汽車MCU選型的8個關(guān)鍵指標(biāo)

一輛傳統(tǒng)燃油車需要大約500到600顆芯片，輕混汽車大約需要1000顆，插電混動和純電動汽車則需要至少2000顆芯片。這就意味著在智能電動汽車快速發(fā)展的過程中，不僅對先進(jìn)制程芯片需求不斷增加，而且對傳統(tǒng)芯片需求也會持續(xù)增加。MCU就是這樣，除了單車搭載的數(shù)量在不斷增長，域控制器也帶來了對高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增長。

汽車電子中所使用的半導(dǎo)體即車規(guī)級芯片，主要有主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），傳感器芯片（CIS）和存儲芯片（Flash）四大類，車規(guī)級芯片廣泛應(yīng)用于汽車的動力系統(tǒng)、智能座艙及自動駕駛系統(tǒng)，是汽車電子不可或缺的核心元器件。

MCU芯片介紹

MCU，Microcontroller Unit，中文稱單片微型計算機(jī)/微控制器/單片機(jī)，將CPU、存儲器、外圍功能整合在單一芯片上，形成具有控制功能的芯片級計算機(jī)，主要用于實現(xiàn)信號處理和控制，是智能控制系統(tǒng)的核心。

MCU和汽車電子，工業(yè)，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)，消費電子，家電和物聯(lián)網(wǎng)等我們生活和工作密切相關(guān)，汽車電子是汽車電子中最大的一個市場，全球范圍內(nèi)汽車電子所占比例高達(dá)33%。

在汽車電子的各個系統(tǒng)當(dāng)中，往往需要采用車用MCU（車用微控制器）作為運作控制的核心，負(fù)責(zé)各種信息的運算處理，用于汽車的動力總成、輔助駕駛、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、底盤安全、信息娛樂以及車身電子等方向。

圖1、MCU的基本結(jié)構(gòu)

構(gòu)成MCU的幾個重要組件包括：

1、中央處理器（CPU）

CPU是單片機(jī)的大腦。它由算術(shù)邏輯單元（ALU）和控制單元（CU）組成。CPU讀取、解碼和執(zhí)行指令以執(zhí)行算術(shù)、邏輯和數(shù)據(jù)傳輸操作。

2、存儲單元

任何計算系統(tǒng)都需要兩種類型的存儲器：程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。程序存儲器，顧名思義，包含程序，即要由CPU執(zhí)行的指令。另一方面，數(shù)據(jù)存儲器需要在執(zhí)行指令時存儲臨時數(shù)據(jù)。通常，程序存儲器是只讀存儲器（ROM），數(shù)據(jù)存儲器是隨機(jī)存取存儲器（RAM）。

3、輸入/輸出端口

單片機(jī)與外部世界的接口由輸入/輸出端口（I/O端口）提供。開關(guān)、鍵盤等輸入設(shè)備以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式從用戶向CPU提供信息。CPU在接收到來自輸入設(shè)備的數(shù)據(jù)后，執(zhí)行適當(dāng)?shù)闹噶畈⑼ㄟ^LED、顯示器、打印機(jī)等輸出設(shè)備做出響應(yīng)。

4、定時器/計數(shù)器

單片機(jī)的重要組件之一是定時器和計數(shù)器。它們提供時間延遲和計數(shù)外部事件的操作。此外，定時器和計數(shù)器可以提供函數(shù)生成、脈寬調(diào)制、時鐘控制等。

5、總線

單片機(jī)的另一個重要組件，但很少講到，它就是系統(tǒng)總線。系統(tǒng)總線是一組連接線，將CPU與其他外圍設(shè)備（如內(nèi)存、I/O端口和其他支持組件）連接起來。

MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐條執(zhí)行預(yù)存指令的過程，不同類型的單片機(jī)有不同的指令系統(tǒng)。為了讓一個單片功能自動完成某項具體任務(wù)，必須將所要解決的問題編成一系列的指令，并且這些指令必須是由一個單獨的函數(shù)來識別和執(zhí)行的，這樣一系列指令的集合就變成了程序，這些程序需要預(yù)先儲存在有存儲能力的存儲器中，也就是我們常說的內(nèi)存。

