一度出現(xiàn)的缺芯潮令許多非專業(yè)人士也熟悉了微控制器（MCU）這個專業(yè)名詞。近來MCU市場再次暗潮涌動，國際MCU大廠紛紛推出基于ARM Cortex-M0+內(nèi)核的低成本MCU，旨在替代8位MCU。以32位MCU替代8位MCU是領(lǐng)域內(nèi)的一個長期話題，此番重新被炒熱，反映出MCU行業(yè)的何種動向？


01
8位MCU歷久不衰的秘訣何在？

一個產(chǎn)品是MCU還是MPU（Micro Processor Unit），簡單來說就是看它是否可以在沒有外部存儲器或其他外圍電路的情況下運行，而MCU除了CPU內(nèi)核本身之外，一般都是SRAM（用于程序操作/數(shù)據(jù)存儲）和閃存（大多數(shù)用于程序存儲，但有時用于數(shù)據(jù)存儲），外圍電路。它配備了時鐘，外圍I / O，甚至PMIC，只要外部提供電源，它將自行運行。MPU基本上具有外部存儲器，并將其用作程序存儲區(qū)域。

但是，有了這個定義，例如，ScratchPad區(qū)域中的SRAM呢（這很麻煩，因為有時有些東西可以在這里放置代碼），或者Xeon MAX MCU是否具有64GB HBM2e封裝并且在沒有外部DRAM的情況下運行？

另一個定義是MMU（內(nèi)存管理單元）在MPU上運行，而MPU（內(nèi)存保護單元）運行或（盡管現(xiàn)在數(shù)量不多）還有一個分類，即MCU首先沒有內(nèi)存管理單元。簡而言之，它是虛擬內(nèi)存是否有效。

適用于特定應(yīng)用程序的控制處理，以及各種控制電路不可缺少的組成部分。隨著智能家居、電動汽車、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用市場的發(fā)展， MCU芯片已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。據(jù)IC Insights 統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2021年MCU銷量超過290億個，市場規(guī)模達到185億美元。并預計從2021年到2026年，MCU總銷售額預計將以6.7%的復合年增長率增長，2026年市場規(guī)模將達到272億美元，市場空間廣闊。

根據(jù)總線或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，MCU可以被劃分為4位、8位、16位、32位以及64位微處理器，數(shù)據(jù)處理能力越來越強，應(yīng)用場景變得更加復雜。目前，雖然市場更青睞32位MCU，但8位MCU仍占據(jù)著巨大的市場。市場上許多小型家電和電子產(chǎn)品仍使用8位MCU芯片，8位MCU應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在電動玩具、鍵盤和USB設(shè)備上。

回顧MCU產(chǎn)業(yè)歷程，1976年，8位MCU第一次面世，隨后很快便進入了黃金時代，成為電子行業(yè)廣為應(yīng)用的器件。但是，隨著技術(shù)的進步，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的新設(shè)計問世，8位MCU開始逐漸無法滿足人們的需求。

之后，16位，32位MCU的出現(xiàn)給8位MCU帶來了較大威脅，不少廠商開始放棄8位MCU，轉(zhuǎn)身投入超低功耗32位MCU的研究。

20世紀90年代，隨著消費電子產(chǎn)品的蓬勃發(fā)展，32位MCU出現(xiàn)迅速取代16位MCU的高端地位，并且進入主流市場并發(fā)展到現(xiàn)在。與此同時，技術(shù)演進下，傳統(tǒng)的8位MCU的性能也得到了飛速提高，處理能力比起70年代提高了數(shù)百倍不止。只有16位MCU，在面對8位和32位MCU的“雙向夾擊”下，不論在規(guī)格、功能和優(yōu)勢等方面都受到擠壓，市場份額逐步不受歡迎。

以當前的主流應(yīng)用來看，4位與16位MCU幾乎消失，基本由8位與32位MCU瓜分整個應(yīng)用市場。64位MCU市場還在萌芽階段，大部分應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動系統(tǒng)、及高級終端機等領(lǐng)域。

回顧多年前，由于價格下降加上性能提升，使得32位MCU開始受到市場關(guān)注。這些優(yōu)異的性能，加上更低的功耗，兩相結(jié)合使得32位MCU產(chǎn)生一種不可抗拒的吸引力，在許多傳統(tǒng)看不到32位的產(chǎn)品上，現(xiàn)在都紛紛可見到32位MCU的身影。

