微處理器和單片機(jī)（MCU）從上個世紀(jì)70年代在歐美開始興起,，1981年8051單片機(jī)問世,，到今天已經(jīng)36年了,。從數(shù)量上看，8位單片機(jī)依然是MCU市場的主力,，32位MCU已經(jīng)成為今天全球消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品的核心。
從2015年開始,，為爭奪市場份額,，布局強(qiáng)勁增長的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，MCU主要廠商之間發(fā)生了數(shù)起大規(guī)模并購,。根據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights的統(tǒng)計,，從收購?fù)瓿珊喜⒑蟮匿N售數(shù)據(jù)看,，NXP、Microchip和Cypress 2016年MCU產(chǎn)品線銷售額同比大幅增長,，排名也相應(yīng)上升,。未進(jìn)行大規(guī)模收購的MCU廠商則表現(xiàn)平平，只有個位數(shù)的增長,，比如ST和TI,，有的出現(xiàn)了大幅下降，比如像Samsung,。
8大MCU廠商全球市場份額合計達(dá)到了88%,，這也就是說除了幾大MCU外，小的MCU公司市場份額非常小,。IC Insights 2016年8月的研究報告顯示,，MCU市場將于2020年達(dá)到高峰，銷售額達(dá)到209億美元,，銷售267億顆芯片,。針對這樣的市場形勢，在剛剛結(jié)束的2017年STM32峰會上,，ST給自己定下目標(biāo)是2020年銷售額將到達(dá)40億美元,，從目前市場份額10%增長到20%。
MCU技術(shù)發(fā)展線路
1.開發(fā)工具
8位MCU時代,，開發(fā)工具很簡單,，MCU功能簡單，存儲器容量很小,，應(yīng)用代碼甚至可以使用匯編語言書寫,，簡單的下載和編程工具可以勝任開發(fā)工作。后來隨著MCU功能增加,，存儲器容量增加,，C語言逐漸成為首選，集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和JATG調(diào)試漸成主流,，這種方式主導(dǎo)了過去20年MCU開發(fā)模式,。
隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，大量的電子產(chǎn)品急需智能化升級,，聯(lián)網(wǎng)就成為基本需求,，特別是無線網(wǎng)絡(luò)，RTOS （實(shí)時操作系統(tǒng)）從以前的嵌入式系統(tǒng)中“奢飾品”變成今天的“必需品”,。得益于開源社區(qū)和開源軟件的幫助,，開源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已經(jīng)成為開發(fā)者的優(yōu)選。專門針對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應(yīng)運(yùn)而生,，比如ARM mbed OS,、慶科MicoOS和華為LiteOS，其實(shí)這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內(nèi)核也是基于開源的RTOS技術(shù),。
開發(fā)工具（IDE）價格昂貴,，讓創(chuàng)業(yè)者望而卻步，借助開源軟件,，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE,，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso,，這些IDE 是基于開源Eclipse,，編譯軟件也是開源的GCC ARM 。芯片公司的IDE雖然在功能和優(yōu)化上無法與Keil和IAR相比,，但已經(jīng)完全到達(dá)可用的程度,。ARM開發(fā)了基于Web的mbed工具，開發(fā)者不需要購買和安裝任何IDE,，只要有一塊mbed兼容的開發(fā)板,，就可以進(jìn)行嵌入式開發(fā)。如果你使用的是Arduino開發(fā)板,，Arudino IDE集成大量開源硬件知識庫,，讓你開發(fā)如虎添翼，事半功倍,。
今天,，有了強(qiáng)大的開源的生態(tài)環(huán)境,，MCU開發(fā)者不再會因?yàn)槿狈Y金無法購買開發(fā)工具和獲得技術(shù)支持而耽誤項(xiàng)目開發(fā)犯愁了,。
2.制造技術(shù)
摩爾定律推動了芯片產(chǎn)業(yè)輝煌了40年，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑,。傳統(tǒng)的MCU,，比如8位OTP MCU，長期是使用0.5微米的制程工藝,，隨著時間的推移,，設(shè)備和技術(shù)的更新，現(xiàn)在主流的MCU制程是180nm,，甚至90nm技術(shù),，展望不遠(yuǎn)的將來，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU也不是遙不可及的事情,。
我們知道,，更先進(jìn)的制程工藝會在MCU內(nèi)部集成更多的晶體管，使處理器實(shí)現(xiàn)更多的功能和更高的性能,。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了,，更多的32位MCU核心將替代8位,，芯片的體積也不會變大，功耗反而會更小,。此外,，先進(jìn)的制程工藝還能帶來片內(nèi)FLASH容量的增加，未來1MB甚至4MB的FALSH MCU 也是常見的產(chǎn)品了,。
