2023, божевільна машина MCU

01 Історія зростання MCU

MCU, мікроконтролер, має відому назву: однокристальний мікрокомп'ютер.

Це справді приємне місце – перенести набір базової комп’ютерної системи на мікросхему, включаючи внутрішню версію послідовного порту лічильника CPU RAM ROM IO, хоча продуктивність, звичайно, не така широка, як комп’ютер, але вона програмується з низьким енергоспоживанням і гнучкі, тому в споживчій електроніці, медичній промисловості комунікаційні автомобілі мають дуже широкий спектр застосувань.

Він народився в 1971 році, Intel розробила перший у світі мікропроцесор – номер 4004 4-розрядний чіп, цей чіп інтегрує понад 2000 транзисторів, і Intel також розробила 4001, 4002, 4003 мікросхеми, RAM, ROM і регістри.

Коли ці чотири продукти вийшли на ринок, Intel написала в рекламі: «Оголосимо про нову еру інтегральних схем: мікрокомп’ютери, зведені на одному чіпі».У той час міні-комп’ютери та мейнфрейми були в основному 8-бітними та 16-бітними процесорами, тому Intel незабаром випустила 8-бітний мікропроцесор 8008 у 1972 році, щоб швидко завоювати ринок, відкривши еру однокристальних мікрокомп’ютерів.

У 1976 році Intel випустила перший у світі програмований контролер мікрокомп’ютера 8748, який об’єднує 8-розрядний ЦП, 8-розрядний паралельний вхід/вивід, 8-розрядний лічильник, ОЗП, ПЗУ тощо, що може задовольнити потреби загального промислового керування та приладобудування, представлене 8748, що відкриває дослідження однокристальних мікрокомп’ютерів у промисловій сфері.

У 1980-х роках 8-розрядні одночіпові мікрокомп’ютери почали вдосконалюватися, ємність RAM і ROM зросла, як правило, з послідовними інтерфейсами, багаторівневими системами обробки переривань, кількома 16-бітними лічильниками тощо. У 1983 році Intel запустила MCS. -96 серії 16-розрядних високопродуктивних мікроконтролерів із 120 000 вбудованих транзисторів.

Починаючи з 1990-х років, однокристальний мікрокомп’ютер вийшов на етап ста шкіл думки щодо продуктивності, швидкості, надійності, інтеграції в повному розквіті, відповідно до кількості бітів шини або регістрів даних, від початкових 4 бітів поступово розвивався з 8-розрядними, 16-розрядними, 32- і 64-розрядними однокристальними мікрокомп'ютерами.

В даний час набір інструкцій мікроконтролерів в основному поділяється на CISC і RISC, а основна архітектура в основному складається з ARM Cortex, Intel 8051 і RISC-V.

Відповідно до огляду китайського загального ринку мікроконтролерів (MCU) за 2020 рік, 32-розрядні продукти MCU займають до 55% ринку, за ними йдуть 8-розрядні продукти, що становлять 43%, 4-розрядні продукти становлять 2%, 16 -розрядні продукти, що становлять 1%, можна побачити, що основними продуктами на ринку є 32-розрядні та 8-розрядні мікроконтролери, а ринковий простір 16-розрядних продуктів мікроконтролерів сильно скорочено.

Продукти з наборами інструкцій CISC становили 24% ринку, продукти з наборами інструкцій RISC становили 76% основних продуктів ринку;Продукти ядра Intel 8051 становили 22% ринку, за ними йшли продукти ARM Cortex-M0, що становили 20%, продукти ARM Cortex-M3 становили 14%, продукти ARM Cortex-M4 становили 12%, продукти ARM Cortex-M0+ становили 5%, продукти ARM Cortex-M23 становили 1%, основні продукти RISC-V становили 1%, а інші – 24%.Продукти ARM Cortex-M0+ становили 5%, продукти ARM Cortex-M23 – 1%, основні продукти RISC-V – 1%, інші – 24%.Загалом на ядра серії ARM Cortex припадає 52% основного ринку.

