2020年Q3 以来全球 MCU 进入供不应求状态，涨价缺货状态持续至今，除了原厂和渠道商价格上涨外，交货周期也不断延长。这波缺货涨价潮，中国本土厂商将如何进一步介入？是否会加速MCU领域的国产化浪潮？
今年AI电堂陆续发布过关于MCU的相关文章。如果大家想了解STM32如何在这一年成为理财芯片的，可以阅读往期文章，《缺货涨价行情下，国产替代真的那么香吗？》，《MCU的2020与2021》。
从本篇文章起，AI电堂将推出系列文章，围绕MCU缺货涨价后的国产化浪潮，与读者一起探讨MCU本地化机会。
▷ 第一篇：MCU 需求端多样化，汽车和物联网引领未来成长
▷ 第二篇：MCU 产能增长相对有限，未来供需结构将趋于平衡
▷ 第三篇：全球 MCU 市场高度集中，多因素共振加速国产替代
▷ 第四篇：MCU 会是中国芯片本土化的下一个亮点吗？
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MCU 是基础控制芯片 产品众多兼具生态完善
我们可以将MCU视作缩减版 CPU，整合RAM、ROM、时钟、定时/计数器等外设，甚至将 LCD 驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级的计算机；并通过软件控制来取代复杂的电子线路控制系统，实现智能化以及轻量化控制。
从2020年中国通用MCU市场占比可知，32 位和 8 位占据市场主流，且未来 32 位产品占比预计仍将不断提高。
▲图1：2020年中国通用MCU市场规模占比
8 位 MCU 市场地位稳固，32 位 MCU 解决复杂场景问题
MCU 的广泛应用源自 8 位时代，8 位 MCU 具有功耗低、成本低、使用便捷等优点，广泛应用于消费、工业控制、家电和汽车等领域，由于其产品稳定性及高性价比，8 位至今仍占据重要地位。16 位产品性能不及 32 位，性价比不如 8 位 MCU，所以市场份额有被挤压的趋势。32 位 MCU 相比 16 位具有更强的运算能力，可以满足当下大多数嵌入式场景的需求，且目前 32 位 MCU 的成本逐渐接近 8 位 MCU，导致 32 位 MCU 的市场占比最大，且未来将不断提升。
通常，MCU 原厂还会按照自身产品应用领域可以分为通用型 MCU 和专用型 MCU。
通用型 MCU 是指具有 MCU 的基本组成，但是将 MCU 中可利用的资源（包括 RAM、ROM、 串并行接口等）全部提供给用户，不是为了某种专门用途设计的，用户可根据自身需求进行相应开发来满足特殊需求。STM32 系列是典型的通用型 MCU 代表，STM32 的 17 个子系列，上千款料号可以满足各个层级的开发者需求，针对高性能、主流、超低功耗和无线 4 大领域，既可用于先进的智能神经网络处理、语音音频识别、无线互连等高级场景，也可用于图像用户接口、电机控制、安全芯片以及 USB Type-C 快充等常见生活场景。通用型 MCU 的出现降低了产品研发和产品选型的难度，有利于缩短终端应用产品的上市周期。
专用型 MCU 是指按照具体用途而专门设计的 MCU，通常会在 MCU 内集成具有特定功能的硬件单元，比如数字信号处理单元、蓝牙协议栈等。秉承“MCU 特定组件”的形式，旨在满足特定场景提出的专有需求。随着物联网的发展，基于场景化的应用层出不穷，需要 MCU 针对特定应用有更强的应对能力，催生更多专用型 MCU 需求。乐鑫科技的 ESP32 MCU 集成 Wi-Fi 和蓝牙功能，与外部 DSP 结合使用，功能丰富且极具成本效益。
ARM 架构提供兼容性体系，打造 32 位 MCU 通用平台
近 10 年，随着需求侧对性能要求和处理能力的提升，32 位 MCU 逐渐成为市场主流，大部分厂家 MCU 的内核逐渐被 ARM 架构的内核替代，成为主流架构并形成完整的生态系统。ARM 架构的优势是实现了标准化和低功耗，为设计平台提供了代码兼容性和软件兼容性，随着各类移动应用的深入和快速发展，呈现一统江湖的态势。
