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作者：慧博智能投研
MCU是广泛应用的基础控制芯片，位于电路系统的中枢位置，其性能参数对整个系统具有决定性作用，搭建电路通常需要以其为核心选择元器件。目前MCU依然由海外龙头占据主要份额，尤其是高端工业、车规等价值量大、工艺壁垒高的领域，这使得MCU往往具有更高的国产替代意义。近年来，相当数量的国产厂商已经在工控、汽车等下游应用中深度布局，开始以点带面逐步突破，高质量产品竞争已然如火如荼地进行中。
下面我们将针对MCU行业的分类方式、发展历程、行业现状、市场规模、产业链及相关公司等方向进行梳理，希望对大家了解MCU行业有所启发。
01
行业概述
1、概念
MCU（Micro controller Unit），即单片微型计算机，又称微控制器、单片机，通过将CPU、存储、外围功能都整合在单一芯片上，形成具有控制功能的芯片级计算机。不同于巨型化计算机在运算速度和处理能力的极限提升，我们生产生活中各种仪器设备在计算控制方面的需求相对简易，兼具微型化特征和全面功能的MCU应运而生。
1）中央处理器CPU：包括运算器、控制器和寄存器组。CPU（Central Processing Unit）是MCU内部的核心部件，包括运算器、控制器和寄存器组。运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作，控制部件则按照一定时序协调工作，分析并执行指令。
2）存储器：包括ROM和RAM两种。其中，ROM是程序存储器，即用来存放已编的程序，存储数据掉电后不消失；RAM是数据存储器，也被称为主存，可在程序运行过程中随时写入或读出数据，存储数据在掉电后不能保持。ROM和RAM都可分为片内存储器和片外（扩展）存储器两种。
3）外围功能电路：根据产品需求进行系统软硬件设计，通过I/O接口，与外部电路设备相连接。主要包括P0/P1/P2/P3等数字I/O接口，内部电路含端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器等电路，其中P0为三态双向接口，P1/P2/P3数字I/O端口。MCU中的端口作为数字信号输入或输出口亦具复用功能。
2、分类方式
MCU分类方式众多，最为主要的四大分类模式为：存储器结构、位数、用途、指令集架构。
（1）存储器结构：冯诺依曼结构和哈佛结构
根据存储器结构中程序指令和数据是否位于相同的地址，可将MCU分为冯诺依曼结构和哈佛结构。冯诺伊曼结构：又称为普林斯顿体系结构，特点是将程序存储器和数据存储器合并在一起，使用同一个存储器，经由同一个总线传输。由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，并经同一总线传输，无法重叠执行，因此影响了数据处理速度的提高。哈佛结构：与冯诺依曼结构的区别是其将程序指令存储和数据存储分开，数据和指令的储存可以同时进行，可以使指令和数据有不同的数据宽度，并且各自有自己的总线，适合于数字信号处理。MCU中大部分都是哈佛结构。
（2）位数：8位市场地位稳固，32位占比逐渐提升
从MCU位数来看，可分成8位、16位、32位等。位数是指MCU每次处理数据的宽度，位数越高，MCU数据处理能力越强。其中，8位MCU成本低、便于开发，性能可以满足大部分场景需要，被广泛应用于消费、工业控制、家电和汽车（比如汽车风扇、雨刷天窗等）等下游领域。由于其良好的产品稳定性及高性价比，8位至今仍占据市场重要地位。而对于32位MCU来说，其运算能力更强，能满足高速处理的需求，多用于解决复杂场景问题（比如汽车智能座舱、车身控制等）。
32位MCU占比逐年提高。得益于低功耗、低成本和高稳定性等优势，8位MCU依旧在工控、消费电子和汽车电子等领域维持着较高的占比；随着工艺进步带来的成本下降，32位MCU的成本逐渐接近8位MCU，并且拥有更高的运算能力，份额逐年提高，根据IC Insights预测，2022年全球MCU市场中32位占比将达到67%。而16位MCU的运算性能不如32位产品，性价比又无法与8位MCU相比，市场份额逐步萎缩。
（3）用途：通用型MCU占据主要市场份额
按用途分为将可开发资源全部提供给用户的通用型MCU、按照某种特定用途而设计的专用型MCU、超低功耗MCU、电机控制MCU等，根据芯知汇数据，2020年国内市场上，通用型MCU占比或达到73%（本节中市占率口径均为销售额）。
（4）指令集架构：RISC类MCU市场份额76%
MCU的另一主流分类标准为指令系统，即CISC（复杂指令集）或RISC（精简指令集）。根据芯知汇统计，CISC和RISC指令集MCU市场占比分别约为24%和76%，其中RISC指令集产品市场份额占比较高。
