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2020-08-14
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目前国内MCU厂商主要在消费滨海湾娱乐下载、智能卡和水电煤气仪表等中低端应用领域竞争,在市场潜力大且利润比较高的领域,比如工业控制、汽车滨海湾娱乐下载和物联网市场,都被国外的MCU厂商垄断。”即从发展阶段来看,国产MCU厂商处在高速发展期,并且可能还有很大的上升空间。

在《30家国产MCU厂商综合实力对比》一文中,滨海湾娱乐下载工程专辑主分析师Steve Gu总结说:“2008-2018年间,中国 MCU市场年平均复合增长率(CAGR)为7.2%,是同期全球MCU市场增长率的4倍,2019年中国 MCU 市场规模达到256亿元。预计2020年中国MCU市场规模将超过268亿元,市场增长速度仍将领先全球。”这表明了中国MCU市场规模的庞大,即便在大环境逆势下也依然保持着相对高速的增长。

而“预计2020年国产MCU厂商的销售额将达到148亿元人民币,占整个中国MCU市场的55%”,则表明国产MCU厂商在技术和市场上正在奋起直追。

不过“目前国内MCU厂商主要在消费滨海湾娱乐下载、智能卡和水电煤气仪表等中低端应用领域竞争,在市场潜力大且利润比较高的领域,比如工业控制、汽车滨海湾娱乐下载和物联网市场,都被国外的MCU厂商垄断。”即从发展阶段来看,国产MCU厂商处在高速发展期,并且可能还有很大的上升空间。


国产MCU正奋起直追的趋势,从近期Aspencore在上海举办的“2020全球MCU技术与应用峰会”也能看得出来。参与演讲的唯二两家国际MCU厂商瑞萨滨海湾娱乐下载与Silicon Labs,不管是前者分享以工业控制为主的应用市场,还是后者在8位MCU方面的技术特色,都表明这些MCU国际大厂的发展程度都已经相当之高。

但从其余MCU国产厂商关注的技术与市场侧重点,则又能发现国产MCU未来逐步迈向成熟的迹象。

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去年兆易创新首发RISC-V通用MCU,在全球范围内都引发了相当的关注。当时兆易创新产品市场总监金光一先生就曾提到兆易创新的MCU“百货公司”战略。在MCU技术与应用峰会的圆桌上,金光一再度提到,兆易创新的MCU“百货商店”一方面在增加通用度,提高产品的覆盖度;另一方面则在“关注垂直市场”,即推出专用MCU,如根据接口、算力等方面的需求推出专用产品;以及打造更好的服务生态。

体现上述覆盖“广”这一特点的,兆易创新GD32系列MCU,从性能上就覆盖了从入门到高性能增强型的各类需求。内核则有Arm、RISC-V两大产品线,在Arm之下还有包括Cortex-M23、M3、M4、M33的产品可选。“27个系列,360余个型号,具备了灵活的选择方式。而且所有产品线都相互兼容,硬件管脚兼容、软件寄存器兼容。各类开发需求都能得到满足。即便是RISC-V和Arm两种内核的产品也能兼容,要从Arm跨越到RISC-V是代码无缝切换的,升级转译都很灵活。”

与此同时,有“多种生产工艺、多产线多封装厂的保障”,如Foundry主要有中芯国际、联电、台积电,而封装测试则在国内不同区域涵盖华天科技、长电科技、通富微电等“同步在进行,提供多产线保障。在MCU缺货或者存在较大变动的情况下,依然保证供货弹性。”金光一说。GD32产品面向的应用市场也涵盖了工业控制、能源控制、安防监控、家电、消费滨海湾娱乐下载、医疗健康、汽车周边等等。

GD32 MCU通用BLDC电机方案

而在“专”的方向,兆易创新也有面向专用领域的MCU产品,典型如面向指纹识别(GD32FFPR)、打印机(GD32EPRT)等市场的MCU。实际在“专”的部分,这些年的通用产品原本也越来越倾向于增加一些专用单元,尤其是在高性能领域。典型如兆易创新的GD32E5,包含了内核独立的乘法/除法器+DSP指令集+FPU,以及三角函数运算加速器(TMU),这些对于高精度工业控制更有价值。

