作者：刘丹
随着物联网和智能硬件等新兴市场打开，MCU的应用范围进一步扩大，在此市场环境下，外资MCU厂商具有较大优势，尤其是在处理性能更强大的32位MCU上，呈现垄断状态。要打破这一僵局国产MCU还有哪些路要走？国产MCU如何才能紧跟市场步伐在新领域下跑马圈地?
32位MCU主导市场大势所趋 物联网应用需求强劲
得益于物联网的快速发展，市场研究机构预测在2016~2019年间，整体MCU市场营收成长率将逐渐增强(2019年成长率预测为9%)，直到2020年仍有4%的成长率，MCU出货量则预测在该期间以CAGR为3.9%的幅度成长。在如此利好的形势下，本土MCU厂商纷纷加紧布局物联网领域，其中绝大部分MCU厂商看好32位MCU的发展。
上海灵动微电子股份有限公司总经理娄方超
上海灵动微电子股份有限公司总经理娄方超在接受本刊采访时表示，8位比较具有代表性的内核就是PIC8、80C51等，与32位核在运算能力上、结构上、存储器的类型上有非常大的不同，8位最常见的就是OGP型，存储空间在1K-4K之间居多，32位大部分都是Flash型，存储空间在16K-128K甚至更高不等。不同的存储结构MCU的程序编程方法、程序容量，处理业务的复杂程度也不一样。
正是由于上述结构上的不同，娄方超指出，8位、16位、32位MCU面向的终端市场非常不一样。娄方超进一步介绍道：“8位更多的是做一些简单控制或者程序控制，比如说像电饭锅小家电。而32位就可以应用于带流量、传感器、运动电机等这样一些比较复杂的场景中。”
上海微技术工业研究院设计服务市场总监孙新泰
上海微技术工业研究院设计服务市场总监孙新泰也表示：“现在8位元由于功耗和价格原因，市场方面已经很固定，也没有什么争议的，就是集中在玩具还有一些基本的家电。然而32位元的MCU产品就会越来越多，比如说玩具做得比较智慧一点，像玩具型的无人机就要用到32位元，或是一些比较复杂的遥控玩具。”
中天微系统有限公司技术总监陈昊
来自中天微系统有限公司的技术总监陈昊对此也表示赞同，此外他告诉记者，由于中天是做MCU的IP的，并与阿里巴巴有合作因此专门做了一些自主的市场分析，分析结果显示8位MCU目前仍有一定市场，但被32位MCU替代也很有可能。
陈昊称：“一个很可观的现实就是随着物联网的壮大，中天基于物联网的应用会与阿里巴巴做一个嵌入式阿里云的应用。基于此我们认为8位MCU不太能满足这种市场应用的发展需求，所以我个人认为8位未来可能还是在一些低端、成本要求低的应用领域上有一些量，但是要应用在物联网上，只要是跟“云”有一些关联的话，8位MCU可能就不太能满足市场需求。此外像中天现在32位的MCU从能耗比上可以做到跟8051直接竞争，因此如果32位MCU能在能耗比上做到跟8位MCU差不多的话，那8位MCU在市场上的生存空间也是会被进一步压缩的。”
除陈昊提到的能耗比这一问题外，孙新泰表示，8位MCU的优势主要还是在于价格方面。同时他也提出，只要任何带有智能、智慧标签的产品都会用到32位元，从目前来看64位目前还不太需要。因此孙新泰总结道，在家电部分，如果只是仪表控制那么8位元就够了，但如果智能到联网的话就需要32位的MCU来控制了。
对于32位MCU目前市场出货量比8位MCU低的问题，娄方超告诉记者，一方面是32位MCU推广时间相对晚，像8051从1981年发布到现在已经35年了，而且像PIC8位的集成度高，节约成本。但32位主要还是从2007年ST推广Cortex-M3这个系列才逐渐被人们接受，这几年市场增速才逐渐上来。
