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车规级MCU芯片市场概况与发展趋势浅析

 

汽车电子中所使用的半导体即车规级芯片,主要有主控芯片(MCU/SoC),功率芯片(IGBT),传感器芯片(CIS)和存储芯片(Flash)四大类,车规级芯片广泛应用于汽车的动力系统、智能座舱及自动驾驶系统,是汽车电子不可或缺的核心元器件。

 

一、MCU芯片介绍

MCU即微控制单元(Micro Controller Unit),又称单片机(Single Chip Microcomputer),是将CPU、存储、外围功能都整合在单一芯片上具有控制功能的芯片级计算机,作为高度集成的微型计算机控制系统,单片机具有系统结构简单、可靠性高、处理功能强、低电压和低功耗、环境适应能力强等特点,已广泛应用于汽车电子、工业控制、仪器仪表、家电等领域。

在汽车电子的各个系统当中,往往需要采用车用MCU(车用微控制器)作为运作控制的核心,负责各种信息的运算处理,用于汽车的动力总成、辅助驾驶、网络互联、底盘安全、信息娱乐以及车身电子等方向。

1.MCU的基本结构

 

 

构成MCU的几个重要组件包括:

  • 中央处理器(CPU)

CPU是单片机的大脑。它由算术逻辑单元(ALU)和控制单元(CU)组成。CPU读取、解码和执行指令以执行算术、逻辑和数据传输操作。

  • 存储单元

任何计算系统都需要两种类型的存储器:程序存储器和数据存储器。程序存储器,顾名思义,包含程序,即要由CPU执行的指令。另一方面,数据存储器需要在执行指令时存储临时数据。通常,程序存储器是只读存储器(ROM),数据存储器是随机存取存储器(RAM)。

  • 输入/输出端口

单片机与外部世界的接口由输入/输出端口(I/O端口)提供。开关、键盘等输入设备以二进制数据的形式从用户向CPU提供信息。CPU在接收到来自输入设备的数据后,执行适当的指令并通过LED、显示器、打印机等输出设备做出响应。

  • 定时器/计数器

单片机的重要组件之一是定时器和计数器。它们提供时间延迟和计数外部事件的操作。此外,定时器和计数器可以提供函数生成、脉宽调制、时钟控制等。

  • 总线

单片机的另一个重要组件,但很少讲到,它就是系统总线。系统总线是一组连接线,将CPU与其他外围设备(如内存、I/O端口和其他支持组件)连接起来。

2.MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐条执行预存指令的过程,不同类型的单片机有不同的指令系统。为了让一个单片功能自动完成某项具体任务,必须将所要解决的问题编成一系列的指令,并且这些指令必须是由一个单独的函数来识别和执行的,这样一系列指令的集合就变成了程序,这些程序需要预先储存在有存储能力的存储器中,也就是内存。

由于程序是按顺序执行的,因此程序中的指令也是一条条地存储,MCU在执行程序时要将这些指令逐个提取并执行,必须拥有能够跟踪指令所在存储单元的功能,这个部分就是程序计数器PC(包括CPU在内),当程序开始运行时,PC将会被分配到程序中每一条指令的存储单元,并一一执行该项指令,PC中的内容自动增加,增加量由这个指令长度决定,每一条都指向下一条指令的起始地址,保证指令顺序执行。

内核架构是影响MCU性能的一个关键要素,更优秀的运算单元需要更先进的内核架构。十几年前,各大MCU厂商均采用各自的内核,如瑞萨采用RX内核,飞思卡尔采用PowerPC,微芯采用PIC,Atmel采用AVR。随着ARM推出Cortex-M架构并开展了独特的开创IP授权的模式,以其软件代码的共享和高兼容性、高密度指令集等特点,现已逐步占据主导地位。

