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1、2022年半导体MCU行业专题报告国产化浪潮持续，国内MCU厂商快速发展1. MCU：基础介绍1.1. 结构：CPU、内存和外围共同构成的芯片级计算机MCU（Microcontro1.IerUnit）,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。对MCU的结构组成而言，MCU主要由CPU（包括运算器、控制器和寄存器组）、存储器（包括ROM和RAM）、输入输出I/O接口、串行口、定时器等构成。1）中央处理器CPU：包括运算器、控制器和寄存器组。CPU（CentraIProcessingUnit）是MCU内部的核心部件，包
2、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：主要包括RoM和RAM等。ROM（Read-On1.yMemory）是程序存储器，信息以非破坏方式读取，存储数据掉电后不消失。ROM在MCU中用来存放编写好的程序（由制造厂家编制和写入），MCU则按照事先编制好的程序循序执行。ROM又分为MCU片内存储器和片外扩展存储器两种。RAM（RandomAccessMemory）数据存储器（也叫主存），与CPU直接进行数据交换。在程序运行过程中可以随时写入、读出，速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中程
3、序的临时数据存储介质。RAM存储数据在掉电后不能保持。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PO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。1.2. 功能：MCU用于实现信号处理和控制MCU与CPU、MPU、SoC之间的关系可以理解为：CPU是运算控制的核心。MPU可以理解为增强版的CPUoMCU除包含CPU外还包含了RAM或ROM等，是芯片级芯片。SOC是系统级芯片（综合了MCU和MP
4、U的优点，可存放并运行系统级代码）。1) CPU是计算机的运算控制核心，是取址、译码、执行的对象。一般程序是CPU从存储器或高速缓冲存储器中一条一条取出指令，放入指令寄存器，并对指令进行译码，最后执行指令。CPU的构成包括运算器、控制器和寄存器及相应的总线。计算机的可编程性其实就是指对CPU的编程。2) MPU(MicroProcessorUnit),微处理器通常是指增强型CPUo3) MCU：主要用于实现信号处理和控制，是智能控制系统的核心。如前所述，MCU是CPU和RAM、ROM、定时器、I/O引脚集成在一个芯片上，通过直接添加电容、电阻等简单器件就能构成最小系统，从而运行代码。以意法半导
5、体的STM32和ARMCortex-M内核为例，意法半导体等MCU厂商在获得ARM内核使用授权后，通过添加存储器等外围设计，就能搭建出相应的MCU芯片。根据芯海科技招股说明书，通常在信号链中，MCU对ADC转化形成的数字信号进行处理、计算，输出信号经由DAC再次转换为模拟信号实现系统控制。MCU在信号链中起核心处理作用，而信号链是连接真实世界和数字世界的桥梁，是电子产品智能化的基础。4) SoC(SystemonChip),片上系统。MCU只是芯片级的芯片，而SoC是系统级芯片，它集成了MCU和MPU的优点。SoC可以理解为MPU加上其他外设电路，可存放并运行系统级别的代码，运行1.inI1.
6、X等操作系统。1.3. 产品分类标准较多，主要以位数和指令集区分MCU芯片可根据内核、主频、工艺、模拟功能、封装、引脚数、通信接口和存储类型等标准分为诸多种类。其中，目前最为主要的四大分类模式为：用途、位数、指令集内核和存储器架构。1.3. 1.用途：通用型MCU占据主要市场份额从产品应用领域来看，可以划分为通用型MCU和专用型MCU,其中通用型MCU市场份额更高。根据芯知汇数据,2020年国内MCU市场73%的份额为通用微控制器，专用MCU产品市场占比13%o另外，超低功耗MCU占比5%。意法半导体的STM32系列是典型的通用型MCU,拥有多个子系列以及上千款产品，满足用户不同需求。1.3.
