各種家電設(shè)備,通常至少會用到一顆MCU,而一部汽車或一臺復(fù)雜的工業(yè)設(shè)備中,則可能會用到幾十到上百顆MCU,作為實現(xiàn)設(shè)備/模塊控制功能的關(guān)鍵元器件,微控制器(MCU)用途極廣,稍微復(fù)雜一點的設(shè)備幾乎都能見到MCU的身影。MCU是一個大市場,根據(jù)行業(yè)研究機(jī)構(gòu)IC Insights的統(tǒng)計,近年來全球MCU出貨量在200億顆以上;而根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Omdia的數(shù)據(jù),2020年全球MCU市場規(guī)模不到180億美元,其中中國MCU市場達(dá)到了57億美元。

作為全球制造業(yè)基地,中國MCU用量約占全球MCU產(chǎn)出的三分之一。但長期以來,我國MCU市場被國外廠商主導(dǎo),全球主要MCU廠商的產(chǎn)品,都可以在中國制造的設(shè)備中找到。隨著國產(chǎn)MCU崛起,國外廠商正逐漸退出消費電子等應(yīng)用的中低端市場,但在汽車電子與工業(yè)控制領(lǐng)域——這兩個市場均位列MCU應(yīng)用細(xì)分市場規(guī)模前三——國外廠商并未退縮,反而加強(qiáng)投入,以期進(jìn)一步拉大與本土廠商在該領(lǐng)域的差距,強(qiáng)化相對競爭優(yōu)勢,延續(xù)其在高端MCU市場的統(tǒng)治力。

伴隨Arm架構(gòu)生態(tài)成熟,32位MCU開發(fā)難度大幅下降,國內(nèi)如雨后春筍般涌現(xiàn)出一大批MCU廠商。企查查檢索MCU,全國共有800多家企業(yè)涉及該關(guān)鍵詞,將行業(yè)范圍限定于信息技術(shù)產(chǎn)業(yè),也有124家。但百家MCU廠商,在國內(nèi)MCU市場份額占比合計不超過10%,這與本土廠商技術(shù)積累少、市場競爭力不強(qiáng)直接相關(guān),也與部分廠商市場定位有關(guān),不少本土廠商只想走捷徑,主要思路就是瞄準(zhǔn)國內(nèi)市場賣得好的國外MCU來定義產(chǎn)品,管腳全兼容,甚至寄存器也全兼容,主打的口號是零替換成本。據(jù)不完全統(tǒng)計,歐洲廠商意法半導(dǎo)體的一款型號為xxF103的32位MCU,國內(nèi)仿制產(chǎn)品已超過20款。

“寄存器級別”仿制,打入市場賺快錢容易,但終究難以進(jìn)入良性發(fā)展軌道。由于沒有獨有競爭優(yōu)勢,所以只能靠價格取勝,低價毛利率自然低,毛利率低就難以保證研發(fā)投入,最終只能停留在仿制層面上。這還沒有考慮“寄存器級別”仿制所隱含的侵犯他人知識產(chǎn)權(quán)的風(fēng)險。

而在開發(fā)者眼里,這樣的廠商只是市場領(lǐng)導(dǎo)者的小跟班,其產(chǎn)品是除了價格沒有其他優(yōu)勢的備選品(Second Source)——更何況有些備選品有一二十種選擇之多,在這種情況下,價格戰(zhàn)成為唯一生存手段,于是乎帶動MCU市場進(jìn)入殘酷的價格戰(zhàn)循環(huán)中。

激烈的價格戰(zhàn)導(dǎo)致MCU價格不斷走低,結(jié)果是大家都不賺錢。根據(jù)IC Insights于2019年的估計,MCU平均單價將在2020年低于0．6美元,得益于2020年下半年開始的大缺貨,MCU平均單價不降反升,但這并不代表所有品類都獲得市場溢價。