另一方面，从销售市场来对比，娄方超表示，一颗8位的MCU假设是0.1美金，一颗32位的MCU售价可能是在0.6美金，有数据表明2016年所有的4位、8位、16位售价总和小于32位MCU的售价总和，换句话说就是32位MCU出货量只是4位、8位、16位的1/6，但是因为其单价更贵，所以总价会更高。由此可以看出，从数量上32位并不能完全取代8位但取代的势头非常明显。如果大家能够定义出一个合适的32位MCU成本恰好能够取代成熟8位MCU市场，那么这个取代将是不可逆的。32位确实具有很多易用性、维护性、周边函数非常丰富，就像高级语言取代机器语言是不可逆的一样。未来这种趋势可能会很明显。
娄方超进一步表示：“目前很多人还是认为32位MCU处于高价、高性能的地位，但是随着加工的成熟，设计的优化，32位也有效往高集成度、高性价比的方向在走，像我们P011系列就是一个32位内核的产品，但是是定义在8位市场做竞争的，它有32位内核大量的优良特性，同时在其他方面也可以与其他8位MCU相媲美，此外P011一推出就接到很多客户的咨询。”最后娄方超告诉记者在同样外设情况下，32位内核本身并不会比8位MCU内核占的面积更大，成本更高。
抢滩物联网市场 本土MCU厂商的核心技术储备
既然32位MCU在市场空间上既有物联网这块大蛋糕，又大有取代目前出货量庞大的8位MCU的趋势，那么要在市场竞争中占有一席之地，本土MCU厂商在做何技术储备呢?
由于在架构上中天采用的是本土架构，因此与ARM有所不同，陈昊告诉记者：“ARM前期比中天耕耘时间更长，中天在架构上采用的是自研且向所有厂商开放的一种MCU架构，因此具有自主知识产权，而且大家也是希望看到有国产的MCU这种架构出来，客观上来说，从合作方式、研发方式以及性价比等方面，从市场推广的效果来看还是蛮受大家欢迎的。当然这两年的出货量也是突飞猛进的。所以我们是有自主知识产权的一个MCU的IP core，这个IP core从整个的工具链到软件编程方式再到与客户的合作都是开放性的。”
陈昊强调，中天自主研发的MCU IP core不仅得到市场的良好反馈，同时得到得到时任浙江省委书记张德江同志的首肯以及支持。“研发自己的MCU核，这也是我们一直坚持的一个方向，此外我们不仅仅是做一个产品，我们也是在做一个平台，虽然我们之前很多年一直很低调的在做产品和研发，但在市场上仍然有不少公司和我们合作，而且从客户反馈都还挺不错。”陈昊告诉记者。
对于中天目前要做的改变，陈昊形容现在的社会为一个“网红”时代，所以中天接下来不仅要在技术上继续耕耘，在市场上也会有所行动。陈昊表示，要让客户在使用中天的产品或者中天的IP后就认可中天这便是其努力的方向。对于中天微现在的市场情况，陈昊介绍目前已有60多家客户在和中天进行合作，有上百个得到License授权的项目，目前会与阿里巴巴进行YunOS的合作，针对阿里巴巴提出的Internet device的ID已经通过ITU-T(国际电信联盟通信标准化组织)并确立为首个物联网国际标准。
“由于ARM被软银收购，因此ARM接下来是不是会继续走IP这条路这是整个行业的人都十分关注的事情，反过来说，这对中天反而是个非常大的机会，因为继MIX被收购后ARM也被收购了，目前也就中天还在独立运作，而中国作为IC最大的产出与消耗国，中天希望能够抓住这次机会，立足国内行业，将客户利益放在第一位由此取得成功。”陈昊告诉记者。
当然自主研发MCU IP的挑战远比上述几个方面复杂，孙新泰表示，因为ARM是走一个生态路线，且已经形成一个完整的产业链闭环。如果今天有另外一家要进来，从一个小圈子里建立这样一个庞大的生态系统是非常具有挑战性的，其开发难度很大且推广难度也非常大，但是对于国内MCU厂商来说其授权费也会大大降低。
正是由于开发及维护一个MCU IP需大量资源，而市场上已有成熟的8位MCU及32位MCU生态，因此本土厂商更多选择基于已有的MCU IP并根据市场应用领域的不同推出不同的MCU产品。
