MCU组成部分、分类、市场现状及需求分析

国内外应用结构差异较大，国外偏汽车电子/国内偏消费电子。

1.基于 CPU 对指令的执行和数据的处理

微控制器（MCU）是一种集成电路芯片，它集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入/输出接口和其他外设电路，可以用于控制和管理各种设备和系统。MCU 的工作原理基于CPU对指令的执行和数据的处理。当 MCU 接收到外部输入或产生内部事件时，会触发相应的中断处理程序，进而执行相应的操作。例如，当 MCU 接收到外部输入信号时，会读取该信号的值并进行处理；当 MCU 产生内部事件时，会修改相应的寄存器值或触发其他操作。MCU 的基本组成部分包括：1）CPU：MCU 的中央处理器，负责执行指令和处理数据。2）存储器：MCU 内部集成了 ROM 和 RAM 两种存储器，用于存储程序和数据。3）I/0接口：MCU通过 I/0 接口与其他设备进行通信和控制。常见的 I/0 接口包括GPIO、UART.SPI、12C等。4）定时器：MCU 内置了多种定时器，用于产生定时中断或计数。5）中断：MCU支持外部中断和内部中断，当特定事件发生时，会触发中断处理程序。6）PWM 输出：MCU可以通过PWM技术输出方波信号，用于控制电机、LED 灯等设备。7）ADC 和 DAC：MCU 内置了模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC），用于将模拟信号转换为数字信号或将数字信号转换为模拟信号。除以上基本组成部分，不同类型的 MCU 还可能具有其他特定的外设模块，例如温度传感器、气压传感器、蓝牙模块等。

MCU 按照位数（数据总线宽度）划分，可分为 4 位、8 位、16 位、32 位和64位等，市场主流的还是 8 位和 32 位；（1）8 位 MCU：具有功耗低、成本低、使用便捷等优点，应用场景：工商业。（2）16 位 MCU：性能不及 32 位，性价比不如 8 位MCU，市场份额被边缘化。（3）32 位 MCU：运算能力强，价格接近 8 位 MCU，可满足大多数复杂嵌入式场景。根据ICInsights预测，2022 年全球 MCU 市场中 32 位占⽐将达到 67%，⽽16 位MCU 的运算性能不如32位产品，性价比又无法与 8 位 MCU 相⽐，市场份额逐步萎缩。 按存储器结构划分，可分为冯诺依曼结构和哈佛结构。冯诺依曼结构将程序指令存储器和数据存储器合并在一起。哈佛结构将程序指令和数据分开存储，分开读取，因此程序指令和数据指令可以有不同的数据宽度，通常具有较高的执行效率。 按指令集划分，可分为复杂指令集 CISC（如 X86）、精简指令集RISC（如Arm、MIPS、RISC-V）。根据半导体行业观察数据，Arm 生态建设完善，是目前的主流架构，国内市场占比高达 52%，广泛应用于手机、平板等智能移动终端， RISC-V 作为新兴精简指令集，2021年市场份额达到 2%。 按应用领域划分，可分为通用型和专用型。通用型 MCU 是指具有MCU的基本组成，但是将 MCU 中可利用的资源（包括 RAM、ROM、串并行接口等）全部提供给用户，不是为了某种专门用途设计的。专用型 MCU 是指按照具体用途而专门设计的MCU，秉承“MCU+特定组件”的形式，通常会在 MCU 内集成具有特定功能的硬件单元，比如数字信号处理单元、蓝牙协议栈等。

2. 市场：2028 年有望达 320 亿美元，国外巨头为主要玩家

近年来，受益于 AI、物联网、智能家居、汽车电子、工业控制等市场蓬勃发展，MCU芯片市场规模迅速增长。据 Yole 研究报告显示，2023 年全球 MCU 市场规模约229亿美元，预计至2028 年将以 5.3%的年复合增速达到 320 亿美元。未来，随着新能源汽车渗透率进一步提高，电动化、智能化不断升级，会有愈来愈多的场景需要高性能MCU 来支持复杂的实时控制功能，有望推动车规级 MCU 量价齐升。在工业领域，机器人、电子元件制造设备和工业网络等领域也存在着巨大的市场潜力，都将为 MCU 产品广泛采用提供助力。

