車載芯片成國內(nèi)MCU產(chǎn)業(yè)超強(qiáng)“驅(qū)動(dòng)”，超低功耗是未來主追求
2021年回歸高景氣，MCU啟動(dòng)量價(jià)齊升
首先在汽車領(lǐng)域，MCU是汽車從電動(dòng)化向智能化深度發(fā)展的關(guān)鍵元器件之一，汽車也是全球MCU第一大應(yīng)用市場，占比超過1/3，平均每輛汽車MCU需求量高達(dá)上百顆。隨著汽車半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)演進(jìn)和需求升級，智能化將逐步成為相關(guān)廠商競爭的主戰(zhàn)場，接力電動(dòng)化成為重要驅(qū)動(dòng)力，MCU作為核心算力芯片深度受益。
車規(guī)級MCU芯片在汽車電子中的應(yīng)用場景正在不斷豐富，涵蓋逆變器控制、發(fā)動(dòng)機(jī)和電池管理、變速箱控制、安全控制、ADAS、主動(dòng)懸架、LED照明、傳感器融合等幾十個(gè)次系統(tǒng)中。
此背景下汽車MCU市場欣欣向榮。根據(jù)ICInsights數(shù)據(jù)，汽車MCU市場規(guī)模在經(jīng)歷了2018-2020年的低迷之后，在2021年迎來了23%的爆發(fā)式上漲，銷售額達(dá)到76億美元。
目前車用MCU供需尚未完全緩解，自動(dòng)駕駛等級提升以及車內(nèi)外傳感器數(shù)量增加都會(huì)提高M(jìn)CU用量。新能源車及L2以上ADAS及自駕系統(tǒng)滲透率的提升，還會(huì)造成車用MCU（每增加一臺(tái)自駕感測器，雷達(dá)，激光雷達(dá)毫米波雷達(dá)就需要一個(gè)MCU），電源管理芯片，電力功率等芯片短缺。機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)2022和2023年車用MCU仍然會(huì)保持16%的年復(fù)合增長率。
同時(shí)在AIOT領(lǐng)域，MCU+漸成風(fēng)潮物聯(lián)網(wǎng)場景下各種終端設(shè)備配置的功能呈現(xiàn)井噴之勢，如智能手表需要兼具健康測量、生物識別、移動(dòng)支付、社交等多項(xiàng)功能，對于傳統(tǒng)MCU而言，需要添加越來越多的外設(shè)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(yīng)用的普及催生了MCU+藍(lán)牙/Wifi，MCU+解決方案提升了集成度，為客戶降本增效，同時(shí)也提高了技術(shù)門檻，利于產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，更加符合當(dāng)下技術(shù)迭代和需求升級的背景。
再加上工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)設(shè)備復(fù)雜度提升，工廠自動(dòng)化、電機(jī)控制、電源能源等重要驅(qū)動(dòng)力，都促使MCU需求長期量價(jià)雙升。
正是受益于AIOT、工業(yè)控制、汽車電子等應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，全球MCU市場規(guī)模和出貨量觸底反彈。在行業(yè)高景氣度的2021年，全球MCU出貨量同比增長12%達(dá)到了近309億顆的歷史最高水平，同時(shí)受產(chǎn)能限制等因素影響，ASP強(qiáng)勁反彈10%達(dá)到0.64美元，且將保持高增態(tài)勢有望于2026年突破0.75美元。
根據(jù)ICInsights數(shù)據(jù)及預(yù)測，2021年全球MCU市場規(guī)模約196億美元，同比增長23.4%，預(yù)計(jì)至2026年將以6.7%的復(fù)合增速達(dá)到272億美元；2021年全球MCU的出貨量約為309億顆，至2026年預(yù)計(jì)將達(dá)到358億顆。
與此同時(shí)，國內(nèi)市場增速還高于全球市場。
根據(jù)IHS數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(nèi)物聯(lián)網(wǎng)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(shù)年MCU發(fā)展將邁入一個(gè)新的臺(tái)階。IHS預(yù)測至2026年，中國MCU市場規(guī)?；蛞约s7%的CAGR提升至513億元。
缺芯潮成就國產(chǎn)替代契機(jī)
當(dāng)前MCU領(lǐng)域中，海外企業(yè)占據(jù)絕對領(lǐng)先地位。
根據(jù)Omdia統(tǒng)計(jì)，2021年全球前5大MCU生產(chǎn)廠商分別為NXP（17.3%）、瑞薩電子（16.8%）、意法半導(dǎo)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(jù)。根據(jù)CSIA數(shù)據(jù)，2019年中國前5大MCU生產(chǎn)廠商分別為意法半導(dǎo)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(nèi)廠商主要在消費(fèi)和中低端工控領(lǐng)域競爭，汽車、高端工控等市場國產(chǎn)化率較低破。
