從MCU到SoC：繁榮和現(xiàn)實(shí)

這篇，主要科普科普MCU和SoC的關(guān)系。

從2021年初開(kāi)始的“缺芯”，到目前為止還沒(méi)有完全緩解。而一輛傳統(tǒng)汽車(chē)上少則有40多種芯片，多則達(dá)到150多種。此外，一輛新能源汽車(chē)上要超過(guò)300顆芯片。

那么，“缺芯”缺什么？恐怕很多人說(shuō)不上來(lái)。

實(shí)際上，汽車(chē)上缺的主要是ECU，而從更基礎(chǔ)、更微觀的層面來(lái)說(shuō)，缺的是MCU（Micro Control Unit，微控制單元），也就是所謂的單片機(jī)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，MCU就是在CPU（這個(gè)就不用解釋了吧？）的基礎(chǔ)上，增加了存儲(chǔ)器RAM和ROM、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器及I/O接口，將它們集成在一塊，形成“芯片級(jí)別的芯片”。所以說(shuō)，MCU是傳統(tǒng)汽車(chē)最為常用的芯片。

而隨著計(jì)算需求越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化，將CPU、GPU、DSP、NPU等不同類(lèi)型的芯片，外加上接口、儲(chǔ)存等電子元件，就組成了俗稱(chēng)“片上系統(tǒng)”的SoC（System on Chip），形成“系統(tǒng)級(jí)別的芯片”。最典型的例子就是特斯拉的FSD，一顆CPU+GPU+2×NPU的多核SoC芯片。

所以，SoC是MCU集成度更高的結(jié)果，功能更加復(fù)雜，資源利用效率更高。但是，我們要知道的是，SoC和MCU在發(fā)展趨勢(shì)上是什么關(guān)系？未來(lái)SoC是不是會(huì)完全替代MCU呢？

MCU“開(kāi)掛”

IC Insights最新的《麥克林報(bào)告》指出，2022年全球MCU的市場(chǎng)銷(xiāo)售額將增長(zhǎng)10%，市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到215億美元，再創(chuàng)歷史新高。其中，今年汽車(chē)MCU的增長(zhǎng)將超過(guò)其他大多數(shù)終端市場(chǎng)。

就像指數(shù)資本的調(diào)研指出的，從資本市場(chǎng)來(lái)看，MCU此前市場(chǎng)空間總計(jì)不過(guò)100億人民幣，但現(xiàn)在，僅一級(jí)市場(chǎng)Top6的MCU企業(yè)最新估值總和已超300億人民幣，玩家中更不乏大量切入MCU業(yè)務(wù)的上市公司。

此外，工業(yè)級(jí)MCU對(duì)無(wú)線(xiàn)連接、環(huán)境感知、精準(zhǔn)控制、電源管理、人機(jī)交互等功能不斷提出新需求，同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)（IOT）也帶來(lái)更多的MCU增量需求。換句話(huà)說(shuō)，是全面開(kāi)花的局面。

按照指數(shù)資本董事總經(jīng)理王逸非的觀點(diǎn)，2022年是第二輪產(chǎn)業(yè)周期的起始年，“資本的故事主線(xiàn)”是高度智能化、電氣化的下一代汽車(chē)，以及全新電子電氣架構(gòu)下的增量功能、增量技術(shù)、增量市場(chǎng)。

其核心驅(qū)動(dòng)因素有兩個(gè)：第一，電氣化底盤(pán)的普及將為下一代智能汽車(chē)奠定架構(gòu)基礎(chǔ)；第二，各大車(chē)廠基于全新一代電子電氣架構(gòu)推出的平臺(tái)，將在2022年底~2024年有產(chǎn)品分批上市。

此外，2025年后市場(chǎng)在售車(chē)型很可能將全面鋪開(kāi)。這兩大產(chǎn)業(yè)鏈增量紅利均為萬(wàn)億元的量級(jí)。如此讓人眼紅的蛋糕，其中，小小的MCU將起到很關(guān)鍵的作用。

賽迪顧問(wèn)集成電路中心高級(jí)咨詢(xún)顧問(wèn)池憲念也很含蓄地向媒體表示，智能電動(dòng)時(shí)代的趨勢(shì)下，汽車(chē)電子電氣架構(gòu)重構(gòu)，所需的MCU數(shù)量和單價(jià)均會(huì)提升，MCU需求也會(huì)隨之發(fā)生變化。

同樣，根據(jù)IC Insights的預(yù)測(cè)，2021~2026年期間，MCU的平均售價(jià)將不斷上升，復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)將達(dá)到3.5%。此外，這期間MCU總出貨量將以3.0%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2026年MCU總出貨量將達(dá)到358億片。

