【导读】首先在汽车领域，MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一，汽车也是全球MCU第一大应用市场，占比超过1/3，平均每辆汽车MCU需求量高达上百颗。随着汽车半导体行业技术演进和需求升级，智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场，接力电动化成为重要驱动力，MCU作为核心算力芯片深度受益。
疫情缺芯困局促使国内企业崛起的MCU市场，仍有汽车智能化、工业自动化、消费电子基本盘等强力驱动。
2021年回归高景气，MCU启动量价齐升
首先在汽车领域，MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一，汽车也是全球MCU第一大应用市场，占比超过1/3，平均每辆汽车MCU需求量高达上百颗。随着汽车半导体行业技术演进和需求升级，智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场，接力电动化成为重要驱动力，MCU作为核心算力芯片深度受益。
车规级MCU芯片在汽车电子中的应用场景正在不断丰富，涵盖逆变器控制、发动机和电池管理、变速箱控制、安全控制、ADAS、主动悬架、LED照明、传感器融合等几十个次系统中。
此背景下汽车MCU市场欣欣向荣。根据ICInsights数据，汽车MCU市场规模在经历了2018-2020年的低迷之后，在2021年迎来了23%的爆发式上涨，销售额达到76亿美元。
目前车用MCU供需尚未完全缓解，自动驾驶等级提升以及车内外传感器数量增加都会提高MCU用量。新能源车及L2以上ADAS及自驾系统渗透率的提升，还会造成车用MCU（每增加一台自驾感测器，雷达，激光雷达毫米波雷达就需要一个MCU），电源管理芯片，电力功率等芯片短缺。机构预计2022和2023年车用MCU仍然会保持16%的年复合增长率。
同时在AIOT领域，MCU+渐成风潮物联网场景下各种终端设备配置的功能呈现井喷之势，如智能手表需要兼具健康测量、生物识别、移动支付、社交等多项功能，对于传统MCU而言，需要添加越来越多的外设器件才能满足这些新兴需求。
传感器的升级提高了模拟信号的处理要求，于是有了MCU+AFE的方案，无线应用的普及催生了MCU+蓝牙/Wifi，MCU+解决方案提升了集成度，为客户降本增效，同时也提高了技术门槛，利于产业化发展，更加符合当下技术迭代和需求升级的背景。
再加上工业领域，工业设备复杂度提升，工厂自动化、电机控制、电源能源等重要驱动力，都促使MCU需求长期量价双升。
正是受益于AIOT、工业控制、汽车电子等应用的蓬勃发展，全球MCU市场规模和出货量触底反弹。在行业高景气度的2021年，全球MCU出货量同比增长12%达到了近309亿颗的历史最高水平，同时受产能限制等因素影响，ASP强劲反弹10%达到0.64美元，且将保持高增态势有望于2026年突破0.75美元。
根据ICInsights数据及预测，2021年全球MCU市场规模约196亿美元，同比增长23.4%，预计至2026年将以6.7%的复合增速达到272亿美元；2021年全球MCU的出货量约为309亿颗，至2026年预计将达到358亿颗。
与此同时，国内市场增速还高于全球市场。
根据IHS数据统计，2015-2020年中国MCU市场CAGR为8.4%，同期全球市场几乎没有增长，2021年中国MCU市场增长了36%（高于全球市场增速的23.4%）至365亿元。
得益于国内物联网和新能源汽车市场在全球具有的高影响力和不断增长，未来数年MCU发展将迈入一个新的台阶。IHS预测至2026年，中国MCU市场规模或以约7%的CAGR提升至513亿元。
缺芯潮成就国产替代契机
当前MCU领域中，海外企业占据绝对领先地位。
根据Omdia统计，2021年全球前5大MCU生产厂商分别为NXP（17.3%）、瑞萨电子（16.8%）、意法半导体（15.4%）、英飞凌（13.9%）以及微芯科技（12.6%），CR5约76%。
