傳感器和MCU結(jié)合在未來(lái)大有可為

成熟的物聯(lián)網(wǎng)需要智能傳感器，完成越來(lái)越多的分析和決策，包括模仿人類的感覺(jué)和反射，這也會(huì)對(duì)MCU的數(shù)據(jù)處理能力提出更多的要求。

傳感器不斷進(jìn)化

? 是能感受到被測(cè)量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求的檢測(cè)裝置。

傳感器的種類很多，按照不同的功能，不同的適用領(lǐng)域可以劃分多種類型。其中，溫度傳感器是最早開發(fā)、應(yīng)用最廣的一類傳感器。

從17世紀(jì)初，人們就開始利用溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，而真正把溫度變成電信號(hào)的傳感器是1821年由德國(guó)物理學(xué)家賽貝發(fā)明的，這就是后來(lái)的熱電偶傳感器。在半導(dǎo)體得到充分發(fā)展后，相繼開發(fā)了半導(dǎo)體熱電偶傳感器、PN結(jié)溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應(yīng)，根據(jù)波與物質(zhì)的相互作用規(guī)律，相繼開發(fā)了聲學(xué)溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

我國(guó)的傳感器發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了50多個(gè)春秋，20世紀(jì)80年代，改革開放給傳感器行業(yè)帶來(lái)了生機(jī)與活力。目前來(lái)看，傳感器的應(yīng)用已經(jīng)遍及到工業(yè)生產(chǎn)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程等多方面的領(lǐng)域，現(xiàn)代化項(xiàng)目都離不開傳感器的應(yīng)用。 ? 目前我國(guó)已有上千家從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)的企業(yè)，在經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)下，隨著我國(guó)的投資環(huán)境的改善已經(jīng)對(duì)傳感器技術(shù)的大力支持，各國(guó)傳感器廠商紛紛涌進(jìn)我國(guó)的傳感器市場(chǎng)，使得國(guó)內(nèi)的傳感器領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。于此同時(shí)，強(qiáng)烈的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)必然會(huì)導(dǎo)致技術(shù)的飛速發(fā)展，促進(jìn)我國(guó)傳感器技術(shù)的快速進(jìn)步，未來(lái)的傳感器會(huì)向著小型化、多功能化、智能化、集成化、系統(tǒng)化的方向發(fā)展。

? 傳感器離不開MCU

傳感器與MCU密不可分，并且今后會(huì)越來(lái)越緊密，甚至二合為一，變成智能傳感器，這個(gè)趨勢(shì)已經(jīng)在進(jìn)行中。 ? 傳感器作為電子產(chǎn)品的“感知中樞”，在消費(fèi)電子、工業(yè)、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于越來(lái)越多地應(yīng)用于智能電網(wǎng)、智能交通、智能安防等領(lǐng)域，傳感器在基本功能之外，開始越來(lái)越多地承擔(dān)自動(dòng)調(diào)零、自校準(zhǔn)、自標(biāo)定功能，同時(shí)具備邏輯判斷和信息處理能力，能對(duì)被測(cè)量信號(hào)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理或信號(hào)處理，這就需要其擁有越來(lái)越強(qiáng)的智能處理能力，也即朝著智能化的方向發(fā)展。

同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，傳感器智能化的信息處理能力也變得越加重要。因?yàn)椴豢赡軐⑺羞\(yùn)算都放到云端完成，網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)也要完成各自的運(yùn)算任務(wù)。

因此，傳感器和微處理器（MCU）結(jié)合、具有各種功能的單片集成化智能傳感器已成為傳感器技術(shù)發(fā)展方向之一。

未來(lái)MCU的發(fā)展將對(duì)智能傳感器的演進(jìn)起到協(xié)同效應(yīng)，傳感器和微處理器（MCU）結(jié)合在未來(lái)大有可為。

MCU前景大好

根據(jù)IC Insights最新發(fā)布的全球半導(dǎo)體市場(chǎng)預(yù)測(cè)，盡管各個(gè)半導(dǎo)體細(xì)分市場(chǎng)此消彼長(zhǎng)，但2022年整體增長(zhǎng)仍保持在11%，銷售額達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的6807億美元。其中模擬器件、邏輯器件和傳感器/致動(dòng)器市場(chǎng)的增長(zhǎng)達(dá)到或超過(guò)11%，而光電-傳感器-分立器件(O-S-D)市場(chǎng)增長(zhǎng)則低于平均(約為9%)。

