車載芯片成國內MCU產業超強“驅動”，超低功耗是未來主追求
2021年回歸高景氣，MCU啟動量價齊升
首先在汽車領域，MCU是汽車從電動化向智能化深度發展的關鍵元器件之一，汽車也是全球MCU第一大應用市場，占比超過1/3，平均每輛汽車MCU需求量高達上百顆。隨著汽車半導體行業技術演進和需求升級，智能化將逐步成為相關廠商競爭的主戰場，接力電動化成為重要驅動力，MCU作為核心算力芯片深度受益。
車規級MCU芯片在汽車電子中的應用場景正在不斷豐富，涵蓋逆變器控制、發動機和電池管理、變速箱控制、安全控制、ADAS、主動懸架、LED照明、傳感器融合等幾十個次系統中。
此背景下汽車MCU市場欣欣向榮。根據ICInsights數據，汽車MCU市場規模在經歷了2018-2020年的低迷之后，在2021年迎來了23%的爆發式上漲，銷售額達到76億美元。
目前車用MCU供需尚未完全緩解，自動駕駛等級提升以及車內外傳感器數量增加都會提高MCU用量。新能源車及L2以上ADAS及自駕系統滲透率的提升，還會造成車用MCU（每增加一臺自駕感測器，雷達，激光雷達毫米波雷達就需要一個MCU），電源管理芯片，電力功率等芯片短缺。機構預計2022和2023年車用MCU仍然會保持16%的年復合增長率。
同時在AIOT領域，MCU+漸成風潮物聯網場景下各種終端設備配置的功能呈現井噴之勢，如智能手表需要兼具健康測量、生物識別、移動支付、社交等多項功能，對于傳統MCU而言，需要添加越來越多的外設器件才能滿足這些新興需求。
傳感器的升級提高了模擬信號的處理要求，于是有了MCU+AFE的方案，無線應用的普及催生了MCU+藍牙/Wifi，MCU+解決方案提升了集成度，為客戶降本增效，同時也提高了技術門檻，利于產業化發展，更加符合當下技術迭代和需求升級的背景。
再加上工業領域，工業設備復雜度提升，工廠自動化、電機控制、電源能源等重要驅動力，都促使MCU需求長期量價雙升。
正是受益于AIOT、工業控制、汽車電子等應用的蓬勃發展，全球MCU市場規模和出貨量觸底反彈。在行業高景氣度的2021年，全球MCU出貨量同比增長12%達到了近309億顆的歷史最高水平，同時受產能限制等因素影響，ASP強勁反彈10%達到0.64美元，且將保持高增態勢有望于2026年突破0.75美元。
根據ICInsights數據及預測，2021年全球MCU市場規模約196億美元，同比增長23.4%，預計至2026年將以6.7%的復合增速達到272億美元；2021年全球MCU的出貨量約為309億顆，至2026年預計將達到358億顆。
與此同時，國內市場增速還高于全球市場。
根據IHS數據統計，2015-2020年中國MCU市場CAGR為8.4%，同期全球市場幾乎沒有增長，2021年中國MCU市場增長了36%（高于全球市場增速的23.4%）至365億元。
得益于國內物聯網和新能源汽車市場在全球具有的高影響力和不斷增長，未來數年MCU發展將邁入一個新的臺階。IHS預測至2026年，中國MCU市場規模或以約7%的CAGR提升至513億元。
缺芯潮成就國產替代契機
當前MCU領域中，海外企業占據絕對領先地位。
根據Omdia統計，2021年全球前5大MCU生產廠商分別為NXP（17.3%）、瑞薩電子（16.8%）、意法半導體（15.4%）、英飛凌（13.9%）以及微芯科技（12.6%），CR5約76%。
我國MCU市場大部分份額同樣被海外巨頭占據。根據CSIA數據，2019年中國前5大MCU生產廠商分別為意法半導體（20.9%）、NXP（20.2%）、微芯科技（14.2%）、瑞薩電子（13.0%）以及英飛凌（6.2%），CR5約74%，國內廠商主要在消費和中低端工控領域競爭，汽車、高端工控等市場國產化率較低破。
并且要知道的是，MCU行業本身變化不快，制程工藝等要求并不高（40nm即可滿足主要需求），先發廠商憑借產能、技術、渠道、產品生態等的優勢產生規模效應，不斷加固護城河，新進入者很少有創新以及彎道超車的機會。
