2023, сумасшедшая машина MCU

01 История роста MCU

MCU, микроконтроллер, у него известное название: однокристальный микрокомпьютер.

Это действительно приятное место - переместить набор базовой компьютерной системы на чип, включая внутреннюю версию последовательного порта счетчика ввода-вывода CPU RAM ROM, хотя производительность, конечно, не такая широкая, как у компьютера, но она программируется с низким энергопотреблением и гибкий, поэтому в бытовой электронике, медицинской промышленности, связи Автомобили имеют очень широкий спектр применения.

Он родился в 1971 году, Intel разработала первый в мире микропроцессор - 4-битный чип под номером 4004, этот чип объединяет более 2000 транзисторов, а также Intel разработала чипы 4001, 4002, 4003, ОЗУ, ПЗУ и регистры.

Когда эти четыре продукта появились на рынке, Intel написала в рекламе: «Объявляем новую эру интегральных схем: микрокомпьютеры, сконцентрированные на одном чипе».В то время миникомпьютеры и мейнфреймы имели в основном 8-битные и 16-битные процессоры, поэтому вскоре в 1972 году Intel выпустила 8-битный микропроцессор 8008, который быстро завоевал рынок, открыв эру однокристальных микрокомпьютеров.

В 1976 году Intel выпустила первый в мире программируемый микрокомпьютерный контроллер 8748, который объединяет 8-битный процессор, 8-битный параллельный ввод-вывод, 8-битный счетчик, ОЗУ, ПЗУ и т. д., что может удовлетворить потребности общего промышленного управления и приборостроение, представленное 8748, открывает путь к использованию однокристальных микрокомпьютеров в промышленной сфере.

В 1980-х годах 8-битные однокристальные микрокомпьютеры начали становиться более зрелыми, емкость ОЗУ и ПЗУ увеличивалась, как правило, за счет последовательных интерфейсов, многоуровневых систем обработки прерываний, нескольких 16-битных счетчиков и т. д. В 1983 году Intel выпустила MCS. -96 серия 16-битных высокопроизводительных микроконтроллеров со 120 000 встроенными транзисторами.

С 1990-х годов однокристальный микрокомпьютер вышел на сцену ста научных школ по производительности, скорости, надежности, полной интеграции, в зависимости от количества бит шины или регистров данных, начиная с начальных 4 бит. постепенно развивались с появлением 8-битных, 16-битных, 32-битных и 64-битных однокристальных микрокомпьютеров.

В настоящее время набор инструкций микроконтроллеров в основном разделен на CISC и RISC, а базовая архитектура — это в основном ARM Cortex, Intel 8051 и RISC-V.

Согласно Обзору рынка микроконтроллеров Китая (MCU) за 2020 год, 32-битные продукты MCU составляют до 55% рынка, за ними следуют 8-битные продукты, на которые приходится 43%, на 4-битные продукты приходится 2%, 16 -битные продукты составляют 1%, видно, что основными продуктами на рынке являются 32-битные и 8-битные микроконтроллеры, а рыночное пространство 16-битных микроконтроллеров сильно ограничено.

Продукты с наборами команд CISC составляли 24% рынка, продукты с наборами команд RISC составляли 76% основных продуктов рынка;На основные продукты Intel 8051 приходилось 22% рынка, за ними следовали продукты ARM Cortex-M0, на которые приходилось 20%, на продукты ARM Cortex-M3 приходилось 14%, на продукты ARM Cortex-M4 приходилось 12%, на продукты ARM Cortex-M0+. на долю продуктов ARM Cortex-M23 приходилось 1%, на основные продукты RISC-V — 1%, а на другие — 24%.На продукты ARM Cortex-M0+ приходилось 5%, на продукты ARM Cortex-M23 — 1%, на основные продукты RISC-V — 1%, а на другие — 24%.В целом ядра серии ARM Cortex занимают 52% основного рынка.