CISC（复杂指令集）的指令格式和指令大小不固定，每条指令按照规范设计为最合适的格式和大小，每条指令执行的时间不一样，以此来追求更强的处理能力。RISC（精简指令集）的指令长度是固定的，并且采取流水线的概念，将处理过程划分为多个阶段，每个时钟周期可以执行一条指令，执行部分并行处理。CISC指令能力强，但CPU复杂度较高，RISC指令较为固定，优化了编译流程。
3、ARM架构为当前MCU主流
MCU主要的ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V等程序架构均属于RISC指令集。
1）ARM内核：是英国Acorn公司设计的低功耗、低成本的第一款RISC微处理器。ARM生态建设比较完善，促使主要厂商纷纷迁移到32位MCU产品开发，成为目前主流架构。全球前十大MCU厂商32位产品均有导入ARM架构。ARM Cortex包括三大类，分别为A系列、R系列和M系列。在不同应用领域具体内核不同，A系列主打算力，比如手机、服务器等；R系列主要用于实时系统（比如汽车底盘和控制系统）；最早集成到芯片级的是Cortex-M系列，主要面向各类嵌入式MCU。
2）MIPS：即无内部互锁流水级的微处理器，其原理是尽可能利用软件手段避免流水线中的数据问题。MIPS是最早一批实现商业化的RISC架构之一，被广泛应用于RISC CPU，例如Sony和Nintendo的游戏机、Cisco路由器和SGI超级计算机等。
3）PowerPC：具有较好的嵌入式表现。PowerPC是1991年由Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。性能优异、能量损耗低，基于PowerPC的处理器嵌入式表现十分出色。
4）RISC-V：是基于精简指令集的的开源指令集架构。RISC-V最大的特点就是开源，RISC-V指令集可以自由地被应用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。RISC-V指令集在提升芯片性能、降低功耗方面更容易。目前NXP、瑞萨、Microchip等国际MCU厂商以及兆易创新、中微半导、乐鑫科技等国内MCU厂均已推出RISC-V架构MCU，SiFive、芯来、平头哥、晶心等厂商正在研发RISC-V内核。
从市场份额看，ARM架构为当前MCU主流。根据芯知汇数据，ARM Cortex-M内核产品合计占比过半，达到52%，是市场主流，被广泛应用于手机、平板等智能移动终端；同时，随着汽车智能化发展，ARM架构的MCU芯片也被应用于汽车中控娱乐中，市场潜在空间进一步打开。在中国市场，根据芯知汇报道，ARM Cortex-M0的占比最高为20%，其次为Cortex-M3市场份额达到14%，ARM Cortex-M23虽然性能领先、但市占率仅1%。除ARM架构外，RISC-V作为新兴的精简指令集架构，2021年市场份额也达到1%。
02
行业发展历程
MCU从上世纪70年代推出，至今已有约50年的历史，不同时间段诞生了不同的MCU架构，助力了不同的MCU大厂先后快速崛起。
1970s-1980s：MCU初露萌芽，Intel架构主导。MCU起源于1971年，率先由Intel设计出集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器Intel4004，而后又推出了8位微处理器Intel8008；在1981年，Intel推出8051MCU，从此MCU逐渐成为主流产品，主要应用于小型计算机、航空航天等领域。从上世纪70年代到90年代初，市场主流MCU采用Intel架构，架构具有很强的稳定性，支持8位MCU蓬勃发展。在当时，飞利浦的逻辑IC事业部（后于2006年成立NXP）等老牌MCU厂商都是Intel架构的受益者。
1990s-21世纪初：各家架构百花齐放。进入上世纪90年代之后，基于哈佛架构的AVR单片机开发成功，主要应用于计算及外部设备、工业控制、仪表、家电、通讯设备等，AVR单片机最先得到Atmel支持，AVR单片机具有创新的系统架构、更高的集成度、同时搭配Atmel自有的Flash工艺，在性能和功耗上相较于之前的冯•诺依曼架构产品均有较好表现。与此同时，各家积极开发自有的架构及内核，成立于2003年的瑞萨采用自有的瑞萨内核，此外还有微芯的PIC系列、前Atmel的AVR系列、前飞思卡尔的HC05和HC08系列、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430系列等。
2007至今：ARM架构异军突起，迅速占领32位MCU市场。应用侧对性能处理要求逐步提升，传统8位和16位MCU已经不能满足市场需求，32位MCU渐成主流。最初，各家基于自身架构开发32位MCU，但之后由于标准化的ARM架构推出，ARM架构各种内核间具有代码兼容性和软件兼容性，用户能够轻易在使用ARM架构的厂商间切换，因此大部分自研32位架构均被ARM架构取代。
03
市场及行业现状
1、MCU市场需求旺盛