但MCU國產化是必須打通的路，2021年供給缺口就帶來了契機。
由于MCU是廣泛應用的基礎控制芯片，位于電路系統的中樞位置，其性能參數對整個系統具有決定性作用，搭建電路通常需要以其為核心選擇元器件，這使得MCU往往具有更高的使用粘性和國產替代意義。
2021年缺芯漲價潮中國產廠商充分把握歷史機遇，大幅推進了國產替代進程,在消費領域國產芯片已經積累了大量客戶群體，對海外廠商基本盤形成了全面深入的滲透，與各行各業的終端客戶建立了深厚合作關系，積攢了較好的口碑和寶貴的客戶驗證經驗，大幅推進了國產替代進程。2021年全球MCU銷售額前十的廠商中首次出現中國大陸公司身影，兆易創新位列第八。
目前相當數量的國產廠商已經在工控、汽車等下游應用中深度布局，國內廠商已在逐步推出車規MCU產品，開始以點帶面逐步突破，MCU國產替代2.0時代依然拉開序幕。在供應鏈安全考量下，預期會有越來越多的國產終端驗證國產芯片。
車載MCU開啟嵌入新型存儲新嘗試
存儲單元是MCU的重要組成，MCU一般均會集成CPU、SRAM、非易失性存儲器如NAND，以及豐富的專用外設，其中存儲單元對MCU性能有著重要影響。然而，隨著時間的推移，閃存卻逐漸開始成為制約MCU提高性能、降低功耗的瓶頸之一，特別是在車用領域。汽車芯片具有更高的可靠性、耐用性需求，車載MCU中集成的閃存，可擦寫次數太少，使其不適合作為數據存儲器。這就使得越來越多MCU大廠開始選擇在MCU中集成新型存儲器，比如阻變存儲器（RRAM）、相變存儲器（PCM）和磁性存儲器（MRAM）等。
英飛凌和臺積電最近宣布，兩家公司正在努力將RRAM添加到英飛凌新一代 AURIX系列 MCU中。RRAM與NAND一樣具有非易失性，斷電狀態下不會失去數據，且允許按位寫入而無需擦除，可以擴展到28 納米甚至更先進的工藝。可以說，RRAM是更理想的嵌入式存儲器。
意法半導體則是PCM在 MCU嵌入式存儲器中應用的支持者。2018年，意法半導體便宣布，內建ePCM的28nm FD-SOI車用MCU技術架構和性能標準，開始向客戶提供搭載ePCM的MCU樣片。2021年8月，意法半導體開始向主要汽車廠商交貨其首批采用ePCM的Stellar SR6系列車用MCU，計劃于2024年量產。ePCM 可以提供更快的讀取和寫入速度，同時集成ePCM 存儲元件采用 28nm 嵌入式閃存成本更低，因此在汽車應用中有著更大的發展潛力。
瑞薩則支持MRAM技術的應用。MRAM擁有非易失，讀寫次數高，寫入速度快、功耗低特點。今年6月的VLSI 研討會上，瑞薩宣布已開發出用于STT-MRAM測試的電路技術，使用22納米工藝制造，具有快速的讀寫操作。
針對車用MCU的發展，瑞薩電子中國汽車電子事業部副部長趙坤指出，汽車電子無疑仍是接下來的一個應用熱點，尤其是新能源汽車的發展給這個市場帶來了新的發展機遇。新能源汽車因為沒有太多舊技術的牽絆，可以更好的采用新一代的電子電氣架構，域控制器的使用將會對MCU提出新的更高的需求，同時也推動著產品更快的迭代更新。
超低功耗漸成MCU新市場
功耗一向是衡量MCU的重要指標，特別是物聯網類應用逐漸走入工業和消費領域后，在水氣熱表、穿戴設備、醫療電子、智能家居、遠程測控、無線傳感等應用中，衍生出大量低功耗類需求，以致于低功耗微控制器成為MCU的一個細分市場。相關資訊顯示，在全球微控制器市場份額中，低功耗微控制器約占15%～20％。
很多國際廠商在低功耗領域布局很早，面向常規低功耗應用領域，已經形成多系列的產品布局，如意法半導體、微芯、SiliconLabs、德州儀器等廠商都有各自的低功耗系列產品。瑞薩半導體推出超低功耗微控制器RE系列。該芯片采用其獨有的SOTB（Silicon on Thin Buried Oxide）工藝制程，可同時降低運行功耗及待機功耗。RE系列微控制器的電流消耗在工作狀態下可低至25μA/MHz，待機狀態下可低至400nA。這樣的超低功耗指標可顯著延長嵌入式設備的電池壽命。