具體到IC市場(chǎng)，2022年整體規(guī)模將達(dá)到5671億美元，其中微處理器的增長(zhǎng)從年初的預(yù)期7%調(diào)整為11%，主要增長(zhǎng)來(lái)自嵌入式MPU應(yīng)用(包括MCU)和移動(dòng)通信應(yīng)用處理器。

再看我們關(guān)注的MCU市場(chǎng)，IC Insights預(yù)測(cè)全球MCU市場(chǎng)規(guī)模今年將增長(zhǎng)10%，達(dá)到215億美元，其中汽車MCU的增長(zhǎng)尤其突出。

預(yù)計(jì)從2021至2026年，全球MCU市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率為6.7%，到2026年將達(dá)到272億美元。其中32位MCU的增長(zhǎng)位9.4%，到2026年將超過(guò)200億美元，而4/8/16位MCU市場(chǎng)只有很小的增長(zhǎng)。

就MCU應(yīng)用市場(chǎng)來(lái)看，46%的需求來(lái)自通用嵌入式應(yīng)用(比如手機(jī)、計(jì)算機(jī)及外設(shè)，工業(yè)應(yīng)用，以及消費(fèi)電子)，40%來(lái)自汽車電子，剩余的14%來(lái)自智能卡市場(chǎng)。

未來(lái)5年，汽車MCU的增長(zhǎng)約為7.7%，將是整體MCU市場(chǎng)增長(zhǎng)的最大驅(qū)動(dòng)力。全球MCU市場(chǎng)的增長(zhǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn)MCU廠商來(lái)說(shuō)本應(yīng)是好事，但由于手機(jī)、PC和消費(fèi)電子市場(chǎng)的需求疲軟，再加上2021年晶圓產(chǎn)能和訂單的瘋搶，導(dǎo)致今年上半年MCU開始出現(xiàn)庫(kù)存積壓?jiǎn)栴}，這對(duì)以傳統(tǒng)消費(fèi)和家電應(yīng)用市場(chǎng)為主的國(guó)產(chǎn)MCU廠商來(lái)說(shuō)將是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。 ?

由于中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)和新能源汽車行業(yè)等市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)，下游應(yīng)用產(chǎn)品對(duì)MCU的需求將繼續(xù)保持旺盛增長(zhǎng)，而中國(guó)MCU市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度也將繼續(xù)領(lǐng)先全球。 ? 據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)計(jì)，2021-2026年，中國(guó)MCU市場(chǎng)規(guī)模將保持8%的速度增長(zhǎng)，其中2021年約為365億元，至2026年將達(dá)到513億元。新能源汽車應(yīng)用包括汽車駕駛信息系統(tǒng)、油門控制系統(tǒng)、自動(dòng)泊車、先進(jìn)巡航控制、防撞系統(tǒng)等ADAS系統(tǒng)，對(duì)32位MCU芯片的需求量將大幅度提升。車載、工控和新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將是中國(guó)MCU市場(chǎng)未來(lái)增長(zhǎng)的主要驅(qū)動(dòng)力。 ?

汽車MCU

汽車MCU有8位、16位及32位MCU，位數(shù)越多對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 但處理能力越強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)的功能也就越多。8位MCU主要用于簡(jiǎn)單的車身控制，如空調(diào)、雨刷、門窗、座椅、低端儀表盤等;16位MCU主要用于中端的底盤和低端發(fā)動(dòng)機(jī)控制，如制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、懸架、剎車等;32位MCU主要用于高端的發(fā)動(dòng)機(jī)和車身控制，如高端儀表盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、多媒體信息系統(tǒng)和安全系統(tǒng)等。

一輛車平均需要50-100個(gè)MCU，現(xiàn)在的新能源車由于電池管理和電控功能的增加，需要更多的ECU和MCU。電動(dòng)車MCU的平均單價(jià)要高于燃油車，高算力與安全等級(jí)較高的車規(guī) MCU 單價(jià)更高。例如，恩智浦和英飛凌幾款用于車身控制或安全等級(jí)較低的動(dòng)力系統(tǒng)的 MCU單價(jià)較低，而瑞薩和德州儀器用于安全等級(jí)較高的BMS、EPS及車身穩(wěn)定等系統(tǒng)的 MCU單價(jià)較高，最高達(dá)到35.6 美元。

相較于消費(fèi)和工業(yè)級(jí)MCU，車規(guī)級(jí)MCU對(duì)運(yùn)行環(huán)境、可靠性和供貨周期的要求較高，主要 體現(xiàn)在： ?