娄方超表示，作为一个像灵动这样的专业的MCU厂商，如果去开发和维护一套8位的处理器系统，总的投入远大于去购买32位的ARM授权。娄方超告诉记者，有一些厂商会省去ARM授权这一环节，但同时也失去了支持最为广泛的全球MCU的生态。因此虽然采用ARM内核可能单颗芯片是会有额外成本，但就整个生态资源而言厂商实际上是赚了。
娄方超进一步表示，因为所使用的内核都是来源于ARM公司，所以本土MCU产品和欧美大厂是在同一个起跑线上，因此对本土MCU厂商而言，采用ARM内核不仅开发周期短，资源更成熟，最重要的是可以在产品一推出就直接与国际厂商竞争，这也是本土MCU厂商的一大机遇。
然而在实际产品开发过程中，由于32位MCU主打与物联网相关的领域，但是对于物联网，哪怕是专家也很难去定义清楚物联网的具体形态是什么。娄方超告诉记者：“物联网本来就是物与物相连的一种形态，所以目前的物联网给人的感觉还是比较笼统比较虚化的，但是我们在看到的是一个个新的应用出现，比如说无线POS机等，因此MCU厂商要做的更多时候是将应用的底层需求抽象出来，针对新的应用定义好一款产品。”
娄方超表示，灵动在攻克嵌入式闪存技术时花了很大精力，因为灵动认为嵌入式闪存技术取代原有的OGP技术，EEPROM技术是不可逆的。他进一步解释称，因为嵌入式闪存更符合开发工程师的开发习惯，可以很容易的直接采用C语言做开发，这就改变了以前采用汇编去开发的方式，而且现在已经有部分厂商开始进入图像化编程的时代，这将对存储系统要求更高，而迎合大众的编程习惯才是目前最重要的事情。
同样做MCU产品的SITRI，针对MCU低功耗做了多种省电模式，对于其中的挑战，孙新泰表示，首先晶圆工艺上的一个挑战就是当关掉MCU的时候，漏电流低。例如台积电采用的工艺0.18um的ULL(Ultra Low Leakage)工艺，也正是SITRI所采用的，华虹宏力也在推出一种低功耗的工艺，中芯国际也专门为IoT推了一个55nm的工艺，因此当MCU不使用的时候省电多少主要依赖于工艺上晶圆漏电能做到多低;其次，当MCU在使用过程中，MCU厂商需做到在不需要微处理器运行的时候就尽量不要用，因为以低功耗的角度来讲的话，不用才是最省电的，因此要设计各种不同的省电模式，比如有时候只开RTC不开CPU，或是只开SENSOR不开RTC之类的情况。而设计这些省电模式的目的就是为了尽量不唤醒CPU，在确实需要唤醒的时候做到短时唤醒。
产品定义决定产品“生死”
在技术上，由于内核由现成的MCU IP公司提供，因此MCU厂商更多的只需将外设进行完善，而这一完善就涉及到产品的定义。
“定义决定生命！”娄方超这样告诉记者，“产品定义非常敏感，一般是经过多方调研后慎重决定的，所以今天所见灵动微电子每款MCU产品留下来的规格都有其很长的故事。”
“首先我们在内核选择上，看中了ARM成熟的生态，选择成熟生态后就可以很快与欧美大厂进行竞争，第二就是我们会去选择领域，去分析判断哪个领域的MCU卖得最好，比如M0卖得最好的就是带4K SRAM，32K Flash的，M3因为性能更强，所以SRAM要加倍，Flash也要加倍，然后将成本核算好并将其与目标市场做一个对比之后，如果有机会那就进行投入。再加上我们自己开发的函数、参数进行评估等使得我们产品被行业所接受。”娄方超强调，灵动与其他MCU公司最大的区别就在于一直在思考如何定义好一个产品，即要把MCU做成什么样子，要销往何处。
对此孙新泰也表示，由于目前SITRI主要做低功耗的MCU产品，而低功耗一个突出的特点就是采用电池，即无源设备(主要包含一些便携消费类电子)，而这些设备主要用到的还是M0/M3/M4这个三种内核，因此SITRI推出的是基于ARM Cortex M0+的MCU产品。