北京中科芯蕊科技有限公司總經理胡曉宇指出，通常低功耗微控制器都采用了與通用微控制器不同的設計方法和工藝選擇，以降低微控制器的能耗和漏電流，從而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下，可以工作更長的時間，為電池或能量采集等方式供電的設備提供更持久的續航能力。在穿戴電子、便攜式醫療電子、傳感器終端、遠程測控等物聯網應用，“智能化、小型化、輕重量、長續航”是終端節點持續追求的目標，而低功耗是實現這一目標的最關鍵因素。
新興存儲，誰會是未來選擇？
那么，在眾多新興存儲技術中，誰會成為未來選擇？目前來看，PCM肯定走在了最前頭，畢竟集成PCM的MCU樣品已出貨，量產時間也指日可待，但需要注意的是，PCM并不是一個十全十美的選擇，它也有著一定的局限性。
一是，PCM RESET后的冷卻過程需要高熱導率，會帶來更高功耗，且由于其存儲原理是利用溫度實現相變材料的阻值變化，所以對溫度十分敏感，無法用在寬溫場景。
二是，為了使相變材料兼容CMOS工藝，PCM必須采取多層結構，因此存儲密度過低，在容量上無法替代NAND Flash。
三是，由于PCM典型的鍺、銻、碲元素比例為2:2:5，熔點相對較低，或許會存在預編程的存儲器在焊接到印刷電路板上時可能被擦除的問題，雖然系統編程可以解決這個溫度限制問題，但它也會影響在高溫下10 年的保留能力。
其實，被大家所熟知的英特爾3D XPoint內存技術就是PCM的一種，由于所需要的掩膜版過多導致成本升高，并且制造難度也十分困難等原因，雖然這項技術在非易失存儲器領域實現了革命性突破，但也沒逃過落魄的命運。
另一邊，MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進一步降低。目前MRAM的存儲單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復雜，大規模制造難以保證均一性，存儲容量和良率爬坡緩慢。
IMEC曾在2018年IEEE IEDM 會議上展示了在 5nm 技術節點引入 STT-MRAM 作為最后一級 (L3) 緩存存儲器的可行性，但其實這項技術也被證明不足以將操作擴展到更快、更低級別的緩存 (L1/L2)。一方面，與SRAM相比，STT-MRAM寫入過程仍然相對低效且耗時，對切換速度（不快于5ns）構成了固有限制。另一方面，速度增益將需要增加流過 MTJ 的電流，從而流過薄的電介質屏障，因此每一次的讀寫都會造成絕緣層的小破壞，久而久之也會降低設備的耐用性，顯然對于需要亞納秒切換速度的L1/L2 緩存操作來說，STT-MRAM并不是一個良配。
至于RRAM，它的缺點也很明顯，最大的缺點就是嚴重的器件級變化性。器件級變化性直接關乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件狀態的轉變需要透過給兩端電極施加電壓來控制氧離子在電場驅動下的漂移和在熱驅動下的擴散兩方面的運動，使得導電絲的三維形貌難以調控，再加上噪聲的影響，因此容易造成器件級變化性。
此外，雖然RRAM陣列擁有兩種機構，但是1T1R結構的RRAM總芯片面積取決于晶體管占用的面積，因此存儲密度較低；而Crossbar結構的RRAM雖然存儲密度較高，但存在互連線上的電壓降和潛行電流路徑，造成讀寫性能下降，能耗上升以及寫干擾等問題。
總而言之，每種存儲技術都各有優缺點，并沒有完美的存在。MCU廠商如何進行取舍？如何盡可能針對弱項研發出新技術？又如何針對新興技術研發出所需的新設備、新材料？這些都是不容忽視、且需要考慮的問題，但有一點可以確認，那就是哪怕是MCU廠商，也必須密切關注新興存儲技術的發展狀況和態勢，否則將會被競爭者拋在身后。