1.環(huán)境要求。汽車芯片的工作環(huán)境更復(fù)雜，有高振動(dòng)、多粉塵、多電磁干擾、溫度范圍寬(-40~155℃)等要求; ?

2.可靠性要求。汽車設(shè)計(jì)壽命一般在15年或20萬(wàn)公里，整車廠對(duì)車規(guī)級(jí) MCU的要求要達(dá)到零失效; ?

3.供貨周期要求。車規(guī)級(jí)MCU的供應(yīng)周期需要覆蓋整車的全生命周期，供貨周期一般為 15~20年;

? 4.重新認(rèn)證要求。在工業(yè) MCU上執(zhí)行很多微小的工藝變化都不需要對(duì)MCU進(jìn)行重新認(rèn)證，但汽車MCU則需要進(jìn)行重新認(rèn)證。 ? 車規(guī)級(jí)MCU的認(rèn)證門檻比較高，認(rèn)證時(shí)間長(zhǎng)、進(jìn)入難度大。MCU供應(yīng)商在進(jìn)入整車廠的供應(yīng)鏈體系前，一般需符合三大車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：在設(shè)計(jì)階段要遵循的功能安全標(biāo)準(zhǔn) ISO 26262，在流片和封裝階段要遵循的AEC-Q001~004和IATF16949，以及在認(rèn)證測(cè)試階段要遵循的AEC-Q100/Q104。其中，ISO 26262定義了ASIL四個(gè)安全等級(jí)，從低到高分別為A、B、C和D;AEC-Q100 分為四個(gè)可靠性等級(jí)，從低到高分別為 3、2、1和0。AEC-Q100 系列認(rèn)證一般需要1-2年的時(shí)間，而ISO 26262的認(rèn)證難度更大，周期更長(zhǎng)。

? 車規(guī)級(jí)MCU相較通用MCU芯片也有更多技術(shù)要求，包括：集成數(shù)據(jù)加密模塊，并具有全局存儲(chǔ)器保護(hù)功能;專用的PWM、比較捕獲單元及定時(shí)器;靈活的端口功能配置;時(shí)鐘控制電路的備份和魯棒性及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臅r(shí)序約束;模擬模塊的寬溫度范圍的指標(biāo)控制，自校準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)的控制等。 ? 盡管全球汽車MCU市場(chǎng)的需求增長(zhǎng)比較樂(lè)觀，但供應(yīng)主要集中在NXP、英飛凌、ST、瑞薩和TI等國(guó)際巨頭，國(guó)產(chǎn)MCU廠商進(jìn)入全球主流汽車MCU供應(yīng)鏈的難度仍然很大。然而，國(guó)內(nèi)新能源汽車的快速增長(zhǎng)為車身控制和動(dòng)力安全MCU的國(guó)產(chǎn)替代創(chuàng)造了巨大空間。無(wú)論燃油車還是電動(dòng)車，一輛車都需要20個(gè)左右的車身控制MCU。動(dòng)力安全MCU由于認(rèn)證時(shí)間較長(zhǎng)，研發(fā)難度較大，國(guó)產(chǎn)廠商占比目前幾乎為 零，但自主可控的需求迫切，國(guó)內(nèi)整車廠商會(huì)和Tie1廠商指定國(guó)產(chǎn)MCU供應(yīng)商，從而加速國(guó)內(nèi)MCU廠商升級(jí)和進(jìn)入汽車供應(yīng)鏈的步伐。

? 此外，半導(dǎo)體景氣周期有望覆蓋車規(guī)級(jí)認(rèn)證周期，為國(guó)產(chǎn)車規(guī)MCU芯片的發(fā)展創(chuàng)造良機(jī)。盡管晶圓廠已經(jīng)從2020年底開始陸續(xù)擴(kuò)產(chǎn)，但目前汽車“缺芯”問(wèn)題仍未緩解。晶圓廠通常投產(chǎn)期需要1-2年，疊加設(shè)備交期被延長(zhǎng)，預(yù)計(jì)此輪景氣周期將至少持續(xù)到2023年，這將為國(guó)產(chǎn)廠商的車規(guī)MCU提供導(dǎo)入驗(yàn)證的最佳時(shí)期。鑒于ISO 26262認(rèn)證通常需要2-3年，且在設(shè)計(jì)時(shí)就開始進(jìn)行，對(duì)于那些已經(jīng)通過(guò)AEC-Q100認(rèn)證并較早進(jìn)行ISO 26262認(rèn)證的國(guó)產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，此輪景氣周期將為它們切入汽車市場(chǎng)提供充足的認(rèn)證時(shí)間。 ?

編輯：黃飛

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