ARM 公司将 Cortex 系列细分为三大类，包括 A 系列、R 系列和 M 系列，用于不同应用领域，A 系列主要用于复杂的电脑应用，比如手机、服务器等；R 系列主要用于实时系统；最早集成到芯片级的是 Cortex-M 系列，主要面向各类嵌入式应用的 MCU。
▲表1：arm Cortex-M 各系列介绍 来源：arm官网、招商证券
MCU 厂商所构建的生态为客户提供更完善便捷的使用体验，是提升竞争力的关键。目前，ARM 架构的MCU产品已形成较为完善的生态系统，包括 IDE 环境、官网资料、基础驱动库、评估板和论坛支持等方面。意法半导体的STM32系列在产品生态建设方面尤为突出。
▲图示：STM32的生态系统 来源：意法半导体官网
RISC-V 架构渐露头角
RISC-V 于 2010 年推出，针对现代需求设计，具有模块化、极简和可拓展的特点，并且不需要为了兼容以往性能在产品开发时不得不折中。RISC-V 的生态远不如 ARM 完善，产业联盟内部对 RISC-V 发展方向一直存在分歧。但RISC-V 的 灵活可拓展性及高定制化使其在对生态系统依赖性比较小的新型市场（如嵌入式 IoT、 人工智能等）中拥有更大的潜力。目前，阿里平头哥推出了基于 RISC-V 的开源 MCU 平台，兆易创新等国内企业也相继推出基于 RISC-V 内核的 MCU 产品。
如需了解更多信息，请参见《arm与RISC-V》一文。
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MCU 需求端多样化 汽车和物联网引领未来成长
全球MCU市场规模约150-200亿美元，传统半导体厂商占据市场大头
据 IC Insights 数据，2020 年全球 MCU 市场规模约 150 亿美元。2021-2024 年全球 MCU 市场规模 CAGR 预计约为 6.08%，预计 2024 年市场规模可达 185 亿美元。
▲图2：2017-2024年全球MCU及市场规模预测 来源：IC Insights
MCU 主要应用于汽车电子、工控/医疗、计算机和消费电子四大领域。根据 IC Insights 数据显示，2019 年全球 MCU 主要应用于四大领域，其中汽车电子占比高达 33%，是 MCU 的第一大应用市场，同时，工控、计算机和消费电子占比分别为 25%、23%、11%。
▲图3：2019 年全球 MCU 主要应用领域占比 来源：IC Insights
根据 IC Insights 数据，2020 年全球 MCU 出货量预计约 240 亿颗。根据各MCU原厂及相关网站信息，对MCU应用场景有如下预估：
1）汽车：MCU 第一大应用市场，智能化和电动化驱动成长
传统燃油汽车的整车热管理系统、照明系统、车身控制、车载影音娱乐系统需要 MCU，新能源车相较传统燃油车新增加了电机驱动控制、充电逆变、电池管理等系统，为 MCU 带来增量需求。预期未来汽车电动化和智能化进一步普及，单车 MCU 的用量将会持续增加。
汽车是全球 MCU 第一大应用市场，平均每辆汽车 MCU 需求量高达上百颗。汽车电子 MCU 应用场景广泛，由于现今汽车逐渐从燃油车向新能源汽车过渡，MCU 在汽车电子领域的参与越来越多、渗透越来越深入，新能源车在整车热管理系统、照明系统、电机驱动控制系统、充电逆变系统、电池管理系统和车身控制及车载系统内都需要用到 MCU，车用 MCU 主要使用 8 位和 32 位产品。
车用 32 位 MCU 主要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统、引擎控制，以及新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统。
车用 8 位 MCU 主要应用包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。
▲图4：车规级 MCU 在新能源汽车中的应用 来源：比亚迪半导体招股说明书
座椅调节、车窗升降和反光镜控制等各种低阶控制需要用到 MCU。汽车电子控制系统采用MCU后，座椅调节可借助 MCU 实现更为精准便捷的多方向控制，主驾驶亦可控制前后四个位置的车窗，同时由于不同驾驶者的身姿体态区别，可借助主驾驶位的按钮实现对于双侧反光镜的精准调节。其它如雨刷、天窗、空调和风扇等控制通常也各需要 1 颗 MCU 来完成相应控制。