從2020年下半年開始的芯片供應(yīng)緊張,讓我國在高端MCU市場上競爭力不足的問題暴露得更加明顯。大批整車廠因為芯片供應(yīng)不足而減產(chǎn),甚至不得不暫停生產(chǎn)以等待芯片供應(yīng)恢復(fù),一些往年售價為十幾元人民幣的車載或工控MCU,在銷售渠道被炒到數(shù)百元以上。供應(yīng)不足,價格暴漲,這本是國產(chǎn)MCU廠商最佳導(dǎo)入時機(jī),但以仿制品為主的本土品牌,就由于其產(chǎn)品可靠性和質(zhì)量穩(wěn)定性未獲得市場認(rèn)可,還只能在消費電子領(lǐng)域拼價格,無法抓住白色家電、工業(yè)控制和汽車電子市場的歷史性機(jī)遇。

不過,也有像華大半導(dǎo)體這樣的佼佼者,在幫助客戶解決“缺芯”危機(jī)的同時,自己也跨入發(fā)展快車道。這家從成立之初就將工控和車載作為主攻方向的本土MCU廠商,從不將兼容性和價格解讀為競爭優(yōu)勢,在產(chǎn)品定義階段,充分與國內(nèi)客戶交流,真正深入挖掘客戶需求,以客戶需求為導(dǎo)向定義產(chǎn)品,而不是簡單的拿來主義,并在一開始就注重生態(tài)建設(shè),為本土客戶量身打造一體化開發(fā)環(huán)境(IDE)、實時操作系統(tǒng)(RTOS)和中間件,也提供從開發(fā)板、燒寫器到基礎(chǔ)固件庫的一攬子解決方案,讓客戶買得到用得好。厚積薄發(fā)的華大半導(dǎo)體MCU,迎來高光時刻。

近日,華大半導(dǎo)體攜“靜”、“動”、“智”、“車”四大系列產(chǎn)品,和超兩百款采用華大半導(dǎo)體MCU的熱門應(yīng)用方案,亮相第十屆深圳國際嵌入式系統(tǒng)展。在本次展會上,華大MCU推出明星產(chǎn)品HC32F4A0,這是繼HC32F460之后,華大高性能MCU的第二款量產(chǎn)芯片。據(jù)了解,HC32F4A0已經(jīng)導(dǎo)入多個客戶項目,在這次展會上,華大半導(dǎo)體帶來了多個基于HC32F4A0應(yīng)用的展品:糖化血紅蛋白分析儀、3D打印機(jī)、短波治療儀、機(jī)器人、工業(yè)變頻器等。

據(jù)了解,某款月銷量持續(xù)名列前茅的“國民神車”,就用到了華大半導(dǎo)體的HC32A460芯片,同一款芯片也用在了我國目前正當(dāng)紅的造車新勢力之一的旗艦量產(chǎn)車型上。該系列MCU在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用就更廣泛了,從用量大的掃地機(jī)器人、3D打印機(jī)和仿生機(jī)器人,到高端工業(yè)變頻器和大型工業(yè)伺服系統(tǒng)都有應(yīng)用,甚至還被用到國家重點水利水電工程和航空航天基地設(shè)備中。

既然MCU在工控與車載市場的發(fā)展空間大,毛利率也好,為何本土廠商難以真正進(jìn)入該市場?在筆者看來,工控市場與車載市場MCU與消費級MCU的主要區(qū)別有四點。

1、高可靠性

工業(yè)級(或車載)MCU與消費級MCU最大的區(qū)別之一是可靠性要求不同。通常做工業(yè)/車載MCU的廠商,也有對應(yīng)的消費級產(chǎn)品,反之則不然,這是因為工業(yè)與車載應(yīng)用環(huán)境對產(chǎn)品可靠性要求極高,需要更高的抗靜電能力,更高的抗浪涌電壓與浪涌電流能力,更寬的工作溫度范圍,以及更長的壽命。

