MCU（MicrocontrollerUnit），又称微控制器或单片机，是把CPU的频率与规格做适当缩减，并将内存(Memory)、计数器(Timer)、USB、A/D转换、UART、PLC、DMA等周边接口，甚至LCD驱动电路都整合在单一芯片上，形成芯片级计算机。从而实现终端控制的功能，具有性能高、功耗低、可编程、灵活度高等优点。
MCU由Intel率先提出，经过4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已广泛应用于多种场景。目前市场上以8位和32位MCU为主，未来随着产品性能要求的不断提高，32位MCU的市场规模将进一步扩大。而在国内，现阶段8位、32位MCU企业居多，未来企业加大研发投入，将进一步实现MCU的国产替代。
MCU芯片在很多领域都有着广泛的应用，在此次“芯片荒”浪潮中，MCU是受影响最严重的芯片。
1、MCU简介
微控制单元(Microcontroller Unit；MCU) 就是我们俗称的“单片机”。MCU内部的功能部件主要是CPU、存储器（程序存储器和数据存储器）、I/O端口、串行口、定时器、中断系统、特殊功能寄存器等八大部分，还有一些诸如时钟振荡器、总线控制器和供电电源等辅助功能部件。
此外，很多增强型单片机还集成了A/D、D/A、PWM、PCA、WDT等功能部件，以及SPI、I2C、ISP等数据传输接口方式，这些使单片机更具特色、更有市场应用前景。
▲MCU结构
在MCU应用中，真实世界的各种物理量，通过传感器转换为电信号，经信号调理，再通过放大器进行放大，然后通过ADC把模拟信号转化为数字信号，在MCU或CPU或DSP等处理后，再经由DAC还原为模拟信号，最后通过功率驱动器实现输出。
▲MCU信号链
MCU由Intel率先提出，经过4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已广泛应用于多种场景。目前市场上以8位和32位MCU为主，未来随着产品性能要求的不断提高，32位MCU的市场规模将进一步扩大。而在国内，现阶段8位、32位MCU企业居多，未来企业加大研发投入，将进一步实现MCU的国产替代。
目前市场的MCU以8位和32位为主。其中8位MCU凭借超低成本、设计简单等优势，活跃于市场，特别是中国市场。
由于32位MCU出现并持续降价及8位MCU简单耐用又便宜的低价优势下，夹在中间的16位MCU市场不断被挤压，成为出货比例中最低的产品。
▲MCU位数及其应用场景
目前市场上主流的MCU中央处理器，包括由Intel开发MCS-51内核、由英国公司ARMHoldinds开发的ARM Cortex-M内核、由Motorola开发的6800内核、由MIPSTechnologies, Inc.开发的MIPS内核、由Atmel公司开发的AVR内核、由MicrochipTechnologies公司开发PIC内核、由加利福尼亚大学伯克利分校开发的RISC-V内核。
▲MCU常见中央处理器
据2020中国通用微控制器市场简报：市场上MCU，32位占比54%、8位占比43%；RISC指令集的MCU占比76%，CISC指令集的MCU占比24%；通用型MCU为主，占比73%；市场上MCU内核类型以ARM Cortex、8051和RISC-V为主，分别占比52%、22%和2%。
2、产业链概况
MCU产业链上游可分为原材料供应商和代工厂商（与中游Fabless厂商合作），原材料主要为圆晶、以及来自于ARM等的内核授权；代工厂商主要包括台积电、格罗方德、联电、中芯国际、华虹半导体等。
2019年头部的台积电、格罗方德、联电、中芯国际等厂商市占率超过90%，其中台积电市占率高达58.6%，由于原材料的不可替代性与代工厂商的高度集中性，上游厂商议价能力较强。
▲2019年MCU代工厂竞争格局