3.车规MCU的种类

车规MCU按位数可分为8位、16位和32位。位数即MCU单次处理数据宽度,位数越高,MCU性能越强。8位MCU成本/功耗低,便于开发,性能可满足大部分场景需要,广泛应用于基础功能如风扇、雨刷、天窗,座椅控制等领域。32位MCU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,如汽车智能座舱、车身控制、辅助驾驶,行车安全系统等领域。32位的CPU内核以ARM为主流架构,由于CPU指令集庞大,软件开发难度较高,单价一般数倍于8位MCU,因而也有较高的研发壁垒。

 

 

从不同位数MCU规模占比来看,目前全球MCU芯片产品以32位为主。受益于其体积小性能优的特性以及汽车智能化的趋势,32位MCU销售额占比已经从2010年的38.1%提升至2015年的53.7%,进而跃升至2021年65.8%。随着汽车智能化和电动化进一步发展,汽车电子功能将日趋复杂,势必推动车规MCU向更高性能,更小尺寸,更低功耗的方向发展,32位芯片占比有望进一步提高。

 

二、MCU产业链概况

MCU产业链上游为半导体材料及半导体设备,主要包括硅片、光刻胶、光掩模、电子特种气体、靶材、单晶炉、刻蚀机、光刻机等;中游为MCU制造环节,主要包括芯片设计、单晶硅片制造、晶圆制造、芯片封测;下游应用领域包括汽车电子、工业控制、消费电子、计算机网络等。

 

 

三、MCU市场情况

1.市场规模

IC Insights的数据显示,全球MCU市场规模从2015年的159亿美元增长至2021年的221亿美元,CAGR为5.6%;2022年全球MCU市场规模有望达239亿美元,同比增长8.1%。MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一,汽车也是全球MCU第一大应用市场,占比超过1/3,平均每辆汽车MCU需求量高达上百颗。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作为核心算力芯片深度受益。

 

资料来源:IC Insights,前瞻研究院,东海证券研究所

 
2.竞争格局

根据Omdia,MCU市场主要由欧美日芯片厂商牢牢把持,前七大厂商占据全球85.4%的市场份额,但各家企业的占比相对较为平均。国内MCU市场方面,根据CSIA和中国汽车工业协会的数据,2021年国内MCU市场约85%(2019年为94%)由外资把持,MCU国产化率低且多集中于消费级,车规级MCU自给率尚不足5%,仍有很大国产替代空间。

 

 

根据富昌电子,2022年4季度的全球车规半导体仍处于供不应求的状态,主要车规MCU大厂如意法半导体,恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供货紧张态势,不论是芯片价格还是货期较之前两个季度都有明显的升高。海外大厂的产能扩张尚不能满足市场需求,国内MCU企业有望把握这个供需错配的时间窗口,凭借先前的投入,与国内下游造车新势力合作,加速车规级MCU的国产替代进程。

 

四、MCU技术发展趋势

1.更高算力

随着汽车智能化程度的不断增加,车规级MCU将向多功能集成、高算力及超低功耗方向发展,且使用数量也会随之增加。同时,未来智能汽车中大量使用的车载传感器、车载摄像头,也需要高性能的MCU来做模拟数据的运算处理与驱动控制。因此,在未来更高阶自动驾驶等级的汽车中,加以多传感器融合的大趋势下,总线宽度32位乃至64位高算力车规级MCU将成为主流产品,而8/16位中低端MCU则会被更高制程的SOC所集成,失去增长动力。

2.更高集成度

由于集成更多功能,主控芯片的算力要求会指数上升,部分MCU会和GPU,DSP,NPU和AI处理单元等不同类型芯片共同被集成到SoC(系统级芯片)上。SoC是MCU集成度更高的结果,其功能更复杂,资源利用效率更高,可胜任如无人驾驶和智能座舱等需要高算力的场景。

3.更高开放度

由于ARM内核IP授权费高昂,很多厂商已开始基于开源的RISC-V内核开发MCU,如瑞萨,英特尔,兆易创新等。RISC-V不仅完全免费开源,还具有低功耗,指令集精简,设计编译简单,支持模块化和可拓展等的特点,这和车规级MCU场景碎片化,功能模块化的特点十分契合。

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