Рынок MCU столкнулся со значительным снижением цен за последние 20 лет, но снижение его средней отпускной цены (ASP) замедлилось за последние пять лет.Пережив спад в автомобильной промышленности, глобальную экономическую слабость и эпидемический кризис, рынок MCU начал восстанавливаться в 2020 году. По данным IC Insights, поставки MCU увеличились на 8% в 2020 году, а общий объем поставок MCU в 2021 году увеличился до 12%, что является рекордным показателем в 30,9 миллиардов, в то время как ASP также выросли на 10%, что является самым высоким ростом за 25 лет.

IC Insights ожидает, что поставки MCU достигнут 35,8 миллиардов единиц в течение следующих пяти лет, а общий объем продаж составит 27,2 миллиарда долларов.Из них продажи 32-битных микроконтроллеров, как ожидается, достигнут 20 миллиардов долларов США с совокупным годовым темпом роста 9,4%, 16-битные микроконтроллеры, как ожидается, достигнут 4,7 миллиардов долларов США, а 4-битные микроконтроллеры, как ожидается, не покажут роста.

02 Автомобиль MCU сумасшедший обгон

Автомобильная электроника является крупнейшим сценарием применения микроконтроллеров.IC Insights ожидает, что мировые продажи микроконтроллеров вырастут на 10% до рекордных 21,5 млрд долларов в 2022 году, причем автомобильные микроконтроллеры вырастут больше, чем на большинстве других конечных рынков.

Более 40% продаж микроконтроллеров приходится на автомобильную электронику, и ожидается, что в течение следующих пяти лет продажи автомобильных микроконтроллеров будут расти в среднем на 7,7%, опережая темпы продаж микроконтроллеров общего назначения (7,3%).

В настоящее время автомобильные микроконтроллеры в основном являются 8-битными, 16-битными и 32-битными, и разные биты микроконтроллеров выполняют разные функции.

Конкретно:

8-битный MCU в основном используется для относительно простых функций управления, таких как управление сиденьями, кондиционерами, вентиляторами, окнами и модулями управления дверями.

16-битный MCU в основном используется для нижней части тела, такой как двигатель, электронный тормоз, система подвески и другие системы питания и трансмиссии.

32-битный микроконтроллер соответствует автомобильному интеллекту и в основном используется для высококлассных интеллектуальных и безопасных сценариев применения, таких как развлечения в кабине, ADAS и управление телом.

На этом этапе производительность и объем памяти 8-битных микроконтроллеров растут, а благодаря своей экономической эффективности они могут заменить некоторые 16-битные микроконтроллеры в приложениях, а также обратно совместимы с 4-битными микроконтроллерами.32-битный MCU будет играть все более важную роль главного управляющего устройства во всей автомобильной E/E-архитектуре, которая может управлять четырьмя разрозненными блоками ECU нижнего и среднего уровня, а число применений будет продолжать расти.

Вышеуказанная ситуация ставит 16-битный MCU в относительно неудобное положение: он не высокий, а низкий, но в некоторых сценариях приложений он все же полезен, например, в некоторых ключевых приложениях систем силовых агрегатов.

Автомобильный интеллект значительно увеличил спрос на 32-битные микроконтроллеры: в 2021 году более трех четвертей продаж автомобильных микроконтроллеров придется на 32-битные микроконтроллеры, которые, как ожидается, достигнут около 5,83 миллиарда долларов;16-битные микроконтроллеры принесут около 1,34 миллиарда долларов дохода;Согласно отчету McClean, 8-битные микроконтроллеры принесут около 441 миллиона долларов дохода.

На уровне приложений информационно-развлекательные системы — это сценарий приложения с самым высоким ростом продаж автомобильных микроконтроллеров по сравнению с прошлым годом: рост на 59% в 2021 году по сравнению с 2020 годом и рост доходов на 20% для остальных сценариев.

Теперь все электронное управление автомобилем использует ECU (электронный блок управления), а MCU является основной микросхемой управления ECU, каждый ECU имеет по крайней мере один MCU, поэтому текущий этап трансформации и модернизации интеллектуальной электрификации вызвал спрос на Увеличение использования одного транспортного средства MCU.

