MCU六大应用市场及TOP厂商

跟全球市场略有不同,中国MCU应用市场主要集中在家电/消费电子、计算机网络和通信、汽车电子、智能卡,以及和工控/医疗等领域,市场占比分别为25.6%、18.4%、16.2%、15.3%和11.2%。其中汽车电子和工业控制应用对MCU的需求增长是最快的,预期到2023年工业/医疗电子的市场份额将赶上消费电子。

据有关研究机构统计和ASPENCORE调研显示,2019年全球MCU整体市场规模为164亿美元,应用市场主要集中在汽车电子、工控/医疗、计算机网络、消费电子等领域,占比分别33%、25%、23%和11%。

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跟全球市场略有不同,中国MCU应用市场主要集中在家电/消费电子、计算机网络和通信、汽车电子、智能卡,以及和工控/医疗等领域,市场占比分别为25.6%、18.4%、16.2%、15.3%和11.2%。其中汽车电子和工业控制应用对MCU的需求增长是最快的,预期到2023年工业/医疗电子的市场份额将赶上消费电子。

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2020年全球MCU市场相比2019年有较大的变化,其中汽车电子占比达到了40%,今年由于车规级MCU芯片短缺,市场占比预计会下降。中国MCU市场的统计还没有明确数据,但汽车MCU肯定增长快速,应该会超过20%。

从MCU行业竞争来看,全球主要供应商仍然以国际厂商为主,其中意法半导体、瑞萨、恩智浦、德州仪器、英飞凌(包括赛普拉斯)等厂商占据主导地位。这五大国际厂商主要以汽车电子和工业应用为主,而在消费电子、家电、计算机和网络通信,以及新兴物联网等市场,Silicon Labs、台湾厂商和众多中国本土厂商则占据了更大份额。

我们将中国MCU市场按应用领域大致分为六个类别,分别是:家电和消费电子、物联网、智能表计/IC卡和安全、计算机和网络通信、工业控制、汽车电子。下表列出了每个应用类别的主要国产MCU厂商。

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下面我们重点介绍几个对中国市场比较特殊的细分应用领域。

智能电表

国内智能电表行业经过近20 年发展,电能计量芯片、智能电表MCU 和载波通信芯片等核心元器件已经基本实现全面国产化。以智能电表MCU为例,当前主控MCU芯片普遍采用32位ARM Cortex-M内核,运行频率从十几到几十MHz,一般采用180-90nm 嵌入式闪存工艺制造,集成128KB - 512KB 大容量嵌入式闪存,8KB - 64KB 嵌入式SRAM,并集成了包括ADC、温度传感器、LCD液晶驱动、UART/SPI/I2C 等通信接口、高精度实时时钟等丰富外设功能,具有极低的运行功耗和休眠功耗。

此外,智能电表对主控MCU 有较高的可靠性要求,必须满足工业级温度范围-40-+85℃,支持1.8-5.5V 宽电压工作,并且要求不少于10 年的长期稳定运行。随着新一代智能电表技术规范的实施,客户对主控MCU的速度、运算能力、存储容量和工作寿命等,都会进一步提出更高的要求,相应的工艺技术也在向55nm 及以下的嵌入式闪存工艺转移。

智能电表芯片供应商主要包括钜泉光电、上海贝岭和复旦微电子。三家企业的竞争领域主要集中在电力产品领域,但专注点有所差别,复旦微电子的智能电表芯片主要为MCU 芯片,钜泉光电和上海贝岭主要为计量芯片、SOC 和MCU 芯片。复旦微电子的单相智能电表MCU 芯片产品在国网市场中份额排名第一,预计市场占有率超过60%。钜泉光电的优势在于对三相计量芯片和全SoC 芯片的布局, 而上海贝岭(含锐能微)的主要产品涵盖单相、三相多功能电能计量芯片、MCU、电学量感知芯片等。

国产MCU厂商对智能电表MCU芯片设计的研发已有约20 年,也在积极布局海外智能

电表MCU 芯片领域和通用市场MCU 芯片领域。在技术方面,复旦微电子的FM33A048(B)ARM 平台大容量智能电表MCU 达到了国内领先水平;钜泉光电三相计量芯片技术较强,对单相计量芯片亦有技术布局;上海贝岭(含锐能微)单相计量芯片技术较强,对三相计量芯片亦有技术布局。

