国内32位MCU产业发展趋势及技术壁垒分析

摘要：MCU是一种广泛使用的集成电路器件，它集成了CPU、片上存储器、输入输出接口、以及信号采集、控制等电路。随着应用设计需要的资源越来越多，32位MCU将逐步取代8／16位MCU，占据主要市场。本文详细论述了国内32位MCU产业的发展现状和发展趋势，同时，针对国内本产业的发展现状，指出该产业的技术壁垒，并提出相应的攻克路径，以推动国内32位MCU产业的发展。
关键词：MCU；发展趋势；技术壁垒

0 引言
中国是全球最大的家电、电子产品整机生产国，也是MCU的最大应用国，每年的MCU消耗量在20亿美元以上。在20亿美元的国内MCU市场中，虽然8／16位单片机仍占有主要市场份额，但近年来32位MCU已有了飞速的发展，市场份额也有了稳步的提高。32位MCU的特点是：低成本、低功耗和高性能等，可以替代目前工业市场和消费电子市场中一些16位MCU。

1 国内外发展现状
MCU集成了CPU、片上存储器、输入输出接口、以及信号采集、控制等电路，广泛应用于制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、医疗电子和消费类产品等领域，是最关键的嵌入式系统处理芯片。
就MCU产品来说，国际大型半导体公司，如Renesas、NEC、FreeScale、NXP、ST、Ti等，依靠其高品牌声誉、技术实力、完善的销售网络，仍然占据主要市场。同时，随着应用设计需要的资源越来越多，32位MCU市场正受到市场追捧。众多知名半导体厂商，纷纷将32位MCU视作策略性产品加以发展。国产的MCU虽已有相当发展，如海尔集成电路、中颖电子、深圳中微等企业已经有相当多的8位MCU产品应用，但大多集中在中低档次的8位MCU领域。对于32位MCU，目前在内地基本还没有本土芯片提供商。

2 产业发展趋势分析
随着人们需求的发展和科技的进步，绿色、节能、智能化是家电发展的三大趋势，尤其是节能与智能化，这跟MCU有着密切的联系。通过实地调研，结合当前国际国内发展情况，MCU面临着以下几大发展趋势。
(1)高性能，低价格。物联网、智能家电等应用，要求MCU不再仅仅是一些简单的开环、开关控制，而需要处理更复杂的物理传感信号，具有更加细腻、智能的控制策略，如TCP／IP等的网络协议、无线网络的复杂路由控制以及多线程问题等；同时，丰富的人机界面要求处理器也具有更高的处理性能、分辨率更高的LCD显示器、细腻的触摸屏等输入设备，要求嵌入式系统具有强大的GUI系统的支持。为满足以上要求需要处理器具有更高性能。相对DSP、FPGA等器件，又应具有成本相对低廉、开发高效的特点。
(2)32位MCU未来还会向多核方向发展。我们知道多核应用目前主要集中在数据中心服务器中，但是伴随密集计算需求的产生，比如汽车电子、图像处理和视频监控行业，将会出现多核MCU，比如今天我们看到的飞思卡尔MPC563xM系列包括32位汽车动力总成MCU，用以改善拥有一至四个气缸的小型引擎的效率和性能。MPC563xM器件韵MCU核是基于多核PowerArchitecture和DSP引擎技术；另外一个例子是TI达芬奇TMS3 20DM644X数字媒体处理器就是由双核MCU(ARM9+C64X DSP)组成的。
(3)在8／16／32位之间的无缝移植的技术方案。大量的嵌入式应用过去和今后一段时间还将集中在8／16位机上，但是考虑到市场竞争的加剧，推出高性能的升级产品已经是产品设计初期必须考虑的问题之一，便于实现轻松升级的灵活MCU架构将得到欢迎。比如Microchip最新推出的32位MCU PIC32的时候重点强调也是和PIC24／disPIC DSC的引脚、寄存器和外设兼容，新版本的MPLAB开放环境在原有8／16位MCU上增加了32位PIC32支持和16位通用外设API库，这样同样的开放环境在更换MCU的时候只是重新编译一下代码就可以运行了，同样思路的产品线是飞思卡尔的Flexis QE128，包括了8位S08和ColdfireV1的六款内核的升级方案。
(4)单一功能和高集成度。单一化和集成化是MCU发展的一个趋势，特别是体现在8／16位MCU上。在无线通信领域我们已经看到了集成8051核的TI公司的ZigBee MCU CC2430和飞思卡尔的68HC08核ZigBee MCU MC1321X；在连接和存储方面USB的作用在嵌入式系统中得到广泛认可，大量USB MCU应运而生，NEC的USB 2．0主机和外设的MCU，PIC18F13K50和PIC18F14K50是一个8位USB MCU。为了满足最终产品对高级USB连接功能与日俱增的需求，Mieroehip PIC32 USB OTG是一个引入针对USB OTG功能的32位USB MCU。这些单一功能的MCU都具有单芯片的高集成度，配合一些外围功率和电源部件的电路板就可以组成一个完整的嵌入式系统，而且这些芯片一般都配备了优化好的支持ZigBee的协议和USB协议的软件库，让设计者可以很快完成项目，其他传统的单一功能MCU的应用还包括数字电源、电机控制、电表，比如瑞萨针对电表应用的R8C／Tiny系列的MCU。
(5)低功耗设计和能耗管理。能耗管理是芯片设计、制造工艺、系统设计、软件工程师都在为之努力的研究课题，人们力求在各个环节尽可能地减少静态和动态的电源消耗。传统的控制电压的调节方式和管理待机模式依然被多数电子设备在采用，还将继续延续下去，但是随着移动终端、无线传感网络装置、新型智能玩具、便携式血糖仪、血压计和体能监测仪等手持医疗设备等这些对电量消耗极大和永远在线的设备市场规模的迅速增加，解决电源管理已经成为整个电子设计正在面临的重要课题，市场对绿色产品的需求促使制造商考虑采用低功耗的待机模式，作为嵌入式系统灵魂部件的MCU近年在低功耗设计和能耗管理方面的动作很大，各种新产品应运而生。如Silicon Lab公司的单电池供电的80C51 MCU-8051F9XX，最低电压可达0．9 V；同时，Atmel公司发布的行业第一款超低功耗ARM7TDMI闪存MCU-AT91SAM7L，其在关机模式只消耗100nA的电流。