市场需求持续向好。受益于AIOT、工业控制、汽车电子等应用的蓬勃发展，全球MCU市场规模和出货量触底反弹。在行业高景气度的2021年，全球MCU出货量同比增长12%达到了近309亿颗的历史最高水平，同时受产能限制等因素影响，ASP强劲反弹10%达到0.64美元，且将保持高增态势有望于2026年突破0.75美元。根据IC Insights数据及预测，2021年全球MCU市场规模约196亿美元，同比增长23.4%，预计至2026年将以6.7%的复合增速达到272亿美元；2021年全球MCU的出货量约为309亿颗，至2026年预计将达到358亿颗。
2、国内市场增速高于全球市场
根据IHS数据统计，2015-2020年中国MCU市场CAGR为8.4%，同期全球市场几乎没有增长，同时该机构预计2021年中国MCU市场增长36%（高于全球市场增速的23.4%）至365亿元。得益于国内物联网和新能源汽车市场在全球具有的高影响力和不俗增长，未来数年MCU发展将迈入一个新的台阶，IHS预测至2026年中国MCU市场规模或以约7%的CAGR提升至513亿元。
3、海外企业占据绝对领先地位，国产替代空间广阔
根据Omdia数据，全球竞争格局来看，MCU龙头厂商保持了较高的市占率，行业集中度相对较高。根据Omdia统计，2021年全球前5大MCU生产厂商分别为NXP（17.3%）、瑞萨电子（16.8%）、意法半导体（15.4%）、英飞凌（13.9%）以及微芯科技（12.6%），CR5约76%。我国MCU市场大部分份额同样被海外巨头占据。根据CSIA数据，2019年中国前5大MCU生产厂商分别为意法半导体（20.9%）、NXP（20.2%）、微芯科技（14.2%）、瑞萨电子（13.0%）以及英飞凌（6.2%），CR5约74%，国内厂商主要在消费和中低端工控领域竞争，汽车、高端工控等市场国产化率较低，兆易创新等企业已开始突破。
04
产业链分析
从MCU产业链来看，原厂位于中游位置，上游主要有原材料厂商、设备厂商等，Fabless型相比IDM型额外需要晶圆代工厂商支持，下游通过经销商向终端应用分散，包括汽车、工控、消费、通信等不同领域。
1、中游
MCU行业本身变化不快，制程工艺等要求并不高（40nm即可满足主要需求），先发厂商凭借产能、技术、渠道、产品生态等的优势产生规模效应，不断加固护城河，新进入者很少有创新以及弯道超车的机会。
产能优势至关重要。同等条件下，下游客户会优先考虑具有稳定产能供给的IDM公司，对Fabless公司的交期有较高要求，2021年全球MCU前七的厂商均采用IDM模式，前十中仅兆易创新和siliconlab为fabless，其余均为IDM运营。同时，巨头之间的兼并收购也是MCU行业的常态，NXP 2015年收购飞思卡尔、英飞凌2020年收购赛普拉斯。
经销为主，同时直销力度加大。MCU行业具有客户众多、订单少量多样的特点，一般厂商多采取经销为主的销售模式，尤其对于Fabless运营的中小规模设计企业来说，耗费巨大精力培育直销团队经济效益未必划算。近年来国际领先厂商对于直销渠道重视程度加大，龙头厂商大力改善销售策略，进一步拉开了与中小竞争者的差距。
货期有所缩短。进入2022年四季度以来，多数产品的货期缩短到两年以来新低，MCU的货期也有所缩短，但仍处于较高水平。根据数据，在2022Q4最新的MCU货期统计中，仅有英飞凌的汽车芯片仍呈“配货”状态，瑞萨、意法半导体、恩智浦等汽车芯片跳转至“紧缺”状态，供货环比有所缓解。MCU紧缺与否与芯片整体行情强相关，通用、消费类及低端工业类MCU原厂价格趋于稳定，汽车、高端工控相关的MCU仍然存在紧缺情况。
在当前MCU市场缺货行情持续的情况下，本土MCU产业链有望加速产品的市场拓展，提升产品的价值量或出货量，从而充分受益于MCU市场高涨的应用需求，国内企业包括中颖电子、兆易创新、华润微、芯海科技、士兰微、乐鑫科技、东软载波、上海贝岭等。
产品生态是终端客户的使用习惯，需要培养。缺货行情之前，客户对于国产MCU使用意愿较低的很大一部分原因在于软件易用程度较差，客户宁可接受价格更高的ST MCU。软件能力在产品生态中举足轻重，国产厂商大多采取pin to pin国外芯片的策略，客户软件若不是基于国产厂商的软件开发，再转回其他兼容ST产品会比较容易。为了提高用户粘性，需要厂商提高软件能力，促使客户基于自身软件工具进行开发，构筑自身软硬件生态就显得尤为重要。MCU龙头意法半导体近年来实现口碑与销量双丰收，生态系统功不可没，其以STM32Cube为核心，搭建了涵盖软硬件开发和合作伙伴计划的强大的生态，兆易创新在生态发展方面走在了国产前列，具有先发优势。
2、下游
MCU下游应用广泛，主要覆盖六大下游市场。根据IC Insights最新数据，全球市场而言，汽车电子是最大的应用，市场占比达到33%；其次为工业应用占据25%的市场份额，剩下的42%分布于计算机与网络（23%）、消费电子和家电、物联网，以及智能安全等应用领域。而国内市场主要集中在消费电子领域，2020年国内MCU下游中，消费电子占比达到25.7%，国内汽车电子的市场份额仅14.9%。
