXCON2017将于2017年12月21-23日在深圳会展中心举行。从元件到系统,从设计到制造,ELEXCON2017将汇聚超过800家重要供应商提供的最新技术和产品,覆盖的热点涵盖:嵌入式、物联网、电力电子、人机交互与生物识别、无线充电、医疗电子、传感器、电动汽车、智能制造等。更多详情,请登陆:www.elexcon.com 

 

作者简介:何小庆是著名的嵌入式系统专家,国内最早涉足嵌入式OS者之一,创办了北京麦克泰软件技术有限公司,有30年嵌入式技术和市场经验。他是中国软件行业协会理事、嵌入式系统分会副理事长,嵌入式系统联谊会秘书长,《单片机与嵌入式系统应用》编委会副主任,出版有《嵌入式操作系统风云录:历史演进与物联网未来》,嵌入式实时操作系统μC/OS-III应用开发》和《嵌入式软件精解》等多本著作和译著,个人网页:www.hexiaoqing.net

 
微信扫一扫
关注该公众号
时间
2017年12月21-23日
地点
中国深圳会展中心
主办单位
创意时代
支持及活动单位
中国通信学会、电子圈
中国电子元件行业协会
中国半导体行业协会
深圳市医疗器械行业协会
台湾区电机电子工业同业工会
TECA台湾电子链接产业协会
中国软件行业协会嵌入式系统分会
电话
86-755-8831 1535
传真
86-755-8831 2533
地址
广东省深圳市南山区科技园
预订展位
酒店与交通
创意时代版权所有 COPYRIGHT © 2000-2016 粤ICP备09166010号