电子助力方向盘和自动驻车等动力传动系统需要 MCU。汽车机械系统的运行状况直接影响车辆性能以及驾驶者体验，将 MCU 运用到汽车电子控制装置，将有效实现“机电结合”，实现对发动机、底盘、车身的电子控制。具体应用包括电子动力转向、电子手刹、电子燃油喷射系统、电子控制悬架和电子控制自动变速器等。
▲图5：电子动力转向系统示意图 来源：微养车
高级驾驶辅助系统（ADAS）及先进娱乐影音设备等需要处理能力更强的高阶 MCU。随着汽车搭载更多类型的传感器，需要运算性能更强的 MCU 进行信息处理，ADAS 包括前车防撞预警系统、环视泊车辅助系统、车道偏离警告等功能，汽车先进功能的增多加大了高阶 MCU 的使用量。同时以特斯拉为代表的造车新势力颠覆传统，将以往包括众多按键和旋钮的中控台融合到一块大屏幕上，车内空调控制等功能也融入屏幕，同时为车内人员提供更为畅快的影音视觉体验，液晶仪表盘也逐渐代替传统指针式仪表盘，这些改进都提升了 32 位 MCU 的使用量。
▲图6：ADAS 需要高性能 MCU 进行信号处理 来源：易车
▲图7：特斯拉 Model X 配备大屏中控台及液晶仪表盘 来源：特斯拉官网
新能源车新增电池管理和电机驱动等系统，对单车 MCU 带来增量需求。在电动汽车应用中，主要由电池为电机提供动力，为了满足交流电机负载的严苛要求，内部电池组电压不低于 800V，一种常见的设计方法是采用分布式电池组系统，通过在不同的 PCB 上连接多个高精度电池监控器，支持包含多节电池的电池组，该部分的 MCU 需求量会随着使用电池模组数目的增多而提升。
▲图8：电动汽车中的分布式电池管理系统 来源：德州仪器官网
新能源车占比未来会逐步提升，有望带来更多的车规级 MCU 需求。随着汽车智能化和电动化的普及，单车车用 MCU 配置量将由数十颗增至上百颗。新能源汽车在新车销售中的占比提升也有助于提升整体汽车市场 MCU 需求。国际大厂主导全球车用 MCU 市场。据英飞凌官网，2020 年全球车用 MCU 市场份额占比前五名分别为瑞萨、恩智浦、英飞凌、德州仪器和微芯，Top 5 占比合计达 86.6%。
2）工控：应用场景相对固定，市场规模庞大长期增速较缓
工控是 MCU 仅次于汽车类的第二大应用市场，市场需求较为稳定，下游应用主要为工业自动化控制、驱动电机、表计类应用等，受益于工业自动化程度提高带来的 MCU 用量提升，工业控制市场规模稳步增长。据 Prismark 预计，2019-2023 年全球工业控制市场规模将从 2310 亿美元增长至 2599 亿美元，CAGR 为 2.99%。
工业自动化有众多控制需求，MCU 是工控系统的重要部分。恩智浦对于工业自动化的解决方案，采用了支持 CC-Link IE TSN 协议的 i.MX RT1170 跨界 MCU，可以提供工业控制领域的实时控制。MCU 所支持的整合数字信号处理功能、更强大的 I/O 控 制、网络通信以及触控功能都可以促进生产过程智能化。
▲图9：恩智浦 CC-Link IE TSN 工业自动化 来源：恩智浦官网
电机是工业控制应用最常见的构成部分，全球直流无刷电机市场规模逐年增长，MCU 驱动控制芯片需求潜力巨大。直流无刷电机（BLDC，Brushless Direct Current Motor）转矩密度高，适用于无人机、机器人吸尘器等众多产品。据 Grand View Research 预测，全球 BLDC 电机市场规模将从 2020 年的 173 亿美元增长至 2027 年的 272 亿美元，2020-2027 年 CAGR 为 6.7%；据 Frost & Sulivan 预测，2018-2023 年中国 BLDC 电机市场规模 CAGR 为 15%，中国市场超 过全球市场的增长速度。
▲图10：2018-2027 年全球 BLDC 电机市场规模及同比 来源：Grand View Research