（1）汽车电子：全球MCU市场增长主要驱动力
随着新能源汽车智能化程度及边界的不断拓展，车规级MCU芯片在汽车电子中的应用场景也不断丰富，涵盖逆变器控制、发动机和电池管理、变速箱控制、安全控制、ADAS、主动悬架、LED照明、传感器融合等几十个次系统中。每一个功能的实现背后都需要复杂的电子控制单元ECU支撑，MCU均起到了重要作用。同时，汽车不断向电气化、电子化、智能化转变，MCU产品需求日趋旺盛，单车价值量不断扩大。
1）车规级MCU较一般通用MCU具有更高的技术壁垒
车规级电子设备的技术要求要远高于一般性电子产品，具有显著的工艺技术和客户认证壁垒。车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高，产品整体研发周期长、投资规模大，企业需要较长时间的技术积累和经验沉淀实现技术突破，形成了较高的行业壁垒；车规级半导体对汽车的安全性和功能性起到至关重要的作用，认证周期和供货周期较长，因此车企与芯片厂商在形成稳定的合作关系后，就很难在原有车型上再次更换供应商。
2）车用MCU以32位芯片为主
车载MCU位数越多对应结构越复杂，处理能力越强，可实现的功能越多。8位MCU主要用于简单车身控制，如空调、雨刷、门窗、座椅、低端仪表盘等；16位MCU主要用于中端的底盘和低端发动机控制，如制动、转向、悬架、刹车等；32位MCU主要用于高端的发动机和车身控制，如高端仪表盘、高端发动机、多媒体信息系统、安全系统等。随着汽车架构集成度、功能复杂度提升，对MCU的运算能力也将提出更高的要求，未来32位车规级MCU需求将进一步提升。2020年，32位车用MCU占比超62%，成为应用最广的MCU类型。
3）汽车MCU市场具备较高的市场集中度
从全球市场竞争格局来看，国际厂商在车规级半导体领域中占据领先地位，根据英飞凌数据，2021年全球MCU市场TOP5瑞萨电子、恩智浦、英飞凌（包含赛普拉斯）、德州仪器、微芯科技市占率超过90%。国内车规级MCU起步较晚，目前市场份额尚低，兆易创新、复旦微、芯海科技、中颖电子、国芯科技、杰发科技、芯旺微、比亚迪半导体等厂商均在发力车规级MCU产品并已陆续通过AEC-Q100认证，领先厂商已量产或即将推出车规级MCU产品，国产厂商有望逐步取得突破。
4）MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一
电动化、智能化、网联化是汽车产业转型升级的重要方向。汽车电动化对执行层中动力、制动、转向、变速等系统的影响更为直接，其对功率半导体、执行器的需求相比传统燃油车增长明显。汽车的智能化、网联化带来的新型器件需求主要在感知层和决策层，包括摄像头、雷达、IMU/GPS、V2X、ECU等，直接拉动各类传感器芯片和计算芯片的增长。电动化是汽车产业从燃油车时代走向节能环保时代的基本的要求，可以视为产业转型升级的上半程，近年来已取得不俗进展，而下半程智能化是提升用户体验的核心，随着汽车半导体行业技术演进和需求升级，智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场，接力电动化成为重要驱动力，MCU作为核心算力芯片有望深度受益。
5）单车MCU价值量提升核心逻辑
单车MCU价值量提升核心逻辑：1）配置区域增加，应用领域由传统底盘延伸至整车，随着汽车电子化发展，ECU逐渐占领整个汽车，遍布车身控制、座舱、动力总成、底盘安全、新能源三电、ADAS智能驾驶等域；2）芯片算力和集成度提升，高性能MCU占比提高，产品升级驱动ASP增长。
新能源汽车MCU用量更多。与燃油车相比，新能源汽车以电机替代了汽油发动机并增加了动力电池，电池管理系统和整车控制器应用的增加将驱动MCU用量的增长。根据Gartner和国际汽车制造商协会数据，平均单车配置约25颗MCU。而电动车型唐的MCU数量增加到了55颗，用量大幅增加。
6）汽车电子电气架构（E/E）重构下MCU ASP有望稳步上行
传统汽车使用的分布式ECU架构大多基于成熟工艺的MCU芯片，靠增加ECU的数量或针对单个ECU进行MCU芯片的替代来提升汽车性能。为了突破ECU的性能瓶颈，博世在2015年描绘出了全新的汽车电子电气架构技术路线图，率先提出DCU（域控制器）这一概念，将汽车电子部件功能由整车划分为动力总成，智能座舱和自动驾驶等几个区域，利用处理能力更强的控制器芯片相对集中地控制每个域，以取代目前分布式电子电气架构。
传统架构下，ECU与所需MCU的数量基本上为1：1，在域集中架构下，DCU的算力需求显著提升，一块DCU配置的计算芯片将超过2颗，其中高性能MCU（兼具跨域功能）和各式异构SoC将蚕食过去低端MCU的市场。而在核心计算模块以外的各细分车域执行端，MCU必不可少。可以预见到的趋势是单车MCU在用量保持基本稳定的同时，高端品类占比将逐步提升，整体汽车MCU ASP稳步向上。
