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    SoC和MCU在發展趨勢上是什么關系?

      導語

      Introduction

      MCU屬通用型,而SoC偏重更具體的應用領域。

      這篇,主要科普科普MCU和SoC的關系。

      從2021年初開始的“缺芯”,到目前為止還沒有完全緩解。而一輛傳統汽車上少則有40多種芯片,多則達到150多種。此外,一輛新能源汽車上要超過300顆芯片。

      那么,“缺芯”缺什么?恐怕很多人說不上來。

      實際上,汽車上缺的主要是ECU,而從更基礎、更微觀的層面來說,缺的是MCU(Micro Control Unit,微控制單元),也就是所謂的單片機。

      簡單來說,MCU就是在CPU(這個就不用解釋了吧?)的基礎上,增加了存儲器RAM和ROM、計數器/定時器及I/O接口,將它們集成在一塊,形成“芯片級別的芯片”。所以說,MCU是傳統汽車最為常用的芯片。

      而隨著計算需求越來越專業化,將CPU、GPU、DSP、NPU等不同類型的芯片,外加上接口、儲存等電子元件,就組成了俗稱“片上系統”的SoC(System on Chip),形成“系統級別的芯片”。最典型的例子就是特斯拉的FSD,一顆CPU+GPU+2×NPU的多核SoC芯片。

      所以,SoC是MCU集成度更高的結果,功能更加復雜,資源利用效率更高。但是,我們要知道的是,SoC和MCU在發展趨勢上是什么關系?未來SoC是不是會完全替代MCU呢?

      MCU“開掛”

      IC Insights最新的《麥克林報告》指出,2022年全球MCU的市場銷售額將增長10%,市場規模有望達到215億美元,再創歷史新高。其中,今年汽車MCU的增長將超過其他大多數終端市場。

      就像指數資本的調研指出的,從資本市場來看,MCU此前市場空間總計不過100億人民幣,但現在,僅一級市場Top6的MCU企業最新估值總和已超300億人民幣,玩家中更不乏大量切入MCU業務的上市公司。

      此外,工業級MCU對無線連接、環境感知、精準控制、電源管理、人機交互等功能不斷提出新需求,同時,物聯網(IOT)也帶來更多的MCU增量需求。換句話說,是全面開花的局面。

      按照指數資本董事總經理王逸非的觀點,2022年是第二輪產業周期的起始年,“資本的故事主線”是高度智能化、電氣化的下一代汽車,以及全新電子電氣架構下的增量功能、增量技術、增量市場。

      其核心驅動因素有兩個:第一,電氣化底盤的普及將為下一代智能汽車奠定架構基礎;第二,各大車廠基于全新一代電子電氣架構推出的平臺,將在2022年底~2024年有產品分批上市。

      此外,2025年后市場在售車型很可能將全面鋪開。這兩大產業鏈增量紅利均為萬億元的量級。如此讓人眼紅的蛋糕,其中,小小的MCU將起到很關鍵的作用。

      賽迪顧問集成電路中心高級咨詢顧問池憲念也很含蓄地向媒體表示,智能電動時代的趨勢下,汽車電子電氣架構重構,所需的MCU數量和單價均會提升,MCU需求也會隨之發生變化。

      同樣,根據IC Insights的預測,2021~2026年期間,MCU的平均售價將不斷上升,復合年增長率(CAGR)將達到3.5%。此外,這期間MCU總出貨量將以3.0%的復合年增長率增長,預計到2026年MCU總出貨量將達到358億片。

      當然,也不是所有的MCU都能享受這個紅利。未來五年,32位MCU的銷售預計將以9.4%的復合年增長率增長,到2026年將達到200億美元。同時,4/8位MCU的銷售額,以及現在正當時的16位MCU的銷售額,都將失去增長的動力。

      為什么呢?前面說了,車身架構集成拉高了車廠對MCU的需求,所以,8/16位中低端MCU不再有投資機會(比亞迪對此有何感想呢?),投資的重心基本都在32位MCU,以及還在研發階段的64位MCU。

      與MCU蓬勃發展同時的,是SoC芯片同樣在日新月異地快速崛起。不過,大多數的文章沒有說明的是,SoC芯片雖然是MCU的晉級版本,但是為什么SoC芯片大發展的同時,MCU芯片同樣在上量?

      這里面其實就涉及到“域控制器”的問題。

      從MCU到SoC

      因為,目前汽車的電子電氣架構正在從大量ECU的分布式,向域控制器、中央計算單元的集中式架構轉變,而從分布式轉移到集中式,是一個革命性的變化。

      換句話說,這也是車企拿回控制權的一場“內卷”。并且,受益于由分布走向集中的趨勢,域控制器市場得以快速增長。

      據蓋世汽車研究院預測,2025年,自動駕駛域控制器出貨量將超過400萬臺套,智能座艙域控制器出貨量將超過500萬臺套,復合增長率預計在50%以上。

      而域控制器目前大致可以分為底盤、動力、車身、座艙、自動駕駛(ADAS)五大域,或者整合成車控VDC、智能座艙CDC、智能駕駛ADC三大域。而負責自動駕駛的域控制器是核心,其本質是一塊SoC級別的芯片。

      不同于以CPU為主的MCU芯片,SoC芯片集成了CPU、AI芯片(GPU/FPGA/ASIC等結構,芯片算力的主要來源)、深度學習加速單元(NPU)等多個模塊。

      MCU的架構之路

      接下來的問題是,MCU何以越戰越勇?

