解析MCU技術(shù)發(fā)展線路

微處理器和單片機(jī)(MCU)從上個(gè)世紀(jì)70年代在歐美開始興起，1981年8051單片機(jī)問(wèn)世，到今天已經(jīng)36年了。從數(shù)量上看，8位單片機(jī)依然是MCU市場(chǎng)的主力，32位MCU已經(jīng)成為今天全球消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品的核心。

從2015年開始，為爭(zhēng)奪市場(chǎng)份額，布局強(qiáng)勁增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，MCU主要廠商之間發(fā)生了數(shù)起大規(guī)模并購(gòu)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights的統(tǒng)計(jì)，從收購(gòu)?fù)瓿珊喜⒑蟮匿N售數(shù)據(jù)看，NXP、Microchip和Cypress 2016年MCU產(chǎn)品線銷售額同比大幅增長(zhǎng)，排名也相應(yīng)上升。未進(jìn)行大規(guī)模收購(gòu)的MCU廠商則表現(xiàn)平平，只有個(gè)位數(shù)的增長(zhǎng)，比如ST和TI，有的出現(xiàn)了大幅下降，比如像Samsung。

8大MCU廠商全球市場(chǎng)份額合計(jì)達(dá)到了88%，這也就是說(shuō)除了幾大MCU外，小的MCU公司市場(chǎng)份額非常小。IC Insights 2016年8月的研究報(bào)告顯示，MCU市場(chǎng)將于2020年達(dá)到高峰，銷售額達(dá)到209億美元，銷售267億顆芯片。針對(duì)這樣的市場(chǎng)形勢(shì)，在剛剛結(jié)束的2017年STM32峰會(huì)上，ST給自己定下目標(biāo)是2020年銷售額將到達(dá)40億美元，從目前市場(chǎng)份額10%增長(zhǎng)到20%。

MCU技術(shù)發(fā)展線路

1.開發(fā)工具

8位MCU時(shí)代，開發(fā)工具很簡(jiǎn)單，MCU功能簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)器容量很小，應(yīng)用代碼甚至可以使用匯編語(yǔ)言書寫，簡(jiǎn)單的下載和編程工具可以勝任開發(fā)工作。后來(lái)隨著MCU功能增加，存儲(chǔ)器容量增加，C語(yǔ)言逐漸成為首選，集成開發(fā)環(huán)境(IDE)和JATG調(diào)試漸成主流，這種方式主導(dǎo)了過(guò)去20年MCU開發(fā)模式。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，大量的電子產(chǎn)品急需智能化升級(jí)，聯(lián)網(wǎng)就成為基本需求，特別是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，RTOS (實(shí)時(shí)操作系統(tǒng))從以前的嵌入式系統(tǒng)中“奢飾品”變成今天的“必需品”。得益于開源社區(qū)和開源軟件的幫助，開源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已經(jīng)成為開發(fā)者的優(yōu)選。專門針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應(yīng)運(yùn)而生，比如ARM mbed OS、慶科MicoOS和華為L(zhǎng)iteOS，其實(shí)這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內(nèi)核也是基于開源的RTOS技術(shù)。

開發(fā)工具(IDE)價(jià)格昂貴，讓創(chuàng)業(yè)者望而卻步，借助開源軟件，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，這些IDE 是基于開源Eclipse，編譯軟件也是開源的GCC ARM 。芯片公司的IDE雖然在功能和優(yōu)化上無(wú)法與Keil和IAR相比，但已經(jīng)完全到達(dá)可用的程度。ARM開發(fā)了基于Web的mbed工具，開發(fā)者不需要購(gòu)買和安裝任何IDE，只要有一塊mbed兼容的開發(fā)板，就可以進(jìn)行嵌入式開發(fā)。如果你使用的是Arduino開發(fā)板，Arudino IDE集成大量開源硬件知識(shí)庫(kù)，讓你開發(fā)如虎添翼，事半功倍。

今天，有了強(qiáng)大的開源的生態(tài)環(huán)境，MCU開發(fā)者不再會(huì)因?yàn)槿狈Y金無(wú)法購(gòu)買開發(fā)工具和獲得技術(shù)支持而耽誤項(xiàng)目開發(fā)犯愁了。