我国MCU市场大部分份额同样被海外巨头占据。根据CSIA数据，2019年中国前5大MCU生产厂商分别为意法半导体（20.9%）、NXP（20.2%）、微芯科技（14.2%）、瑞萨电子（13.0%）以及英飞凌（6.2%），CR5约74%，国内厂商主要在消费和中低端工控领域竞争，汽车、高端工控等市场国产化率较低破。
并且要知道的是，MCU行业本身变化不快，制程工艺等要求并不高（40nm即可满足主要需求），先发厂商凭借产能、技术、渠道、产品生态等的优势产生规模效应，不断加固护城河，新进入者很少有创新以及弯道超车的机会。
但MCU国产化是必须打通的路，2021年供给缺口就带来了契机。
由于MCU是广泛应用的基础控制芯片，位于电路系统的中枢位置，其性能参数对整个系统具有决定性作用，搭建电路通常需要以其为核心选择元器件，这使得MCU往往具有更高的使用粘性和国产替代意义。
2021年缺芯涨价潮中国产厂商充分把握历史机遇，大幅推进了国产替代进程,在消费领域国产芯片已经积累了大量客户群体，对海外厂商基本盘形成了全面深入的渗透，与各行各业的终端客户建立了深厚合作关系，积攒了较好的口碑和宝贵的客户验证经验，大幅推进了国产替代进程。2021年全球MCU销售额前十的厂商中首次出现中国大陆公司身影，兆易创新位列第八。
目前相当数量的国产厂商已经在工控、汽车等下游应用中深度布局，国内厂商已在逐步推出车规MCU产品，开始以点带面逐步突破，MCU国产替代2.0时代依然拉开序幕。在供应链安全考量下，预期会有越来越多的国产终端验证国产芯片。
车载MCU开启嵌入新型存储新尝试
存储单元是MCU的重要组成，MCU一般均会集成CPU、SRAM、非易失性存储器如NAND，以及丰富的专用外设，其中存储单元对MCU性能有着重要影响。然而，随着时间的推移，闪存却逐渐开始成为制约MCU提高性能、降低功耗的瓶颈之一，特别是在车用领域。汽车芯片具有更高的可靠性、耐用性需求，车载MCU中集成的闪存，可擦写次数太少，使其不适合作为数据存储器。这就使得越来越多MCU大厂开始选择在MCU中集成新型存储器，比如阻变存储器（RRAM）、相变存储器（PCM）和磁性存储器（MRAM）等。
英飞凌和台积电最近宣布，两家公司正在努力将RRAM添加到英飞凌新一代 AURIX系列 MCU中。RRAM与NAND一样具有非易失性，断电状态下不会失去数据，且允许按位写入而无需擦除，可以扩展到28 纳米甚至更先进的工艺。可以说，RRAM是更理想的嵌入式存储器。
意法半导体则是PCM在 MCU嵌入式存储器中应用的支持者。2018年，意法半导体便宣布，内建ePCM的28nm FD-SOI车用MCU技术架构和性能标准，开始向客户提供搭载ePCM的MCU样片。2021年8月，意法半导体开始向主要汽车厂商交货其首批采用ePCM的Stellar SR6系列车用MCU，计划于2024年量产。ePCM 可以提供更快的读取和写入速度，同时集成ePCM 存储元件采用 28nm 嵌入式闪存成本更低，因此在汽车应用中有着更大的发展潜力。
瑞萨则支持MRAM技术的应用。MRAM拥有非易失，读写次数高，写入速度快、功耗低特点。今年6月的VLSI 研讨会上，瑞萨宣布已开发出用于STT-MRAM测试的电路技术，使用22纳米工艺制造，具有快速的读写操作。
针对车用MCU的发展，瑞萨电子中国汽车电子事业部副部长赵坤指出，汽车电子无疑仍是接下来的一个应用热点，尤其是新能源汽车的发展给这个市场带来了新的发展机遇。新能源汽车因为没有太多旧技术的牵绊，可以更好的采用新一代的电子电气架构，域控制器的使用将会对MCU提出新的更高的需求，同时也推动着产品更快的迭代更新。
超低功耗渐成MCU新市场
功耗一向是衡量MCU的重要指标，特别是物联网类应用逐渐走入工业和消费领域后，在水气热表、穿戴设备、医疗电子、智能家居、远程测控、无线传感等应用中，衍生出大量低功耗类需求，以致于低功耗微控制器成为MCU的一个细分市场。相关资讯显示，在全球微控制器市场份额中，低功耗微控制器约占15%～20％。