由于程序是按順序執(zhí)行的，因此程序中的指令也是一條條地存儲，MCU在執(zhí)行程序時要將這些指令逐個提取并執(zhí)行，必須擁有能夠跟蹤指令所在存儲單元的功能，這個部分就是程序計數(shù)器PC（包括CPU在內(nèi)），當(dāng)程序開始運行時，PC將會被分配到程序中每一條指令的存儲單元，并一一執(zhí)行該項指令，PC中的內(nèi)容自動增加，增加量由這個指令長度決定，每一條都指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。

內(nèi)核架構(gòu)是影響MCU性能的一個關(guān)鍵要素，更優(yōu)秀的運算單元需要更先進(jìn)的內(nèi)核架構(gòu)。十幾年前，各大MCU廠商均采用各自的內(nèi)核，如瑞薩采用RX內(nèi)核，飛思卡爾采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。隨著ARM推出Cortex-M架構(gòu)并開展了獨特的開創(chuàng)IP授權(quán)的模式，以其軟件代碼的共享和高兼容性、高密度指令集等特點，現(xiàn)已逐步占據(jù)主導(dǎo)地位。

車規(guī)MCU的種類

車規(guī)MCU按位數(shù)可分為8位、16位和32位。位數(shù)即MCU單次處理數(shù)據(jù)寬度，位數(shù)越高，MCU性能越強(qiáng)。

8位MCU成本/功耗低，便于開發(fā)，性能可滿足大部分場景需要，廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)功能如風(fēng)扇、雨刷、天窗，座椅控制等領(lǐng)域。32位MCU運算能力更強(qiáng)，能滿足高速處理的需求，多用于解決復(fù)雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。32位的CPU內(nèi)核以ARM為主流架構(gòu)，由于CPU指令集龐大，軟件開發(fā)難度較高，單價一般數(shù)倍于8位MCU，因而也有較高的研發(fā)壁壘。

圖2、不同的MCU

從不同位數(shù)MCU規(guī)模占比來看，目前全球MCU芯片產(chǎn)品以32位為主。受益于其體積小性能優(yōu)的特性以及汽車智能化的趨勢，32位MCU銷售額占比已經(jīng)從2010年的38.1%提升至2015年的53.7%，進(jìn)而躍升至2021年65.8%。隨著汽車智能化和電動化進(jìn)一步發(fā)展，汽車電子功能將日趨復(fù)雜，勢必推動車規(guī)MCU向更高性能，更小尺寸，更低功耗的方向發(fā)展，32位芯片占比有望進(jìn)一步提高。

從價格上來說，一般8位MCU的單價小于1美元，16位MCU的單價在1~5美元之間，32位MCU價格在5~10美元之間，部分高端產(chǎn)品在10美元以上。但在市場極端缺貨情況下，汽車MCU的單價波動幅度極大，德州儀器旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣到5000元一顆，此后該芯片單價一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車市場出貨的晴雨不一，芯片價格也隨之共振。

MCU產(chǎn)業(yè)鏈概況

MCU產(chǎn)業(yè)鏈上游為半導(dǎo)體材料及半導(dǎo)體設(shè)備，主要包括硅片、光刻膠、光掩模、電子特種氣體、靶材、單晶爐、刻蝕機(jī)、***等。中游為MCU制造環(huán)節(jié)，主要包括芯片設(shè)計、單晶硅片制造、晶圓制造、芯片封測。下游應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車電子、工業(yè)控制、消費電子、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等。

圖3、MCU行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈

MCU市場情況

1、市場規(guī)模

IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，全球MCU市場規(guī)模從2018年的186億美元增長至2021年的221億美元，CAGR為5.6%；2022年全球MCU市場規(guī)模有望達(dá)239億美元，同比增長8.1%。

圖4、全球MCU市場規(guī)模

MCU是汽車從電動化向智能化深度發(fā)展的關(guān)鍵元器件之一，汽車也是全球MCU第一大應(yīng)用市場，占比超過1/3，平均每輛汽車MCU需求量高達(dá)上百顆。隨著汽車半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)演進(jìn)和需求升級，智能化將逐步成為相關(guān)廠商競爭的主戰(zhàn)場，接力電動化成為重要驅(qū)動力，MCU作為核心算力芯片深度受益。