在“更好的生态服务”方面,主要应该是指开发生态。兆易创新在这方面着力了6个部分,分别是官方工具(典型如开发板、学习套件等)、合作伙伴工具(典型如与SEGGER的合作所推的工具)、嵌入式软件、解决方案、宣传培训(在线培训等)、大学计划(联合实验室、滨海湾娱乐下载设计竞赛等)。

绿色那块是GD32FFPR-START开发板

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瑞萨滨海湾娱乐下载资深专家吴频吉先生在介绍RX72M MCU时,提到了“驱控一体化”。RX72M是面向工业机器人、电机驱动控制等领域的MCU。其特色在于一颗芯片,融合了系统控制、电机驱动,以及EtherCAT工业以太网通讯。这一点从下面的模块构成也能看出来,其实际集成的部分还有更多。

“现在很多做法,就是用一颗芯片搞定很多事。我们把以太网、驱控做到了一颗芯片内。那些对体积要求很高的应用,就非常适用这颗芯片。”吴频吉说。

国内的MCU厂商普遍也在做这方面的工作。航顺芯片研发总监王翔提到两个新的概念,分别叫MCPU(Micro Controller & Processing Unit)以及MaaS(MCPU as a Service)。他在提出5G、AIoT时代产业特征及挑战时,认为传统MCU作为“端”侧的重要组成部分,理应“合纵连横”。

所以MCPU的概念,是令MCU+传感器+无线连接+安全+OS+AI处理;而MaaS,则是在MCPU的基础上增加数据平台专有设计,再加上智能应用专有设计。其本质应该是提升集成度,并部分增加专用特性的思路。王翔举了几个例子,比如用于宠物管理的芯片,理应在传统MCU的基础上增加生物传感器(脉搏、血压)、LPWAN无线连接、环境传感器(声、光、味)、超低能耗PMU、情绪模型AI识别。

王翔总结MCPU与MaaS的特点,包括面向如今更多领域有碎片化的“千芯千面”(可通过增加 FPGA ,或生态合作-应用标准化IP芯片、先进芯片封装的方式来实现),以及芯片成本更低(研发各环节自动化、专用化/定制化方案、采用最合适的制造工艺、现代化库存管理等)、算力加强(更多处理与AI能力)、敏捷开发(OS+API接口+特定应用软件包)、安全、超低能耗(快速执行+超低待机电流)、集成网络连接能力(包括BLE、WiFi、NBIoT、LoRa等)。当代MCU企业的不少产品,包括前述瑞萨滨海湾娱乐下载、兆易创新以及航顺滨海湾娱乐下载的产品都多多少少在往这个方向靠拢的趋势。

中微半导体的混合信号SoC即是提高集成度的另一个典型代表。中微半导体(深圳)股份有限公司产品应用部部长钟成保先生说:“我们把一些模拟外设,包括ADC、运放/比较器、可编程增益放大器、DAC、LDO模块等都往MCU里面靠,显著减少外围器件。”“很多市场都在往集成化的方向走;传统集成化SoC遭遇技术瓶颈,无法满足应用需求;模拟、射频逐渐集成到了SoC内部;加上可重用IP以及相辅相成的模拟IP与数字控制。”所以2018年,中微半导体在“国内首次提出混合信号SoC概念”。

比较有代表性的,上面这张图是中微半导体用于电机控制的专用SoC:CMS32M5524。其特色除了增强型PWM之外,模拟外设包含一个低速ADC与一个高速ADC,“低速做系统控制,高速做电机控制”;还有集成2通道高性能模拟放大器;具备双边迟滞功能的模拟比较器,“通过比较器对整个系统实施保护”,“相当于4个运放在里面”;4-32倍增益可选的PGA。

中微的混合信号SoC的产品应用,典型如循环扇、筋膜枪、耳温枪、血氧仪、锂电充电方案等。从钟成保列举的方案来看,无论是电路板尺寸还是整体成本,都有不小的缩减,“一颗MCU就把几颗芯片都干掉了”,这是集成方案带来的价值。