當(dāng)然,，制程工藝將會給MCU生態(tài)環(huán)境帶來挑戰(zhàn)，比如初期制造成本的增加,，芯片設(shè)計復(fù)雜性增加,。32位核心導(dǎo)入，軟件開發(fā)難度增加,，以及物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用帶來MCU和RF以及Sensor集成,，進(jìn)而帶來功耗管理和PCB設(shè)計上一系列棘手問題。
3.應(yīng)用設(shè)計方案
MCU應(yīng)用五花八門,，從最小的消費(fèi)電子產(chǎn)品,，到大型工業(yè)機(jī)器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產(chǎn)品,。早期的MCU芯片公司只是提供應(yīng)用指南和參考設(shè)計代碼,，方案性的設(shè)計一般是客戶自己完成，或者由專業(yè)的方案公司和代理商完成,，然后交給設(shè)備廠商生產(chǎn),，這樣模式至今依然大量存在。
隨著物聯(lián)網(wǎng)興起,，電子產(chǎn)品智能化需求越來越多,，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)迫在眉睫，電子產(chǎn)業(yè)急需MCU廠商提供更多更好的創(chuàng)新型設(shè)計方案,。隨著電商時代到來,，渠道的扁平化，傳統(tǒng)芯片代理商已經(jīng)無力投入日趨復(fù)雜的方案設(shè)計,，行業(yè)日趨細(xì)化和深入,，傳統(tǒng)的方案商已經(jīng)轉(zhuǎn)型成產(chǎn)品提供商，應(yīng)用設(shè)計方案的重任再次落在MCU公司身上,。
今天我們看到全球領(lǐng)先的MCU企業(yè),，比如ST、NXP,、TI和瑞薩等公司,，他們都能提供許許多多MCU應(yīng)用解決方案，這些方案的技術(shù)越來越前沿，功能越來越完善,。比如STM32峰會上展示的預(yù)防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案,、可以在小屏幕上實(shí)現(xiàn)美觀流暢游戲界面的超低功耗MCU智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網(wǎng)關(guān),。
近年興起的創(chuàng)客運(yùn)動也是MCU應(yīng)用方案的一大貢獻(xiàn)者,。創(chuàng)客們大量采用的Arduino開源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器,；機(jī)器人項(xiàng)目Pibot則采用Arduino作為核心控制板,。在開源硬件環(huán)境下，沒有開發(fā)基礎(chǔ),，只有創(chuàng)意的開發(fā)者,，也可以完成自己的產(chǎn)品開發(fā)。開發(fā)門檻的降低了,，將吸引更多的人實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意,，極大地增加產(chǎn)品的種類和數(shù)量，從而導(dǎo)致對MCU需求的增長,。
中國MCU發(fā)展機(jī)遇
1.中國單機(jī)片30年
上個世紀(jì)80年代初北京工業(yè)大學(xué)電子廠掀起了TP801開發(fā)熱潮,，同期，上海和江蘇等地開發(fā)了MCS-51的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng),，這股單片機(jī)的熱潮引發(fā)了全國的智能電子的大變革,。1986年10月，在上海復(fù)旦大學(xué)舉行了第一次全國單片機(jī)學(xué)術(shù)交流會,，這標(biāo)志著由此開始,，中國單片機(jī)事業(yè)經(jīng)歷30年輝煌發(fā)展歷程。2016年11月,，嵌入式系統(tǒng)聯(lián)誼會舉辦了中國單片機(jī)30年紀(jì)念活動,，老中輕三代單片機(jī)工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國單片機(jī)發(fā)展的美好前景,。
過去幾年,，中國MCU市場一直持續(xù)增長,。據(jù)isuppli Research研究報告,，2011年中國MCU市場銷售額約30億美元，到了2016年已經(jīng)有40億美元,，其中32位MCU市場份額持續(xù)增大,，期內(nèi)復(fù)合增長率已經(jīng)接近10%。但有關(guān)研究報告還指出,全球8大MCU企業(yè)沒有中國的企業(yè),，中國大陸和中國臺灣MCU企業(yè)在中國市場各有10%的份額,。2017年STM32峰會信息顯示，2016年ST中國通用MCU市場營收在其全球市場占比36%，從2007年開始一直保持27%的年復(fù)合增長率,，以物聯(lián)網(wǎng),、可穿戴、智能手機(jī),、智能樓宇和表計以及電動汽車和無人機(jī)等新型應(yīng)用,，是拉動MCU快速增長重要引擎。
中國單片機(jī)30年,，MCU廠商很多,，但多數(shù)混跡8/16位低端市場，中國是全球第一大電子制造基地,，有足夠大的市場來養(yǎng)活這些小廠商,。但設(shè)計能力低、缺少戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和資金支持的中小MCU 廠商,，難以改變中國企業(yè)在MCU市場的弱勢地位,。
2.國產(chǎn)32位MCU提速