国内外应用结构差异较大，国外偏汽车电子/国内偏消费电子。根据ICInsights数据，全球MCU 下游应用市场，汽车电子、工控、消费电子领域排名前三，应用占比依次为：40%、27%、18%。⽽中国 MCU 下游应用结构有较大不同，对于产品质量可靠性要求较低的消费电子占比最高，为 27%，而汽车电子和工控占比分别为 24%、23%。由于工业级、车规级MCU产品标准较高，尤其车规级 MCU 产品，需要通过 ACE-Q100 标准和IS0 26262 标准验证，目前由国际巨头主导，但近年来国内厂商已经从中低端车规 MCU 切入，如雨刷、车窗等车身控制模块，逐步研发高端车规 MCU，如智能座舱、ADAS 等。

全球 MCU 市场份额 Top5 厂商均为海外巨头。根据 Gartner 数据，2021 年恩智浦、瑞萨电子、意法半导体、微芯科技、英飞凌的全球市场份额分别为：17%、16%、15%、14%、13%。（1）汽车电子领域，瑞萨电子、恩智浦和英飞凌处于绝对领先地位，三者市场份额合计高达79%。瑞萨电子在发展过程中与日本知名车企（本田、丰田）形成密切合作，通过稳定供应和迭代提升汽车电子 MCU 产品竞争⼒；恩智浦在 2015 年收购飞思卡尔之后强化汽车领域，车用MCU实力大幅提升；英飞凌深耕汽车电子、工业控制、通信、医疗等领域，在收购赛普拉斯后，完善汽车电子 MCU 产品线。（2）工业领域，微芯科技、德州仪器、意法半导体较有优势。微芯2016年通过收购 Atmel，在工业控制领域形成覆盖全面的产品线；德州仪器专注于模拟芯片和嵌入式处理芯片，全信号链设计能力在需要动态检测生产信号并及时做出调整的工业市场得以充分发挥，且在低功耗产品上有绝对技术优势。（3）消费电子领域，微芯科技和意法半导体处于领先地位，两者市场份额合计高达 67%。微芯科技的 8 位 MCU 凭借较好的性能占据较大市场份额；意法半导体在物联网和消费电子领域全面布局，包括工业网关、电信设备、家庭自动化等产品。

交期持续缩短，整体价格趋稳。根据富昌电子数据（2024Q2），从MCU交货周期层面分析，仅 Microchip MCU 交货趋势处于维持状态（8 位 4-12 周，32 位4-18 周），Infineon、NXP、Renesas及 STMicroelectronics 等期货趋势均处于下降状态（上述厂商交货趋势至少在10周以上）。从价格方面，各大厂商 24Q2 价格趋势处于维持状态。

3. 需求：汽车电子/工业控制/消费电子共促MCU需求稳步增长

3.1 汽车电子：电汽化/智能化/网联化带动车规MCU需求提升

汽车电子控制系统是汽车电子的核心，决定了汽车电子的有效运行。汽车电子控制系统主要由传感器、电子控制单元（ECU）、执行器和其他电子元器件组成。汽车在运行时，各传感器不断检测汽车运行的工况信息，并将这些信息转换为数字或模拟信号通过接口传送给ECU。ECU根据预先内部编写好的程序，对接收到的信息进行相应的决策和处理后，通过接口将控制信号输出给相应的执行器，由执行器负责执行相应的操作。汽车的车身控制系统、安全舒适系统、信息娱乐与网联系统、动力与底盘系统和辅助驾驶系统等汽车电子系统包含数个ECU，而每个ECU中至少需要一颗 MCU 执行运算和控制功能，因此，每辆汽车的MCU 用量随ECU数量的变化而变化。燃油车单车 MCU 使用量一般在数十颗左右，智能汽车MCU使用量更高，可达百颗以上。

