MCU組成部分、分類、市場現狀及需求分析

國內外應用結構差異較大，國外偏汽車電子/國內偏消費電子。

1.基于 CPU 對指令的執行和數據的處理

微控制器（MCU）是一種集成電路芯片，它集成了中央處理器（CPU）、存儲器、輸入/輸出接口和其他外設電路，可以用于控制和管理各種設備和系統。MCU 的工作原理基于CPU對指令的執行和數據的處理。當 MCU 接收到外部輸入或產生內部事件時，會觸發相應的中斷處理程序，進而執行相應的操作。例如，當 MCU 接收到外部輸入信號時，會讀取該信號的值并進行處理；當 MCU 產生內部事件時，會修改相應的寄存器值或觸發其他操作。MCU 的基本組成部分包括：1）CPU：MCU 的中央處理器，負責執行指令和處理數據。2）存儲器：MCU 內部集成了 ROM 和 RAM 兩種存儲器，用于存儲程序和數據。3）I/0接口：MCU通過 I/0 接口與其他設備進行通信和控制。常見的 I/0 接口包括GPIO、UART.SPI、12C等。4）定時器：MCU 內置了多種定時器，用于產生定時中斷或計數。5）中斷：MCU支持外部中斷和內部中斷，當特定事件發生時，會觸發中斷處理程序。6）PWM 輸出：MCU可以通過PWM技術輸出方波信號，用于控制電機、LED 燈等設備。7）ADC 和 DAC：MCU 內置了模數轉換器（ADC）和數模轉換器（DAC），用于將模擬信號轉換為數字信號或將數字信號轉換為模擬信號。除以上基本組成部分，不同類型的 MCU 還可能具有其他特定的外設模塊，例如溫度傳感器、氣壓傳感器、藍牙模塊等。

MCU 按照位數（數據總線寬度）劃分，可分為 4 位、8 位、16 位、32 位和64位等，市場主流的還是 8 位和 32 位；（1）8 位 MCU：具有功耗低、成本低、使用便捷等優點，應用場景：工商業。（2）16 位 MCU：性能不及 32 位，性價比不如 8 位MCU，市場份額被邊緣化。（3）32 位 MCU：運算能力強，價格接近 8 位 MCU，可滿足大多數復雜嵌入式場景。根據ICInsights預測，2022 年全球 MCU 市場中 32 位占?將達到 67%，?16 位MCU 的運算性能不如32位產品，性價比又無法與 8 位 MCU 相?，市場份額逐步萎縮。 按存儲器結構劃分，可分為馮諾依曼結構和哈佛結構。馮諾依曼結構將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起。哈佛結構將程序指令和數據分開存儲，分開讀取，因此程序指令和數據指令可以有不同的數據寬度，通常具有較高的執行效率。 按指令集劃分，可分為復雜指令集 CISC（如 X86）、精簡指令集RISC（如Arm、MIPS、RISC-V）。根據半導體行業觀察數據，Arm 生態建設完善，是目前的主流架構，國內市場占比高達 52%，廣泛應用于手機、平板等智能移動終端， RISC-V 作為新興精簡指令集，2021年市場份額達到 2%。 按應用領域劃分，可分為通用型和專用型。通用型 MCU 是指具有MCU的基本組成，但是將 MCU 中可利用的資源（包括 RAM、ROM、串并行接口等）全部提供給用戶，不是為了某種專門用途設計的。專用型 MCU 是指按照具體用途而專門設計的MCU，秉承“MCU+特定組件”的形式，通常會在 MCU 內集成具有特定功能的硬件單元，比如數字信號處理單元、藍牙協議棧等。

2. 市場：2028 年有望達 320 億美元，國外巨頭為主要玩家

近年來，受益于 AI、物聯網、智能家居、汽車電子、工業控制等市場蓬勃發展，MCU芯片市場規模迅速增長。據 Yole 研究報告顯示，2023 年全球 MCU 市場規模約229億美元，預計至2028 年將以 5.3%的年復合增速達到 320 億美元。未來，隨著新能源汽車滲透率進一步提高，電動化、智能化不斷升級，會有愈來愈多的場景需要高性能MCU 來支持復雜的實時控制功能，有望推動車規級 MCU 量價齊升。在工業領域，機器人、電子元件制造設備和工業網絡等領域也存在著巨大的市場潛力，都將為 MCU 產品廣泛采用提供助力。