當(dāng)然，也不是所有的MCU都能享受這個(gè)紅利。未來(lái)五年，32位MCU的銷(xiāo)售預(yù)計(jì)將以9.4%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，到2026年將達(dá)到200億美元。同時(shí)，4/8位MCU的銷(xiāo)售額，以及現(xiàn)在正當(dāng)時(shí)的16位MCU的銷(xiāo)售額，都將失去增長(zhǎng)的動(dòng)力。

為什么呢？前面說(shuō)了，車(chē)身架構(gòu)集成拉高了車(chē)廠對(duì)MCU的需求，所以，8/16位中低端MCU不再有投資機(jī)會(huì)（比亞迪對(duì)此有何感想呢？），投資的重心基本都在32位MCU，以及還在研發(fā)階段的64位MCU。

與MCU蓬勃發(fā)展同時(shí)的，是SoC芯片同樣在日新月異地快速崛起。不過(guò)，大多數(shù)的文章沒(méi)有說(shuō)明的是，SoC芯片雖然是MCU的晉級(jí)版本，但是為什么SoC芯片大發(fā)展的同時(shí)，MCU芯片同樣在上量？

這里面其實(shí)就涉及到“域控制器”的問(wèn)題。

從MCU到SoC

因?yàn)椋壳捌?chē)的電子電氣架構(gòu)正在從大量ECU的分布式，向域控制器、中央計(jì)算單元的集中式架構(gòu)轉(zhuǎn)變，而從分布式轉(zhuǎn)移到集中式，是一個(gè)革命性的變化。

換句話(huà)說(shuō)，這也是車(chē)企拿回控制權(quán)的一場(chǎng)“內(nèi)卷”。并且，受益于由分布走向集中的趨勢(shì)，域控制器市場(chǎng)得以快速增長(zhǎng)。

據(jù)蓋世汽車(chē)研究院預(yù)測(cè)，2025年，自動(dòng)駕駛域控制器出貨量將超過(guò)400萬(wàn)臺(tái)套，智能座艙域控制器出貨量將超過(guò)500萬(wàn)臺(tái)套，復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)在50%以上。

而域控制器目前大致可以分為底盤(pán)、動(dòng)力、車(chē)身、座艙、自動(dòng)駕駛（ADAS）五大域，或者整合成車(chē)控VDC、智能座艙CDC、智能駕駛ADC三大域。而負(fù)責(zé)自動(dòng)駕駛的域控制器是核心，其本質(zhì)是一塊SoC級(jí)別的芯片。

不同于以CPU為主的MCU芯片，SoC芯片集成了CPU、AI芯片（GPU/FPGA/ASIC等結(jié)構(gòu)，芯片算力的主要來(lái)源）、深度學(xué)習(xí)加速單元（NPU）等多個(gè)模塊。

更重要的是，MCU的百兆級(jí)的處理速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法與SoC的G級(jí)處理速度相提并論。所以，域控制器采用SoC芯片成為主流趨勢(shì)。

從目前車(chē)企的做法來(lái)看，以SoC芯片為代表的高性能硬件會(huì)率先上車(chē)，以“硬件預(yù)埋”的形式幫助實(shí)現(xiàn)“軟件定義汽車(chē)”。舉例來(lái)說(shuō)，小鵬汽車(chē)在P7車(chē)型中預(yù)埋Xavier芯片、14個(gè)攝像頭等的方式，為后續(xù)L3級(jí)自動(dòng)駕駛留下升級(jí)空間等。

而且，這個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)聚集大量玩家，尤其是ADAS域控制器領(lǐng)域，像英偉達(dá)、高通、恩智浦、Mobileye、TI等海外廠商，以及華為、地平線(xiàn)、黑芝麻、芯馳科技等國(guó)內(nèi)廠商。

海外廠商中，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域的“王者”英偉達(dá)，早在2015年就推出了NVIDIA Drive系列平臺(tái)，此后幾乎是每年英偉達(dá)都要更新一至兩次Drive平臺(tái)，每隔兩年發(fā)布一款車(chē)規(guī)級(jí)SoC芯片。

2020年，Xavier芯片算力為30 TOPS，2022年量產(chǎn)上車(chē)的Orin算力一躍至254 TOPS，而其對(duì)應(yīng)的智能駕駛域控制器算力可達(dá)1000 TOPS以上。而基于Orin開(kāi)發(fā)的車(chē)型，像理想汽車(chē)的X01、蔚來(lái)汽車(chē)的ET7、智己汽車(chē)的L7等，都在整裝待發(fā)。