2、競爭格局

根據(jù)Omdia，MCU市場主要由歐美日芯片廠商牢牢把持，前七大廠商占據(jù)全球85.4%的市場份額，但各家企業(yè)的占比相對較為平均。

圖5、全球MCU市場競爭格局

國內(nèi)MCU市場方面，根據(jù)CSIA和中國汽車工業(yè)協(xié)會的數(shù)據(jù)，2021年國內(nèi)MCU市場約85%（2019年為94%）由外資把持，MCU國產(chǎn)化率低且多集中于消費級，車規(guī)級MCU自給率尚不足5%，仍有很大國產(chǎn)替代空間。

根據(jù)富昌電子行情預(yù)測，2022年4季度的全球車規(guī)半導(dǎo)體仍處于供不應(yīng)求的狀態(tài)，主要車規(guī)MCU大廠如意法半導(dǎo)體，恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供貨緊張態(tài)勢，不論是芯片價格還是貨期較之前兩個季度都有明顯的升高。海外大廠的產(chǎn)能擴(kuò)張尚不能滿足市場需求，國內(nèi)MCU企業(yè)有望把握這個供需錯配的時間窗口，憑借先前的投入，與國內(nèi)下游造車新勢力合作，加速車規(guī)級MCU的國產(chǎn)替代進(jìn)程。

由于新能源汽車在政策導(dǎo)向及技術(shù)驅(qū)動下持續(xù)發(fā)力，預(yù)計2023年全球新能源汽車銷量將仍有約30%的出貨量增長，這也將帶動車用MCU的需求量持續(xù)提升。從供應(yīng)端來看，隨著晶圓廠產(chǎn)能由消費電子陸續(xù)向車規(guī)轉(zhuǎn)移，車規(guī)半導(dǎo)體芯片總體供應(yīng)也呈現(xiàn)增長態(tài)勢。隨著供應(yīng)和需求的雙雙增長，全年供需將維持較為健康狀態(tài)，價格走勢相對平穩(wěn)。根據(jù)群智咨詢（Sigmaintell）調(diào)研數(shù)據(jù)，2023年第一季度車用MCU價格基本停止上漲，預(yù)計后續(xù)車用MCU價格維持穩(wěn)定走勢。

圖6、2023年車用芯片調(diào)研及預(yù)測

MCU技術(shù)發(fā)展趨勢

1、更高算力

隨著汽車智能化程度的不斷增加，車規(guī)級MCU將向多功能集成、高算力及超低功耗方向發(fā)展，且使用數(shù)量也會隨之增加。同時，未來智能汽車中大量使用的車載傳感器、車載攝像頭，也需要高性能的MCU來做模擬數(shù)據(jù)的運算處理與驅(qū)動控制。因此，在未來更高階自動駕駛等級的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢下，總線寬度32位乃至64位高算力車規(guī)級MCU將成為主流產(chǎn)品，而8/16位中低端MCU則會被更高制程的SOC所集成，失去增長動力。

2、更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求會指數(shù)上升，部分MCU會和GPU，DSP，NPU和AI處理單元等不同類型芯片共同被集成到SoC（系統(tǒng)級芯片）上。SoC是MCU集成度更高的結(jié)果，其功能更復(fù)雜，資源利用效率更高，可勝任如無人駕駛和智能座艙等需要高算力的場景。

3、更高開放度

由于ARM內(nèi)核IP授權(quán)費高昂（芯片售價的2%-15%），很多廠商已開始基于開源的RISC-V內(nèi)核開發(fā)MCU，如瑞薩，英特爾，兆易創(chuàng)新等。RISC-V不僅完全免費開源，還具有低功耗，指令集精簡，設(shè)計編譯簡單，支持模塊化和可拓展等的特點，這和車規(guī)級MCU場景碎片化，功能模塊化的特點十分契合。

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車電氣化率不斷提升，車上的ECU也越來越多，眾多的ECU由于功能和需求的差異，成本的差異，需要針對不同的ECU選擇合適的MCU進(jìn)行功能和成本上的匹配，以滿足開發(fā)需求，這時MCU選型就顯得尤為重要。