并且要知道的是，MCU行業(yè)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(fā)廠商憑借產(chǎn)能、技術(shù)、渠道、產(chǎn)品生態(tài)等的優(yōu)勢產(chǎn)生規(guī)模效應(yīng)，不斷加固護(hù)城河，新進(jìn)入者很少有創(chuàng)新以及彎道超車的機(jī)會(huì)。
但MCU國產(chǎn)化是必須打通的路，2021年供給缺口就帶來了契機(jī)。
由于MCU是廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)控制芯片，位于電路系統(tǒng)的中樞位置，其性能參數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)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(chǎn)替代意義。
2021年缺芯漲價(jià)潮中國產(chǎn)廠商充分把握歷史機(jī)遇，大幅推進(jìn)了國產(chǎn)替代進(jìn)程,在消費(fèi)領(lǐng)域國產(chǎn)芯片已經(jīng)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(yè)的終端客戶建立了深厚合作關(guān)系，積攢了較好的口碑和寶貴的客戶驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)，大幅推進(jìn)了國產(chǎn)替代進(jìn)程。2021年全球MCU銷售額前十的廠商中首次出現(xiàn)中國大陸公司身影，兆易創(chuàng)新位列第八。
目前相當(dāng)數(shù)量的國產(chǎn)廠商已經(jīng)在工控、汽車等下游應(yīng)用中深度布局，國內(nèi)廠商已在逐步推出車規(guī)MCU產(chǎn)品，開始以點(diǎn)帶面逐步突破，MCU國產(chǎn)替代2.0時(shí)代依然拉開序幕。在供應(yīng)鏈安全考量下，預(yù)期會(huì)有越來越多的國產(chǎn)終端驗(yàn)證國產(chǎn)芯片。
車載MCU開啟嵌入新型存儲(chǔ)新嘗試
存儲(chǔ)單元是MCU的重要組成，MCU一般均會(huì)集成CPU、SRAM、非易失性存儲(chǔ)器如NAND，以及豐富的專用外設(shè)，其中存儲(chǔ)單元對MCU性能有著重要影響。然而，隨著時(shí)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(lǐng)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(shù)太少，使其不適合作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器，比如阻變存儲(chǔ)器（RRAM）、相變存儲(chǔ)器（PCM）和磁性存儲(chǔ)器（MRAM）等。
英飛凌和臺(tái)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(tài)下不會(huì)失去數(shù)據(jù)，且允許按位寫入而無需擦除，可以擴(kuò)展到28 納米甚至更先進(jìn)的工藝。可以說，RRAM是更理想的嵌入式存儲(chǔ)器。
意法半導(dǎo)體則是PCM在 MCU嵌入式存儲(chǔ)器中應(yīng)用的支持者。2018年，意法半導(dǎo)體便宣布，內(nèi)建ePCM的28nm FD-SOI車用MCU技術(shù)架構(gòu)和性能標(biāo)準(zhǔn)，開始向客戶提供搭載ePCM的MCU樣片。2021年8月，意法半導(dǎo)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(jì)劃于2024年量產(chǎn)。ePCM 可以提供更快的讀取和寫入速度，同時(shí)集成ePCM 存儲(chǔ)元件采用 28nm 嵌入式閃存成本更低，因此在汽車應(yīng)用中有著更大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>
瑞薩則支持MRAM技術(shù)的應(yīng)用。MRAM擁有非易失，讀寫次數(shù)高，寫入速度快、功耗低特點(diǎn)。今年6月的VLSI 研討會(huì)上，瑞薩宣布已開發(fā)出用于STT-MRAM測試的電路技術(shù)，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(fā)展，瑞薩電子中國汽車電子事業(yè)部副部長趙坤指出，汽車電子無疑仍是接下來的一個(gè)應(yīng)用熱點(diǎn)，尤其是新能源汽車的發(fā)展給這個(gè)市場帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。新能源汽車因?yàn)闆]有太多舊技術(shù)的牽絆，可以更好的采用新一代的電子電氣架構(gòu)，域控制器的使用將會(huì)對MCU提出新的更高的需求，同時(shí)也推動(dòng)著產(chǎn)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(biāo)，特別是物聯(lián)網(wǎng)類應(yīng)用逐漸走入工業(yè)和消費(fèi)領(lǐng)域后，在水氣熱表、穿戴設(shè)備、醫(yī)療電子、智能家居、遠(yuǎn)程測控、無線傳感等應(yīng)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(gè)細(xì)分市場。相關(guān)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(lǐng)域布局很早，面向常規(guī)低功耗應(yīng)用領(lǐng)域，已經(jīng)形成多系列的產(chǎn)品布局，如意法半導(dǎo)體、微芯、SiliconLabs、德州儀器等廠商都有各自的低功耗系列產(chǎn)品。瑞薩半導(dǎo)體推出超低功耗微控制器RE系列。該芯片采用其獨(dú)有的SOTB（Silicon on Thin Buried Oxide）工藝制程，可同時(shí)降低運(yùn)行功耗及待機(jī)功耗。RE系列微控制器的電流消耗在工作狀態(tài)下可低至25μA/MHz，待機(jī)狀態(tài)下可低至400nA。這樣的超低功耗指標(biāo)可顯著延長嵌入式設(shè)備的電池壽命。
