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据权威市调机构预测，2020年全球MCU市场规模约为177.9亿美元，出货量超过280亿颗。预计今年的MCU规模将达到184.8亿美元，从2021至2028年的复合年增长率(CAGR)为10.1%，2028年将增长到361.6亿美元。 MCU芯片已经广泛应用于各种电子设备，包括汽车、工业、电信、医疗和消费电子等，其中汽车市场占据30.13%的MCU份额。现在的汽车一般需要50-100颗MCU芯片，MCU需求的增长主要来自汽车电动化、增强的安全特性、ADAS和自动驾驶、车内娱乐系统，以及政府对汽车废气排放的法规要求。 车规级MCU供应链及竞争格局 作为车辆控制的核心器件，MCU主要用于车身控制、驾驶控制、信息娱乐和驾驶辅助系统。汽车MCU是一个相对成熟的市场，竞争格局比较稳定。恩智浦、英飞凌、瑞萨、意法半导体和德州仪器长期以来一直占据全球汽车MCU市场的前五名，2020年市场占比超过95%。 汽车MCU针对不同的汽车应用有很多技术规格，但大都采用40/45/65nm工艺生产，制造汽车芯片的晶圆厂运营成本相比其它芯片都要高很多。因此，大多数IDM厂商，如NXP、瑞萨、英飞凌、德州仪器和Microchip，均采用第三方晶圆代工方式为客户供应MCU芯片。汽车MCU代工是一个高度集中的行业，全球范围内70% 的产能由台积电提供。 然而，MCU产能仅占台积电总产能的3%。由于2020年的疫情导致汽车行业需求下降，MCU厂商减少了订单并消化了库存。2021年伊始，全球汽车市场复苏，造成汽车芯片短期供不应求。自今年第二季度以来，马来西亚和台湾地区又经历了更为严重的疫情爆发。台积电是主要的汽车MCU晶圆代工厂，而马来西亚是NXP、瑞萨和英飞凌等供应商的封装测试(OSAT) 供应商集散地。因此，汽车MCU行业可能会再次受到重创，对芯片供应链造成更大的影响。 目前，大多数车辆和零部件生产暂停的主要原因之一就是由于汽车制造商对MCU的需求很大，而MCU却供应不足。预计汽车芯片短缺将持续到2021年底，但从2022年有望开始缓解，主要归功于如下因素： (1) 供应商和晶圆代工厂竞相扩大产能。例如，英飞凌将在2021年底建成一座12英寸晶圆厂并投入使用;2021年台积电的MCU产量将比2020年增加60%，并且正集中精力扩建南京工厂(28nm)以获得更大的MCU产能。 (2) 中国本土芯片公司正在努力进军汽车MCU市场。预计2022年开始进入大规模量产阶段，通过“国产替代”来缓解汽车MCU芯片短缺局面。例如，兆易创新计划于今年推出最新的汽车 MCU 产品系列。 中国汽车MCU厂商的发展契机 随着汽车智能化、网联化和电气化的发展趋势，长期来看汽车芯片短缺将成为常态。中国智能网联汽车产业链的供应安全，根本解决之道是建立独立自主的半导体产业供应链。而目前的芯片短缺将为中国MCU产业带来绝佳的机遇之窗。 从MCU生态链的角度来看，整个MCU生态系统涵盖很多方面，包括终端客户使用的各种软件、硬件、开发工具和开源平台。而中国目前仍然严重依赖国外的IC设计软件和开发工具，好在汽车MCU并不要求最先进的制造工艺和开发工具，这一方面的弱点对整个MCU产业来说不会构成太大的影响。 在芯片供不应求的情况下，国际汽车制造商迫切需要多种渠道来采购符合汽车质量规格的MCU。汽车厂商开始考虑增加采购渠道和候选供应商，这给中国MCU厂商带来了打入全球汽车供应链的契机。 在国内众多MCU厂商中，杰发科技(AutoChips)、芯旺(ChipON)、赛腾微、琪埔维半导体(Chipways)和比亚迪半导体等少数公司已经批量生产MCU，并进入了汽车OEM厂商供应链，但他们的产品仍然局限于简单的控制应用，例如车窗、照明和冷却系统，而在动力总成控制、智能座舱和ADAS等复杂应用中仍不多见。 