“三化”进程加速，有望驱动车规级 MCU 需求增长。（1）电动化：新能源汽车的“三电”系统将带动 MCU 的增量需求，如在新能源汽车的电池系统中，MCU 用于电池模组的分布式管理；在电驱系统中，MCU 用于逆变器实现直流电向交流电转换；在电控系统中，MCU用于电池管理系统（BMS）进行温度控制和充放电管理，用于整车控制器（VCU）中实现命令传输、任务调度和能量管理。除“三电系统”外，新能源汽车的车载无线充、声学汽车警报系统（AVAS）、新能源汽车配套的充电枪、充电桩等储能相关设备等也需要运用MCU 执行运算和控制功能。（2）智能化：①自动驾驶：MCU 在 L1 至 L2 级的高级辅助驾驶中应用广泛，如自动泊车系统、自适应巡航、车道偏离报警系统、车道保持系统和雷达探测等都需要MCU实现相应的功能。当前我国正处于 L2 至 L3 级的过渡阶段，随着自动驾驶等级的提升，MCU面临的数据更加复杂，其对自身的算力也提出了更高的要求，集成 AI 模块和具备高处理能力的高阶MCU将会在高级自动驾驶中得到应用。②智能座舱：伴随汽车电子和人机交互等技术迭代，整合液晶仪表盘、中控屏、抬头显示系统（HUD）、流媒体后视镜、信息娱乐系统、智能座椅等电子设备的智能座舱成为汽车座舱的发展新趋势。智能座舱能够实现多模态人机交互（HMI），提供地图导航服务，丰富车机娱乐内容和生活服务信息，致力打造以乘客为中心的“第三生活空间”。智能座舱的多数电子设备需要配置 MCU 实现相应的运算和控制功能。如汽车仪表盘需要MCU进行图像处理，信息娱乐系统需要 MCU 进行信息和数据处理，智能座椅利用MCU进行空间调整等。（3）网联化：T-BOX 对内与主机通过 CAN 总线通信，实现指令和信息的传递，包括车辆状态信息、按键状态信息和控制指令等，对外与手机 APP 进行信息交互，用户可以通过手机APP实现车辆的远程控制，如车辆启动、车窗升降、车辆定位、车辆状态查询等。T-BOX内部集成GPS、外部通信接口、MCU、移动通信单元、存储器等功能模块。

智能化相关 MCU 平均售价最高（相较于其他域），车身域MCU 门槛较低。从单车MCU附加值看，座舱域和智驾域对 MCU 有较高的运算能力及高速通信需求，单芯片ASP（平均售价）最高（相较于其他域），目前主要量产国产厂商有国芯科技、芯驰科技等；动力域及底盘域涉及驾驶安全，对于 MCU 的工作温度和功能安全等级要求非常高，附加值较高，因此单芯片ASP（平均售价）集中在 3-20 美元/颗区间，主要国产厂商国芯科技及芯旺微等；车身域MCU是目前进入门槛相对较低的领域（相较于其他域），利润相对微薄，是杰发科技、比亚迪半导体及芯旺微等出货量较大的国产厂商目前主要发力市场，单芯片 ASP（平均售价）最低（相较于其他域）。

看好 24H2 MCU 需求增长，国产替代仍为我国市场趋势之一。从龙头厂商发展预期看，包括英飞凌、恩智浦及 ST 等均看好下半年 MCU 等为代表的车规级芯片需求增长，TI 更是表态持续加大对于汽车市场投资力度。根据国芯科技 2024 年 03 月06 日投资者问答信息披露，目前汽车电子 MCU 芯片去库存正在加速进行，市场需求正在回暖，汽车电子MCU芯片的需求正在逐步提升，国产替代仍将是我国汽车电子芯片的市场趋势之一。