在32位 MCU價格一直下探的趨勢下，為何8位MCU還有市場，可以經(jīng)過幾十年仍歷久不衰？

隨著技術(shù)成本日益降低，越來越多的系統(tǒng)將利用各種技術(shù)來制造速度更快、性能更強和易用性更高的產(chǎn)品。例如以前的全模擬應(yīng)用正在逐漸向“智能”系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，這一趨勢促使對各種MCU的需求不斷增加。

Microchip MCU業(yè)務(wù)部醫(yī)療產(chǎn)品高級經(jīng)理表示，“最近一段時間，我們發(fā)現(xiàn)有一些生產(chǎn)32位MCU器件的競爭企業(yè)取消了其產(chǎn)品組合中存儲器較小且引腳數(shù)量較少的產(chǎn)品，這將導致該領(lǐng)域?qū)?位MCU的需求增加。此外，我們的MCU經(jīng)常與32位MCU一起出現(xiàn)在許多系統(tǒng)中。在某些領(lǐng)域中，8位MCU更適合現(xiàn)有任務(wù)?！?/span>

Microchip也多次強調(diào)了公司在8位MCU方面的持續(xù)創(chuàng)新。例如，Microchip一直在通過添加智能外設(shè)來重振8位MCU，這些外設(shè)既可以減輕主處理器的負擔，又可以使用高能效的睡眠模式，同時仍然保持對其系統(tǒng)的監(jiān)視，以便對事件進行快速可靠的響應(yīng)。

之所以這樣做，是因為他們看到市場在持續(xù)增長，特別是獨立于內(nèi)核的外設(shè)和智能模擬的普及，也推動了這一增長趨勢。

其實早在2019年，憑借STM32產(chǎn)品在MCU市場贏得口碑的意法半導體，就啟動了公司STM8產(chǎn)品戰(zhàn)略。意法半導體微控制器產(chǎn)品市場經(jīng)理Patrice Hamard解釋了現(xiàn)在很多工程師還喜歡選擇8位MCU的三個原因：

（1）很多工程師已經(jīng)習慣了使用8位MCU做開發(fā)，所以在選擇的時候8位自然是首選；

（2）出于成本的考慮，電子產(chǎn)品尤其是消費電子產(chǎn)品對價格是十分敏感的，即使現(xiàn)在的32位MCU已經(jīng)很便宜了，但8位單片機仍然具有價格優(yōu)勢；

（3）對于很多簡單的應(yīng)用，8位MCU已經(jīng)足夠了，完全沒必要選擇32位，適合的產(chǎn)品才是最佳的選擇。所以意法半導體依然十分重視8位MCU市場。

此外，8位MCU特色還在于架構(gòu)簡單。相較之下，處理效能更加優(yōu)異的32位MCU，卻同時也背負著架構(gòu)復雜的原罪。在許多嵌入式設(shè)計上，8位MCU比32位擁有更易設(shè)計的優(yōu)勢，依循8位架構(gòu)的軟件和硬件比起32位將更為簡易。

除了傳統(tǒng)的單芯片系統(tǒng)外，8位MCU在系統(tǒng)管理 IC和協(xié)處理器中的作用越來越大。這在很大程度上是由于分布式智能在物聯(lián)網(wǎng)邊緣設(shè)備、汽車安全、工業(yè)控制系統(tǒng)、醫(yī)療電子和家用電子等應(yīng)用領(lǐng)域的急劇增長所推動的。即使是最先進的 5G系統(tǒng)，通常也可以受益于將某些任務(wù)轉(zhuǎn)移到更小的8位MCU上，從而將更高級別的處理器釋放出來，做自己最擅長的事情。

從當前應(yīng)用情況來看，很多8位MCU處理器的增長是由32位處理器驅(qū)動的，32位處理器將諸如人機界面 (HMI)功能傳遞給了8位處理器。此外，8位MCU作為協(xié)同處理器的使用越來越多，可以執(zhí)行諸如讀取傳感器讀數(shù)和在將傳感器數(shù)據(jù)傳遞給更高級別處理器之前對其進行預處理等任務(wù)。