國內外應用結構差異較大，國外偏汽車電子/國內偏消費電子。根據ICInsights數據，全球MCU 下游應用市場，汽車電子、工控、消費電子領域排名前三，應用占比依次為：40%、27%、18%。?中國 MCU 下游應用結構有較大不同，對于產品質量可靠性要求較低的消費電子占比最高，為 27%，而汽車電子和工控占比分別為 24%、23%。由于工業級、車規級MCU產品標準較高，尤其車規級 MCU 產品，需要通過 ACE-Q100 標準和IS0 26262 標準驗證，目前由國際巨頭主導，但近年來國內廠商已經從中低端車規 MCU 切入，如雨刷、車窗等車身控制模塊，逐步研發高端車規 MCU，如智能座艙、ADAS 等。

全球 MCU 市場份額 Top5 廠商均為海外巨頭。根據 Gartner 數據，2021 年恩智浦、瑞薩電子、意法半導體、微芯科技、英飛凌的全球市場份額分別為：17%、16%、15%、14%、13%。（1）汽車電子領域，瑞薩電子、恩智浦和英飛凌處于絕對領先地位，三者市場份額合計高達79%。瑞薩電子在發展過程中與日本知名車企（本田、豐田）形成密切合作，通過穩定供應和迭代提升汽車電子 MCU 產品競爭?；恩智浦在 2015 年收購飛思卡爾之后強化汽車領域，車用MCU實力大幅提升；英飛凌深耕汽車電子、工業控制、通信、醫療等領域，在收購賽普拉斯后，完善汽車電子 MCU 產品線。（2）工業領域，微芯科技、德州儀器、意法半導體較有優勢。微芯2016年通過收購 Atmel，在工業控制領域形成覆蓋全面的產品線；德州儀器專注于模擬芯片和嵌入式處理芯片，全信號鏈設計能力在需要動態檢測生產信號并及時做出調整的工業市場得以充分發揮，且在低功耗產品上有絕對技術優勢。（3）消費電子領域，微芯科技和意法半導體處于領先地位，兩者市場份額合計高達 67%。微芯科技的 8 位 MCU 憑借較好的性能占據較大市場份額；意法半導體在物聯網和消費電子領域全面布局，包括工業網關、電信設備、家庭自動化等產品。

交期持續縮短，整體價格趨穩。根據富昌電子數據（2024Q2），從MCU交貨周期層面分析，僅 Microchip MCU 交貨趨勢處于維持狀態（8 位 4-12 周，32 位4-18 周），Infineon、NXP、Renesas及 STMicroelectronics 等期貨趨勢均處于下降狀態（上述廠商交貨趨勢至少在10周以上）。從價格方面，各大廠商 24Q2 價格趨勢處于維持狀態。

3. 需求：汽車電子/工業控制/消費電子共促MCU需求穩步增長

3.1 汽車電子：電汽化/智能化/網聯化帶動車規MCU需求提升

汽車電子控制系統是汽車電子的核心，決定了汽車電子的有效運行。汽車電子控制系統主要由傳感器、電子控制單元（ECU）、執行器和其他電子元器件組成。汽車在運行時，各傳感器不斷檢測汽車運行的工況信息，并將這些信息轉換為數字或模擬信號通過接口傳送給ECU。ECU根據預先內部編寫好的程序，對接收到的信息進行相應的決策和處理后，通過接口將控制信號輸出給相應的執行器，由執行器負責執行相應的操作。汽車的車身控制系統、安全舒適系統、信息娛樂與網聯系統、動力與底盤系統和輔助駕駛系統等汽車電子系統包含數個ECU，而每個ECU中至少需要一顆 MCU 執行運算和控制功能，因此，每輛汽車的MCU 用量隨ECU數量的變化而變化。燃油車單車 MCU 使用量一般在數十顆左右，智能汽車MCU使用量更高，可達百顆以上。