全球MCU供应商以国外厂商为主，行业集中度相对较高：全球MCU厂商主要为瑞萨电子（日本）、恩智浦（荷兰）、英飞凌（德国）、微芯科技（美国）、意法半导体等，TOP7头部企业市占率超过80%。
中国MCU奋起直追，逐步扩大市场份额：国内MCU芯片厂商在中低端市场具备较强竞争力。兆易创新、华大半导体、中颖电子、东软载波、北京君正、中国台湾企业新唐科技、极海半导体等市占率稳步上升。
另外， 国外大厂如意法半导体、瑞萨电子、德州仪器、微芯、英飞凌采用IDM模式，集芯片设计、芯片制造、芯片封装和测试等多个产业链环节于一身；国外个别厂商如恩智浦以及大部分大陆厂商采用Fabless模式，只负责芯片的电路设计与销售；中国台湾企业盛群、松翰、新唐以及大陆厂商士兰微、华大半导体等采用IDM模式。
▲2019年全球MCU竞争格局
▲ 2019年中国MCU竞争格局
国外厂商产品齐全，国内厂商集中在消费电子领域：国外厂商产品种类齐全，覆盖消费电子、汽车电子、工业控制领域，且产能分布较为均衡，国内厂商产能主要集中消费电子特别是家电领域，芯旺微、比亚迪等企业拥有车规级MCU产品，其他厂商尚处在研发或认证阶段。
国内外厂商产品位数相差不大：国外厂商如意法半导体、恩智浦、微芯科技等主流产品均为32位，部分国内厂商如中颖电子产品以8位为主，目前大部分国内厂商均具备32位产品生产能力，整体差距不大。
内核方面，各家厂商均以ARM内核为主，国内厂商主要使用ARM Cortex-M0/M3内核，国外厂商对更性能更好的M4/M7内核使用率较低。另外部分国外厂商如微芯科技拥有自主开发的内核，国内厂商中芯旺微拥有自研内核。
在应用领域上，全球汽车电子占比最高，中国集中在家电领域。据IC Insights数据，2019年全球MCU下游应用主要分布在汽车电子(33%)、工控/医疗(25%)、计算机(23%)和消费电子(11%)四大领域。具体到中国，2019年中国MCU市场销售额集中在消费电子(26%)、计算机网络(19%)领域，而汽车电子(16%)及工业控制(11%)领域的MCU占比则显著低于全球水平，中国MCU应用仍主要集中在家电等品类。
▲2019年全球MCU应用分布
▲ 2020年中国MCU应用领域销售额分布
3、四大应用领域
1）物联网
伴随着物联网的发展，MCU市场经历价量齐升的过程。未来物联网将实现端到端人机互动，几乎每个设备每个端都需要一个甚至多个MCU。更多的数据更高的计算要求，推动设备向32位高端MCU升级。
根据GSMA数据，2018年全球物联网设备数量为91亿个，2010-2018年复合增长率为20.9%，预计2025年全球物联网设备将高达252亿个。
中国物联网整体规模逐年增长，2015年中国物联网整体规模为7500亿元，预计2020年达到18300亿元，2015年-2020年复合增长率为19.5%。
▲全球物联网设备连接数量及预测情况
▲中国物联网整体规模及增长率
设备联网的关键在于组网技术，组网技术有LoRa（远距离无线电）、Zigbee（短距离低速）、WiFi、NB-IoT（蜂窝网络）、蓝牙，需要搭配响应的组网模块才能遥控设备。
我国物联网连接数2020年达到35亿，2017-2020的复合增长率为34%。主要的组网方式是WiFi和蓝牙，2020年WiFi和蓝牙组网技术占比达67.3%，蜂窝网络组网占比逐年提升，由2017年的3%上升到2020年占8.75%。
▲中国物联网连接数（单位：亿）
根据Techno Systems Research 2017年2月及2018年2月发布的各年度研究报告，在物联网Wi-Fi MCU 芯片领域，乐鑫是与高通、德州仪器、美满、赛普拉斯、瑞昱、联发科等同属于第一梯队的大陆企业。
目前主流嵌入式WiFi芯片企业包括:高通(美国)、瑞昱(中国台湾)、乐鑫、博通集成、联盛德以及博流，国产替代率高。
▲主流WiFi MCU性能对比
2）消费电子
家电智能化趋势：机械按键交互向触摸语音交互转变、数码管显示向液晶显示转变、单频向变频转变等。计算能力和抗干扰能力要求增大，需求向更高级的MCU转移。