還有一些事情表明8位MCU設(shè)計處于增長模式而非下降模式。那就是8位MCU在物聯(lián)網(wǎng)市場中占有一席之地。

可以看到，8位MCU遠未過時。不僅是8位MCU這塊蛋糕的規(guī)模在增長，而且面對新技術(shù)還出現(xiàn)了各種各樣的新應(yīng)用，開辟了新的利基市場，它們可以在競爭中茁壯成長。

許多大型半導體制造商繼續(xù)支持8位MCU的生產(chǎn)，包括Microchip、NXP、瑞薩電子、意法半導體、Silicon Labs以及國內(nèi)眾多MCU行業(yè)廠商，能夠提供市場大量的8位MCU選擇。

從2020年MCU市場占比來看，32位MCU占了55%，8位MCU市占率仍有43%，可見32/8位MCU并非單選題，而是要視應(yīng)用場景而定。


02
大廠激戰(zhàn)8位MCU市場

從當前市場情況來看，4位與16位MCU的應(yīng)用案例越來越少，市場上活躍的主要是8位與32位MCU。在過去以機械控制與簡單指令為主的年代里，8位MCU有過輝煌時光，曾廣泛應(yīng)用于遙控器、電源開關(guān)、鍵盤鼠標，以及馬達、工具機等設(shè)備之中，目前依然堅守著一片固有市場。但是隨著電子產(chǎn)品走向智能化、網(wǎng)絡(luò)化，網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制、邊緣智能等高階需求促使新設(shè)備向32位MUC靠攏，32位MCU已經(jīng)成為主流，并不斷向下蠶食8位市場。

值得注意的是，近來國際MCU大廠加快了替代8位MCU的步伐。意法半導體近日推出基于ARM Cortex-M0+的STM32C0系列產(chǎn)品。Cortex-M0+是ARM推出面向低成本設(shè)備市場的芯片內(nèi)核。意法半導體中國區(qū)微控制器和數(shù)字IC產(chǎn)品部總監(jiān)曹錦東表示，STM32C0是意法半導體非常實惠的32位MCU產(chǎn)品，大大降低了32位功能的使用門檻，縮短了8位或16位MCU與更高性能32位MCU之間的差距。

德州儀器也在近日帶來了基于ARM Cortex-M0+的MSPM0系列產(chǎn)品。德州儀器相關(guān)人員表示，這次推出的MCU新品為客戶提供了增強系統(tǒng)傳感和控制功能所需的靈活性，同時降低了成本、復雜性，并縮短了設(shè)計時間。而在首次推出數(shù)十款產(chǎn)品以外，德州儀器計劃在今年推出100多款MCU，力圖將MSPM0產(chǎn)品系列打造為品類齊全的ARM Cortex-M0+ MCU產(chǎn)品組合。

對此，芯謀研究高級分析師張彬磊認為，這些MCU大廠一直都有基于M0/M0+的32位產(chǎn)品。此番加速產(chǎn)品推出很正常，是他們強化低端市場的一個策略。中科芯蕊總經(jīng)理胡曉宇也表示，大家再次關(guān)注8位市場是因為目前行業(yè)內(nèi)比較卷，市場不太好做。從去年開始，整個消費類市場的訂單萎縮得非常嚴重。對于那些以32位MCU為主的大廠來說，至少8位的訂單是存在的。

8位MCU廠商對于這樣的舉措自然也并非全無反應(yīng)。依然保有較強8位產(chǎn)品線的MCU大廠微芯，日前宣布一項新的晶圓廠制造計劃，耗資8億美元將其位于美國俄勒岡州的格雷舍姆制造工廠產(chǎn)能提高兩倍。不難想見，微芯的這次擴產(chǎn)行動中亦將包含8位MCU的產(chǎn)能擴充，進一步顯示了其對8位MCU市場的信心。