По данным исследовательского отдела Экспертного комитета автомобильного маркетинга Китайского института маркетинга, среднее количество ЭБУ, установленных на обычных автомобилях, работающих на традиционном топливе, составляет 70;количество ЭБУ, установленных на роскошных автомобилях с традиционным топливом, может достигать 150 из-за более высоких требований к характеристикам сидений, централизованного управления и развлечений, устойчивости кузова и безопасности;а среднее количество ECU, установленных на умных автомобилях, может достигать 300 из-за новых требований к программному и аппаратному обеспечению для автономного вождения и вспомогательного вождения, что соответствует количеству MCU, используемому отдельными автомобилями, также достигнет более 300.

Высокий спрос на микроконтроллеры со стороны автопроизводителей особенно заметен в 2021 году, когда из-за эпидемии наблюдается нехватка ядер.В том году многим автомобильным компаниям пришлось ненадолго остановить некоторые производственные линии из-за нехватки ядер, но продажи автомобильных микроконтроллеров взлетели на 23% до $7,6 млрд, что стало рекордным показателем.

Большинство автомобильных чипов производятся с использованием 8-дюймовых пластин, некоторые производители, такие как TI, переносят 12-дюймовые линии, IDM также будет частью литейного производства по аутсорсингу мощности, в котором доминирует MCU, около 70% мощности принадлежит TSMC. .Однако сам автомобильный бизнес составляет небольшую долю TSMC, а TSMC специализируется на передовых технологиях бытовой электроники, поэтому рынок автомобильных микроконтроллеров особенно скуден.

Нехватка автомобильных чипов во главе со всей полупроводниковой промышленностью также положила начало волне расширения, основные литейные заводы и заводы IDM активно расширяют производство, но фокус другой.

Ожидается, что завод TSMC в Кумамото будет введен в эксплуатацию к концу 2024 года. Помимо 22/28-нм процесса, он будет дополнительно обеспечивать 12- и 16-нм процессы, а завод в Нанкине расширит производство до 28-нм с ежемесячной производственной мощностью 40 000 штук;

SMIC планирует расширить производство как минимум на 45 000 8-дюймовых пластин и как минимум на 10 000 12-дюймовых пластин в 2021 году, а также построить 12-дюймовую производственную линию с ежемесячной производительностью 120 000 пластин в Лингане, сосредоточив внимание на узлах 28 нм и выше.

Huahong рассчитывает ускорить расширение производственных мощностей 12-дюймовых экранов до 94 500 штук в 2022 году;

Renesas объявила о своей доле в заводе TSMC в Кумамото с намерением расширить аутсорсинг и намерена увеличить поставки автомобильных микроконтроллеров на 50% к 2023 году, при этом мощность высокопроизводительных микроконтроллеров, как ожидается, увеличится на 50%, а мощность низкопроизводительных микроконтроллеров - примерно на 70%. по сравнению с концом 2021 года.

STMicroelectronics инвестирует 1,4 миллиарда долларов в 2022 году в расширение и планирует удвоить мощность своих европейских заводов к 2025 году, в основном за счет увеличения 12-дюймовой мощности, а для 8-дюймовой мощности STMicroelectronics будет выборочно модернизировать продукцию, не требующую 12-дюймовой мощности. дюймовая технология.

Texas Instruments добавит четыре новых завода, первый завод, как ожидается, будет введен в эксплуатацию в 2025 году, а третий и четвертый заводы будут построены в период с 2026 по 2030 год;

ON Semiconductor увеличила свои капитальные вложения до 12%, главным образом для расширения мощностей по производству 12-дюймовых пластин.

IC Insights располагает интересными данными о том, что ASP всех 32-битных микроконтроллеров снижается в среднем на -4,4% в годовом исчислении в период с 2015 по 2020 год, но вырастает примерно на 13% до примерно 0,72 доллара в 2021 году. Это отражается на спотовом рынке. Колебания цен на автомобильные микроконтроллеры более очевидны: 32-битный микроконтроллер NXP FS32K144HAT0MLH со стандартной ценой в 22 доллара вырос до 550 долларов, диапазон более чем в 20 раз, что было одним из самых дефицитных автомобильных чипов в то время.