2020年，中国智慧家庭产品出货总量达到2.8亿台，到2025年出货总量将增长至8.1亿台，年复合增长率可达23.7%。
家庭视频视讯设备（电视机、机顶盒）和智慧安防产品（摄像头、门锁）占比最高，分别达到39.2%和19.6%；智能白电（冰箱、空调、洗衣机）占比接近两成，达到17.1%。
▲中国智慧家庭出货量及预测（单位：百万台）
全国家用电器工业信息中心数据显示，2019年国内市场家电零售额规模8032亿元，同比增长率为-2.2%。
根据《IDC中国智能家居设备市场季度跟踪报告》，2019年上半年中国智能大家电市场出货量约为2838万台，同比增长22.8%。
家电市场整体表现平稳，智能家电市场的销售保持稳步增长态势。传统家电智能化转型迫在眉睫。
▲2016-2019年中国家电行业零售额
▲八大家电企业自给率高，纷纷加速智能化转型，加速家电芯片国产替代进程
一般家电芯片包括MCU主控芯片、电源管理芯片、通信芯片、驱动芯片和图像处理芯片，目前家电企业的造芯进程中，几乎所有芯片都已布局。八大家电企业造芯布局中，MCU的占比最高，达到34%
家电MCU国产替代程度高，中颖电子在中国小家电MCU中处于领先地位，据中国产业信息统计数据，2017年中颖电子在中国家电MCU中的占比为19.8%，排名第三，与排名前二的MCU厂家盛群半导体（22.6%）和盛群电子（21.2%）的差距不大，预计未来小家电领域MCU国产替代率会进一步提升。
▲八大家电布局芯片类型占比
▲ 2017年中国小家电MCU竞争格局
2016年苹果发布第一代Air Pods，开创真无线耳机（TWS）时代，iPhone 12系列取消标配耳机，再次引发TWS耳机销量暴增。
传统有线耳机线路简单，无需配置MCU主控芯片。
TWS产业链主要包括ODM厂商，无线耳机和充电盒元器件厂商，其包括主控芯片、存储芯片、FPC、语音加速感应器、MEMS、过流保护IC、电池等。
据Counterpoint预计，TWS耳机市场会有十年前智能手机一样的增长趋势，智能手机市场2009-2012年CAGR为80%，预计TWS市场2019-2022年CAGR为80%。
在Air Pods引爆市场后，各手机厂商如华为、OPPO、vivo、小米以及传统音频厂商Sony、BOSE、1MORE、漫步者纷纷跟进推出相关产品，苹果市场份额虽仍是第一，其他品牌耳机也在加速抢占，使得苹果市场份额逐年减少，据Statista数据，苹果TWS耳机市场占有率从2018年Q4的60%下降到2019年Q3的45%。
▲TWS耳机市场竞争格局
高端手表处理的任务多，需要用内嵌操作系统的SoC，而手环只需要时钟、记步、统计热量小号、测血压等简单的功能，使用MCU即可。
随着智能手表性能和功能的加强，使用带系统的SoC+MCU会是的趋势，其中WiFi模块中集成了MCU，另外需要多一颗MCU来链接众多的传感器，辅助SoC采集数据。
▲小米手环3拆解
得益于硬件创新，智能手表逐步成熟，与智能手机组成的应用生态日趋完善。通过定位聚焦于运动、健康、移动支付领域，行业持续加速发展，预计2021年智能手表的支出将达到273.88亿美元。
智能手环相比智能手表，性能较低、功能单一、只支持苹果或安卓单一操作系统。t4ai预测未来整个智能手环市场将持续萎缩。
小米智能手环市场占有率高，预计未来市场集中度进一步提升。
▲全球智能手表消费趋势
未来，智能手表行业将更进一步地向头部集中。苹果、三星、华为、Garmin将占据超过75%的市场份额。
参考智能手机市场的发展，未来苹果TWS耳机的市场份额会进一步下降，而国内厂商诸如小米、华为、OPPO、vivo等手机厂商会快速崛起，为芯片国产替代提供条件。目前充电盒国产主控MCU方案成熟，如芯海科技、昇生微、微源半导体等均有成熟的方案且被各大TWS品牌商采用。
▲2020上半年全球主要智能手表企业
3）汽车电子
