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MCU行業深度解析

發表時間:2022-04-06

MCU:MicrocontrollerUnit,即微控制單元,又稱單片微型計算機或者單片機,是把中央處理器(CPU)的頻率與規格做適當縮減,并將內存、計數器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口,甚至LCD驅動電路都整合在單一芯片上,形成芯片級的計算機,為不同的應用場合做不同組合控制。

處理功能類似于小型CPU,能夠用軟件控制來取代復雜的電子線路控制系統,實現智能化以及輕量化控制。MCU在信號鏈中起核心處理作用,而信號鏈是連接真實世界和數字世界的橋梁,是電子產品智能化、智慧化的基礎。

中國MCU行業市場概述——MCU產品分類介紹

MCU產品種類繁多,主要分類依據為應用領域、位數、指令集和存儲器結構。

按照位數:可分為4位、8位、16位、32位、64位。位數越高,運算能力越強。2020年中國通用型MCU市場規模中,32位占比54%,8位占比43%,4位占比2%,16位占比1%。32位和8位占據市場主流,且未來32位產品占比預計仍將不斷提高。

按照應用領域:可分為通用型和專用型。專用型MCU 其硬件和指令是按照某種特定用途設計的,例如用于體溫計的單片機、用于洗衣機的單片機等。通用型MCU 將可開發的資源(ROM、RAM、I/O、EPROM)等全部提供給用戶,功能相對更全面。在通用型的單片機中,8位單片機成本低,價格廉,便于開發,其性能能滿足大部分需要,只有在航天、汽車、機器人等高技術領域,需要高速處理大量數據時,才需要選用16/32位。而在一般工業領域,8位通用型單片機,仍然是目前應用最廣的單片機。

按照指令集:可分為CISC(復雜指令集架構)和RISC(精簡指令集架構)兩類。據統計,2020年中國通用型MCU市場規模中,CISC占比24%,RISC占比76%。

按照存儲器結構:可分為哈佛(Harvard)結構和馮諾依曼(Von Neumann)結構。

現在的單片機絕大多數都是基于馮諾伊曼結構的,這種結構清楚地定義了嵌入式系統所必需的四個基本部分:(1)中央處理器核心,(2)程序存儲器(只讀存儲器或者閃存)、數據存儲器(隨機存儲器),(3)定時/計時器,(4)與外圍設備進行通信的輸入/輸出端口,所有這些都被集成在單個集成電路芯片上。

中國MCU行業市場概述——MCU行業歷程不長,發展迅猛

MCU出現的歷史并不長,但發展十分迅猛。它的產生與發展和微處理器的產生與發展大體同步,自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來,它的發展到目前為止大致可分為五個階段。

中國MCU行業產業鏈分析

產業鏈上游

MCU產業鏈上游可分為原材料供應商和代工廠商。

原材料主要為圓晶以及來自于ARM等的內核授權;代工廠商主要包括臺積電、格羅方德、聯電、中芯國際、華虹半導體等。代工廠商行業集中度較高,成寡頭競爭格局。2020年頭部的臺積電、格羅方德、聯電、中芯國際等廠商市占率超過90%,其中臺積電市占率高達58.6%。

上游議價能力較強。由于原材料的不可替代性與代工廠商的高度集中性,上游廠商議價能力較強。



產業鏈中游

全球MCU供應商以國外廠商為主,行業集中度相對較高。全球MCU廠商主要為瑞薩電子(日本)、恩智浦(荷蘭)、英飛凌(德國)、微芯科技(美國)、意法半導體等,TOP7頭部企業市占率超過80%。國內MCU芯片廠商在中低端市場具備較強競爭力,市占率穩步上升。國外廠商IDM模式為主,國內廠商Fabless模式為主。

產業鏈下游

MCU應用領域全球汽車電子占比最高,中國集中在消費領域:2020年汽車電子是全球MCU第一大應用領域,占比為33%,其次是工業控制、醫療、計算機網絡、消費電子等領域。

2020年中國MCU市場銷售額第一的應用領域為消費電子,其次是計算機網絡,而汽車電子及工業控制領域的MCU占比則顯著低于全球水平,中國MCU應用仍主要集中在消費、家電等品類。

廠商需二次開發,最終實現產品商用化:下游廠商需要根據自身產品特點進行硬件和軟件設計。

硬件設計包括選擇滿足系統要求的MCU芯片和其它電子元器件,并進行電路設計等。軟件設計包括代碼編譯、仿真系統程序調試等。在軟硬件設計完成后,根據電路原理圖生產PCB板,將MCU芯片及其它電子器件焊接在電路板上,進行系統聯調,直到最后功能無誤。

中國MCU行業商業模式——IDM模式VS Fabless模式

MCU廠商經營模式MCU廠商依據是否自建晶圓生產線或者封裝測試生產線分為IDM模式和Fabless模式。

(1)IDM模式:即垂直整合元件制造模式,是指企業從MCU的設計、制造、封裝測試到銷售都一手包辦,業務范圍涵蓋MCU行業的全部業務環節。該模式對企業的技術能力、資金實力、管理組織水平以及市場影響力等方面都有極高的要求。

(2)Fabless模式:即無晶圓廠的MCU企業經營模式。與IDM模式相比,Fabless模式專注于MCU的設計研發和銷售,晶圓制造、封裝測試等環節分別委托給專業的晶圓制造企業和封裝測試企業代工完成。該模式對資金要求和規模門檻相對較低,因此全球絕大部分MCU企業均采用Fabless模式。

目前國外大廠如意法半導體、瑞薩電子、德州儀器、英飛凌采用IDM模式,集芯片設計、芯片制造、芯片封裝和測試等多個產業鏈環節于一身;國外個別廠商如恩智浦以及大部分大陸廠商采用Fabless模式,只負責芯片的電路設計與銷售;中國大陸廠商士蘭微、華大半導體以及中國臺灣企業盛群、松翰、新唐等采用IDM模式。

中國MCU行業應用領域——汽車電子:全球MCU第一大市場

MCU在汽車電子中的應用汽車的電子控制單元ECU由MCU、存儲器、輸入/輸出接口、模數轉換器以及驅動等集成電路組成。

在汽車電子芯片領域,MCU應用范圍較廣,從車身動力總成,到車身控制、信息娛樂、輔助駕駛,從發動機控制單元,到雨刷、車窗、電動座椅、空調等控制單元,每一個功能的實現背后都需要復雜的芯片組支撐,MCU在其中扮演著最重要的角色。

在一輛汽車所裝備的所有半導體器件中,MCU占比約30%,平均每輛車包含70顆以上的MCU芯片,需要實現車內各類應用場景,同時對安全性要有足夠保證。

車規級MCU壁壘較高

MCU本身具有較大的技術壁壘、生產工藝壁壘和成本控制的壁壘,新進入者具有較大的難度。汽車架構的集成對MCU運算能力提出了更高計算要求,32位車用MCU得到了更廣泛的應用,成為市場最大的MCU類型,2020年其占比超62%。與消費級和工業級MCU相比,車規級MCU壁壘較高,主要體現在工作的環境溫度、良品率要求和工作壽命要求等方面。

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