北京中科芯蕊科技有限公司總經(jīng)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(shè)計(jì)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(shí)間，為電池或能量采集等方式供電的設(shè)備提供更持久的續(xù)航能力。在穿戴電子、便攜式醫(yī)療電子、傳感器終端、遠(yuǎn)程測控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，“智能化、小型化、輕重量、長續(xù)航”是終端節(jié)點(diǎn)持續(xù)追求的目標(biāo)，而低功耗是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最關(guān)鍵因素。
新興存儲(chǔ)，誰會(huì)是未來選擇？
那么，在眾多新興存儲(chǔ)技術(shù)中，誰會(huì)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(chǎn)時(shí)間也指日可待，但需要注意的是，PCM并不是一個(gè)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(dǎo)率，會(huì)帶來更高功耗，且由于其存儲(chǔ)原理是利用溫度實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，因此存儲(chǔ)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(diǎn)相對較低，或許會(huì)存在預(yù)編程的存儲(chǔ)器在焊接到印刷電路板上時(shí)可能被擦除的問題，雖然系統(tǒng)編程可以解決這個(gè)溫度限制問題，但它也會(huì)影響在高溫下10 年的保留能力。
其實(shí)，被大家所熟知的英特爾3D XPoint內(nèi)存技術(shù)就是PCM的一種，由于所需要的掩膜版過多導(dǎo)致成本升高，并且制造難度也十分困難等原因，雖然這項(xiàng)技術(shù)在非易失存儲(chǔ)器領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了革命性突破，但也沒逃過落魄的命運(yùn)。
另一邊，MRAM雖然性能較好，但臨界電流密度和功耗仍需進(jìn)一步降低。目前MRAM的存儲(chǔ)單元尺寸仍較大且不支持堆疊，工藝較為復(fù)雜，大規(guī)模制造難以保證均一性，存儲(chǔ)容量和良率爬坡緩慢。
IMEC曾在2018年IEEE IEDM 會(huì)議上展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)引入 STT-MRAM 作為最后一級 (L3) 緩存存儲(chǔ)器的可行性，但其實(shí)這項(xiàng)技術(shù)也被證明不足以將操作擴(kuò)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(shí)，對切換速度（不快于5ns）構(gòu)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(zhì)屏障，因此每一次的讀寫都會(huì)造成絕緣層的小破壞，久而久之也會(huì)降低設(shè)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(gè)良配。
至于RRAM，它的缺點(diǎn)也很明顯，最大的缺點(diǎn)就是嚴(yán)重的器件級變化性。器件級變化性直接關(guān)乎芯片的可靠性，但由于RRAM器件狀態(tài)的轉(zhuǎn)變需要透過給兩端電極施加電壓來控制氧離子在電場驅(qū)動(dòng)下的漂移和在熱驅(qū)動(dòng)下的擴(kuò)散兩方面的運(yùn)動(dòng)，使得導(dǎo)電絲的三維形貌難以調(diào)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(jī)構(gòu)，但是1T1R結(jié)構(gòu)的RRAM總芯片面積取決于晶體管占用的面積，因此存儲(chǔ)密度較低；而Crossbar結(jié)構(gòu)的RRAM雖然存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，并沒有完美的存在。MCU廠商如何進(jìn)行取舍？如何盡可能針對弱項(xiàng)研發(fā)出新技術(shù)？又如何針對新興技術(shù)研發(fā)出所需的新設(shè)備、新材料？這些都是不容忽視、且需要考慮的問題，但有一點(diǎn)可以確認(rèn)，那就是哪怕是MCU廠商，也必須密切關(guān)注新興存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r和態(tài)勢，否則將會(huì)被競爭者拋在身后。