MCU 是一种平台化的产品，供应商需要围绕其MCU芯片构建生态和开发者社区，提供从芯片、开发板、软件、开发工具到应用方案的整体方案。国际厂商汽车产品线丰富，可以为客户提供全系列产品和服务。目前，中国厂商正在努力布局全系列的MCU产品线，有望在以下两个方面取得突破： 车身控制：车载无线充电、环境光控制、流线型尾灯控制的MCU解决方案。这些功能特性以前只提供给高档车型，现在已经大量应用于中低档车型，需求在快速增长。例如，赛腾微电子推出了车载无线充电和流线型闪光灯尾灯控制MCU，截至2021年1月出货量已超过150万颗。 功率控制：中国厂商已经开始推出相关芯片，但目前仍然没有重量级产品。5月份，芯旺推出一款符合AEC-Q100标准、采用自研内核处理器的新型汽车MCU KF32A156，适用于电源和电机控制。与前代产品相比，该芯片具有更宽的电源域，将可用于70%的车身和电源控制单元模块。 除了完善产品线布局，打造独立的产业链也至关重要。从EDA/IP、芯片设计，到晶圆代工和封测的产业链上下游资源协调起来，将有助于国产汽车MCU产业链的健康发展。 工程师在选择车规级MCU时应考虑哪些因素? 现代的新车平均包含50-100个电子控制单元 (ECU)，每个ECU又包含一个或多个MCU，而且还需要长达一公里的电线将它们连接到多个不同的网络。对汽车电子工程师来说，为不同的功能应用设计挑选合适的MCU也是一个不小的挑战。 现在的汽车需要很多MCU来控制不同的功能。(来源：Microchip) 在传统燃油汽车的动力系统中，有用于燃油喷射、点火、节气门、冷却、自动变速器和车载诊断的独立控制系统;用于动力转向、制动器和安全气囊的底盘控制系统;前灯、雨刷、电动门、电动车窗和暖通空调也需要单独的车身控制系统。对于新型的电动车或混合动力车，电池管理、电机控制，以及高级驾驶辅助系统 (ADAS)等先进功能，都需要更多且性能更强的独立MCU。而智能座舱、各种先进的娱乐和信息系统，以及不同级别的自动驾驶，更增加了MCU和系统级芯片(SoC)的选择复杂性。 除了功能复杂性之外，车规级MCU还有严格的技术和监管壁垒。无论8位、16位，还是32位MCU，都必须满足国际汽车工程师协会 (SAE)的标准。对车规级MCU，有如下三种标准规范： 1. AEC-Q100可靠性标准; 2. 符合零失效(Zero Defect)的供应链质量管理标准IATF 16949规范; 3. 符合ISO26262标准的ASIL功能安全保证级别。 消费级MCU的不良率只要≤200DPPM就可以了，但车规级MCU的不良率要≤1DPPM，这就意味着每百万个MCU，最多只能有一个不良品;消费级MCU的工作温度范围在-30-85℃，而车规级MCU的运行环境相对恶劣，往往要求-40~125℃;车规级MCU的工作寿命一般要超过15年，消费级MCU要求3~5年即可。此外，车规级MCU还需功能安全底层软件支持，确保汽车安全稳定的运行，而且根据不同应用对资源和供应体系要求也更高。 汽车中没有孤立的MCU，所有MCU及周围的器件和功能模块都是一个网络的一部分，具体取决于它们的功能，它们相互之间需要联网通信才能协调工作。主要的汽车网络协议包括CAN、LIN、FlexRay、MOST和以太网 AVB。 控制器局域网 (CAN) 目前是驾驶舱、动力总成、底盘和车身系统的主要网络。Active Safety CAN可以控制毫米波雷达，它可以感应迎面而来的车辆并发出警告声、制动甚至转向控制;汽车仪表通过CAN总线响应来自雷达的警告，可以启动警告;对来自雷达的警告做出反应，制动控制CAN 可能会启动弱或强制动控制，具体取决于车轮速度和另一辆车的接近程度;同样对可能发生碰撞的警告做出反应，连接到安全带的 MCU 可以预张紧安全带。 