从整体进度上看，国内车规 MCU 芯片厂商大多还停留在针对门窗、照明、区域控制器网关等车身控制领域，以及液晶仪表、抬头显示控制器、电子后视镜等座舱应用，只有少数几家企业布局了对安全和性能要求更高的电机、BMS、智能驾驶等动力集成以及底盘类高阶应用。

3.2 工业控制：智能制造持续推进，带动MCU需求增量

MCU 是工业控制领域的通用部件，广泛应用于工业机器人、步进马达、机器手臂、仪器仪表、工业电机、能源网关等各类型工控产品，实现运算、控制、收集信号、传输数据等作用。

1）人形机器人。2024 年人形机器人产业正在加速驶入快车道，作为人工智能的终极形态，优必选工业版人形机器人 WalkerS、智元机器人、宇树 Unitree H1、追觅通用人形机器人等数十款新品在一年内陆续发布，充分展示了我国在人形机器人领域的创新活力。其中，优必选工业版人形机器人WalkerS 进入汽车工厂参与“实训”，WalkerS 可以完成对蔚来汽车门锁、安全带、车灯盖板的检测，还以流畅、柔顺的动作贴好车标，使人形机器人开始进厂照进现实。工业控制MCU可视为机器人技术的“大脑”，负责处理机器人的运动控制、数据处理、传感器信号处理等关键任务。工业机器人单支机器手臂中，内建的控制器平均约有八成为 MCU 芯片。据国际机器人协会预测，至 2030 年，全球人形机器人市场规模年复合增长率将高达 71%。中国电子学会预计，到2030年，我国人形机器人市场规模有望达到 8700 亿元，具备较大的增长空间。随着机器人技术的应用日趋广泛，对工业控制 MCU 的需求也随之增加，推动 MCU 技术的持续发展和创新。

2）制造业智能化。根据芯师爷引用 Statista 数据，2022 年全球工控及自动化市场规模达2,343亿美元，预计2026 年将达到 3,396 亿美元，未来 4 年 CAGR 达 9.7%。根据中国工控网，2021年我国工业自动化市场规模达 2,530 亿元，2023 年我国工业自动化市场规模预计为3,115 亿元，增速高于全球，未来前景广阔。随着我国制造业智能化水平的不断升级，数控机床、精密机械、锂电设备、新能源汽车、机器人等科技含量更高的新兴产业逐渐崭露头角，MCU 作为工业自动化所必需的零部件，也势必朝向更高算力、更高智能和更低功耗的方向发展，从而带动工控MCU的需求和性能不断升级。为此，MCU 头部厂商相继推出新品新技术：1）意法半导体：发布新一代STM32MP2 系列工业级微处理器（MPUs），以推动智能工厂、智能医疗、智能楼宇和智能基础设施等领域未来的发展。2）恩智浦：推出 MCX A14x 和 MCX A15x 微控制器，该系列MCU经过优化，拥有丰富的功能、创新的电源架构和软件兼容性，能够满足广泛嵌入式应用的需求，包括工业传感器、电机控制、电池供电或手持式电源系统控制器、物联网设备等。

3.3 消费电子：用于数据处理/通信/定时控制等，提升产品智能化

1）智能手机。负责协调和管理手机的各种功能，配合应用处理器完成相应处理任务。手机内部有许多的功能模块，如电容式触摸感应接口、触摸屏接口、摄像头接口、不同模拟传感器输入检测等。这些模块需要 MCU 来进行数据处理和协调，确保各个模块之间的通信和数据交换得以顺利进行。（1）实现通信和数据传输：手机需要与外部进行通信，如蓝牙、Wi-Fi、4G/5G网络等。MCU作为主控制器，负责管理与外部设备的通信，并处理和传输来自外部的数据。（2）处理多媒体数据：手机需要处理大量的多媒体数据，如音频、视频、图片等。MCU 可以处理这些数据，并协调其他部件进行播放或显示。（3）电池管理和节能：MCU 可以监控电池的状态，并根据需要调整处理器的运行状态，以实现电池的优化使用和节能。同时，通过 MCU 进行电池充电的监控，可以有效防止过充和短路等问题。（4）安全控制：MCU 可以集成一些安全控制的功能，如面部检测、指纹识别等，以提高手机的安全性。（5）用户界面控制：通过MCU，可以控制手机用户界面，例如 LCD 屏幕显示、触摸屏、按键等。（6）应用处理：在一些高级功能如人脸识别、语音识别、AI 应用等中，MCU 作为协处理器，配合应用处理器完成相应的处理任务。以iPhone15Pro为例，意法半导体的安全 MCU 芯片提供额外数据安全保障。