因为做MCU基本上一半的成本都决定在产品的定义上，因此对于MCU厂商来说，产品定义非常重要，所谓产品定义并不是说做得多就好，而是要看准一个对的方向。因此孙新泰表示，SITRI仍然会沿着M0继续做优化。
“因为我们定义在物联网，而物联网的每个节点都需要带一个MCU，而每个节点都需要去收集数据，MCU就是在数据收集完成后做第一期的处理，再把有用的数据送到云端。”孙新泰告诉记者。
对于如何结合产品定义选择内核这一问题，孙新泰告诉记者，其主要的技术就在于Library，Library写得比较完整的话对上面写应用程序的人来说就会比较方便，而ARM的话库函数非常齐全，且许多属于开放源码，因此国内厂商在采用ARM系列芯片的话会非常方便。所以国内厂商基本都是基于ARM内核对MCU外设存储等进行的一些扩充，所以对系统开发来讲，一种就是应用场景，就是根据对使用者经验的了解做最好的软件，另外一种就是针对某种特殊应用开发一种自己的算法，例如最近炒得最多的就是指纹辨识，而识别算法则是由一些专门的算法公司提供。
为切合上述要求，陈昊告诉记者：“中天的MCU IP是具有灵活度的CPU，是可以灵活裁剪的core。比如做一个基础的IP core上面有一些基础指令集，基于基础指令集我们可以帮助客户去设计一些专用的客选指令集，另外一些运算单元也可以做比如DSP或者浮点单元等的引擎，架构也是与中天的核绑定在一起，做成一个屏幕核的模块，基于客户需求，我们将这些可配置的紧耦合模块进行逐步累加，以此来实现组合和裁剪。”
由此可以看出中天由于采用了具有自主知识产权的架构，因此与ARM的指令集不同，但是中天微作为一种开放的MCU开放平台，陈昊表示可支持标准C的开发甚至可提供底层开发包，因此客户用起来也十分方便也感受不到与ARM内核的差别。
组合模块为MCU锦上添花
在未来的物联网应用领域，陈昊告诉记者，市场上MCU+传感、MCU同核异构等方式中天均可以像ARM一样实现通用。此外，陈昊还强调，中天的CPU或MCU可以做一个复合式的SOC，例如有客户的SOC中采用了中天微的高性能的CPU用以计算处理，而传感器管理或功耗、安全管理则是采用的中天的MCU。
娄方超也表示，MCU未来肯定是要与WIFI/传感器组合在一起的，而且灵动目前也已经往这个方向发展。娄方超称：“目前已有公司提出将MCU提供给他们然后将传感器与MCU组合在一起，这样传感器将不再与外部处理器做信号传输，而是直接传给MCU，MCU处理好以后直接将处理结果传到外部去。”
“这是一定会发生的，并且好几种无线+MCU的模式我们都已经在做了，年底就会送样了，MCU+FPGA也已经有公司在做，但是FPGA难度比较大，且FPGA往往内部也有内置一颗MCU，所以灵动在这一块并没有涉猎。而大小核目前已经有M系列的核加A系列的核，我认为这是一个非常好的idea，之前也有厂商有这样的诉求，所以这一组合灵动接下来也会有所考虑。此外MCU+DSP可见于ARM的Cortex-M7系列便已集成。”针对未来不同的应用组合方式，娄方超做出上述总结。
而孙新泰则告诉记者，因为要推出一种新的组合方式，其开发成本很高，时间投入也会非常大，如果产量不够大很有可能之前的开发费都赚不回来。因此这主要是一个经济上的考量并不是技术上的障碍。
面对“万物互联”这一趋势，本土MCU厂商深耕细作，从产品定义出发，贴合市场不断进行自主IP架构、低功耗、外设扩展性能等方面的技术创新，发挥本土服务支持优势，相信在物联网广阔的应用空间下定有一方热土。
文章来源：华强微电子
（直接点击图片可进入调查页面）