本地互连网络 (LIN) 是一种低数据速率主/从网络，可控制远程无钥匙进入、照明、后视镜和车门等。通过LIN网络，当汽车开始移动时，车门可以自动锁上;安全带未系好或车灯亮着熄火时会发出警报声;或者后视镜和座椅会根据驾驶人自动重新调整为之前的设置。 与 LIN 相比，FlexRay 是一种高速、可靠的协议，适用于线控驱动等下一代应用。FlexRay 系统在响应接近警报时提供更高的准确性，增加了考虑加速角以主动转向和制动汽车以避免即将发生的碰撞的能力。 面向媒介的系统传输 (MOST) 网络处理车载多媒体，在车内路由高质量的视频、音频和数据，负责免提通话和通过汽车音响系统播放手机音乐。 虽然以太网已经非常成熟且值得信赖，但并没有广泛应用到汽车中，它通常联通发动机、底盘和车身系统中的 ECU以查找故障。 在选择适合特定汽车应用的MCU时，通过数据表通常会发现它们最适合哪些应用。一个或多个CAN端口是通用的，以太网端口也是如此。FlexRay和MOST网络需要能够处理高速数据包的MCU，而LIN要简单得多。有些通信协议通常不被直接支持，但只要硬件有足够的能力，这应该不会出现问题。 此外，汽车MCU的供电电压和各种模拟特性也需要特别注意，这包括低压检测、看门狗定时器、内置的存储器、接地、模数转换器(ADC)、零缺陷检测增强，以及外围接口和联网协议硬件辅助功能。 ●杰发科技AC781x系列车规级MCU 杰发科技(AutoChips)自主研发的芯片产品涵盖车载娱乐信息系统Soc(IVI)、车联网Soc(V2X)、智能座舱SoC(e-Cockpit)、车载音频功率放大器(AMP)、车规级微控制器(MCU)、胎压监测专用传感器芯片(MEMS)等。其中，已经通过AEC-Q100 Grade1车规认证的32位MCU AC7811于2018年实现量产，目前已批量应用于车身电子控制零部件 (BMS, OBC等)，并与国内几大主流车厂(长安、长城、BYD等)实现供应链导入。同时，杰发科技自主研发的第二代车规级MCU AC7801x系列也已于2019年实现量产，在丰富产品系列的同时，扩大了AutoChips MCU在车身应用的范围，在车身控制、传感器、车灯及电机控制领域为客户提供了更高性价比的选择。此外，可满足功能安全认证的AutoChips第三代车规MCU—AC7840x系列即将推出，该款产品采用ARM Cortex-M4内核，满足ISO26262 ASIL-B标准，工作温度支持-40℃~125℃，采用48~176Pin多种封装，可覆盖目前传统燃油车及新能源车大部分车身MCU高端应用范围。 AC781x系列MCU是基于ARM Cortex-M3内核的车规级MCU，主要应用于汽车电子和高可靠性工业领域。AC781x符合AEC-Q100认证规范，具备出色的EMC/ESD能力。其特性参数如下： 1. ARM Cortex-M3内核，up to 100MHz 2. 单周期指令32位乘法器 3. 增强型闪存加速引擎 4. 兼容CAN2.0B x2, HW LIN x1, UART LIN x1 5. 车规标准：AEC-Q100 Grade 1 6. 工作温度：-40℃~125℃ 7. 工作电压：2.7~5.5V 8. ESD：HBM 8KV,CDM 750V 9. 128位唯一识别码(UUID) 10. 封装信息：LQFP80、LQFP64。 汽车应用方案及原理图 1. BCM 2. 汽车仪表应用
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