“三化”進程加速，有望驅動車規級 MCU 需求增長。（1）電動化：新能源汽車的“三電”系統將帶動 MCU 的增量需求，如在新能源汽車的電池系統中，MCU 用于電池模組的分布式管理；在電驅系統中，MCU 用于逆變器實現直流電向交流電轉換；在電控系統中，MCU用于電池管理系統（BMS）進行溫度控制和充放電管理，用于整車控制器（VCU）中實現命令傳輸、任務調度和能量管理。除“三電系統”外，新能源汽車的車載無線充、聲學汽車警報系統（AVAS）、新能源汽車配套的充電槍、充電樁等儲能相關設備等也需要運用MCU 執行運算和控制功能。（2）智能化：①自動駕駛：MCU 在 L1 至 L2 級的高級輔助駕駛中應用廣泛，如自動泊車系統、自適應巡航、車道偏離報警系統、車道保持系統和雷達探測等都需要MCU實現相應的功能。當前我國正處于 L2 至 L3 級的過渡階段，隨著自動駕駛等級的提升，MCU面臨的數據更加復雜，其對自身的算力也提出了更高的要求，集成 AI 模塊和具備高處理能力的高階MCU將會在高級自動駕駛中得到應用。②智能座艙：伴隨汽車電子和人機交互等技術迭代，整合液晶儀表盤、中控屏、抬頭顯示系統（HUD）、流媒體后視鏡、信息娛樂系統、智能座椅等電子設備的智能座艙成為汽車座艙的發展新趨勢。智能座艙能夠實現多模態人機交互（HMI），提供地圖導航服務，豐富車機娛樂內容和生活服務信息，致力打造以乘客為中心的“第三生活空間”。智能座艙的多數電子設備需要配置 MCU 實現相應的運算和控制功能。如汽車儀表盤需要MCU進行圖像處理，信息娛樂系統需要 MCU 進行信息和數據處理，智能座椅利用MCU進行空間調整等。（3）網聯化：T-BOX 對內與主機通過 CAN 總線通信，實現指令和信息的傳遞，包括車輛狀態信息、按鍵狀態信息和控制指令等，對外與手機 APP 進行信息交互，用戶可以通過手機APP實現車輛的遠程控制，如車輛啟動、車窗升降、車輛定位、車輛狀態查詢等。T-BOX內部集成GPS、外部通信接口、MCU、移動通信單元、存儲器等功能模塊。

智能化相關 MCU 平均售價最高（相較于其他域），車身域MCU 門檻較低。從單車MCU附加值看，座艙域和智駕域對 MCU 有較高的運算能力及高速通信需求，單芯片ASP（平均售價）最高（相較于其他域），目前主要量產國產廠商有國芯科技、芯馳科技等；動力域及底盤域涉及駕駛安全，對于 MCU 的工作溫度和功能安全等級要求非常高，附加值較高，因此單芯片ASP（平均售價）集中在 3-20 美元/顆區間，主要國產廠商國芯科技及芯旺微等；車身域MCU是目前進入門檻相對較低的領域（相較于其他域），利潤相對微薄，是杰發科技、比亞迪半導體及芯旺微等出貨量較大的國產廠商目前主要發力市場，單芯片 ASP（平均售價）最低（相較于其他域）。

看好 24H2 MCU 需求增長，國產替代仍為我國市場趨勢之一。從龍頭廠商發展預期看，包括英飛凌、恩智浦及 ST 等均看好下半年 MCU 等為代表的車規級芯片需求增長，TI 更是表態持續加大對于汽車市場投資力度。根據國芯科技 2024 年 03 月06 日投資者問答信息披露，目前汽車電子 MCU 芯片去庫存正在加速進行，市場需求正在回暖，汽車電子MCU芯片的需求正在逐步提升，國產替代仍將是我國汽車電子芯片的市場趨勢之一。