3 技术壁垒分析
MCU产品面对跨国大公司的竞争压力，必须提供高质量的产品才能从中杀开一条血路。在技术方面，还是存在相当多的技术难题，如以下方面有待研究开发：
(1)电器可靠性。控制类产品面临强电磁干扰，必须突破ESD、EMS、EMI等障碍。EMC是电磁兼容性，包括EMI和EMS，即电磁干扰辐射强度和抗干扰辐射强度。ESD可减少静电损伤不良，提高产品品质及合格率。ESD20．20是一个买方认证标准，对于那些芯片、电子元器件、电源及转换器、显示屏的制造商而言，要成为知名品牌的供应商，ESD20．20：近似于一个强制认证标准。
(2)存储器工艺。MCU逻辑与存储工艺复合技术，必须解决有关Flash、OTP、E2PROM电路设计及它们的良品率。
(3)外围重要口库。MCU的成功除了CPU核，外围电路起着更关键的作用；需要解决一些常用外围IP电路的来源问题，特别是有关的数模混合电路，例如：AD、DA等；其次，丰富优化的系统外围电路更便于系统搭建，如众多的数字通信接口、嵌入式系统内部常用部件；最后，优化的MCU的常用基础电路与技术，如：RC振荡器，精简调试接口，DC-DC变换电路，复位电路。
(4)生产、开发支持技术。如ISP、IAP、软件加密技术、芯片软件量产烧写技术。
(5)开发环境与优化软件库。友好、稳定的软件开发环境，可靠的软件调试仿真器、开发板；优化的与处理器相结合的软件开发支持库。
(6)低功耗技术。低功耗的设计应从顶层到底层各个阶段进行优化设计的工作，主要运用各级的低功耗策略，如工艺及低功耗技术、电路及低功耗设计、逻辑(门)级低功耗技术、RTL级(寄存器传输级)低功耗技术、体系结构及低功耗技术、算法级低功耗技术、系统级低功耗技术等。
(7)产品测试系统。随着IT产业和计算机技术的高速发展，与之配套的电子测量设备必须适应这种形势。因此，综合测量技术、电子技术、自动化技术和计算机技术于一体的自动测试系统应该日益完善。
(8)封装技术。封装技术对于芯片来说是必须的，也是至关重要的。因为芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。另一方面，封装后的芯片也更便于安装和运输。由于封装技术的好坏还直接影响到芯片自身性能的发挥和与之连接的印制电路板的设计和制造，因此它是至关重要的。

4 结语
本文通过对国内32位MCU发展趋势及技术壁垒的分析。指出，当前，在终端市场需求的推动下，整个半导体行业都在朝着低功耗，高性能方向发展，为了在愈加激烈的竞争中脱颖而出，各大MCU厂商可通过技术引进、联合研发、拓宽市场，逐步实现关键技术的突破，进而提高MCU产业的整体竞争力。