7、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）。尽管全球市场和国内市场均以32位MCU为主，但份额占比差距较大。根据ICInsights统计，2011-2020年全
8、球MCU产品中，32位MCU产品市场占有率稳步上升，4/8位MCU产品占比呈下降趋势，其中2020年32位MCU占比为62%,而4/8位MCU占比为15%o据ICInsights预测，未来五年32位MCU的销售额将以9.4%的复合年增长率增长，2026年预计达到200亿美元。同时，预计4/8位MCU的销售额在未来五年内不会出现显著增长，预计2026年市场规模在24亿美元左右。中国通用型MCU市场基本被8位、32位平分，预计32位产品占比将进一步提升。据芯知汇统计，2020年中国通用型MCU市场中，32位和8位占据市场主流，32位略高于8位MCU产品。其中，32位市场份额54%,8位市场占比43
9、%o随着32位MCU的综合成本逐渐降低，预计未来32位产品的市场份额仍将不断提高。1.3.3. 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，CompIexInstructionSetCo叩Irting）,其指令格式和指令大小均不固定，指令按照顺序串行执行。CISC每条指令按照规范设计为最合适的格式和大小，各条指令按顺序串行执行、每条指令中的各个操作也按顺序串行执行，因此每条
10、指令执行的时间也不一致。顺序执行的优点是控制简单、能力强，但复杂度较高，计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。CISC以Inte1.x86为代表，主要用于笔记本、台式机。RISC（精简指令集，ReducedInstructionSetComputer）,其指令长度固定，采用多级指令流水线结构。所谓精简，即指令集长度一致，指令数不超过128条、寻址方式不超过4种、指令格式不超过4种。所谓流水线结构，即以流水线的模式将处理过程划分为离散的多个周期，每个周期执行一条指令，执行部分并行处理。RISC优点在于保持成本较低的同时能很好地提高速度，但同时编译后指令长度较长、需要较大内存。MCU主要的ARM、
11、PowerPC.MIPS、R1.SC-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。ARMCortex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MCUo2）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
12、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RISCCPU,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App1.e、IBM、MotOrO1.a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。从市场份额看，ARM
13、架构为当前MCU主流。根据芯知汇数据，ARMCortex-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。（）1.3.4.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。其中，MCU中大部分都是哈佛结构（指令存储在F1.ash中，而数据存储在RAM中），包括51单片机、典型的STM32单片机等。1.4.50年历程，未来向六大方向发展MCU出现已经有50年历史，产品性能不断升级。自1971
14、年美国Inte1.公司首先推出4位微处理器以来，其发展历程大致可分为5个阶段。1）1971-1976年：MCU发展的初级阶段。1971年11月，Inte1.推出第一台MCS-4MCU,即Inte1.4004,是集成度为2000只晶体管/片的4位微处理器，同时配有RAM、ROM和移位寄存器。在随后的几年里，其他公司开始相继推出8位的MCU产品。2) 1976-1980年：低性能单片机阶段。这一阶段的MCU沿用了Inte1.MCS-48系列，将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时/计数器、RAM和ROM等集成于一颗芯片上，功能可满足一般工控需要。3) 1980-1983年：高性能8位MCU,存
15、储容量逐步加大。这一阶段推出的高性能8位MCU普遍带有串行口、多个16位定时器/计数器以及多级中断处理系统等。此外,片内RAM、ROM的容量也在逐步加大。4) 1983-80年代末：16位MCU阶段，芯片集成度提升。1983年Inte1.推出了高性能16位MCUMCS-96系列，芯片集成度高达12万只晶体管/片。不过16位的MCU尽管制造工艺、芯片集成度升级，但由于性能不如后来的32位MCU、性价比不及8位微控制器，当前16位MCU的市场空间相对有限。5) 1990年代至今：全方位、高水平不断迭代更新。随着A1.和IoT的发展与融合，MCU的设计也更加复杂。智能化(AI):在MCU中加入A1.