從整體進度上看，國內車規 MCU 芯片廠商大多還停留在針對門窗、照明、區域控制器網關等車身控制領域，以及液晶儀表、抬頭顯示控制器、電子后視鏡等座艙應用，只有少數幾家企業布局了對安全和性能要求更高的電機、BMS、智能駕駛等動力集成以及底盤類高階應用。

3.2 工業控制：智能制造持續推進，帶動MCU需求增量

MCU 是工業控制領域的通用部件，廣泛應用于工業機器人、步進馬達、機器手臂、儀器儀表、工業電機、能源網關等各類型工控產品，實現運算、控制、收集信號、傳輸數據等作用。

1）人形機器人。2024 年人形機器人產業正在加速駛入快車道，作為人工智能的終極形態，優必選工業版人形機器人 WalkerS、智元機器人、宇樹 Unitree H1、追覓通用人形機器人等數十款新品在一年內陸續發布，充分展示了我國在人形機器人領域的創新活力。其中，優必選工業版人形機器人WalkerS 進入汽車工廠參與“實訓”，WalkerS 可以完成對蔚來汽車門鎖、安全帶、車燈蓋板的檢測，還以流暢、柔順的動作貼好車標，使人形機器人開始進廠照進現實。工業控制MCU可視為機器人技術的“大腦”，負責處理機器人的運動控制、數據處理、傳感器信號處理等關鍵任務。工業機器人單支機器手臂中，內建的控制器平均約有八成為 MCU 芯片。據國際機器人協會預測，至 2030 年，全球人形機器人市場規模年復合增長率將高達 71%。中國電子學會預計，到2030年，我國人形機器人市場規模有望達到 8700 億元，具備較大的增長空間。隨著機器人技術的應用日趨廣泛，對工業控制 MCU 的需求也隨之增加，推動 MCU 技術的持續發展和創新。

2）制造業智能化。根據芯師爺引用 Statista 數據，2022 年全球工控及自動化市場規模達2,343億美元，預計2026 年將達到 3,396 億美元，未來 4 年 CAGR 達 9.7%。根據中國工控網，2021年我國工業自動化市場規模達 2,530 億元，2023 年我國工業自動化市場規模預計為3,115 億元，增速高于全球，未來前景廣闊。隨著我國制造業智能化水平的不斷升級，數控機床、精密機械、鋰電設備、新能源汽車、機器人等科技含量更高的新興產業逐漸嶄露頭角，MCU 作為工業自動化所必需的零部件，也勢必朝向更高算力、更高智能和更低功耗的方向發展，從而帶動工控MCU的需求和性能不斷升級。為此，MCU 頭部廠商相繼推出新品新技術：1）意法半導體：發布新一代STM32MP2 系列工業級微處理器（MPUs），以推動智能工廠、智能醫療、智能樓宇和智能基礎設施等領域未來的發展。2）恩智浦：推出 MCX A14x 和 MCX A15x 微控制器，該系列MCU經過優化，擁有豐富的功能、創新的電源架構和軟件兼容性，能夠滿足廣泛嵌入式應用的需求，包括工業傳感器、電機控制、電池供電或手持式電源系統控制器、物聯網設備等。

3.3 消費電子：用于數據處理/通信/定時控制等，提升產品智能化

1）智能手機。負責協調和管理手機的各種功能，配合應用處理器完成相應處理任務。手機內部有許多的功能模塊，如電容式觸摸感應接口、觸摸屏接口、攝像頭接口、不同模擬傳感器輸入檢測等。這些模塊需要 MCU 來進行數據處理和協調，確保各個模塊之間的通信和數據交換得以順利進行。（1）實現通信和數據傳輸：手機需要與外部進行通信，如藍牙、Wi-Fi、4G/5G網絡等。MCU作為主控制器，負責管理與外部設備的通信，并處理和傳輸來自外部的數據。（2）處理多媒體數據：手機需要處理大量的多媒體數據，如音頻、視頻、圖片等。MCU 可以處理這些數據，并協調其他部件進行播放或顯示。（3）電池管理和節能：MCU 可以監控電池的狀態，并根據需要調整處理器的運行狀態，以實現電池的優化使用和節能。同時，通過 MCU 進行電池充電的監控，可以有效防止過充和短路等問題。（4）安全控制：MCU 可以集成一些安全控制的功能，如面部檢測、指紋識別等，以提高手機的安全性。（5）用戶界面控制：通過MCU，可以控制手機用戶界面，例如 LCD 屏幕顯示、觸摸屏、按鍵等。（6）應用處理：在一些高級功能如人臉識別、語音識別、AI 應用等中，MCU 作為協處理器，配合應用處理器完成相應的處理任務。以iPhone15Pro為例，意法半導體的安全 MCU 芯片提供額外數據安全保障。