很多国际厂商在低功耗领域布局很早，面向常规低功耗应用领域，已经形成多系列的产品布局，如意法半导体、微芯、SiliconLabs、德州仪器等厂商都有各自的低功耗系列产品。瑞萨半导体推出超低功耗微控制器RE系列。该芯片采用其独有的SOTB（Silicon on Thin Buried Oxide）工艺制程，可同时降低运行功耗及待机功耗。RE系列微控制器的电流消耗在工作状态下可低至25μA/MHz，待机状态下可低至400nA。这样的超低功耗指标可显著延长嵌入式设备的电池寿命。
北京中科芯蕊科技有限公司总经理胡晓宇指出，通常低功耗微控制器都采用了与通用微控制器不同的设计方法和工艺选择，以降低微控制器的能耗和漏电流，从而使得微控制器可以在使用相同能量的前提下，可以工作更长的时间，为电池或能量采集等方式供电的设备提供更持久的续航能力。在穿戴电子、便携式医疗电子、传感器终端、远程测控等物联网应用，“智能化、小型化、轻重量、长续航”是终端节点持续追求的目标，而低功耗是实现这一目标的最关键因素。
新兴存储，谁会是未来选择？
那么，在众多新兴存储技术中，谁会成为未来选择？目前来看，PCM肯定走在了最前头，毕竟集成PCM的MCU样品已出货，量产时间也指日可待，但需要注意的是，PCM并不是一个十全十美的选择，它也有着一定的局限性。
一是，PCM RESET后的冷却过程需要高热导率，会带来更高功耗，且由于其存储原理是利用温度实现相变材料的阻值变化，所以对温度十分敏感，无法用在宽温场景。
二是，为了使相变材料兼容CMOS工艺，PCM必须采取多层结构，因此存储密度过低，在容量上无法替代NAND Flash。
三是，由于PCM典型的锗、锑、碲元素比例为2:2:5，熔点相对较低，或许会存在预编程的存储器在焊接到印刷电路板上时可能被擦除的问题，虽然系统编程可以解决这个温度限制问题，但它也会影响在高温下10 年的保留能力。
其实，被大家所熟知的英特尔3D XPoint内存技术就是PCM的一种，由于所需要的掩膜版过多导致成本升高，并且制造难度也十分困难等原因，虽然这项技术在非易失存储器领域实现了革命性突破，但也没逃过落魄的命运。
另一边，MRAM虽然性能较好，但临界电流密度和功耗仍需进一步降低。目前MRAM的存储单元尺寸仍较大且不支持堆叠，工艺较为复杂，大规模制造难以保证均一性，存储容量和良率爬坡缓慢。
IMEC曾在2018年IEEE IEDM 会议上展示了在 5nm 技术节点引入 STT-MRAM 作为最后一级 (L3) 缓存存储器的可行性，但其实这项技术也被证明不足以将操作扩展到更快、更低级别的缓存 (L1/L2)。一方面，与SRAM相比，STT-MRAM写入过程仍然相对低效且耗时，对切换速度（不快于5ns）构成了固有限制。另一方面，速度增益将需要增加流过 MTJ 的电流，从而流过薄的电介质屏障，因此每一次的读写都会造成绝缘层的小破坏，久而久之也会降低设备的耐用性，显然对于需要亚纳秒切换速度的L1/L2 缓存操作来说，STT-MRAM并不是一个良配。
至于RRAM，它的缺点也很明显，最大的缺点就是严重的器件级变化性。器件级变化性直接关乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件状态的转变需要透过给两端电极施加电压来控制氧离子在电场驱动下的漂移和在热驱动下的扩散两方面的运动，使得导电丝的三维形貌难以调控，再加上噪声的影响，因此容易造成器件级变化性。
此外，虽然RRAM阵列拥有两种机构，但是1T1R结构的RRAM总芯片面积取决于晶体管占用的面积，因此存储密度较低；而Crossbar结构的RRAM虽然存储密度较高，但存在互连线上的电压降和潜行电流路径，造成读写性能下降，能耗上升以及写干扰等问题。
总而言之，每种存储技术都各有优缺点，并没有完美的存在。MCU厂商如何进行取舍？如何尽可能针对弱项研发出新技术？又如何针对新兴技术研发出所需的新设备、新材料？这些都是不容忽视、且需要考虑的问题，但有一点可以确认，那就是哪怕是MCU厂商，也必须密切关注新兴存储技术的发展状况和态势，否则将会被竞争者抛在身后。
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