16、加速器正在变得越来越主流。在需要A1.算力的应用场景，使用专用A1.加速器能够显著提升处理器的综合性能。2020年10月，Arm发布了Ethos-U65microNPU神经处理单元，此后NXP选择该内核作为Cortex-M系统。同时，更智能的开发生态，也能缩短产品上市时间。高性能（Performance）:性能提升既包括内核ArmCortex-M系列性能的提升，也包括MCU芯片制造工艺的不断升级。以ST高性能MCU为例，STM32F4是基于ARMCorte-M33内核，具有200MHz主频，且采用更为先进的40nm制造工艺。低功耗（PoWer）:MCU总功耗受工作模式电流、睡眠模式电流和工作模
17、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。STM32U5产品线从宽度（集成度到4MB）和高度（主频到230MHZ）两个维度来降低功耗。安全（SeCUrity）:通过提升MCU的安全性能，保证MCU的技术投入产出比。常见的方式包括，通过增加安全模块加强芯片关键信息存储、运算过程的保护和抗攻击能力等。无线连接（Wire1.ess）: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
18、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。小尺寸(Area):MCU作为移动智能终端的核心器件，在体积、重量均被施以较高要求。除了通过提高集成度来实现外，小尺寸封装也是发展趋势之一。例如2004年Microchip推出的采用SoT-23-6封装形式的PIC10F系列。时至今日，该芯片仍然在销售，说明市场对小尺寸MCU的需求。2. MCU市场潜在空间大，海外厂商占据主要份额2. 1.国内MCU市场需求领跑全球，但大多被海外厂商垄断2022年全球MCU市场规模有望突破200亿美元，预计未来将以超过6%的年均复合增速保持稳定增长。根据I
19、CInsights的数据，2020年MCU市场规模因新冠疫情影响而下跌2%,2021年随着全球经济复苏，MCU销售额同比增长23%,全球市场规模提升至196亿美元。其中，21年MCU平均售价同比增长约10%,即平均售价亦出现了显著提升。预计2022年全球市场仍将保持10%的同比增速，有望达到215亿美金。国内MCU市场2021年达到365亿元，未来5年增速或超过全球平均。据IHS数据统计，2021年国内MCU市场规模达到365亿元，同时近五年中国MCU市场年平均复合增长率为7.2%,超过全球平均增速。随着国内AIoT.光伏、新能源汽车行业快速放量，未来将继续驱动MCU市场规模持续稳健增长。20
20、21年MCU集中度持续提高，海外厂商占据垄断地位。2020年，全球前五大MCU厂商（瑞萨、NXP、英飞凌、ST、Microchip）占比约为75.6%,各家份额较为平均。据ICInsights统计，2021年，全球MCU市场CR5进一步提升至82.1%,恩智浦、Microchip的市占率提升。2.2. 下游需求多点发力，市场成长动力足MCU下游应用广泛，主要覆盖六大下游市场。根据ICInsights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
21、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%o2.3. 1.汽车电子：全球MCU市场增长主要驱动力MCU应用于汽车电子，包括车身控制、智能座舱、汽车照明、辅助驾驶、电源电机和地盘动力系统等模块。在汽车电子领域，MCU应用范围广泛，从车身动力总成，到车身控制、信息娱乐、辅助驾驶，从发动机控制单元，到雨刷、车窗、电动座椅、空调等控制单元，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。车规MCU在功能安全、
22、数据安全、可靠性等方面要求远超工业类和消费类MCUo为保证车辆驾驶安全，MCU通常需要完成3类认证：1)AEC-Q100可靠性标准(国际汽车电子协会)，这是车规级产品最基本的规范要求。2)IATF16949规范：零失效的供应链质量管理标准。3)IS026262:ASI1.功能安全保证级别，分为ASI1.A,B、C和Do不同电子控制单元的功能安全要求等级不同。例如，安全气囊、防抱死制动系统和动力转向系统失效风险高，因而须达到ASI1.D级。而安全等级范围的最低等级，如后灯等部件，仅需达到ASI1.A级即可。大灯和刹车灯通常是ASI1.B级，而巡航控制通常是ASI1.C级。车规MCU在设计和工艺实
23、现上均存在较高壁垒。首先在设计层面，车规MCU需要耐低温、耐高温，适应恶劣工作环境，需要增加车规专用模块的电路设计，例如可靠复位电源电路、系统抗EMC干扰、CAN/1.IN接口等设计；此外，车规MCU的设计还需要通过ISO26262研发管理流程验证，产品最终也必须符合功能安全的风险等级要求。制造层面来看，车规MCU晶圆和封装需要专用的生产线和符合汽车电子要求的工艺；同时，量产阶段市销率也必须满足OPPm要求；最后，生产管理流程需符合IATF16949标准，需要建立智能化可追溯系统。从汽车MCU覆盖的品类看，32位车用MCU占比正在逐步提升。在汽车电子应用中，8位的MCU主要应用在相对简单的控制