2.制造技術(shù)

摩爾定律推動(dòng)了芯片產(chǎn)業(yè)輝煌了40年，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑。傳統(tǒng)的MCU，比如8位OTP MCU，長(zhǎng)期是使用0.5微米的制程工藝，隨著時(shí)間的推移，設(shè)備和技術(shù)的更新，現(xiàn)在主流的MCU制程是180nm，甚至90nm技術(shù)，展望不遠(yuǎn)的將來(lái)，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU也不是遙不可及的事情。

我們知道，更先進(jìn)的制程工藝會(huì)在MCU內(nèi)部集成更多的晶體管，使處理器實(shí)現(xiàn)更多的功能和更高的性能。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了，更多的32位MCU核心將替代8位，芯片的體積也不會(huì)變大，功耗反而會(huì)更小。此外，先進(jìn)的制程工藝還能帶來(lái)片內(nèi)FLASH容量的增加，未來(lái)1MB甚至4MB的FALSH MCU 也是常見的產(chǎn)品了。

當(dāng)然，制程工藝將會(huì)給MCU生態(tài)環(huán)境帶來(lái)挑戰(zhàn)，比如初期制造成本的增加，芯片設(shè)計(jì)復(fù)雜性增加。32位核心導(dǎo)入，軟件開發(fā)難度增加，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)MCU和RF以及Sensor集成，進(jìn)而帶來(lái)功耗管理和PCB設(shè)計(jì)上一系列棘手問(wèn)題。

3.應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

MCU應(yīng)用五花八門，從最小的消費(fèi)電子產(chǎn)品，到大型工業(yè)機(jī)器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產(chǎn)品。早期的MCU芯片公司只是提供應(yīng)用指南和參考設(shè)計(jì)代碼，方案性的設(shè)計(jì)一般是客戶自己完成，或者由專業(yè)的方案公司和代理商完成，然后交給設(shè)備廠商生產(chǎn)，這樣模式至今依然大量存在。

隨著物聯(lián)網(wǎng)興起，電子產(chǎn)品智能化需求越來(lái)越多，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)已經(jīng)迫在眉睫，電子產(chǎn)業(yè)急需MCU廠商提供更多更好的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)方案。隨著電商時(shí)代到來(lái)，渠道的扁平化，傳統(tǒng)芯片代理商已經(jīng)無(wú)力投入日趨復(fù)雜的方案設(shè)計(jì)，行業(yè)日趨細(xì)化和深入，傳統(tǒng)的方案商已經(jīng)轉(zhuǎn)型成產(chǎn)品提供商，應(yīng)用設(shè)計(jì)方案的重任再次落在MCU公司身上。

今天我們看到全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)，比如ST、NXP、TI和瑞薩等公司，他們都能提供許許多多MCU應(yīng)用解決方案，這些方案的技術(shù)越來(lái)越前沿，功能越來(lái)越完善。比如STM32峰會(huì)上展示的預(yù)防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案、可以在小屏幕上實(shí)現(xiàn)美觀流暢游戲界面的超低功耗MCU智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網(wǎng)關(guān)。

近年興起的創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)也是MCU應(yīng)用方案的一大貢獻(xiàn)者。創(chuàng)客們大量采用的Arduino開源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器;機(jī)器人項(xiàng)目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。在開源硬件環(huán)境下，沒有開發(fā)基礎(chǔ)，只有創(chuàng)意的開發(fā)者，也可以完成自己的產(chǎn)品開發(fā)。開發(fā)門檻的降低了，將吸引更多的人實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意，極大地增加產(chǎn)品的種類和數(shù)量，從而導(dǎo)致對(duì)MCU需求的增長(zhǎng)。

中國(guó)MCU發(fā)展機(jī)遇

1.中國(guó)單機(jī)片30年

上個(gè)世紀(jì)80年代初北京工業(yè)大學(xué)電子廠掀起了TP801開發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開發(fā)了MCS-51的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，這股單片機(jī)的熱潮引發(fā)了全國(guó)的智能電子的大變革。1986年10月，在上海復(fù)旦大學(xué)舉行了第一次全國(guó)單片機(jī)學(xué)術(shù)交流會(huì)，這標(biāo)志著由此開始，中國(guó)單片機(jī)事業(yè)經(jīng)歷30年輝煌發(fā)展歷程。2016年11月，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會(huì)舉辦了中國(guó)單片機(jī)30年紀(jì)念活動(dòng)，老中輕三代單片機(jī)工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國(guó)單片機(jī)發(fā)展的美好前景。