國(guó)內(nèi)廠商中，地平線(xiàn)早就發(fā)布了面向L3級(jí)以上的征程5芯片。目前已知將搭載征程5芯片的車(chē)型有全新哈弗H9、榮威新款RX5以及一汽紅旗、理想汽車(chē)的多款車(chē)型，當(dāng)然性能如何還有待驗(yàn)證。

而在制造工藝方面，SoC芯片制程已經(jīng)由28nm邁向16nm、12nm，甚至是7nm、5nm的爭(zhēng)奪。比如，今年1月高通就透露，其驍龍Ride SoC將以5nm制程打造，成為業(yè)內(nèi)首款5nm制程自動(dòng)駕駛芯片。

那是不是SoC會(huì)完全替代MCU呢？答案是，也不是。畢竟，MCU是通用型的，而SoC是偏重更具體的應(yīng)用領(lǐng)域。

黑芝麻智能市場(chǎng)總監(jiān)黃瑩告訴我，“SoC的快速增長(zhǎng)來(lái)自智能化的普及，SoC具有進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)算的能力，可以說(shuō)是汽車(chē)的‘大腦’，給用戶(hù)更好的智能體驗(yàn)。而從汽車(chē)內(nèi)部芯片總量來(lái)看，MCU目前在車(chē)身控制等環(huán)節(jié)還是具有非常重要的作用，這個(gè)部分則不會(huì)被SoC取代?！?/p>

MCU的架構(gòu)之路

接下來(lái)的問(wèn)題是，MCU何以越戰(zhàn)越勇？

實(shí)際上，MCU從上個(gè)世紀(jì)70年代推出，至今已有50多年的歷史。從架構(gòu)來(lái)說(shuō)，經(jīng)歷了從INTEL的8051發(fā)展到AVR（哈佛結(jié)構(gòu)）再到各家自定義架構(gòu)，直至如今廣泛用于32位通用MCU的ARM架構(gòu)的歷程。

根據(jù)總線(xiàn)或數(shù)據(jù)暫存器的寬度，MCU劃分為4位、8位到32位（未來(lái)64位）。其中，8位MCU工作頻率在16~50MHz之間，16位MCU工作頻率在24~100MHz之間。而32位MCU工作頻率大多在100~350MHz之間，現(xiàn)在是MCU市場(chǎng)主流。

MCU當(dāng)前的競(jìng)爭(zhēng)格局形成主要是架構(gòu)變化加上并購(gòu)整合帶來(lái)的。其中的主導(dǎo)者，當(dāng)然就是英國(guó)的ARM，在國(guó)內(nèi)叫做安謀中國(guó)（介紹ARM的話(huà)，可以寫(xiě)一本書(shū)，所以省略哈）。2007年后，ARM架構(gòu)開(kāi)始爆發(fā)并且迅速占領(lǐng)了32位MCU市場(chǎng)。

其實(shí)，近年ARM有進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域的強(qiáng)烈意愿。然而，歐洲和美國(guó)兩大汽車(chē)市場(chǎng)的汽車(chē)芯片巨頭非常強(qiáng)勢(shì)，ARM的IP難以進(jìn)入。因此，ARM找到中國(guó)這個(gè)突破口，2018年底，億咖通和安謀中國(guó)等公司共同出資成立芯擎科技，所以，ARM應(yīng)該好好感謝中國(guó)市場(chǎng)哈。

回轉(zhuǎn)來(lái)講，ARM在RISC（精簡(jiǎn)指令集體系）的地位越發(fā)牢固。業(yè)內(nèi)有個(gè)段子，說(shuō)各大MCU廠商推出新品的速度，已經(jīng)趕不上ARM推出新架構(gòu)的速度。

在其Cortex-M55推出僅半年之后，ARM又發(fā)布了全新Cortex-M85處理器，同時(shí)還推出了新的物聯(lián)網(wǎng)全面解決方案，包括采用Cortex-M和Cortex-A（主要面向通用處理應(yīng)用市場(chǎng)，像智能手機(jī)、移動(dòng)計(jì)算平臺(tái)等領(lǐng)域）的最新Corstone子系統(tǒng)和ARM虛擬硬件……

這里簡(jiǎn)單介紹下，目前ARM Cortex根據(jù)應(yīng)用范圍的不同可分為三個(gè)系列，分別為Cortex-M、Cortex-R與Cortex-A系列（性能及復(fù)雜度由低到高）。

其中，車(chē)企所用的MCU主要是Cortex-M系列處理器，包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等多個(gè)類(lèi)別。

當(dāng)然，ARM不是高枕無(wú)憂(yōu)。由于受到ARM內(nèi)核高昂授權(quán)費(fèi)的影響，很多MCU廠商開(kāi)始轉(zhuǎn)型或入局RISC-V內(nèi)核MCU。免費(fèi)、完全開(kāi)源，RISC-V內(nèi)核就像當(dāng)初的LINUX，發(fā)展趨勢(shì)非常喜人。