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实际上前面提到的这 几家MCU厂商普遍都有谈到MCU层面的一些安全措施。包括Silicon Labs高级现场应用工程师赵伟先生,也特别提到了旗下BG22蓝牙产品的安全性加强:专门硬件加速的加密、真随机数发生器、信任根安全启动、启动工程密码校验、Secure Debug with Lock/Unlock,以及Arm核本身支持的TrustZone。

我们常说,开始格外注重安全问题乃是一个领域发展到高级阶段的代表。因为安全的技术投入,产出经常不算很大——很多时候还影响开发进度,但安全的缺失却足以造成致命打击。MCU峰会上,有家专门做“安全MCU”的国民技术。国民技术产品规划与管理部执行总监、资深行业产品规划师钟新利先生介绍了旗下的“安全芯片”。

这是一种为MCU融入安全技术,或者说增加相关安全模块的芯片产品。除了常规的MCU组成部分,其特点在于加强了芯片关键信息存储、运算过程的保护和抗攻击能力。上图中的红色部分,即是国民技术为其安全芯片增加的安全模块。

相对典型的比如安全存储技术:“一般编辑后的bin,在download到Flash时是明文形式。通过暴力获取的方式,能够得到Flash内的明文内容,通过反向编译、绕开防护就能做到破解。我们把明文的bin以密文的方式存储,程序执行时自动解密,每颗芯片的Key也各不相同。”钟新利说。这一点与手机高级应用的数据保护措施听起来颇为相似。

还有比较典型的存储器分区隔离保护技术,这种技术会将Flash分成多个区,各区之间不能相互访问data与code。这一点针对不同层级做开发,比如语音识别厂商要将算法灌入MCU,方案整合商需要将应用场景整合进去,终端设备制造商又要修改人机界面。彼此藉由API访问,并不影响开发本身,同时做到防复制、防篡改、防擦除,保护多用户开发应用下的核心知识产权。

国民技术的电机驱动开发板

再比如各类密码算法硬件加速引擎的加入(包括国密算法)、时钟安全系统(外部时钟晶体失效时自动切换到内部RC振荡器)、固件安全更新(固件签名认证),以及一些防侧信道攻击的方案(典型如指令功耗平衡,因为攻击者通过功耗、发热等侧信道攻击方式是可以进行算法推断,进而获取资产的,指令功耗平衡可以切断这些侧信道攻击的可行性)。

从MCU层面开始融入安全技术,对于供应链下游的开发者将安全融入到开发生命周期中去,本身就是个比较积极的信号。

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将开发生态的完善放在最后,是因为我们认为,这是某个个别的商业企业MCU产品走向成熟的基本能力。如兆易创新在开发生态方面做得已经比较完善,几乎各个需要着力的部分都有成果。参与MCU峰会的每家企业,基本都有花比较多的篇幅去介绍自家在开发生态建设上的成果。

这其中在生态理念构建上,比较有代表性的是赛元微滨海湾娱乐下载。深圳市赛元微滨海湾娱乐下载有限公司副总经理、技术总监程君健先生提到,物联网应用开发遭遇的几个主要问题包括了碎片化,技术标准和架构不统一(比如无线标准非常多,WLAN和WAN的选择碎片化);传统厂商对接云端困难(云平台并不擅长MCU控制逻辑,而传统的滨海湾娱乐下载厂商又不了解物联网技术、与云端对接困难);物联网项目周期短,联合开发困难(IoT模组、硬件厂商、云平台之间的联合开发,难以区隔、定位问题);产品迭代升级困难(物联网技术变化快,产品迭代快,但资源有限)。