過(guò)去幾年，中國(guó)MCU市場(chǎng)一直持續(xù)增長(zhǎng)。據(jù)isuppli Research研究報(bào)告，2011年中國(guó)MCU市場(chǎng)銷售額約30億美元，到了2016年已經(jīng)有40億美元，其中32位MCU市場(chǎng)份額持續(xù)增大，期內(nèi)復(fù)合增長(zhǎng)率已經(jīng)接近10%。但有關(guān)研究報(bào)告還指出,全球8大MCU企業(yè)沒有中國(guó)的企業(yè)，中國(guó)大陸和中國(guó)臺(tái)灣MCU企業(yè)在中國(guó)市場(chǎng)各有10%的份額。2017年STM32峰會(huì)信息顯示，2016年ST中國(guó)通用MCU市場(chǎng)營(yíng)收在其全球市場(chǎng)占比36%，從2007年開始一直保持27%的年復(fù)合增長(zhǎng)率，以物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴、智能手機(jī)、智能樓宇和表計(jì)以及電動(dòng)汽車和無(wú)人機(jī)等新型應(yīng)用，是拉動(dòng)MCU快速增長(zhǎng)重要引擎。

中國(guó)單片機(jī)30年，MCU廠商很多，但多數(shù)混跡8/16位低端市場(chǎng)，中國(guó)是全球第一大電子制造基地，有足夠大的市場(chǎng)來(lái)養(yǎng)活這些小廠商。但設(shè)計(jì)能力低、缺少戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和資金支持的中小MCU 廠商，難以改變中國(guó)企業(yè)在MCU市場(chǎng)的弱勢(shì)地位。

2.國(guó)產(chǎn)32位MCU提速

近年中國(guó)MCU企業(yè)的增長(zhǎng)提速，尤其是在32位MCU市場(chǎng)上涌現(xiàn)出像兆易創(chuàng)新、致象科技和靈動(dòng)微電子這樣的企業(yè)，他們基于ARM Cortex M技術(shù)的MCU芯片受到了市場(chǎng)的歡迎，國(guó)產(chǎn)MCU產(chǎn)品的市場(chǎng)戰(zhàn)略一般是更低的價(jià)格、更好的性能、本地周到的服務(wù)、與國(guó)外產(chǎn)品 pin-pin兼容，這些市場(chǎng)策略讓國(guó)內(nèi)企業(yè)非常受用，取得了豐碩的成果。

據(jù)財(cái)經(jīng)媒體報(bào)道，2016年，兆易創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)營(yíng)收14.89億元，凈利1.76億元，營(yíng)收同比增長(zhǎng)25%、利潤(rùn)增長(zhǎng)了12%;MCU芯片實(shí)現(xiàn)營(yíng)收1.97億元，同比增長(zhǎng)55.2%，銷量4578萬(wàn)顆，兆易創(chuàng)新最近以65億元收購(gòu)北京矽成。矽成的主營(yíng)業(yè)務(wù)是以易失性存儲(chǔ)芯片為主，主要從事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成電路產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與銷售，產(chǎn)品應(yīng)用于汽車、工業(yè)醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通訊、電子消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域。這與兆易創(chuàng)新的非易失性存儲(chǔ)芯片，包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生產(chǎn)品以及MCU微控制器產(chǎn)品的研發(fā)、技術(shù)支持和銷售的業(yè)務(wù)范圍正好互補(bǔ)。收購(gòu)矽成對(duì)于未來(lái)兆易創(chuàng)新GD32系列MCU發(fā)展將起到積極作用，或?qū)⒂兄谡滓讋?chuàng)新拓展汽車電子市場(chǎng)的計(jì)劃。

3.國(guó)產(chǎn)MCU的挑戰(zhàn)