今年以來,市場傳聞有的廠商因“缺芯”而用消費級MCU替換車規(guī)產(chǎn)品,這種做法為最終產(chǎn)品埋下了嚴(yán)重的安全隱患。兩款功能一致、管腳相同的MCU,并不能直接用消費級產(chǎn)品替換車規(guī)或工業(yè)級產(chǎn)品,因為工業(yè)級或車規(guī)級MCU,在出廠之前專門針對嚴(yán)苛應(yīng)用環(huán)境做了針對性設(shè)計與篩查,從而達(dá)到工業(yè)設(shè)備或汽車對于元器件高可靠與低缺陷的要求。

以工作溫度為例,車規(guī)級要求MCU可承受工作溫度范圍為-40℃至105℃或更高,一般工業(yè)級為-40℃至85℃,而消費級只要保證0℃至70℃能正常工作即可過關(guān),因此消費級產(chǎn)品在常溫時工作狀態(tài)與工業(yè)級/車規(guī)產(chǎn)品差異不大,但在高低溫時,則容易出現(xiàn)問題,嚴(yán)重的可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)停機(jī)。

抗靜電干擾能力是另一個例子,為了應(yīng)對工業(yè)/車載等復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境,華大半導(dǎo)體將MCU的抗靜電能力設(shè)計成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)最高等級。

其中,人體放電模式(ESD HBM)通過了正負(fù)8KV測試,機(jī)器放電模式(ESD MM)通過了正負(fù)500V測試,元件充電模式(ESD CDM)通過了正負(fù)2KV測試,而電氣瞬態(tài)測試(EFT)也通過正負(fù)4KV。

2、高實時性與強(qiáng)任務(wù)處理能力

工業(yè)設(shè)備與汽車常被稱作任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng),此類應(yīng)用對實時性、本地處理能力與功能安全要求都很高,需要MCU對實時性做出優(yōu)化。

通過多重總線架構(gòu)、高效外設(shè)互連和復(fù)雜協(xié)議數(shù)據(jù)的高效搬運等技術(shù),華大半導(dǎo)體HC32F4A0/HC32F460系列MCU大幅提升了實時性與多任務(wù)處理能力。

與國內(nèi)競品相比,該系列的一大特色是集成了超大容量嵌入式閃存(Embedded Flash)。出于成本考慮,本土競品多采用內(nèi)置小塊存儲與外掛串行SPI接口閃存的方式,四線制SPI接口閃存最大訪問性能不超過54MB/s,與嵌入式閃存相比,訪問性能有十倍差異,因而HC32F4A0/HC32F460性能十分強(qiáng)悍。

除此之外,HC32F4A0/HC32F460系列還提供了豐富的加速器資源,用戶可以根據(jù)應(yīng)用選擇相應(yīng)資源來提升任務(wù)處理的實時性。

3、豐富的專有功能支持

由于脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)在工業(yè)/車載當(dāng)中應(yīng)用廣泛,華大半導(dǎo)體HC32F4A0/HC32F460系列為實現(xiàn)PWM功能做了多重優(yōu)化,尤其內(nèi)置了多個面向電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用的專有優(yōu)化功能。

此外,還集成了頻率連續(xù)可調(diào)脈沖串輸出(PTO)和三相采樣保持功能等,方便開發(fā)者快速開發(fā)高性能PWM調(diào)控系統(tǒng)和高性能伺服系統(tǒng)等應(yīng)用。

4、嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系

華大半導(dǎo)體MCU事業(yè)部市場部總監(jiān)梁少峰表示,工業(yè)級/汽車級MCU之所以難,就是因為在功能和性能滿足應(yīng)用要求的前提下,還對產(chǎn)品的一致性、可靠性和缺陷率都提出了高要求,要達(dá)到這樣的高要求,只有采取嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系。