电表需要配置 1 颗 MCU 用于计量，智能水表和燃气表需配备低功耗 MCU。智能电表的核心是 MCU，该 MCU 通过对用户的供电电压和电流的实时采样，完成计量、显示、信息保存、交换和控制等功能。智能水表及燃气表也需要 MCU 完成实时计量，但水表和气表内芯片对功耗要求较高，通常使用低功耗 MCU。智能表类产品存在更换周期，表计类 MCU 年均消耗可望达上亿颗。
▲图11：智能电表内部 MCU 原理图
变频器是应用广泛的电力控制设备，常用 MCU 作为主控芯片。变频器是通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器通常会使用 MCU 作为主控芯片，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，同时还有过流、过压、过载保护等功能。变频器的应用包括变频节能、工业自动化、机械设备控制领域等。
逆变器是把直流转换成交流的变压器，也需要 MCU 作为主控芯片。逆变器是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（比如 220V 交流电）的转换器。逆变器内的 MCU 控制电压变化，广泛应用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、 缝纫机、洗衣机、抽油烟机、冰箱、风扇等。
▲图12：逆变器用于光伏发电
3）家电：智能化和变频化带来 MCU 增量市场
家电产品的智能化带来更多的控制需求，而变频功能的普及和新兴家电也为 MCU打开了增量市场。以空调、冰箱和洗衣机为主的大家电 MCU 市场规模较为稳定，变频化趋势带来大家电产品结构升级；而以家居和厨卫为主的小家电市场规模稳定增长，叠加智能化趋势带来高性能 MCU 增量空间。
智慧家居带动家电 MCU 升级，32 位 MCU 控制系统助力设备联网及高阶功能。家电应用场景的智能化，以及需求多样化，对 MCU 提出更高的要求。例如，随着人们对生活品质追求的提高以及家电行业制造技术的进步，当下的冰箱已经迈向智能化发展时代，开辟多个储物空间，并可通过设置实现速冻、零度保鲜等特定功能。在家用双开门云冰箱中，运用 32 位 MCU 作为控制主体，通过外接模块或按键，实现温度调节、Wi-Fi 连接、智能显示等功能。
▲图13：家用双开门云冰箱及系统原理示意图 来源：东软载波官网
小家电智能化成为标配，功能多样性提升单台设备 MCU 使用量。小家电逐步迈向智能化阶段，感知能力和控制处理能力升级有望带动单台设备 MCU 使用量提升。小家电内置运算性能更强的高阶 MCU，结合多种外设紧随 IoT 趋势。以意法半导体的 STM32H7X3 系列为例，该系列为 ARM Cortex-M7 内核，实现智能家电显示功能，人机交互更友好。
▲图14：基于STM32H7的智能家电显示控制板 来源：STM32公众号
4）泛消费：传统消费相对稳定，消费医疗等带来增量需求
泛消费大类包括消费电子等常见产品，其中消费电子包括手机、电脑、可穿戴设备，通常 MCU 会用于主控、触控和无线连接等功能。除了手机、电脑和平板电脑等主要电子产品每年用量较为稳定之外，以 TWS 为代表的可穿戴设备近年来逐步兴起，预期每年消耗 MCU 达 4 亿颗左右。未来随着可穿戴设备渗透率的提升，MCU 还有强劲增长空间。
智能手机：NFC、触控等功能需要搭配 MCU。例如，苹果 11 Pro Max 内配备 1 颗STM32用于支持 NFC 功能。据 IDC 统计数据，全球智能手机全年出货量较为稳定，受 5G 应用带动，智能手机 5G 化普及加快，年均出货量维持在 13 亿左右。
▲图15：iPhone 11 Pro Max 拆机图内的 MCU 来源：集微网
电脑键盘鼠标和平板电脑年均 MCU 需求预计超过 5 亿颗。据 IDC 数据，2020 年疫情原因，PC 和平板电脑的出货量较正常年份增幅较大，分别出货 3.03 亿台和 1.64 亿台。如剔除疫情波动因素，按照正常年份的需求估计，全球电脑相关产品和平板电脑每年消耗的 MCU 将超过 5 亿颗。