比較國(guó)產(chǎn)高端CPU的發(fā)展，國(guó)產(chǎn)32位MCU 要順利的多。相比智能手機(jī)芯片，生態(tài)環(huán)境相對(duì)單純和簡(jiǎn)單是幫助國(guó)產(chǎn)MCU 發(fā)展的重要原因。我們知道，開發(fā)智能手機(jī)芯片要有巨資投入最先進(jìn)的制程工藝，比如三星Galaxy S8 機(jī)型搭載高通驍龍830處理器，并且處理器將會(huì)由三星獨(dú)家制造，制程工藝為驚人的10nm。還有Android OS，圍繞Android OS 的開放手機(jī)聯(lián)盟現(xiàn)在有84個(gè)成員，如果你們企業(yè)不是成員，你或許拿不到最新的Anrdoid版本的軟件，即使你是成員，如果不能投入大量的Android開發(fā)人員，你也很難與高通、三星和華為這樣的手機(jī)巨頭競(jìng)爭(zhēng)。

前面介紹MCU的技術(shù)線路，它與智能手機(jī)完全不一樣，MCU 還是一個(gè)多元化的應(yīng)用市場(chǎng)，雖然有幾個(gè)很熱鬧的產(chǎn)品，比如無(wú)人機(jī)、可穿戴手環(huán)、智能溫控器，但是這些產(chǎn)品在數(shù)量上與智能手機(jī)無(wú)法比擬，而且它們每一個(gè)的軟硬件平臺(tái)都不一樣。憑借基礎(chǔ)的開發(fā)工具、90nm制程和應(yīng)用方案，加上中國(guó)企業(yè)擅長(zhǎng)的“保姆式”服務(wù)，國(guó)產(chǎn)MCU 有機(jī)會(huì)出奇制勝，一展宏圖。

是不是國(guó)產(chǎn)MCU可以高枕無(wú)憂，一路順利發(fā)展呢?不是的。如果看看全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)的產(chǎn)品線就不難發(fā)現(xiàn)，中國(guó)企業(yè)差距很大，STM32 750余款MCU，多數(shù)采用90nm制程上，ST計(jì)劃發(fā)布的超高性能STM32H7將采用40nm制程，而靈動(dòng)微電子成熟產(chǎn)品F103采用的還是傳統(tǒng)的0.18um。

在開發(fā)工具上，國(guó)產(chǎn)MCU 基本沒有自己的開發(fā)工具，推薦都是ARM KEIL和IAR，為了支持自己公司的MCU，一般會(huì)開發(fā)一個(gè) KEIL MDK或者IAR插件，沒有經(jīng)費(fèi)的用戶多是使用盜版IDE。

在應(yīng)用設(shè)計(jì)方案和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面，國(guó)產(chǎn)MCU 更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在外國(guó)企業(yè)后面，比如STM32峰會(huì)第二天，幾十家合作伙伴展示了包括LoRa、藍(lán)牙和WiFi模塊、空中固件升級(jí)、NB-IoT診斷儀、多功能汽車總線通信平臺(tái)和安全認(rèn)證的RTOS等百余種解決方案，以及大疆和小米無(wú)人機(jī)、華為運(yùn)動(dòng)手表、MOOV 耳機(jī)和阿兒法智能機(jī)器人等數(shù)十種國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的基于STM32產(chǎn)品。這大大提升了與會(huì)的開發(fā)者的興趣。

32位MCU市場(chǎng)發(fā)展，芯片設(shè)計(jì)和制造技術(shù)固然很重要，而產(chǎn)品線生態(tài)建設(shè)，開發(fā)工具的研究、嵌入式OS的支持、創(chuàng)新型的應(yīng)用案例、穩(wěn)定的貨源供應(yīng)和技術(shù)支持也非常重要，每一項(xiàng)都缺一不可，都做好了真的不容易，國(guó)產(chǎn)MCU要進(jìn)入國(guó)內(nèi)電子企業(yè)主流供應(yīng)商名單，要走向國(guó)際舞臺(tái)，還有很長(zhǎng)路要走。面向未來(lái)5-10年百億級(jí)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場(chǎng)，MCU迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇，也給了中國(guó)MCU 發(fā)展和騰飛創(chuàng)造了絕佳的切入點(diǎn)。