这些问题的本质,都在开发生态的易用性问题上。赛元微滨海湾娱乐下载在解决这些问题时,有两个亮点。其一是MCU产品本身具备“通用化平台”特性。不仅是平台化产品,可以相对简单地扩展、修改、升级;还在于建立生态环境,比如其中的连接、传感器模块“可以由不同的厂家提供。我们的开发环境可以由不同的厂家提供模块。我们提供标准接口,其他厂家就可以加入进来。”程君健说,“比如一个WiFi模块加入进来,即便客户对WiFi不熟,通过我们的标准接口,无论是WiFi还是蓝牙,客户都只需要当做串口在用就行。”这是开发易用性提升的表现。

赛元微滨海湾娱乐下载的隔空水位检测应用,可隔空2mm检测到水与其他液体的位置变化,可应用在饮用水、咖啡机、水壶等家电

另外赛元微滨海湾娱乐下载在MCU对接云的问题上,强调“强化端与管、云合作”,与无线模组厂商战略合作、与云平台对接、软硬件开发平台支持。

“我们提供软件硬件和协议栈,用户不需要搞清楚具体的设计、编程手法,当成标准模块来用即可。我们和无线模组厂商合作——我们自己没有无线模组产品,但我们可以提供不同厂家提供的模块——这些模块有不同的特点,有些性能好、有些成本低,用户可以自由选择。”

“对应用而言是基本一致的,不同厂家的模块遵循我们的协议。我们提供开发的平台,硬件层面的不同模块可以加入到我们的平台中来。这就解决了滨海湾娱乐下载设备厂商、互联网之间,技术不衔接的问题。”具体到与无线模组厂的合作,包括“提供完整、可靠的驱动包;图形化软件支持,快速开发”;与云平台对接则实现“标准化接口;开放给第三方;终端用户可使用”。

赛元微滨海湾娱乐下载触摸滑轮滑条三合一DEMO

比较有趣的是,赛元微滨海湾娱乐下载还做了一个名为“易码魔盒”的开发平台。这是一个部分利用图形化编程工具、让开发简易化的平台。“软件开发过程中,是否可以不用写代码,提供框图就能做逻辑控制。”程君健说。此间所做的是封装协议栈、中间件、统一抽象标准API,图形化编程工具。另一方面,开发者还能以搭积木的方式挑选功能和驱动模块进行开发。

这些在提升开发易用性、缩短开发周期的问题上,都比较具有代表性。类似的更多解决方案也是MCU峰会上多家厂商在谈自家开发生态时多有提及的部分。

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“新基建如今上升到国家高度,提倡加强数字领域的建设,新基建是未来10年的主要驱动力。” 芯海科技在MCU峰会上提到。作为信号链MCU领域的重要代表,在国内新冠疫情爆发时,芯海科技的信号链MCU推动额温枪产品的快速开发是相当知名的——这是其信号链MCU产品在生理参数、传感器领域的一个应用方向。

芯海科技信号链MCU应用的红外体温测试仪

芯海科技的滨海湾娱乐下载烟开发板(CS32F031 MCU)

芯海科技双PD3.0/PPS移动电源开发板

“新基建在设计、制造、应用等多个维度带动国产半导体行业的发展。信号链MCU集感知、计算、控制于一体,在新基建的浪潮下将成为新的明星。”信号链MCU是从感知到控制,连接现实世界与数字世界的芯片设备。芯海科技列举了信号链MCU在光通信、通信电源、传感器方面的具体应用。智能家居、健康测量、能源管理、人机交互都是芯海科技专注的方向。

新基建显然不仅是驱动芯海科技未来发展的动力,MCU乃至所有数字基础建设的相关领域都会受惠于此。“新基建以5G为核心,本身5G的各个组成部分就为半导体行业带来非常大的影响。比如5G应用急剧增加,5G带来耗电量增加,对充电回路就提出了更高的要求;5G基站能源本身也有方案方面的需求。”5G对通信基础设施、交通医疗、智慧城市、消费滨海湾娱乐下载各方面都是重要推力。

在新基建本身的推动,以及美国对中国的芯片出口限制间接带动了“国产替代”的大背景下,国内MCU发展的大好时机就在当下。“预计到2023年国内MCU厂商的出货量将增长到256亿元。”国产MCU也必然从各方面走向进一步的成熟。

责编:Yvonne Geng


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