SoC和MCU在发展趋势上是什么关系？

　　导语

　　Introduction

　　MCU属通用型，而SoC偏重更具体的应用领域。

　　这篇，主要科普科普MCU和SoC的关系。

　　从2021年初开始的“缺芯”，到目前为止还没有完全缓解。而一辆传统汽车上少则有40多种芯片，多则达到150多种。此外，一辆新能源汽车上要超过300颗芯片。

　　那么，“缺芯”缺什么?恐怕很多人说不上来。

　　实际上，汽车上缺的主要是ECU，而从更基础、更微观的层面来说，缺的是MCU(Micro Control Unit，微控制单元)，也就是所谓的单片机。

　　简单来说，MCU就是在CPU(这个就不用解释了吧?)的基础上，增加了存储器RAM和ROM、计数器/定时器及I/O接口，将它们集成在一块，形成“芯片级别的芯片”。所以说，MCU是传统汽车最为常用的芯片。

　　而随着计算需求越来越专业化，将CPU、GPU、DSP、NPU等不同类型的芯片，外加上接口、储存等电子元件，就组成了俗称“片上系统”的SoC(System on Chip)，形成“系统级别的芯片”。最典型的例子就是***的FSD，一颗CPU+GPU+2×NPU的多核SoC芯片。

　　所以，SoC是MCU集成度更高的结果，功能更加复杂，资源利用效率更高。但是，我们要知道的是，SoC和MCU在发展趋势上是什么关系?未来SoC是不是会完全替代MCU呢?

　　MCU“开挂”

　　IC Insights最新的《麦克林报告》指出，2022年全球MCU的市场销售额将增长10%，市场规模有望达到215亿美元，再创历史新高。其中，今年汽车MCU的增长将超过其他大多数终端市场。

　　就像指数资本的调研指出的，从资本市场来看，MCU此前市场空间总计不过100亿人民币，但现在，仅一级市场Top6的MCU企业最新估值总和已超300亿人民币，玩家中更不乏大量切入MCU业务的上市公司。

　　此外，工业级MCU对无线连接、环境感知、精准控制、电源管理、人机交互等功能不断提出新需求，同时，物联网(IOT)也带来更多的MCU增量需求。换句话说，是全面开花的局面。

　　按照指数资本董事总经理王逸非的观点，2022年是第二轮产业周期的起始年，“资本的故事主线”是高度智能化、电气化的下一代汽车，以及全新电子电气架构下的增量功能、增量技术、增量市场。

　　其核心驱动因素有两个：第一，电气化底盘的普及将为下一代智能汽车奠定架构基础;第二，各大车厂基于全新一代电子电气架构推出的平台，将在2022年底～2024年有产品分批上市。

　　此外，2025年后市场在售车型很可能将全面铺开。这两大产业链增量红利均为万亿元的量级。如此让人眼红的蛋糕，其中，小小的MCU将起到很关键的作用。

　　赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念也很含蓄地向媒体表示，智能电动时代的趋势下，汽车电子电气架构重构，所需的MCU数量和单价均会提升，MCU需求也会随之发生变化。

　　同样，根据IC Insights的预测，2021～2026年期间，MCU的平均售价将不断上升，复合年增长率(CAGR)将达到3.5%。此外，这期间MCU总出货量将以3.0%的复合年增长率增长，预计到2026年MCU总出货量将达到358亿片。

　　当然，也不是所有的MCU都能享受这个红利。未来五年，32位MCU的销售预计将以9.4%的复合年增长率增长，到2026年将达到200亿美元。同时，4/8位MCU的销售额，以及现在正当时的16位MCU的销售额，都将失去增长的动力。

　　为什么呢?前面说了，车身架构集成拉高了车厂对MCU的需求，所以，8/16位中低端MCU不再有投资机会(比亚迪对此有何感想呢?)，投资的重心基本都在32位MCU，以及还在研发阶段的64位MCU。

　　与MCU蓬勃发展同时的，是SoC芯片同样在日新月异地快速崛起。不过，大多数的文章没有说明的是，SoC芯片虽然是MCU的晋级版本，但是为什么SoC芯片大发展的同时，MCU芯片同样在上量?

　　这里面其实就涉及到“域控制器”的问题。

　　从MCU到SoC

　　因为，目前汽车的电子电气架构正在从大量ECU的分布式，向域控制器、中央计算单元的集中式架构转变，而从分布式转移到集中式，是一个革命性的变化。

　　换句话说，这也是车企拿回控制权的一场“内卷”。并且，受益于由分布走向集中的趋势，域控制器市场得以快速增长。

　　据盖世汽车研究院预测，2025年，自动驾驶域控制器出货量将超过400万台套，智能座舱域控制器出货量将超过500万台套，复合增长率预计在50%以上。

　　而域控制器目前大致可以分为底盘、动力、车身、座舱、自动驾驶(ADAS)五大域，或者整合成车控VDC、智能座舱CDC、智能驾驶ADC三大域。而负责自动驾驶的域控制器是核心，其本质是一块SoC级别的芯片。

　　不同于以CPU为主的MCU芯片，SoC芯片集成了CPU、AI芯片(GPU/FPGA/ASIC等结构，芯片算力的主要来源)、深度学习加速单元(NPU)等多个模块。

　　MCU的架构之路

　　接下来的问题是，MCU何以越战越勇?