近年中國MCU企業(yè)的增長提速，尤其是在32位MCU市場上涌現(xiàn)出像兆易創(chuàng)新,、致象科技和靈動微電子這樣的企業(yè),，他們基于ARM Cortex M技術(shù)的MCU芯片受到了市場的歡迎，國產(chǎn)MCU產(chǎn)品的市場戰(zhàn)略一般是更低的價格,、更好的性能,、本地周到的服務(wù)、與國外產(chǎn)品 pin-pin兼容,，這些市場策略讓國內(nèi)企業(yè)非常受用,，取得了豐碩的成果。
據(jù)財經(jīng)媒體報道,，2016年,，兆易創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)營收14.89億元，凈利1.76億元,，營收同比增長25%,、利潤增長了12%；MCU芯片實(shí)現(xiàn)營收1.97億元,，同比增長55.2%,，銷量4578萬顆，兆易創(chuàng)新最近以65億元收購北京矽成,。矽成的主營業(yè)務(wù)是以易失性存儲芯片為主,，主要從事SRAM、中低密度DRAM,、EEPROM等集成電路產(chǎn)品的設(shè)計與銷售,，產(chǎn)品應(yīng)用于汽車,、工業(yè)醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)移動通訊,、電子消費(fèi)產(chǎn)品等領(lǐng)域,。這與兆易創(chuàng)新的非易失性存儲芯片，包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生產(chǎn)品以及MCU微控制器產(chǎn)品的研發(fā),、技術(shù)支持和銷售的業(yè)務(wù)范圍正好互補(bǔ),。收購矽成對于未來兆易創(chuàng)新GD32系列MCU發(fā)展將起到積極作用，或?qū)⒂兄谡滓讋?chuàng)新拓展汽車電子市場的計劃,。
3.國產(chǎn)MCU的挑戰(zhàn)
比較國產(chǎn)高端CPU的發(fā)展,，國產(chǎn)32位MCU 要順利的多。相比智能手機(jī)芯片,，生態(tài)環(huán)境相對單純和簡單是幫助國產(chǎn)MCU 發(fā)展的重要原因,。我們知道，開發(fā)智能手機(jī)芯片要有巨資投入最先進(jìn)的制程工藝,，比如三星Galaxy S8 機(jī)型搭載高通驍龍830處理器,，并且處理器將會由三星獨(dú)家制造，制程工藝為驚人的10nm,。還有Android OS,，圍繞Android OS 的開放手機(jī)聯(lián)盟現(xiàn)在有84個成員，如果你們企業(yè)不是成員,，你或許拿不到最新的Anrdoid版本的軟件,，即使你是成員，如果不能投入大量的Android開發(fā)人員,，你也很難與高通,、三星和華為這樣的手機(jī)巨頭競爭。
前面介紹MCU的技術(shù)線路,，它與智能手機(jī)完全不一樣,，MCU 還是一個多元化的應(yīng)用市場，雖然有幾個很熱鬧的產(chǎn)品,，比如無人機(jī),、可穿戴手環(huán)、智能溫控器,，但是這些產(chǎn)品在數(shù)量上與智能手機(jī)無法比擬,，而且它們每一個的軟硬件平臺都不一樣。憑借基礎(chǔ)的開發(fā)工具,、90nm制程和應(yīng)用方案,，加上中國企業(yè)擅長的“保姆式”服務(wù),，國產(chǎn)MCU 有機(jī)會出奇制勝,，一展宏圖,。
是不是國產(chǎn)MCU可以高枕無憂，一路順利發(fā)展呢,？不是的,。如果看看全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)的產(chǎn)品線就不難發(fā)現(xiàn)，中國企業(yè)差距很大,，STM32 750余款MCU,，多數(shù)采用90nm制程上，ST計劃發(fā)布的超高性能STM32H7將采用40nm制程,，而靈動微電子成熟產(chǎn)品F103采用的還是傳統(tǒng)的0.18um,。
在開發(fā)工具上，國產(chǎn)MCU 基本沒有自己的開發(fā)工具,，推薦都是ARM KEIL和IAR,，為了支持自己公司的MCU，一般會開發(fā)一個 KEIL MDK或者IAR插件,，沒有經(jīng)費(fèi)的用戶多是使用盜版IDE,。
在應(yīng)用設(shè)計方案和生態(tài)環(huán)境建設(shè)方面，國產(chǎn)MCU 更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在外國企業(yè)后面,，比如STM32峰會第二天,，幾十家合作伙伴展示了包括LoRa、藍(lán)牙和WiFi模塊,、空中固件升級,、NB-IoT診斷儀、多功能汽車總線通信平臺和安全認(rèn)證的RTOS等百余種解決方案,，以及大疆和小米無人機(jī),、華為運(yùn)動手表、MOOV 耳機(jī)和阿兒法智能機(jī)器人等數(shù)十種國內(nèi)設(shè)計和生產(chǎn)的基于STM32產(chǎn)品,。這大大提升了與會的開發(fā)者的興趣,。
32位MCU市場發(fā)展，芯片設(shè)計和制造技術(shù)固然很重要,，而產(chǎn)品線生態(tài)建設(shè),，開發(fā)工具的研究、嵌入式OS的支持,、創(chuàng)新型的應(yīng)用案例,、穩(wěn)定的貨源供應(yīng)和技術(shù)支持也非常重要，每一項(xiàng)都缺一不可,，都做好了真的不容易,，國產(chǎn)MCU要進(jìn)入國內(nèi)電子企業(yè)主流供應(yīng)商名單，要走向國際舞臺,，還有很長路要走,。面向未來5-10年百億級的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場,，MCU迎來了前所未有的機(jī)遇，也給了中國MCU 發(fā)展和騰飛創(chuàng)造了絕佳的切入點(diǎn),。