      實際上,MCU從上個世紀70年代推出,至今已有50多年的歷史。從架構來說,經歷了從INTEL的8051發展到AVR(哈佛結構)再到各家自定義架構,直至如今廣泛用于32位通用MCU的ARM架構的歷程。

      根據總線或數據暫存器的寬度,MCU劃分為4位、8位到32位(未來64位)。其中,8位MCU工作頻率在16~50MHz之間,16位MCU工作頻率在24~100MHz之間。而32位MCU工作頻率大多在100~350MHz之間,現在是MCU市場主流。

      MCU當前的競爭格局形成主要是架構變化加上并購整合帶來的。其中的主導者,當然就是英國的ARM,在國內叫做安謀中國(介紹ARM的話,可以寫一本書,所以省略哈)。2007年后,ARM架構開始爆發并且迅速占領了32位MCU市場。

      其實,近年ARM有進入汽車領域的強烈意愿。然而,歐洲和美國兩大汽車市場的汽車芯片巨頭非常強勢,ARM的IP難以進入。因此,ARM找到中國這個突破口,2018年底,億咖通和安謀中國等公司共同出資成立芯擎科技,所以,ARM應該好好感謝中國市場哈。

      回轉來講,ARM在RISC(精簡指令集體系)的地位越發牢固。業內有個段子,說各大MCU廠商推出新品的速度,已經趕不上ARM推出新架構的速度。

      在其Cortex-M55推出僅半年之后,ARM又發布了全新Cortex-M85處理器,同時還推出了新的物聯網全面解決方案,包括采用Cortex-M和Cortex-A(主要面向通用處理應用市場,像智能手機、移動計算平臺等領域)的最新Corstone子系統和ARM虛擬硬件……

      這里簡單介紹下,目前ARM Cortex根據應用范圍的不同可分為三個系列,分別為Cortex-M、Cortex-R與Cortex-A系列(性能及復雜度由低到高)。

      其中,車企所用的MCU主要是Cortex-M系列處理器,包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等多個類別。

      當然,ARM不是高枕無憂。由于受到ARM內核高昂授權費的影響,很多MCU廠商開始轉型或入局RISC-V內核MCU。免費、完全開源,RISC-V內核就像當初的LINUX,發展趨勢非常喜人。

      RISC-V具有袖珍化、低能耗的特點,而這對于嵌入式應用可能至關重要。并且由于RISC-V是一個新興領域,國內外MCU廠商在上面的技術和生態差距不大,因此RISC-V也成為國內MCU新的驅動力。

      這方面,有愛普特微電子推出的基于RISC-V內核(平頭哥玄鐵E系列)開發的32位高性能高可靠性MCUAPT32F1/7。還有先楫半導體 HPM6000系列旗艦產品HPM6750(雙RISC-V內核),還創下了MCU高于9000 CoreMar和4500以上的DMIPS性能新記錄。不過,還是那句話,有待驗證。

      國產MCU現狀

      最后說一下,在前五大海外廠商CR5主導(據2019年CSIA數據,CR5達74%;而據IC Insights統計,2021年CR5提升至82.1%,行業格局進一步集中)的國內MCU市場,國內廠商也在慢慢崛起。

      當然,除了地平線、黑芝麻等SoC芯片廠商,實際上國產MCU廠商們現在還大多集中于中低端市場。

      國產廠商目前主要采取的突圍方式,還是做小做精,從細分領域切入,以時效和價格為驅動,從專用領域做起進駐行業客戶,不斷提升產品的性能和穩定性,然后邁向通用領域。

      按照中金公司的分析,在汽車領域,國產MCU廠商的產品主要集中于車窗、照明、冷卻系統等相對簡單的控制應用上,目前僅比亞迪半導體、杰發科技、賽騰微電子、芯旺微、國芯科技等少數企業實現車規級MCU量產。

      就拿比亞迪來說,從2007年進入MCU領域,2018年推出第一代8位MCU芯片,2019年推出第一代32位MCU芯片,今年3月推出車規級8位MCU BS9000AMXX系列,芯片用的還是S8051內核,主頻最高為24MHZ。雖然不斷在突破,然而離巨頭的差距還“略遠”不是?

      那么,為什么車規級MCU技術壁壘這么高?

      主要是車用MCU的要求非常嚴苛:

      比如,良率要求小于1DPPM;工作溫度區間范圍寬,要求在-40~125+℃之間;工作壽命要求超過15年;需通過特定的資質認證,包括AEC-Q100可靠性標準、符合零失效的供應鏈質量管理標準IATF 16949規范、符合ISO26262標準的ASIL功能安全保證級別(嚴格程度從低到高)。

      除了驗證環節難以打開整車廠的缺口,中金公司調研認為,在整個生態環境建設上,多數國產MCU企業還停留在開發板、燒寫器和基礎固件庫上,在開發環境(IDE)、實時操作系統(RTOS)方面,仍然依靠第三方更高層應用的支撐。在生態環境層面,國產MCU企業與國際MCU大廠相距甚遠。

      不過,這兩年MCU缺貨潮引發供應危機,加上美國的制裁,國內領先MCU廠商迎來發展機遇。而且,隨著本土整機廠給予國內MCU廠家的驗證機會增多,國內廠商有望通過不斷增強MCU的產品競爭力,實現產品銷量與市場份額的提升,一句話,“前途是光明的”。

      文章內容僅供閱讀,不構成投資建議,請謹慎對待。投資者據此操作,風險自擔。

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