32-битный автомобильный микроконтроллер Infineon SAK-TC277TP-64F200N DC подорожал до 4500 юаней, увеличившись почти в 100 раз, цена той же серии SAK-TC275T-64F200N DC также выросла до более чем 2000 юаней.

С другой стороны, первоначально популярная бытовая электроника начала остывать, слабый спрос, а также ускорение внутреннего замещения, что привело к снижению цен на потребительские микроконтроллеры общего назначения, некоторые модели чипов ST, такие как F0/F1/F3. Цены на сериалы приблизились к нормальной цене, и даже на рынке ходили слухи о том, что цена на некоторые MCU упала ниже агентской цены.

Однако автомобильные микроконтроллеры, такие как Renesas, NXP, Infineon и ST, по-прежнему находятся в относительной нехватке.Например, цена высокопроизводительного 32-битного микроконтроллера ST STM32H743VIT6 от ST в конце прошлого года выросла до 600 юаней, тогда как два года назад его цена составляла всего 48 юаней.Увеличение более чем в 10 раз;Рыночная цена Infineon Automotive MCU SAK-TC237LP-32F200N переменного тока в октябре прошлого года составляла около $1200, декабрьские предложения доходили до $3800, и даже на сторонних сайтах предлагали более $5000.

03 Рынок большой, а внутреннее производство невелико

В конкурентной среде микроконтроллеров доминируют зарубежные гиганты, как и во всей конкурентной среде полупроводников.В 2021 году в пятерку крупнейших поставщиков микроконтроллеров входили NXP, Microchip, Renesas, ST и Infineon.На долю этих пяти поставщиков микроконтроллеров пришлось 82,1% от общего объема мировых продаж по сравнению с 72,2% в 2016 году, при этом размер ведущих компаний за прошедшие годы увеличился.

По сравнению с потребительскими и промышленными микроконтроллерами порог сертификации автомобильных микроконтроллеров высок, а период сертификации длительный. Система сертификации включает сертификацию стандарта ISO26262, сертификацию стандарта AEC-Q001~004 и IATF16949, сертификацию стандарта AEC-Q100/Q104, из которых ISO26262 Автомобильная функциональная безопасность разделена на четыре уровня от ASIL-A до D. Например, шасси и другие сценарии предъявляют самые высокие требования к безопасности и требуют сертификации уровня ASIL-D, немногие производители микросхем могут соответствовать этим условиям.

По данным Strategy Analysis, мировой и внутренний рынок автомобильных микроконтроллеров в основном занимают компании NXP, Renesas, Infineon, Texas Instruments, Microchip с долей рынка 85%.Хотя 32-битные микроконтроллеры по-прежнему монополизированы зарубежными гигантами, некоторые отечественные компании добились успеха.

04 Заключение

Быстрое развитие интеллектуальных электромобилей, поэтому к ним присоединился ряд производителей потребительских чипов, таких как Nvidia, Qualcomm, Intel, которые были в интеллектуальной кабине, прорывы в чипах автономного вождения, сжимая пространство выживания старых производителей автомобильных чипов.Разработка автомобильных микроконтроллеров прошла путь от саморазвития и улучшения производительности до всесторонней конкуренции за снижение затрат при сохранении технологических преимуществ.

Благодаря автомобильной архитектуре E / E от распределенного управления до управления доменом и, в конечном итоге, к центральной интеграции, будет заменено все больше и больше многофункциональных и простых чипов низкого уровня, высокопроизводительных, высокопроизводительных и других высокопроизводительных. Чипы станут центром будущей конкуренции автомобильных чипов, поскольку основная управляющая роль MCU в будущем уменьшении количества ECU относительно невелика, например, ЭБУ управления шасси Tesla, один содержит 3-4 MCU, но некоторые простые функции базовый MCU будет интегрирован.В целом, рынок автомобильных микроконтроллеров и пространство для внутренней замены в ближайшие годы, несомненно, огромны.