各種家電設備,通常至少會用到一顆MCU,而一部汽車或一臺復雜的工業設備中,則可能會用到幾十到上百顆MCU,作為實現設備/模塊控制功能的關鍵元器件,微控制器(MCU)用途極廣,稍微復雜一點的設備幾乎都能見到MCU的身影。MCU是一個大市場,根據行業研究機構IC Insights的統計,近年來全球MCU出貨量在200億顆以上;而根據市場研究機構Omdia的數據,2020年全球MCU市場規模不到180億美元,其中中國MCU市場達到了57億美元。

作為全球制造業基地,中國MCU用量約占全球MCU產出的三分之一。但長期以來,我國MCU市場被國外廠商主導,全球主要MCU廠商的產品,都可以在中國制造的設備中找到。隨著國產MCU崛起,國外廠商正逐漸退出消費電子等應用的中低端市場,但在汽車電子與工業控制領域——這兩個市場均位列MCU應用細分市場規模前三——國外廠商并未退縮,反而加強投入,以期進一步拉大與本土廠商在該領域的差距,強化相對競爭優勢,延續其在高端MCU市場的統治力。

伴隨Arm架構生態成熟,32位MCU開發難度大幅下降,國內如雨后春筍般涌現出一大批MCU廠商。企查查檢索MCU,全國共有800多家企業涉及該關鍵詞,將行業范圍限定于信息技術產業,也有124家。但百家MCU廠商,在國內MCU市場份額占比合計不超過10%,這與本土廠商技術積累少、市場競爭力不強直接相關,也與部分廠商市場定位有關,不少本土廠商只想走捷徑,主要思路就是瞄準國內市場賣得好的國外MCU來定義產品,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。據不完全統計,歐洲廠商意法半導體的一款型號為xxF103的32位MCU,國內仿制產品已超過20款。

“寄存器級別”仿制,打入市場賺快錢容易,但終究難以進入良性發展軌道。由于沒有獨有競爭優勢,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權的風險。

而在開發者眼里,這樣的廠商只是市場領導者的小跟班,其產品是除了價格沒有其他優勢的備選品(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,價格戰成為唯一生存手段,于是乎帶動MCU市場進入殘酷的價格戰循環中。

激烈的價格戰導致MCU價格不斷走低,結果是大家都不賺錢。根據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不足而減產,甚至不得不暫停生產以等待芯片供應恢復,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百元以上。供應不足,價格暴漲,這本是國產MCU廠商最佳導入時機,但以仿制品為主的本土品牌,就由于其產品可靠性和質量穩定性未獲得市場認可,還只能在消費電子領域拼價格,無法抓住白色家電、工業控制和汽車電子市場的歷史性機遇。

不過,也有像華大半導體這樣的佼佼者,在幫助客戶解決“缺芯”危機的同時,自己也跨入發展快車道。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勢,在產品定義階段,充分與國內客戶交流,真正深入挖掘客戶需求,以客戶需求為導向定義產品,而不是簡單的拿來主義,并在一開始就注重生態建設,為本土客戶量身打造一體化開發環境(IDE)、實時操作系統(RTOS)和中間件,也提供從開發板、燒寫器到基礎固件庫的一攬子解決方案,讓客戶買得到用得好。厚積薄發的華大半導體MCU,迎來高光時刻。

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

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

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

1、高可靠性

工業級(或車載)MCU與消費級MCU最大的區別之一是可靠性要求不同。通常做工業/車載MCU的廠商,也有對應的消費級產品,反之則不然,這是因為工業與車載應用環境對產品可靠性要求極高,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替換車規產品,這種做法為最終產品埋下了嚴重的安全隱患。兩款功能一致、管腳相同的MCU,并不能直接用消費級產品替換車規或工業級產品,因為工業級或車規級MCU,在出廠之前專門針對嚴苛應用環境做了針對性設計與篩查,從而達到工業設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,車規級要求MCU可承受工作溫度范圍為-40℃至105℃或更高,一般工業級為-40℃至85℃,而消費級只要保證0℃至70℃能正常工作即可過關,因此消費級產品在常溫時工作狀態與工業級/車規產品差異不大,但在高低溫時,則容易出現問題,嚴重的可能會導致整個系統停機。

抗靜電干擾能力是另一個例子,為了應對工業/車載等復雜應用環境,華大半導體將MCU的抗靜電能力設計成行業標準最高等級。

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

2、高實時性與強任務處理能力

工業設備與汽車常被稱作任務關鍵型系統,此類應用對實時性、本地處理能力與功能安全要求都很高,需要MCU對實時性做出優化。

通過多重總線架構、高效外設互連和復雜協議數據的高效搬運等技術,華大半導體HC32F4A0/HC32F460系列MCU大幅提升了實時性與多任務處理能力。

與國內競品相比,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,用戶可以根據應用選擇相應資源來提升任務處理的實時性。

3、豐富的專有功能支持

由于脈沖寬度調制(PWM)技術在工業/車載當中應用廣泛,華大半導體HC32F4A0/HC32F460系列為實現PWM功能做了多重優化,尤其內置了多個面向電機驅動應用的專有優化功能。

此外,還集成了頻率連續可調脈沖串輸出(PTO)和三相采樣保持功能等,方便開發者快速開發高性能PWM調控系統和高性能伺服系統等應用。

4、嚴格的質量管控體系

華大半導體MCU事業部市場部總監梁少峰表示,工業級/汽車級MCU之所以難,就是因為在功能和性能滿足應用要求的前提下,還對產品的一致性、可靠性和缺陷率都提出了高要求,要達到這樣的高要求,只有采取嚴格的質量管控體系。

以車規級MCU為例,在設計環節,華大半導體于 2018 年 1 月 1 日通過 GB/T 19001 - 2016 / ISO9001 : 2015 質量體系,華大半導體MCU事業部在新產品開發中導入16949體系。

在制造環節,華大旗下積塔半導體擁有完整的質量管理體系,還通過了全套車規級元器件生成質量認證,已獲認證的質量體系包括ISO 9001質量管理體系、IATF16949/VDA 6．3(Grade A) 汽車管理體系、ISO 14001環境管理體系和ISO 27001信息安全體系。此外,積塔半導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量供應商體系認證。

更嚴格的質量體系,意味著增加了更多成本,華大半導體MCU事業部從成立伊始,就立志成為工業和汽車芯片核心供應商,迄今已經推出“靜、動、智、車”四大系列上百款MCU,華大半導體對這上百款MCU產品均執行了嚴格的質量管控體系。

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

寫在最后(One More Thing)

除了上述優勢,華大半導體MCU的另一特色——低功耗,也值得開發者重點關注。雖然低功耗不是工業/車載應用的專屬要求,但伴隨我國全力推進“碳達峰”、“碳中和”工作,市場對MCU低功耗的要求勢必會越來越高,這對華大半導體MCU而言無疑是利好,因為低功耗已經是華大MCU的核心優勢,華大超低功耗MCU產品的節能效果達到國際同類產品領先水平,在超低功耗物聯網應用中已被用戶廣泛認可。

而HC32F4A0/HC32F460系列在精細化功耗管理上也異常出色。采用40納米制程的這一系列產品,借助制程優勢就已經顯著降低動態功耗,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用匹配起來得心應手。

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

華大MCU則針對實際應用對功耗做了全場景優化,在靜態電流、喚醒時間和工作模式電流等多個維度指標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,由于功耗表現出色,華大MCU在水表市場已經占據40%市場份額。

在向“碳達峰”、“碳中和”前進之路上,華大MCU已經搶得先機。