Протягом останніх 20 років ринок MCU зіткнувся зі значним падінням цін, але протягом останніх п’яти років зниження його середньої ціни продажу (ASP) сповільнилося.Після спаду в автомобільній промисловості, слабкості глобальної економіки та епідемічної кризи ринок MCU почав відновлюватися в 2020 році. За даними IC Insights, поставки MCU зросли на 8% у 2020 році, а загальні поставки MCU в 2021 році зросли до 12%, що є рекордним показником у 30,9 мільярда, тоді як ASP також зросли на 10%, найвище зростання за 25 років.

IC Insights очікує, що поставки MCU досягнуть 35,8 мільярда одиниць протягом наступних п’яти років із загальним обсягом продажів 27,2 мільярда доларів.З них очікується, що продажі 32-розрядних MCU досягнуть 20 мільярдів доларів із загальним річним темпом зростання 9,4%, 16-розрядних MCU досягнуть 4,7 мільярда доларів, а 4-розрядних MCU не очікується зростання.

02 Автомобіль MCU божевільний обгін

Автомобільна електроніка є найбільшим сценарієм застосування мікроконтролерів.IC Insights очікує, що світові продажі мікроконтролерів зростуть на 10% до рекордних 21,5 мільярдів доларів у 2022 році, при цьому автомобільні мікроконтролери зростуть більше, ніж на більшості інших кінцевих ринків.

Понад 40% продажів мікроконтролерів припадає на автомобільну електроніку, і очікується, що продажі автомобільних мікроконтролерів зростуть на 7,7% протягом наступних п’яти років, випереджаючи продажі мікроконтролерів загального призначення (7,3%).

Зараз автомобільні мікроконтролери в основному 8-, 16- і 32-бітні, і різні біти мікроконтролерів виконують різні функції.

зокрема:

8-розрядний MCU в основному використовується для відносно базових функцій керування, таких як керування сидіннями, кондиціонерами, вентиляторами, модулями керування вікнами та дверима.

16-розрядний MCU в основному використовується для нижньої частини кузова, наприклад двигуна, електронних гальм, системи підвіски та інших силових і трансмісійних систем.

32-розрядний MCU підходить для автомобільного інтелекту та в основному використовується для високоякісних інтелектуальних і безпечних сценаріїв застосування, таких як розваги в кабіні, ADAS і керування кузовом.

На даному етапі 8-розрядні мікроконтроллери зростають у продуктивності та об’ємі пам’яті, і завдяки своїй економічній ефективності вони можуть замінити деякі 16-розрядні мікроконтролери в програмах, а також мають зворотну сумісність із 4-розрядними мікроконтролерами.32-розрядний MCU відіграватиме все більш важливу роль головного керування у всій автомобільній архітектурі E/E, яка може керувати чотирма розрізненими блоками ECU нижнього та середнього класу, і кількість застосувань продовжуватиме збільшуватися.

Вищенаведена ситуація робить 16-розрядний MCU у відносно незручному положенні, не високому, а низькому, але в деяких прикладних сценаріях він все ще корисний, наприклад, деякі ключові програми силових систем.

Автомобільний інтелект значно підвищив попит на 32-розрядні мікроконтролери: у 2021 році понад три чверті продажів автомобільних мікроконтролерів припадає на 32-розрядні мікроконтролери, що, як очікується, досягне приблизно 5,83 мільярда доларів США;16-розрядні мікроконтролери отримають близько 1,34 мільярда доларів доходу;Згідно зі звітом McClean, 8-розрядні мікроконтролери принесуть близько 441 мільйона доларів доходу.

На рівні додатків інформаційно-розважальна система є прикладним сценарієм із найвищим річним зростанням продажів автомобільних мікроконтролерів із зростанням на 59% у 2021 році порівняно з 2020 роком і зростанням доходу на 20% для решти сценаріїв.

Тепер все електронне керування автомобілем використовує ECU (електронний блок керування), а MCU є основною мікросхемою керування ECU, кожен ECU має принаймні один MCU, тому поточний етап трансформації та модернізації інтелектуальної електрифікації викликав попит на Збільшення використання одного автомобіля MCU.