智能卡

智能卡芯片主要应用于金融、社保、电子证件领域,因此安全性、功耗及射频兼容性为重要技术指标。在安全性方面,产品实现上除了需要支持TDES、RSA、SM4、SM2 等密码算法外,还需要支持多种防护技术,在芯片内部必须集成抵抗功耗分析攻击的安全算法、光/温度/频率/电压等多种安全传感器、存储器数据加密/地址扰乱的保护算法、真随机数发生器、动态屏蔽层等安全防护电路,确保芯片能够抵抗各种侵入式、半侵入式、非侵入式攻击,保护芯片内部存储的敏感数据不被攻击者获取。

此外,在产品的安全认证方面,在国内需获得银联卡芯片产品安全认证证书、商用密码产品认证证书、IT 产品信息安全认证证书等,在海外需获得CC EAL4+以上等级、EMVCo 等安全证书。

在功耗以及射频兼容性方面,非接触应用中,能量都是被动获得的,智能卡芯片产品工作功耗越低,工作距离越远。同时,射频兼容性越好,在不同的机具上刷卡的成功率越高,用户体验也越好。目前国内、国外产品在安全性、低功耗及射频兼容性方面基本处于相同的技术水平。

在智能卡与安全芯片方面,国民技术、复旦微电子、紫光同芯、中电华大科技为国内相关领域的主流厂商。恩智浦在该领域处于国际领先地位,但因为缺乏含有商用密码算法的产品,在国内安全市场领域的竞争力逐步降低。紫光同芯、中电华大科技由于较早进入智能卡与安全芯片行业,具有一定的先发优势,在国内金融卡领域的市场占有率较其它公司具有优势。

在智能识别设备芯片方面,恩智浦在非接触应用领域有30年的经验,高频非接触读写芯片长期处于国际领先地位,其智能识别设备芯片支持各种非接触应用的协议更为丰富和完整。

国内厂商中,复旦微电子的FM19/17系列金融IC卡POS 机芯片达到了国内领先水平。2019 年,其针对金融POS 的EMVCo.3.0 升级标准推出通过该标准检测的非接触读写器芯片。

智能家电

相较传统家电,智能家电融合物联网、云计算、大数据等技术,对处理器芯片、传感器芯片、通信连接芯片等芯片产品性能和数量需求迅速提升,预计未来家电中芯片占比将大幅提升。

据IDC 数据显示,中国智能家居市场规模将由2018 年的116 亿美元增长至2024 年的368 亿美元,6年年均复合增长率为21.22%;出货量将由2018 年的1.56 亿台增长至2023 年的4.53 亿台,5 年年均复合增长率为21.5%。

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在国产MCU厂商中,中颖电子和深圳中微半导体在家电市场布局较早,有相对市场优势。随着美的、格力和海尔等家电巨头转向智能家电领域,甚至自己开始启动芯片研发项目,国产MCU厂商在这一市场将获得持续的增长,将在全球市场上处于主导地位。

消费电子的无线充电

随着技术瓶颈不断突破,无线充电市场规模逐年增长。根据智研咨询数据,2019年全球无线充电市场规模为87亿美元,2024年全球无线充电市场规模将增长至150亿美元,年均复合率达到12%。

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伴随着全球无线充电市场的强劲发展,中国无线充电市场规模也在不断增加。2018 年到2026 年,预计实现从3.6 亿元至239.4 亿元的市场规模增长。在消费电子领域,手机是无线充电的最大市场。伏达半导体和深圳中微半导体等国产厂商在无线充电发射和接受芯片,以及相应的MCU和SoC芯片领域处于领先地位。

物联网传感器

随着物联网的快速发展,传感器市场需求不断增长。2019 年,全球传感器市场规模为2,263 亿美元,同比增速11.63%;预计到2023 年,全球传感器市场规模将达到2,985 亿美元,较2019 年年均复合增长率为7.14%。中国传感器市场与美国、日本、德国相比仍存在较大差距,但增长速度整体领先于全球。2019 年,中国传感器市场规模为243 亿美元,同比增速13.45%;预计到2023 年,中国传感器市场规模将达到388 亿美元,较2019 年年均复合增长率为12.44%。