圖7、ECU示意圖

汽車MCU選型要點

1、普通接口梳理：

梳理出ECU有哪些功能，需要處理的傳感器信號，需要控制的執(zhí)行器數(shù)量、以及控制方式，數(shù)字檢測包括數(shù)字和模擬信號的數(shù)量。

2、通信功能統(tǒng)計：

有幾路CAN、LIN，甚至以太網(wǎng)，速率需求。

3、通信以及各類對外接口的電壓：

以及是否需要輔助器件如EEPROM、FLASH、DDR，以便確定哪種工作電壓的MCU更為合適。

4、確定GPIO的數(shù)量：

根據(jù)需求確定需要多少GPIO。

5、確定ADC接口數(shù)量：

模擬信號需要ADC檢測，需要確定ADC檢測的數(shù)量。

6、I2C，SPI等通信端口的數(shù)量：

一些輔助芯片需要I2C， SPI等通訊方式，不同MCU的資源數(shù)量不同且較為有限。

7、統(tǒng)計需要的RAM和FLASH的大?。?/p>

統(tǒng)計RAM和FLASH的大小，以便確定選擇哪種規(guī)格的MCU，以及是否需要外掛，哪種方式更具性價比等等。

8、MCU主頻算力確定：

根據(jù)當(dāng)前通信端口、SPI、I2C、FLASH等外設(shè)的數(shù)據(jù)吞吐總量確定MCU算力需求。

圖8、MCU結(jié)構(gòu)示意圖

車規(guī)MCU選型思路

國內(nèi)外有眾多的MCU廠家，國外原廠有英飛凌、瑞薩、恩智浦、德州儀器、意法半導(dǎo)體、微芯等，而國內(nèi)MCU廠家有芯馳、云途、賽騰微、復(fù)旦微、比亞迪半導(dǎo)體、芯旺、杰發(fā)、國芯、中微半導(dǎo)、凌鷗創(chuàng)芯、峰岹、國民技術(shù)、航順、芯海、旋智、旗芯、智芯、極海、先楫半導(dǎo)體、小華、兆易創(chuàng)新等，各個廠家的實力，質(zhì)量，價格不盡相同，且定位和產(chǎn)品路線存在差異，需要多維度的考量廠家的實力和可靠性。

圖9、國產(chǎn)MCU原廠及其產(chǎn)品

另外需要確定MCU需要使用哪種核心，如RISC-V， POWER PC， ARM A， ARM M， ARM R5等系列，不同系列的側(cè)重點不同，如ARM A側(cè)重性能，ARM M側(cè)重功耗，ARM R則在性能和功能上進(jìn)行了折中，另外RISC-V架構(gòu)沒有受美國管制的風(fēng)險，但是仍處于發(fā)展早期，技術(shù)及生態(tài)鏈尚不成熟，很多廠家人在觀望中，有個別廠家卻全身家押注，如：奕斯偉、芯科集成、凌思微，可重點關(guān)注此廠商。

圖10、ARM結(jié)構(gòu)內(nèi)核

最后根據(jù)功能的種類數(shù)量等需求確定MCU的引腳數(shù)，通過PCB的布線空間確定MCU的封裝，采用BGA還是LQPF封裝，另外根據(jù)I2C，SPI，CAN，LIN，PWM和ADC的數(shù)量需求確定最終型號。

MCU選型是ECU方案最為關(guān)鍵的一環(huán)，設(shè)計端需要根據(jù)ECU的需求確定最優(yōu)方案，MCU市場同類產(chǎn)品眾多，選項較多，我們可以根據(jù)質(zhì)量、保供、支持服務(wù)等角度出發(fā)優(yōu)先培養(yǎng)國產(chǎn)供應(yīng)商，不僅可以滿足工信部對國產(chǎn)化的要求，還能掌握更多主動權(quán)，甚至可以按我們的要求去設(shè)計更為合理的芯片以達(dá)到效益最大化。

總之MCU的選型圍繞需求、服務(wù)、質(zhì)量、保供、價格這五大方向進(jìn)行。