24、领域，如照明、空调、雨刷、车窗、座椅和车门等车身域控制。而对于仪表显示系统、多媒体信息娱乐系统、底盘控制、引擎控制，以及安全、动力系统等相对复杂的领域，往往需要32位的MCU产品。我们认为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。2020年，全球车用MCU市场规模达到75亿美元，其中国内市场约23亿美元。受益于汽车智能化、电动化、网联化和共享化的迅猛发展，MCU在汽车电子领域的渗透正在逐步深入，带来用量提升，汽车电子已是全球MCU市场最大的下游应用领域之一
25、。尽管2020年受制于疫情，汽车MCU市场仍保持增长8%o根据ICinsights的预测，未来五年汽车MCU销售额或将以7.7%的复合年增长率增长。车用MCU认证难度大，周期长，全球格局较为集中。MCU在汽车电子认证难度大、周期长，整体来看MCU的市场格局较为集中，根据StrategyAna1.ysis数据，2020年海外厂商瑞萨、恩智浦、英飞凌、赛普拉斯、德州仪器、微芯科技、意法半导体市占率达到98%o2.2.2. 工业控制：受益于逆变器需求提升工控领域MCU市场规模略低于汽车应用，全球规模约50亿美元。工业MCU产品主要被应用在自动化控制、驱动电机、逆变器、工业机器人等场景，发挥着电机控制
26、运算、数据采集控制等功能。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
27、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243.7GWho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。O
28、2.2.3. 消费电子：智能化和变频化提升渗透率国内MCU市场中，消费电子是第一大应用需求，下游覆盖面较广。MCU在消费类电子产品如手机、可穿戴设备、智能家居等被广泛应用。2015年以来，AIoT物联网兴起，智能家居概念下的智能音箱、扫地机器人等各类智能家电带来了大量MCU需求。例如在智能音箱中实现语音交互，扫地机器人中实现动作控制，以及智能电饭煲中的温度控制都离不开MCUoMCU是智能家电的核心芯片产品，随着家居智能化、变频化渗透率提升，MCU需求将进一步增长。据前瞻产业研究院预测，2024年全球智能家电市场规模有望超过390亿美元，而2019年这一规模仅为169.7亿美金。国内小家电市场规
29、模2019年已经超过4000亿元人民币，预计未来仍将稳步增长。国内MCU厂商在消费电子领域布局较早,有望受益于家电变频化、智能化带来的MCU结构性需求的增加。3.国产MCU持续迭代，把握缺货窗口实现导入3. 1.国产MCU厂商加速崛起，产业链协作有望破局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
30、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
31、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厂商与上游代工厂加强协作，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。4. 2.汽车MCU供需仍然紧张，国产替代方兴未艾目前海外MCU产品交期仍然保持紧张，汽车MCU尤其紧缺。2022年上半年来看，海外MCU产品出货并没有出现明显的供需缓解状况。根据分销商富昌电子二季度市场行情报告，ST、瑞萨、英飞凌、NXP、MiCroChiP等全球五大MCU巨
32、头车规产品均有价格上涨和交期拉长的趋势。短期内，海外大厂扩产尚不能完全满足市场需求，国产MCU有望把握机遇凭借前期技术积累切入汽车供应链。面临汽车芯片短缺的现状，海外芯片厂在近一年中持续在扩产能，但新增产能释放速度并无法满足需求的快速增长。与此同时，国内品牌整车厂、tier1也在加速验证国产MCU芯片，有望实现客户端从0到1的突破。功能安全要求低的车用MCU将会是国产厂商实现从0到1突破的起点，国产替代空间大。国内芯片企业中兆易创新、芯海科技、芯旺微电子、比亚迪半导体、国芯科技、杰发科技等正在加速推出新产品。然而，由于汽车MCU对寿命、良率、产品交付能力提出更高要求，目前在关键环节国外IDM厂商市占率仍较高，国内厂商认证难度较大。我们预计国内汽车厂商有望在车身电子如雨刷、车门、摇窗等ASI1.功能安全要求较低的领域率先引入国产MCU供应商。随着国产MCU技术不断迭代，未来有望渠道复用，进一步拓展在车用MCU领域的产品品类，向ASI1.高要求功能安全等级迈进。