RISC-V具有袖珍化、低能耗的特點(diǎn)，而這對(duì)于嵌入式應(yīng)用可能至關(guān)重要。并且由于RISC-V是一個(gè)新興領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外MCU廠商在上面的技術(shù)和生態(tài)差距不大，因此RISC-V也成為國(guó)內(nèi)MCU新的驅(qū)動(dòng)力。

這方面，有愛(ài)普特微電子推出的基于RISC-V內(nèi)核（平頭哥玄鐵E系列）開(kāi)發(fā)的32位高性能高可靠性MCUAPT32F1／7。還有先楫半導(dǎo)體 HPM6000系列旗艦產(chǎn)品HPM6750（雙RISC-V內(nèi)核），還創(chuàng)下了MCU高于9000 CoreMar和4500以上的DMIPS性能新記錄。不過(guò)，還是那句話(huà)，有待驗(yàn)證。

國(guó)產(chǎn)MCU現(xiàn)狀

最后說(shuō)一下，在前五大海外廠商CR5主導(dǎo)（據(jù)2019年CSIA數(shù)據(jù)，CR5達(dá)74%；而據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)，2021年CR5提升至82.1%，行業(yè)格局進(jìn)一步集中）的國(guó)內(nèi)MCU市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)廠商也在慢慢崛起。

當(dāng)然，除了地平線(xiàn)、黑芝麻等SoC芯片廠商，實(shí)際上國(guó)產(chǎn)MCU廠商們現(xiàn)在還大多集中于中低端市場(chǎng)。

國(guó)產(chǎn)廠商目前主要采取的突圍方式，還是做小做精，從細(xì)分領(lǐng)域切入，以時(shí)效和價(jià)格為驅(qū)動(dòng)，從專(zhuān)用領(lǐng)域做起進(jìn)駐行業(yè)客戶(hù)，不斷提升產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性，然后邁向通用領(lǐng)域。

按照中金公司的分析，在汽車(chē)領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)MCU廠商的產(chǎn)品主要集中于車(chē)窗、照明、冷卻系統(tǒng)等相對(duì)簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用上，目前僅比亞迪半導(dǎo)體、杰發(fā)科技、賽騰微電子、芯旺微、國(guó)芯科技等少數(shù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)車(chē)規(guī)級(jí)MCU量產(chǎn)。

就拿比亞迪來(lái)說(shuō)，從2007年進(jìn)入MCU領(lǐng)域，2018年推出第一代8位MCU芯片，2019年推出第一代32位MCU芯片，今年3月推出車(chē)規(guī)級(jí)8位MCU BS9000AMXX系列，芯片用的還是S8051內(nèi)核，主頻最高為24MHZ。雖然不斷在突破，然而離巨頭的差距還“略遠(yuǎn)”不是？

那么，為什么車(chē)規(guī)級(jí)MCU技術(shù)壁壘這么高？

主要是車(chē)用MCU的要求非常嚴(yán)苛：

比如，良率要求小于1DPPM；工作溫度區(qū)間范圍寬，要求在-40~125+℃之間；工作壽命要求超過(guò)15年；需通過(guò)特定的資質(zhì)認(rèn)證，包括AEC-Q100可靠性標(biāo)準(zhǔn)、符合零失效的供應(yīng)鏈質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)IATF 16949規(guī)范、符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)的ASIL功能安全保證級(jí)別（嚴(yán)格程度從低到高）。

除了驗(yàn)證環(huán)節(jié)難以打開(kāi)整車(chē)廠的缺口，中金公司調(diào)研認(rèn)為，在整個(gè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)上，多數(shù)國(guó)產(chǎn)MCU企業(yè)還停留在開(kāi)發(fā)板、燒寫(xiě)器和基礎(chǔ)固件庫(kù)上，在開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）方面，仍然依靠第三方更高層應(yīng)用的支撐。在生態(tài)環(huán)境層面，國(guó)產(chǎn)MCU企業(yè)與國(guó)際MCU大廠相距甚遠(yuǎn)。

不過(guò)，這兩年MCU缺貨潮引發(fā)供應(yīng)危機(jī)，加上美國(guó)的制裁，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先MCU廠商迎來(lái)發(fā)展機(jī)遇。而且，隨著本土整機(jī)廠給予國(guó)內(nèi)MCU廠家的驗(yàn)證機(jī)會(huì)增多，國(guó)內(nèi)廠商有望通過(guò)不斷增強(qiáng)MCU的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銷(xiāo)量與市場(chǎng)份額的提升，一句話(huà)，“前途是光明的”。