ECU（Engine Control Unit），即发动机控制单元，特指电喷发动机的电子控制系统。但是随着汽车电子的迅速发展，ECU的定义也发生了巨大的变化，变成了electronic control unit即电子控制单元，泛指汽车上所有电子控制系统。而原来的发动机ECU有很多的公司称之为EMS（Engine Management System）。
常见的ECU有导航ECU、安全气囊ECU、引擎ECU、电动车窗ECU、悬吊系统ECU。
ECU由MCU、存储器、输入/输出接口、模数转换器以及驱动等集成电路组成。其中MCU是ECU真正起到控制作用的关键。
▲汽车ECU
汽车电子应用已经占据超过1/3的MCU市场，汽车向智能化过程中，对安全、环保要求越来越高，因此对MCU的需求增长迅猛。据IC Insights预测，车用MCU销售额将在2020年接近65亿美元，并在2023年达到81亿美元。
据Strategy Analytics统计，传统燃油车中MCU占整车半导体价值的23%，纯电动汽车MCU占整车半导体价值的11%，2018年传统燃油车单车半导体价值量为338美元，新能源汽车单车半导体价值量为704美元，MCU价值量在传统燃油车和新能源车中相当，均为78美元左右。
▲燃油和电动汽车半导体占比
据Strategy Analysis数据，全球以及国内车载MCU市场主要由恩智浦、瑞萨、英飞凌、德州仪器、微芯科技占领，共占约85%市场份额。
汽车级MCU产品品质严苛，认证过程很复杂，投入大，短期内难有盈利。目前国内汽车级MCU已量产的公司有：杰发科技、上海芯旺微电子、赛腾微电子、中微半导体等公司。
国内车载MCU起步晚，较少公司涉及该领域业务，未来国产替代潜力巨大。
4）工业控制
MCU是实现工业自动化的核心部件，如步进马达、机器手臂、仪器仪表、工业电机等。以工控的主要应用场景——工业机器人为例，为了实现工业机器人所需的复杂运动，需要对电机的位置、方向、速度和扭矩进行高精度控制，而MCU则可以执行电机控制所需的复杂、高速运算。
工业4.0时代下工业控制市场前景广阔，催涨MCU需求。根据Prismark统计，2019年全球工业控制的市场规模为2310亿美元，预计至2023年全球工业控制的市场规模将达到2600亿美元，年复合增长率约为3%。根据赛迪智库的数据，2020年中国工业控制市场规模达到2321亿元，同比增长13.1%。2021年市场规模有望达到2600亿元。
▲全球工业控制市场规模及其增速
▲中国工业控制市场规模及其增速
MCU市场现被国外厂商主导，国内厂商虽百花齐放，但占比较低，国产替代空间巨大。根据前瞻产业研究院，2019年全球MCU市场主要被微芯、意法半导体、瑞萨、德州仪器、恩智浦等厂商占据，前五大厂商合计市场份额达72.8%。中国MCU市场主要被意法半导体、恩智浦、微芯、瑞萨、英飞凌等厂商占据，前五大厂商合计市场份额达74.42%。
近期MCU市场缺货行情持续，本土MCU产业链有望加速产品的市场拓展，提升产品的价值量或出货量，从而充分受益于MCU市场高涨的应用需求。另一方面，高性能MCU的价量齐升，带来可观的毛利率，驱使更多国内优秀企业进军MCU领域，加快实现国产替代。
国内厂商在工业控制MCU产品方面，销售收入及其占比逐年上升，产品出货量增长显著，国产替代指日可待。
智东西认为，随着我国电动汽车如火如荼的快速发展，在汽车电子上的应用使得MCU芯片未来注定在我国的芯片行业中扮演者一个十分重要的角色。但是，现阶端国产MCU主要还是集中在家电等行业低端应用行业。好消息是，虽然32位MCU是现在的主流，但国内厂商有优势的8位芯片仍然在物联网等行业中有着广泛的应用，在国外巨头的统治下，国产MCU仍然有着不差的生长土壤，假以时日大规模的国产替代也不是不可能。
来源：智东西
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