（2）工业控制：复杂度提升，MCU需求长期量价双升
工业级MCU应用十分广泛，其功能主要是电机控制运算和数据采集控制等，一个完整的工业控制系统通常分为监视层、控制层、现场层三层架构，而其中位于控制层的可编辑逻辑控制器（PLC）、现场层的仪表和电机/变频器被称之为三大核心支柱，工控系统的整体性能往往伴随着上述部件的优化升级而提升，而在其中发挥核心“大脑”作用的MCU更是首要升级目标，增加系统节点、提高控制精度、提升通信连接安全性、降低功耗等需求在工业控制领域具有长期可持续性，工业级MCU市场稳步向好。
工业客户主要考虑可靠性、模拟性能、供货稳定性、方案成熟度。工业控制主要分为现场层和控制层两个层次，相对应的，MCU需要具备丰富外设、超低功耗、高控制力三项条件。工业类MCU的关键特性有EMI（电磁干扰）、EMC（电磁兼容性），从功能上来说，在理想环境中表现不出这些特性，需要经过严格的稳定性测试可以测出。
电源能源、电机控制等也是重要的增长动力。受益本土工业设备崛起，国产市场迎来快速增长，总量和国产化率同步增加。
1）工厂自动化带来效率品质双提升，MCU功不可没
工厂自动化驱动PLC用MCU性能提升。根据雅特力官网介绍，传统工厂升级成为智能工厂需要将老旧的机器设备进行可程序化逻辑控制器（PLC）和传感器（Sensor）对接，利用Sensor前端采集资料，可视化的设备进行数据分析，通过通讯设备将资料传输至控制器做实时监控，最后回传到云端管理，形成完整的工业联网。从上述路径可知，用于信号撷取和驱动控制的PLC对系统处理的要求与日俱增，PLC发展趋势体现在向高速度/大容量演进、超大型场景增加、联网通信能力增强、外部故障的检测与处理能力提升，以及编程语言多样化。与之对应的，传统8位MCU已无法满足制造商的需求，采用32位MCU能达到更好的性能要求。
中国自动化市场增速创新高，MCU厂商与工业客户相辅相成推进国产化进程。近年来，随着我国制造业的逐渐升级，数控机床、精密机械、锂电设备、3C电子、新能源汽车、机器人等科技含量更高的新兴产业逐渐成为国内制造业的重要成分。根据MIR DATABANK数据，2021年中国整体自动化市场规模为2923亿元，同比增长16.8%，同时内资厂商市场经过多年的技术提升，本土化供应链优势逐渐展现，市场份额有所提升，根据MIR DATABANK数据表明，2021年在中国低压变频器、伺服、传感器、小PLC市场中，本土品牌份额均有提升，其中伺服市场份额提升最快。MCU作为重要的上游电子零部件，行业内领先厂商已与国内自动化客户建立了深厚的合作关系，未来有望不断打开新的发展局面。
2）MCU是电机驱动与控制应用中不可或缺的核心器件
驱动电机的作用是将电源的电能转化为机械能，通过传动装置或直接驱动工作装置。电机在现代生活中无处不在，除汽车领域外，根据国际能源署的数据，电机占全球总电力消耗的45%，因此电机驱动电子产品的可靠性和能效会对下游各种应用的舒适性、便利性和环境产生影响。电机驱动系统对控制的精准度具有极高的要求，所以对作为核心控制元器件的MCU也提出了很高的要求，同时能耗、可靠性、效率以及使用寿命等指标都与MCU的性能息息相关。正因为下游需求的多样化，在电机控制领域更易出现专门针对一类行业、应用去开发的MCU产品，根据主要应用场景的功能需求差异，主要有侧重高能效的家电类、侧重控制精度和安全性的工控类、侧重集成度与性价比的电动工具及高端消费类，受益于电机控制领域的百花齐放特征，国产MCU厂商根据自身优势深耕特定客户、行业，在部分细分领域已初步完成国产替代。
无刷电机驱动控制的市场不断增长。与其他类型电机相比，无刷直流电机（BLDC）具有电机效率高、驱动控制方式多样化、驱动控制算法复杂、可靠性高、噪音低、能耗低等优势，可在较宽调速范围内实现快响应、高精度的变速效果，充分契合终端应用领域对节能降耗、智能控制、用户体验等越来越高的要求，BLDC下游应用市场广泛且不断扩展。根据Grandview research数据，全球BLDC市场规模预计将由2021年的179亿美元增长到2028年的263亿美元，复合增速约5.7%。以峰岹科技招股书中对日本电产2016-2020五个会计年度平均毛利率23.82%、电机驱动控制芯片成本占BLDC电机成本比例25%两项数据为基础进行测算，目前全球BLDC驱动控制芯片市场规模在34亿美元左右，通用电机驱动控制系统中除主控制芯片MCU外还包含LDO、运放、比较器、预驱动，以及部分MOS，考虑到在整套系统中的核心地位，MCU应为价值量最大品类。
电机芯片平台化及一体化解决方案大势所趋，国产厂商寻求突破。板级器件的精简化程度，以及平台软件的完善程度和开发便捷性，逐渐成为电机MCU厂商新的竞争焦点。为提高电机控制芯片的可靠性、控制性能，降低控制系统体积以适应BLDC电机小型化、定制化的发展趋势，BLDC电机驱动控制架构由完全分立逐步向全集成模块发展。而在软件方面，国产厂商致力于完善开发平台，针对不同下游需求搭建产品方案，以及完善的支持调试文档及上位机辅助开发，助力于电机方案开发，加快国产替代步伐。