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在物联网应用领域,传感器与MCU结合构成智能传感器将有较大的发展空间。汇顶科技、芯海科技、兆易创新(收购思立微)和艾为电子等国产厂商在触控、智能传感器和高精度ADC方面都有一定的技术实力和市场应用优势。

工业控制

中国工控和自动化市场规模持续扩大,预计到2022年将达到2085亿元。工业MCU产品主要用于电机控制、仪器仪表、低压配电、电动工具、工业机器人等应用场景,其功能主要是电机控制运算、数据采集控制等。随着工业设备复杂度的提升,工业MCU单机使用数量持续增长。以工业机器人为例,单机至少使用十余颗MCU芯片。

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传统工控MCU领域向来是TI、ST、ADI和瑞萨等国际大厂的地盘,国内MCU厂商中只有华大半导体的MCU事业部在这一细分市场占据一席之地。最近几年,万高、航顺和极海半导体也可以发力工业MCU市场。比如,极海半导体目前已有基于M0+、M3、M4的MCU,工作温度覆盖-45℃~+125℃,已经应用到变频器、电机驱动器、伺服器、逆变器、BMS管理等工控行业。位于深圳的峰岹科技作为专注于高性能BLDC电机驱动控制芯片的设计公司,其产品涵盖电机驱动控制的全部关键芯片,包括电机主控芯片MCU/ASIC、电机驱动芯片HVIC、电机专用功率器件MOSFET、智能功率模块IPM等。

汽车电子

作为车辆控制的核心器件,MCU主要用于车身控制、驾驶控制、信息娱乐和驾驶辅助系统。汽车MCU是一个相对成熟的市场,竞争格局比较稳定。恩智浦、英飞凌、瑞萨、意法半导体和德州仪器长期以来一直占据全球汽车MCU市场的前五名,2020年市场占比超过95%。

现代的新车平均包含50-100个电子控制单元 (ECU),每个ECU又包含一个或多个MCU,而且还需要长达一公里的电线将它们连接到多个不同的网络。对汽车电子工程师来说,为不同的功能应用设计挑选合适的MCU也是一个不小的挑战。

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除了功能复杂性之外,车规级MCU还有严格的技术和监管壁垒。无论8位、16位,还是32位MCU,都必须满足国际汽车工程师协会 (SAE)的标准。对车规级MCU,有如下三种标准规范:

1. AEC-Q100可靠性标准;

2. 符合零失效(Zero Defect)的供应链质量管理标准IATF 16949规范;

3. 符合ISO26262标准的ASIL功能安全保证级别。

消费级MCU的不良率只要≤200DPPM就可以了,但车规级MCU的不良率要≤1DPPM,这就意味着每百万个MCU,最多只能有一个不良品;消费级MCU的工作温度范围在-30-85℃,而车规级MCU的运行环境相对恶劣,往往要求-40~125℃;车规级MCU的工作寿命一般要超过15年,消费级MCU要求3~5年即可。此外,车规级MCU还需功能安全底层软件支持,确保汽车安全稳定的运行,而且根据不同应用对资源和供应体系要求也更高。

然而,在芯片供不应求的情况下,汽车制造商迫切需要多种渠道来采购符合汽车质量规格的MCU,他们开始考虑增加采购渠道和候选供应商,这给中国MCU厂商带来了打入全球汽车供应链的契机。中国本土芯片公司正在努力进军汽车MCU市场。预计2022年开始进入大规模量产阶段,通过“国产替代”来缓解汽车MCU芯片短缺局面。

在国内众多MCU厂商中,杰发科技(AutoChips)、芯旺(ChipON)、赛腾微、琪埔维半导体(Chipways)和比亚迪半导体等少数公司已经批量生产MCU,并进入了汽车OEM厂商供应链,但他们的产品仍然局限于简单的控制应用,例如车窗、照明和冷却系统,而在动力总成控制、智能座舱和ADAS等复杂应用中仍不多见。

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