TWS：充电盒配备 1 颗 MCU 用做主控芯片，无线耳机里面暂未配备 MCU。AI电堂文章《TWS耳机的开挂人生》中，对TWS市场及解决方案有较为详尽的分析，此处不再赘述。
据 DIGITIMES 数据，2020 年全球 TWS 耳机出货量为 1.84 亿副，其中 Airpods 系列出 货量为 0.87 亿副，2018-2020 年全球 TWS 耳机出货量 CAGR 为 73.47%，高于 Airpods 系列的 CAGR（47.16%）。
智能手表、智能手环：通常也都配备 1 颗低功耗 MCU 用于通信、传感等。目前智能手环和智能手表主要采用“MCU 低功耗蓝牙通信方案 惯性传感器产品 电源”的方案，其基本原理主要是通过 MCU 来控制蓝牙、传感器、LED 和振动器。智能手表的经典方案是基于STM32L4 TouchGFX，可媲美智能手机的GUI体验，为手表带来超高的好感度。智能穿戴设备的普及率不断提高，市场规模逐步扩大带动低功耗 MCU 使用量提升。随着硬件创新，定位、运动、健康、移动支付等功能日益增加，智能手表正逐步走向成熟，较智能手机形成更加完整的生态圈。关于智能手表的市场分析，请参见《可穿戴的“必争之地”：智能手表》一文。
云台相机以及手机云台内也会配备 MCU。云台是指安装或固定摄像机的支撑设备，可随时拍摄高精度的稳定画面。云台作为一个电子设备，也需要 MCU 进行控制以实现各类操作。随短视频、直播以及 Vlog 等记录生活动态的各种方式兴起，云台相机以及手机云台的市场规模逐步扩大。
▲图16：大疆 Pocket 2 云台相机和大疆 OM 4 手机云台 来源：大疆官网
医疗电子也是MCU用量较大的领域，家用医疗产品的普及以及更多医疗设备的智能化，MCU 将在医疗电子领域占据更多的市场份额。在医疗领域，常见的额温枪、血压计、雾化器和血氧仪等医疗仪器设备中都会用到 MCU。
5）IoT：长期成长空间巨大，通信协议 MCU 集成是主要趋势
IoT 市场规模大且增速快，是未来 MCU 用量增长的重要领域。随着智能家居的普及，众多新兴电子产品的销量提升，以及大量传统产品接入网络的需求，对于 MCU 的需求将带来大幅提升。以扫地机器人和无人机为例，扫地机器人每年出货约 1000 万-2000 万台，无人机每年出货达千万量级，且仍有很大的上升空间。IoT 有望成为未来 MCU 出货量的重要驱动领域。
通信协议 MCU集成是未来物联网设备发展的主要趋势。目前通信方案主要有两种：
- 单芯片集成协议 MCU，主要用于智能灯泡、智能插座等比较简单的控制电路；
- 双芯片方案，即 MCU 通信模块，主要用于智能摄像头、智能音箱等运算要求高的电路，但其结构会增加设计和生产过程中的复杂性和安全风险。
未来集成传感器 MCU 无线模块的方案是各 MCU 厂商的方向。
全球物联网设备连接数量逐年增长，将会带动 MCU 出货量上升。根据 GSMA 统计数据显示，2010-2020 年全球物联网设备数量高速增长，复合增长率达 19%，2020 年， 全球物联网设备连接数量高达 126 亿个。GSMA 同时预测，2025 年全球物联网设备联网数量将达到约 246 亿个。而几乎所有物联网设备内部的控制系统都会采用 MCU，物联网设备的不断增多将会为 MCU 市场带来增量因素。
▲图17：2015-2025 年全球物联网设备连接数量情况
来源：GSMA
此外，电动两轮车以及共享单车需要利用 MCU 作为控制芯片。电动两轮车以及自行车作为对汽车出行的补充，是中短途通勤的便捷交通工具。电动两轮车现在的智能化趋势也愈加明显，在仪表盘、电机控制等部分需要 MCU 进行控制。近年来随着共享单车的兴起，MCU 也在共享单车的电池管理中承担重要作用。据前瞻产业研究院数据，中国电动二轮车每年销量约 5000 万台，若以平均每台电动两轮车消耗 10 颗 MCU 计算，全球每年电动两轮车消耗的 MCU 数量将高达约 5 亿颗。
综上五大 MCU 应用场景，汇总下表：
▲表2：全球 MCU 部分应用领域出货量拆分及市场情况概述，
来源：部分公司官网及相关网站、招商证券
敬请关注下周文章《MCU缺货涨价后的国产化浪潮（二）：MCU 产能增长相对有限，未来供需结构将趋于平衡》