3）能源革命推动MCU需求增长
MCU是光伏发电控制逆变系统的核心。在光伏控制逆变器中，MCU主要用于对蓄电池的充放电进行管理，收集蓄电池电压、开关信号及输出电流等信息，根据事先写入的程序运算处理后输出电池管理及电路保护等控制信号。同时，MCU也能提供过载、短路保护，一方面根据过载程度的不同确定启动保护的时间点；另一方面，一旦电路发生短路，能够立刻切断振荡信号和电源。
光伏新增装机放量叠加存量替代空间扩大，逆变器渗透率提升将带动上游工业MCU需求增长。光伏新增装机速度逐年提升，市场需求不断扩大，作为光伏电站系统核心的逆变器有望实现放量。此外，存量市场方面，考虑到光伏逆变器寿命一般在10年左右，当前存量替换需求主要来自2010年前后分布于欧洲地区的光伏装机。国内光伏装机于2013年起腾飞，因此预计未来2-3年国内存量替换市场也将不断扩大。综上，光伏装机增量与存量的相互作用，将带动光伏逆变器渗透率不断提升、从而为MCU市场带来增量需求。
储能角度，MCU有望受益于全球储能锂电池出货的迅速增长，打开市场空间。在BMS电池管理系统中，MCU用于对前端AFE采集的信息进行运算处理，从而实现对储能电池的监控与保护。据EVtank测算，2021年全球储能锂电池出货量达到66.3GWh，预计2025年将迅速拉升至243.7GWh。随着储能锂电池的需求放量，MCU作为BMS系统的组成部分，有望实现规模增长。
（3）消费电子：新兴应用层出不穷
在目前国内的MCU市场中，消费电子仍是最大的下游。MCU凭借其低功耗、性价比和稳定性高等优势在泛消费电子领域有非常丰富的应用场景，包括PC、手机、平板、智能穿戴和TWS耳机等。随着IoT技术的不断发展，在万物互联的需求推动下，各类新兴智能终端为MCU提供了成长空间。
MCU在物联网系统中扮演核心角色，在远程控制、数据收集、监控和分析方面发挥关键作用，具有传感器和网络接口的MCU可以为汽车、工业自动化、仪器仪表、医疗和保健设备、家用电器、消费产品和可穿戴电子产品提供物联网连接。目前先进的物联网传感器节点整合了传感器功能，并使用8/32位MCU来运行RF协议栈。
随着物联网技术的不断优化，智能家居市场火热，但大多各自为战打造自家生态，出现了平台之间无法互联的痛点。“碎片化”的使用体验也导致了这一市场与最初万物互联的设想背道而驰。为解决这一问题，2021年Google、Apple、Amazon等科技巨头联合推出了一项新的物联网连接协议Matter，旨在打破家居设备跨平台互联的壁垒，提高智能设备互联的简单性、互操性、可靠性和安全性。越来越多的软硬件厂商加入了支持Matter协议的阵营。
根据Grandview research数据，2021年物联网相关MCU的总销售额达到46.9亿美元，同时预计至2030年，物联网相关MCU的收入将以12.7%的复合增速达到约122亿美元。随着物联网技术的发展、海量数据以及场景融合（医疗、消费、工控等领域协同），更强大的计算处理能力呼之欲出，推动设备向32位高端MCU升级。根据Iot analytics的展望，到2025年，全球将有超过300亿终端连接到物联网，人均近4台设备，较2019年这一数据实现超两倍的增长。
智能手表/手环为迅速崛起的新兴智能应用场景。智能手表、手环等通常标配一颗MCU用于通讯、感知、音频DSP等功能。受制于终端产品体积，往往无法承载大容量电池和过多元器件，目前智能穿戴设备主要采取低功耗MCU+低功耗蓝牙通讯方案+传感器+电源的集成解决方案。该方案主要依靠MCU为主控芯片，控制蓝牙、传感器、电源、LED屏等诸多器件。根据GlobalNewsWire数据，2020年全球智能手表市场规模约为186.2亿美元，该市场预计将以14.9%的CAGR，从2021年的220.2亿美元增长到2028年的582.1亿美元。
3、国产MCU厂商加速崛起
国内厂商芯片设计与制造能力均在快速发展，目前已部分具备了国产替代基础：
（1）从设计能力看，国产MCU的技术参数在部分领域可以比肩国际大厂
随着国内MCU设计经验的不断迭代，在消费电子、工业控制等领域，部分产品的技术水平已经基本齐平海外厂商，一些参数指标甚至更优。根据中微半导体招股说明书的具体性能参数对比可以发现，国内MCU在耳机、电子烟等消费电子领域、家电控制领域、电机与电池管理领域，均能有不错的性能表现。此外，国内头部MCU厂商兆易创新在2019年推出的GD32V系列，更是全球首个基于RISC-V内核的通用MCU产品，可以被广泛应用于工业控制、消费电子、物联网等主流应用市场。如此可说明国产MCU厂商已经拥有了较为深厚的研发基础和设计能力，未来也具备进一步迭代更新、在更高端领域实现技术突破的实力。