　　实际上，MCU从上个世纪70年代推出，至今已有50多年的历史。从架构来说，经历了从INTEL的8051发展到AVR(哈佛结构)再到各家自定义架构，直至如今广泛用于32位通用MCU的ARM架构的历程。

　　根据总线或数据暂存器的宽度，MCU划分为4位、8位到32位(未来64位)。其中，8位MCU工作频率在16～50MHz之间，16位MCU工作频率在24～100MHz之间。而32位MCU工作频率大多在100～350MHz之间，现在是MCU市场主流。

　　MCU当前的竞争格局形成主要是架构变化加上并购整合带来的。其中的主导者，当然就是英国的ARM，在国内叫做安谋中国(介绍ARM的话，可以写一本书，所以省略哈)。2007年后，ARM架构开始爆发并且迅速占领了32位MCU市场。

　　其实，近年ARM有进入汽车领域的强烈意愿。然而，欧洲和美国两大汽车市场的汽车芯片巨头非常强势，ARM的IP难以进入。因此，ARM找到中国这个突破口，2018年底，亿咖通和安谋中国等公司共同出资成立芯擎科技，所以，ARM应该好好感谢中国市场哈。

　　回转来讲，ARM在RISC(精简指令集体系)的地位越发牢固。业内有个段子，说各大MCU厂商推出新品的速度，已经赶不上ARM推出新架构的速度。

　　在其Cortex-M55推出仅半年之后，ARM又发布了全新Cortex-M85处理器，同时还推出了新的物联网全面解决方案，包括采用Cortex-M和Cortex-A(主要面向通用处理应用市场，像智能手机、移动计算平台等领域)的最新Corstone子系统和ARM虚拟硬件……

　　这里简单介绍下，目前ARM Cortex根据应用范围的不同可分为三个系列，分别为Cortex-M、Cortex-R与Cortex-A系列(性能及复杂度由低到高)。

　　其中，车企所用的MCU主要是Cortex-M系列处理器，包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等多个类别。

　　当然，ARM不是高枕无忧。由于受到ARM内核高昂授权费的影响，很多MCU厂商开始转型或入局RISC-V内核MCU。免费、完全开源，RISC-V内核就像当初的LINUX，发展趋势非常喜人。

　　RISC-V具有袖珍化、低能耗的特点，而这对于嵌入式应用可能至关重要。并且由于RISC-V是一个新兴领域，国内外MCU厂商在上面的技术和生态差距不大，因此RISC-V也成为国内MCU新的驱动力。

　　这方面，有爱普特微电子推出的基于RISC-V内核(平头哥玄铁E系列)开发的32位高性能高可靠性MCUAPT32F1/7。还有先楫半导体 HPM6000系列旗舰产品HPM6750(双RISC-V内核)，还创下了MCU高于9000 CoreMar和4500以上的DMIPS性能新记录。不过，还是那句话，有待验证。

　　国产MCU现状

　　最后说一下，在前五大海外厂商CR5主导(据2019年CSIA数据，CR5达74%;而据IC Insights统计，2021年CR5提升至82.1%，行业格局进一步集中)的国内MCU市场，国内厂商也在慢慢崛起。

　　当然，除了地平线、黑芝麻等SoC芯片厂商，实际上国产MCU厂商们现在还大多集中于中低端市场。

　　国产厂商目前主要采取的突围方式，还是做小做精，从细分领域切入，以时效和价格为驱动，从专用领域做起进驻行业客户，不断提升产品的性能和稳定性，然后迈向通用领域。

　　按照中金公司的分析，在汽车领域，国产MCU厂商的产品主要集中于车窗、照明、冷却系统等相对简单的控制应用上，目前仅比亚迪半导体、杰发科技、赛腾微电子、芯旺微、国芯科技等少数企业实现车规级MCU量产。

　　就拿比亚迪来说，从2007年进入MCU领域，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月推出车规级8位MCU BS9000AMXX系列，芯片用的还是S8051内核，主频最高为24MHZ。虽然不断在突破，然而离巨头的差距还“略远”不是?

　　那么，为什么车规级MCU技术壁垒这么高?

　　主要是车用MCU的要求非常严苛：

　　比如，良率要求小于1DPPM;工作温度区间范围宽，要求在-40～125+℃之间;工作寿命要求超过15年;需通过特定的资质认证，包括AEC-Q100可靠性标准、符合零失效的供应链质量管理标准IATF 16949规范、符合ISO26262标准的ASIL功能安全保证级别(严格程度从低到高)。

　　除了验证环节难以打开整车厂的缺口，中金公司调研认为，在整个生态环境建设上，多数国产MCU企业还停留在开发板、烧写器和基础固件库上，在开发环境(IDE)、实时操作系统(RTOS)方面，仍然依靠第三方更高层应用的支撑。在生态环境层面，国产MCU企业与国际MCU大厂相距甚远。

　　不过，这两年MCU缺货潮引发供应危机，加上美国的制裁，国内领先MCU厂商迎来发展机遇。而且，随着本土整机厂给予国内MCU厂家的验证机会增多，国内厂商有望通过不断增强MCU的产品竞争力，实现产品销量与市场份额的提升，一句话，“前途是光明的”。