Згідно з даними дослідницького відділу Комітету експертів з автомобільного маркетингу Інституту маркетингу Китаю, середня кількість блоків керування звичайними автомобілями на традиційному паливі становить 70;кількість електронних блоків керування (ECU), які перевозять розкішні автомобілі з традиційним паливом, може досягати 150 через вищі вимоги до продуктивності для сидінь, центрального керування та розваг, стійкості кузова та безпеки;а середня кількість блоків управління розумними автомобілями може сягнути 300 через нові вимоги до програмного забезпечення та апаратного забезпечення для автономного водіння та водіння з допоміжним керуванням, що відповідає кількості блоків керування, що використовуються окремими автомобілями, також досягне понад 300.

Великий попит на MCU з боку автовиробників особливо помітний у 2021 році, коли через епідемію спостерігається дефіцит ядер.Того року багатьом автомобільним компаніям довелося ненадовго закрити деякі виробничі лінії через брак ядер, але продажі автомобільних мікроконтролерів зросли на 23% до 7,6 мільярда доларів, що є рекордним показником.

Більшість автомобільних чіпів виробляється з використанням 8-дюймових пластин, деякі виробники, як-от TI, на 12-дюймову лінійну передачу, IDM також буде частиною аутсорсингу ливарного виробництва, де домінує MCU, близько 70% потужностей – TSMC. .Однак на сам автомобільний бізнес припадає невелика частка TSMC, а TSMC зосереджується на сфері передових технологій споживчої електроніки, тому ринок автомобільних мікроконтролерів особливо дефіцитний.

Дефіцит автомобільних чіпів у всій напівпровідниковій промисловості також спричинив хвилю розширення, великі ливарні заводи та заводи IDM почали активно розширювати виробництво, але фокус інший.

Очікується, що завод TSMC Kumamoto буде введений в експлуатацію до кінця 2024 року, на додаток до процесу 22/28 нм, він додатково забезпечуватиме процеси 12 та 16 нм, а завод у Нанкіні розширить виробництво до 28 нм із місячною виробничою потужністю 40 000 штук;

SMIC планує збільшити виробництво щонайменше на 45 000 8-дюймових пластин і щонайменше на 10 000 12-дюймових пластин у 2021 році, а також побудувати 12-дюймову виробничу лінію з місячною потужністю 120 000 пластин у Лінгані, зосереджуючись на вузлах 28 нм і вище.

Huahong розраховує прискорити розширення виробничих потужностей 12-дюймових пристроїв до 94 500 штук у 2022 році;

Renesas оголосила про свою частку в заводі TSMC в Кумамото з наміром розширити аутсорсинг і має на меті збільшити постачання автомобільних MCU на 50% до 2023 року, причому очікується, що потужність MCU високого класу зросте на 50%, а потужність MCU низького класу – приблизно на 70%. порівняно з кінцем 2021 року.

У 2022 році STMicroelectronics інвестує 1,4 мільярда доларів у розширення та планує подвоїти потужність своїх європейських заводів до 2025 року, головним чином для збільшення ємності 12 дюймів, а для ємності 8 дюймів STMicroelectronics вибірково оновлюватиме продукти, які не вимагають 12-дюймових. дюймова технологія.

Texas Instruments додасть чотири нових заводи, перший завод буде введений в експлуатацію в 2025 році, а третій і четвертий заводи будуть побудовані між 2026 і 2030 роками;

Компанія ON Semiconductor збільшила свої капіталовкладення до 12%, головним чином для розширення ємності 12-дюймових пластин.

IC Insights має цікаві дані про те, що ASP усіх 32-розрядних мікроконтролерів знижується на рівні -4,4% в річному вимірі між 2015 і 2020 роками, але зростає приблизно на 13% до приблизно 0,72 доларів США в 2021 році. Це відображено на спотовому ринку. , коливання цін на автомобільний MCU є більш очевидним: 32-розрядний MCU NXP FS32K144HAT0MLH із постійною ціною 22 долари зріс до 550 доларів США, діапазон більш ніж у 20 разів, що був одним із найбільш дефіцитних автомобільних мікросхем на той час.