（2）从工艺制造看，MCU工艺节点集中在40nm及以上的成熟制程，国内代工厂已经具备相应的制造能力
一方面系MCU本身对算力要求有限，对先进制程需求不高，另一方面，MCU内置的嵌入式存储自身制程也限制了MCU制程的提升。全球MCU制造目前主要是40nm及以上的成熟制程工艺节点，比较先进的车用MCU产品可能会部分采用28nm制程。从国内代工厂的工艺节点覆盖范围看，MCU所需的成熟制程并不构成工艺壁垒。随着代工厂在28nm技术的持续优化，国内MCU厂商与代工厂加强协作，有望共同推动国产MCU性能再上一个台阶，实现无论是车规级还是消费级产品，均有望实现显著突破。
05
技术演进趋势
1、更低的功耗、更大的内存、更新的工艺是永恒的主题
（1）低功耗
MCU总功耗受工作模式电流、睡眠模式电流和工作模式持续时间的影响。可穿戴设备、消费电子以及采用电池供电的物联网设备，对MCU等器件功耗的要求愈来愈高。32位MCU一般主频更高、工作电流相应更大、处理速度更快，可以通过更快地完成处理任务和更快地进入睡眠模式来节省电量。随着低功耗场景越来越多，如何在特定应用中兼顾到两种模式下的综合效能，成为了MCU厂商产品设计中的重要命题。STM32的超低功耗型是非常庞大的产品系列，已成为IoT、工业传感器、可穿戴设备或家庭自动化等超过20亿个应用程序的核心。
（2）大内存
内存方面，随着总线位数增加，内存长度必然增加。另外在32位MCU时代，软件API调用大幅增加，内存使用相应提升，需要通过提高硬件性能补偿程序效率的相对损失，更大的内存是基础。
（3）新工艺
工艺方面不断进步，为高性能和低功耗提供硬件基础。前段制造从最初的0.5μm、0.4μm工艺，进步到了主流的90nm、55nm工艺，目前主要是40nm及以上的成熟制程工艺节点，先进车规级MCU已采用28nm制程。近年来全球MCU制程升级节奏放缓，主要系：1）MCU本身对算力要求有限；2）内置的嵌入式存储自身制程限制整体制程的提升。
2、随着AIOT和汽车电子等的蓬勃发展，MCU+渐成风潮
物联网场景下各种终端设备配置的功能呈现井喷之势，如智能手表需要兼具健康测量、生物识别、移动支付、社交等多项功能，对于传统MCU而言，需要添加越来越多的外设器件才能满足这些新兴需求。传感器的升级提高了模拟信号的处理要求，于是有了MCU+AFE的方案，无线应用的普及催生了MCU+蓝牙/Wifi，MCU+解决方案提升了集成度，为客户降本增效，同时也提高了技术门槛，利于产业化发展，更加符合当下技术迭代和需求升级的背景。
（1）安全
物联网场景和外购内核驱动MCU安全性要求提高。物联网的典型应用，如智能门锁、智能表计等都有天然的安全性要求，且AIOT时代有大量碎片化设备，增加了黑客攻击的潜在风险。早期8位和16位MCU盛行时，主流公司基本都是采用自研内核，之后随着计算要求越来越复杂，内核厂商开始出现，ARM CortexM系列占据市场主流地位，各大设计厂商在利用Arm内核自身的安全性之余，也会加入非常多自研的安全性设计进去。
（2）智能化
MCU+AI加速器正在变得越来越流行。在现行AI运作流程中，云端/服务器端执行了核心的计算功能，高性能/算力的GPU、CPU及其他特定芯片为主力芯片，而在执行端，这部分设备或终端所需要的算力并不太高，利用MCU/嵌入式系统去配合执行AI算法变得行之有效。
（3）无线连接
MCU是物联网系统的核心，负责处理数据的同时需要控制无线收发器件。故需MCU厂商在各种无线连接通信协议的集成和支持上加大投入。此外，MCU和射频收发器节能技术的结合，在降低功耗方面也能发挥不错的效果。
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国内相关公司
1、兆易创新
兆易创新是国内领先的半导体设计公司。产品广泛应用于手机、平板电脑等消费类电子、物联网终端、汽车电子及工业控制设备等领域。主要业务为存储芯片（包括闪存产品和DRAM）、微控制器（MCU）和传感器。借助传统主业NOR Flash的渠道和客户优势，三项业务有望实现协同，为客户提供从感知、存储、控制到电源管理的全套解决方案。兆易创新GD32 MCU是中国高性能通用MCU领域的领跑者，中国最大的Arm® MCU家族，中国第一个推出的Arm® Cortex®-M3、Cortex®-M4、Cortex®-M23及Cortex®-M33内核通用MCU产品系列，并在全球范围内首个推出RISC-V内核通用32位MCU产品系列，已经发展成为中国32位通用MCU市场的主流之选。近年来，随着公司产能端弹性释放，以及产品和客户结构的不断改善，高性能/低功耗/无线/车规全面突破，“MCU百货商店”日臻完善，MCU业务迎来快速发展机遇。
2、中颖电子