2）可穿戴設備。①數據處理與控制：在可穿戴設備中，MCU 主要負責對各種傳感器采集到的數據進行處理和控制。例如，在智能手表中，MCU 需要實時處理來自加速度計、陀螺儀、心率傳感器等傳感器的數據，并根據這些數據生成相應的界面顯示和操作指令。此外，MCU還需要對設備的電源管理、屏幕顯示、按鍵輸入等功能進行控制。②通信模塊；為了實現與其他設備或網絡的連接，可穿戴設備通常需要具備通信功能。MCU可以集成各種通信模塊，如藍牙、Wi-Fi、NFC 等，實現與手機、電腦等設備的無線連接。通過通信模塊，用戶可以將可穿戴設備上的數據同步到其他設備，或者通過其他設備對可穿戴設備進行遠程控制。 ③系統軟件：MCU 還需要運行操作系統和應用程序，以實現可穿戴設備的各種功能。操作系統負責管理系統資源，提供底層驅動和接口；應用程序則為用戶提供各種功能和服務。例如，在智能手表中，操作系統可以實現時間顯示、鬧鐘提醒等功能；應用程序則可以實現計步器、天氣預報、語音助手等功能。

3）XR。①MR：以 Meta Quest 3 為例，其采用兩顆 MCU 芯片（意法半導體的STM32G071EB及芯科科技的 EFM8BB51F8G）。其中，STM32G071EB 基于高性能Arm@Cortex®-M0+32位RISC 內核，運行頻率為 64MHz，集成了 MPU、36 KB SRAM 和128kB 閃存、DMA、增強型I/0 和外設。工作溫度為-40℃至 85℃℃。在 Ouest 3 中負責接收并預處理深度傳感器傳遞過來的信息，降低功耗。EFM8BB51F8G 基于高效的寬電源電壓8051 平臺搭建，工作頻率50MHz，包括 8kB 閃存，1.28KBRAM、16 個數字 I/0 引腳、4x16 位定時器、3 個PCA通道、-40℃~85℃溫度范圍、3x30FN20 封裝以及其他通信外設。在 Ouest 3 中負責接收并處理接近傳感器傳遞過來的信息。 ②智能眼鏡：以 Ray Ban Meta 智能眼鏡為例，其主板分布2 顆MCU芯片（NXP的MIMXRT685SF 及其他）。其中，音頻解碼 MCU——MIMXRT685SF，屬于RT600系列雙核微控制器，具有 32 位 Arm Cortex-M33 CPU 與 Cadence Xtensa HiFi 4 音頻DSPCPU。ArmCortex-M33 CPU 采用 3 級指令管道，并包含支持推測分支的內部預取單元，同時具有兩個硬件協處理器，為其他 DSP 算法和加密提供加速支持。Cadence Xtensa HiFi4 音頻DSP專為高效執行音頻和語音編解碼器以及預處理和后處理模塊設計，支持四個32x32 位MAC，并且能夠在每個周期發出兩個 64 位負載。有一個浮點單元，每個周期提供四個單精度IEEE浮點MAC。具有 4.5MB SRAM，12 位 1Msamples/sADC。工作電壓 1.71V 至3.6V，工作溫度-20℃至70℃，工作頻率 300MHz 具有 FC、SPI、UART、USB 接口，采用176 針VFBGA封裝。另一顆MCU位于主板正面，主要用于信號處理與信號分發，配合音頻解碼MCU 進行音頻信號的分發，實現位于智能眼鏡左右兩個鏡腿上的音頻功放的同步，同時處理攝像頭傳來的信號。