以車規(guī)級MCU為例,在設(shè)計環(huán)節(jié),華大半導(dǎo)體于 2018 年 1 月 1 日通過 GB/T 19001 - 2016 / ISO9001 : 2015 質(zhì)量體系,華大半導(dǎo)體MCU事業(yè)部在新產(chǎn)品開發(fā)中導(dǎo)入16949體系。

在制造環(huán)節(jié),華大旗下積塔半導(dǎo)體擁有完整的質(zhì)量管理體系,還通過了全套車規(guī)級元器件生成質(zhì)量認(rèn)證,已獲認(rèn)證的質(zhì)量體系包括ISO 9001質(zhì)量管理體系、IATF16949/VDA 6．3(Grade A) 汽車管理體系、ISO 14001環(huán)境管理體系和ISO 27001信息安全體系。此外,積塔半導(dǎo)體還通過了大陸汽車、福特、索尼和諾基亞等世界頂級廠商的質(zhì)量供應(yīng)商體系認(rèn)證。

更嚴(yán)格的質(zhì)量體系,意味著增加了更多成本,華大半導(dǎo)體MCU事業(yè)部從成立伊始,就立志成為工業(yè)和汽車芯片核心供應(yīng)商,迄今已經(jīng)推出“靜、動、智、車”四大系列上百款MCU,華大半導(dǎo)體對這上百款MCU產(chǎn)品均執(zhí)行了嚴(yán)格的質(zhì)量管控體系。

例如,空調(diào)中用到的變頻控制器,對可靠性和失效率要求極高,當(dāng)前全球只有三家MCU廠商在變頻空調(diào)控制器中有批量出貨,華大半導(dǎo)體就是其中之一,其應(yīng)用于變頻空調(diào)的HC32F4A0/HC32F460系列,年出貨量接近1000萬顆。

寫在最后(One More Thing)

除了上述優(yōu)勢,華大半導(dǎo)體MCU的另一特色——低功耗,也值得開發(fā)者重點關(guān)注。雖然低功耗不是工業(yè)/車載應(yīng)用的專屬要求,但伴隨我國全力推進(jìn)“碳達(dá)峰”、“碳中和”工作,市場對MCU低功耗的要求勢必會越來越高,這對華大半導(dǎo)體MCU而言無疑是利好,因為低功耗已經(jīng)是華大MCU的核心優(yōu)勢,華大超低功耗MCU產(chǎn)品的節(jié)能效果達(dá)到國際同類產(chǎn)品領(lǐng)先水平,在超低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中已被用戶廣泛認(rèn)可。

而HC32F4A0/HC32F460系列在精細(xì)化功耗管理上也異常出色。采用40納米制程的這一系列產(chǎn)品,借助制程優(yōu)勢就已經(jīng)顯著降低動態(tài)功耗,而且HC32F4A0/HC32F460支持多種低功耗工作模式,不同模式與各類低功耗應(yīng)用匹配起來得心應(yīng)手。

梁少峰表示,功耗優(yōu)化是系統(tǒng)工程,不能只看單一指標(biāo)。部分本土廠商在宣傳是只突出靜態(tài)功耗,而忽略喚醒時間和動態(tài)功耗,這種宣傳手法很容易誤導(dǎo)開發(fā)者,采用此類MCU開發(fā)出的終端產(chǎn)品,要么動態(tài)功耗難以滿足省電需求,要么喚醒慢、使用體驗差。

華大MCU則針對實際應(yīng)用對功耗做了全場景優(yōu)化,在靜態(tài)電流、喚醒時間和工作模式電流等多個維度指標(biāo)上都能滿足省電與性能需求。以智能水表為例,在不換電池的情況下,華大MCU解決方案支持水表7*24小時不間斷工作6年以上,由于功耗表現(xiàn)出色,華大MCU在水表市場已經(jīng)占據(jù)40%市場份額。

在向“碳達(dá)峰”、“碳中和”前進(jìn)之路上,華大MCU已經(jīng)搶得先機(jī)。