公司是国内知名的智能家电MCU供应商，主要产品有MCU、锂电池管理和OLED显示驱动芯片。公司在小家电MCU处于领先地位，并逐步向白电MCU拓展，2022年上半年，智能家电控制MCU占公司销售约近四成。大家电主控MCU是一个发展比较平稳的行业，特别需要长时间的耕耘，2021年全球MCU缺货情况严重，国内白色家电生产厂家著重引进国产MCU作为辅配方案，公司成为白色家电生产厂家国产替代MCU的主要选择。国外IDM大厂将供应重心放在汽车电子应用领域，导致国内白电MCU应用市场国产化进程加快，公司在变频大家电领域获得量产突破。公司在白色家电MCU行业的市占率可望再提高，持续提供业绩的成长动能。未来小家电行业有朝向智能化，高端化发展的趋势，必然还会带来MCU的升级换代，公司已在小家电的大型客户端率先量产了32位MCU，凭藉公司高品质和全面性支持的产品特性，公司预期在小家电市场的营业额也将会进一步扩大。未来整体家电市场有向智能化，高端化发展的趋势，公司响应市场的变化，积极投入55nm/40nm，12英寸晶圆制程产品的研发工作，并藉以打开8寸晶圆的产能限制。
3、乐鑫科技
物联网Wi-Fi MCU龙头，产品线不断拓宽。公司成立于2008年，主要从事物联网Wi-Fi MCU通信芯片及其模组的研发、设计及销售，主要产品Wi-Fi MCU是智能家居、智能可穿戴设备、传感设备及工业控制等物联网领域的核心通信芯片。公司现已成为全球最大的物联网Wi-Fi MCU供应商，根据半导体行业调查机构TSR数据，公司是该领域2021年度全球出货量第一，产品具有较强的国际市场竞争力。公司自成立以来深耕Wi-Fi MCU领域，研发实力领先技术积累深厚，同时料号数愈发丰富、产品矩阵逐步完善，目前产品线已拓展至Wireless SoC领域。
4、芯海科技
“模拟信号链+MCU”双平台驱动。芯海科技成立于2003年，是一家集感知、计算、控制、连接于一体的全信号链集成电路设计企业。经过近20年的发展，公司目前已经建立起三大产品线：模拟信号链、MCU以及健康测量AIOT芯片，主要产品已广泛应用于工业测量与工业控制、通信与计算机、锂电管理、消费电子、汽车电子、智慧家居、智慧健康等领域。作为一家芯片设计公司，公司配备有强大的研发团队，截至2022年上半年，研发人员占比超过60%，核心技术人员均有10年以上的工作经验，累计拥有已授权专利近350件，全球专利申请近800件。
布局车规级MCU领域。公司进一步将产品布局延伸至汽车电子市场，作为国内领先MCU厂商，芯海科技于2021年末发布“汽车MCU芯片研发及产业化”可转债募集项目，拟募集不超过2.94亿元资金用于车规级端控制和域控制MCU的研发，该募集项目于2022年3月正式获证监会批准。目前，公司车规级MCU产品研发进展顺利，未来有望成为公司发展重要一极。
5、中微半导
公司是国内少有的以MCU为核心的平台型芯片设计企业，力求为智能控制器提供芯片级一站式整体解决方案。自2001年成立以来，公司围绕智能控制器所需芯片及底层算法进行技术布局，不断拓展自主设计能力，具备8位和32位MCU、高精度模拟、功率驱动、功率器件、无线射频和底层核心算法的设计能力，积累的自主IP超过1,000个。目前在售产品主要包括家电控制芯片、消费电子芯片、电机与电池芯片、传感器信号处理芯片、功率器件芯片和汽车电子芯片等，广泛应用于智能家电消费电子、电机与电池、医疗健康、物联网等领域。
“大客户&大家电”战略推进顺利，进一步打开成长空间。根据产业在线数据显示，目前我国三大白电的MCU需求量已经从2017年的5.7亿颗增长至2022超过7亿颗，而目前家电MCU绝大部分市场份额仍被海外龙头厂商所占据，国产替代空间较大。公司以小家电控制芯片起步，经过近20年的发展，公司目前已研发出在高温、高压等恶劣环境下能够长期可靠运行的、具有高集成度的高性能家电控制芯片。公司家电控制芯片从小客户走向大客户，从小家电走向大家电。目前，美的、海尔、格力、万和、苏泊尔等知名家电企业是公司终端客户；产品广泛应用于热水器、电磁炉、微波炉、燃气灶、油烟机等小家电电器并占有较高的市场地位，在大家电领域，空调、冰箱、洗衣机等控制芯片销量增速较快。公司面向空调室外机主控和工控领域的高性能MCU已经流片并向市场推广。该款产品一颗芯片可同时实现压缩机、风机、PFC控制和系统控制，大大降低BOM数量和系统成本，标志公司产品在大家电控制领域的全面突破。
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参考研报
1.华创证券-半导体行业深度研究报告：国产替代进阶，国内MCU厂商砥砺前行
2.国泰君安-半导体行业：国产化浪潮持续，国内MCU厂商快速发展
3.中信证券-电子行业汽车电子专题：汽车MCU，芯片紧缺持续，国产替代加速
4.长城证券-电子元器件行业深度报告：汽车电子、物联网带动MCU需求快速成长，芯片缺货潮有望加速国产化进程
5.东吴证券-电子行业周报：MCU供不应求，本土产业链有望充分受益
6.招商证券-半导体行业深度专题之九：MCU篇，MCU缺货涨价背后的国产化浪潮
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