2）可穿戴设备。①数据处理与控制：在可穿戴设备中，MCU 主要负责对各种传感器采集到的数据进行处理和控制。例如，在智能手表中，MCU 需要实时处理来自加速度计、陀螺仪、心率传感器等传感器的数据，并根据这些数据生成相应的界面显示和操作指令。此外，MCU还需要对设备的电源管理、屏幕显示、按键输入等功能进行控制。②通信模块；为了实现与其他设备或网络的连接，可穿戴设备通常需要具备通信功能。MCU可以集成各种通信模块，如蓝牙、Wi-Fi、NFC 等，实现与手机、电脑等设备的无线连接。通过通信模块，用户可以将可穿戴设备上的数据同步到其他设备，或者通过其他设备对可穿戴设备进行远程控制。 ③系统软件：MCU 还需要运行操作系统和应用程序，以实现可穿戴设备的各种功能。操作系统负责管理系统资源，提供底层驱动和接口；应用程序则为用户提供各种功能和服务。例如，在智能手表中，操作系统可以实现时间显示、闹钟提醒等功能；应用程序则可以实现计步器、天气预报、语音助手等功能。

3）XR。①MR：以 Meta Quest 3 为例，其采用两颗 MCU 芯片（意法半导体的STM32G071EB及芯科科技的 EFM8BB51F8G）。其中，STM32G071EB 基于高性能Arm@Cortex®-M0+32位RISC 内核，运行频率为 64MHz，集成了 MPU、36 KB SRAM 和128kB 闪存、DMA、增强型I/0 和外设。工作温度为-40℃至 85℃℃。在 Ouest 3 中负责接收并预处理深度传感器传递过来的信息，降低功耗。EFM8BB51F8G 基于高效的宽电源电压8051 平台搭建，工作频率50MHz，包括 8kB 闪存，1.28KBRAM、16 个数字 I/0 引脚、4x16 位定时器、3 个PCA通道、-40℃~85℃温度范围、3x30FN20 封装以及其他通信外设。在 Ouest 3 中负责接收并处理接近传感器传递过来的信息。 ②智能眼镜：以 Ray Ban Meta 智能眼镜为例，其主板分布2 颗MCU芯片（NXP的MIMXRT685SF 及其他）。其中，音频解码 MCU——MIMXRT685SF，属于RT600系列双核微控制器，具有 32 位 Arm Cortex-M33 CPU 与 Cadence Xtensa HiFi 4 音频DSPCPU。ArmCortex-M33 CPU 采用 3 级指令管道，并包含支持推测分支的内部预取单元，同时具有两个硬件协处理器，为其他 DSP 算法和加密提供加速支持。Cadence Xtensa HiFi4 音频DSP专为高效执行音频和语音编解码器以及预处理和后处理模块设计，支持四个32x32 位MAC，并且能够在每个周期发出两个 64 位负载。有一个浮点单元，每个周期提供四个单精度IEEE浮点MAC。具有 4.5MB SRAM，12 位 1Msamples/sADC。工作电压 1.71V 至3.6V，工作温度-20℃至70℃，工作频率 300MHz 具有 FC、SPI、UART、USB 接口，采用176 针VFBGA封装。另一颗MCU位于主板正面，主要用于信号处理与信号分发，配合音频解码MCU 进行音频信号的分发，实现位于智能眼镜左右两个镜腿上的音频功放的同步，同时处理摄像头传来的信号。