有關(guān)8位MCU市場的競爭再次變得激烈起來。


03
成本是8位MCU當前最大優(yōu)勢

面對32位MCU的“侵襲”，8位MCU有何優(yōu)勢？未來市場將會如何發(fā)展？對此，胡曉宇認為，8位MCU最大的優(yōu)勢在于成本。8位MCU的發(fā)展可以上溯到20世紀70年代，以8051架構(gòu)為基礎(chǔ)的8位MCU得到廣泛應(yīng)用。發(fā)展至今，很多廠商又對8051內(nèi)核進行了一系列精簡，以應(yīng)對不同應(yīng)用需求。這就使得此類芯片產(chǎn)品表現(xiàn)出極強的成本優(yōu)勢。

據(jù)了解，目前市場上的一顆8位MCU，售價還不到1元，廠商依然能夠保持不錯的毛利率。這對32位MCU來說，具有非常大的挑戰(zhàn)性。即使廠商能把價格壓到1元以下，毛利也會變得非?？蓱z。張彬磊也認為，8位MCU短期之內(nèi)仍不會被32位所取代。相對8位MCU，32位還沒有表現(xiàn)出足夠的性價比。據(jù)ICInsights統(tǒng)計，2011—2020年全球MCU產(chǎn)品中，4/8位MCU占比為15%。到2026年，全球4/8位MCU依然有24億美元的規(guī)模。

值得注意的是，即使8位MCU依舊會存留相當長的一段時間，但隨著邊緣領(lǐng)域智能化的發(fā)展，被32位替代依然是大勢所趨，特別是當8位MCU的成本優(yōu)勢不再明顯或者用戶對智能化的需求蓋過成本的時候。胡曉宇指出，現(xiàn)在32位MCU采用的工藝制程越來越先進，很多新產(chǎn)品已經(jīng)開始采用了40納米甚至是28納米工藝。這比8位MCU已經(jīng)先進太多。8位MCU表現(xiàn)出來的功耗優(yōu)勢在制程紅利面前已基本不存在。如果價格優(yōu)勢再失去，就會被32位所替代。

“現(xiàn)在M0內(nèi)核產(chǎn)品的價格已經(jīng)比較低了，但是M0內(nèi)核還是有授權(quán)費用的，所以32位的性價比暫時還是不能超過8位和16位。但當M0位內(nèi)核免費或者是針對一些特殊市場免費以后，那么它是可以和8位、16位競爭性價比的。它的晶圓面積更大，工藝節(jié)點也更小?！睆埍蚶谡J為。


04
做好向32位MCU轉(zhuǎn)移的準備

在過去十多年的發(fā)展中，我國本土MCU企業(yè)取得了長足進步，尤其是2021年的芯片短缺令本土MCU廠商獲得了一次難得的發(fā)展機遇?！斑@些年有越來越多的本土廠商投入MCU市場的開發(fā)，且這些企業(yè)多以32位為主?！焙鷷杂钪赋?。但也應(yīng)該注意到，行業(yè)內(nèi)依然存在不少固守8位市場的本土企業(yè)。當前情況下，這些企業(yè)應(yīng)當做好向32位轉(zhuǎn)移的準備。

“國內(nèi)MCU廠商現(xiàn)在確實是要把8位和16位盡快轉(zhuǎn)向32位，8位在短期內(nèi)是具有一些性價比優(yōu)勢的，但是在性能方面已經(jīng)相對落后了。32位產(chǎn)品一旦把價格打下來，你的8位還沒有來得及轉(zhuǎn)型，很可能就再沒有轉(zhuǎn)型的機會了。其實去年MCU市場轉(zhuǎn)冷之后，受沖擊最大的就是8位和16位產(chǎn)品?！睆埍蚶趶娬{(diào)。

航順芯片資深FAE產(chǎn)品經(jīng)理陳水平則從另一個角度提出建議，目前中國本土的MCU公司越來越多，這也說明國內(nèi)半導體設(shè)計行業(yè)的氛圍也越來越好，許多以前做8位MCU的企業(yè)現(xiàn)在開始轉(zhuǎn)向32位MCU。但是在轉(zhuǎn)向過程中，本土廠商開發(fā)的產(chǎn)品大部分依然集中于中低端市場，因此下一步最迫切的任務(wù)是向更高端的市場空間拓展。這就要求本土企業(yè)投入更多人才、設(shè)備、資金，同時處理好上游晶圓、制程工藝等問題。這一任務(wù)的達成是由多重因素決定的，需要企業(yè)投入大量的精力。