32-розрядний автомобільний мікроконтроллер Infineon SAK-TC277TP-64F200N DC зріс до 4500 юанів, збільшившись майже в 100 разів, та сама серія SAK-TC275T-64F200N DC також злетіла до понад 2000 юанів.

З іншого боку, спочатку гаряча споживча електроніка почала охолоджуватися, слабкий попит, а також прискорення внутрішнього заміщення, що призвело до зниження цін на споживчі мікроконтролери загального призначення, деякі моделі чіпів ST, такі як F0/F1/F3 Ціни на серіали були близькі до нормальної ціни, і навіть ринкові чутки про те, що ціни на деякі MCU впали через агентську ціну.

Однак автомобільні мікроконтролери, такі як Renesas, NXP, Infineon і ST, все ще перебувають у стані відносного дефіциту.Наприклад, ціна високопродуктивного 32-розрядного мікроконтролера ST STM32H743VIT6 піднялася до 600 юанів наприкінці минулого року, тоді як два роки тому його ціна була лише 48 юанів.Збільшення більш ніж у 10 разів;Ринкова ціна Infineon Automotive MCU SAK-TC237LP-32F200N AC у жовтні минулого року становила близько 1200 доларів США, груднева пропозиція до 3800 доларів США, і навіть на сторонніх веб-сайтах пропонують понад 5000 доларів США.

03 Ринок великий, а внутрішнього виробництва мало

У конкурентному середовищі MCU домінують закордонні гіганти, як і в усьому конкурентному середовищі напівпровідників.У 2021 році п’ятіркою провідних постачальників MCU були NXP, Microchip, Renesas, ST та Infineon.На ці п’ять постачальників MCU припало 82,1% загального обсягу продажів у всьому світі порівняно з 72,2% у 2016 році, причому розмір головних компаній зростав у наступні роки.

Порівняно з споживчими та промисловими MCU, поріг сертифікації автомобільних MCU високий, а період сертифікації тривалий. Система сертифікації включає стандартну сертифікацію ISO26262, AEC-Q001~004 і стандартну сертифікацію IATF16949, стандартну сертифікацію AEC-Q100/Q104, з яких ISO26262 на Автомобільна функціональна безпека поділяється на чотири рівні від ASIL-A до D. Наприклад, шасі та інші сценарії мають найвищі вимоги безпеки та вимагають сертифікації рівня ASIL-D, лише деякі виробники мікросхем можуть відповідати цим умовам.

Згідно з даними Strategy Analysis, світовий і внутрішній ринок автомобільних MCU в основному займають NXP, Renesas, Infineon, Texas Instruments, Microchip, з часткою ринку 85%.Хоча 32-розрядні мікроконтролери все ще монополізовані закордонними гігантами, деякі вітчизняні компанії почали розвиватися.

04 Висновок

Швидкий розвиток інтелектуальних електромобілів приєднався до багатьох виробників споживчих мікросхем, таких як Nvidia, Qualcomm, Intel, які були в інтелектуальній кабіні, автономні прориви чіпів для водіння, стискаючи простір виживання старих виробників автомобільних мікросхем.Розвиток автомобільних мікроконтролерів пройшов шлях від зосередження на власному розвитку та покращенні продуктивності до всебічної конкуренції за зниження витрат при збереженні технологічних переваг.

З архітектурою автомобільної E/E від розподіленого до доменного керування та, зрештою, до централізованої інтеграції, буде замінено все більше і більше багатофункціональних і простих чіпів низького класу, високої продуктивності, високої обчислювальної потужності та інших високоякісних. чіпи стануть центром майбутньої конкуренції автомобільних чіпів, оскільки головна контрольна роль MCU за рахунок майбутнього зменшення кількості ECU є відносно невеликою, наприклад, ECU керування шасі Tesla, один містить 3-4 MCU, але деякі прості функції базовий MCU буде інтегрований.Загалом, ринок автомобільних мікроконтроллерів і простір для внутрішньої заміни в найближчі роки, безсумнівно, величезні.