MCU（MicrocontrollerUnit），又稱微控制器或單片機，是把CPU的頻率與規(guī)格做適當縮減，并將內(nèi)存(Memory)、計數(shù)器(Timer)、USB、A/D轉(zhuǎn)換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅(qū)動電路都整合在單一芯片上，形成芯片級計算機。從而實現(xiàn)終端控制的功能，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優(yōu)點。

MCU由Intel率先提出，經(jīng)過4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已廣泛應用于多種場景。目前市場上以8位和32位MCU為主，未來隨著產(chǎn)品性能要求的不斷提高，32位MCU的市場規(guī)模將進一步擴大。而在國內(nèi)，現(xiàn)階段8位、32位MCU企業(yè)居多，未來企業(yè)加大研發(fā)投入，將進一步實現(xiàn)MCU的國產(chǎn)替代。

MCU芯片在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應用，在此次“芯片荒”浪潮中，MCU是受影響最嚴重的芯片。

本期的智能內(nèi)參，我們推薦方正證券的報告《MCU深度報告》， 從行業(yè)概況、產(chǎn)業(yè)鏈分析、應用領(lǐng)域三方面還原MCU行業(yè)全景。

原標題：

《MCU深度報告》

作者： 陳杭

微控制單元(Microcontroller Unit；MCU) 就是我們俗稱的“單片機”。 MCU內(nèi)部的功能部件主要是CPU、存儲器（程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器）、I/O端口、串行口、定時器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器等八大部分，還有一些諸如時鐘振蕩器、總線控制器和供電電源等輔助功能部件。

此外，很多增強型單片機還集成了A/D、D/A、PWM、PCA、WDT等功能部件，以及SPI、I2C、ISP等數(shù)據(jù)傳輸接口方式，這些使單片機更具特色、更有市場應用前景。

MCU結(jié)構(gòu)

在MCU應用中，真實世界的各種物理量，通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號調(diào)理，再通過放大器進行放大，然后通過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在MCU或CPU或DSP等處理后，再經(jīng)由DAC還原為模擬信號，最后通過功率驅(qū)動器實現(xiàn)輸出。

MCU信號鏈

MCU由Intel率先提出，經(jīng)過4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已廣泛應用于多種場景。目前市場上以8位和32位MCU為主，未來隨著產(chǎn)品性能要求的不斷提高，32位MCU的市場規(guī)模將進一步擴大。而在國內(nèi)，現(xiàn)階段8位、32位MCU企業(yè)居多，未來企業(yè)加大研發(fā)投入，將進一步實現(xiàn)MCU的國產(chǎn)替代。

目前市場的MCU以8位和32位為主。其中8位MCU憑借超低成本、設計簡單等優(yōu)勢，活躍于市場，特別是中國市場。

由于32位MCU出現(xiàn)并持續(xù)降價及8位MCU簡單耐用又便宜的低價優(yōu)勢下，夾在中間的16位MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產(chǎn)品。

MCU位數(shù)及其應用場景

目前市場上主流的MCU中央處理器，包括由Intel開發(fā)MCS-51內(nèi)核、由英國公司ARMHoldinds開發(fā)的ARM Cortex-M內(nèi)核、由Motorola開發(fā)的6800內(nèi)核、由MIPSTechnologies, Inc.開發(fā)的MIPS內(nèi)核、由Atmel公司開發(fā)的AVR內(nèi)核、由MicrochipTechnologies公司開發(fā)PIC內(nèi)核、由加利福尼亞大學伯克利分校開發(fā)的RISC-V內(nèi)核。

MCU常見中央處理器

據(jù)2020中國通用微控制器市場簡報：市場上MCU，32位占比54%、8位占比43%；RISC指令集的MCU占比76%，CISC指令集的MCU占比24%；通用型MCU為主，占比73%；市場上MCU內(nèi)核類型以ARM Cortex、8051和RISC-V為主，分別占比52%、22%和2%。

MCU產(chǎn)業(yè)鏈上游可分為原材料供應商和代工廠商（與中游Fabless廠商合作），原材料主要為圓晶、以及來自于ARM等的內(nèi)核授權(quán)；代工廠商主要包括臺積電、格羅方德、聯(lián)電、中芯國際、華虹半導體等。

2019年頭部的臺積電、格羅方德、聯(lián)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%，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。

2019年MCU代工廠競爭格局

全球MCU供應商以國外廠商為主，行業(yè)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(yè)市占率超過80%。

中國MCU奮起直追，逐步擴大市場份額：國內(nèi)MCU芯片廠商在中低端市場具備較強競爭力。兆易創(chuàng)新、華大半導體、中穎電子、東軟載波、北京君正、中國臺灣企業(yè)新唐科技、極海半導體等市占率穩(wěn)步上升。

另外， 國外大廠如意法半導體、瑞薩電子、德州儀器、微芯、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(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)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；中國臺灣企業(yè)盛群、松翰、新唐以及大陸廠商士蘭微、華大半導體等采用IDM模式。

2019年全球MCU競爭格局

2019年中國MCU競爭格局

國外廠商產(chǎn)品齊全，國內(nèi)廠商集中在消費電子領(lǐng)域：國外廠商產(chǎn)品種類齊全，覆蓋消費電子、汽車電子、工業(yè)控制領(lǐng)域，且產(chǎn)能分布較為均衡，國內(nèi)廠商產(chǎn)能主要集中消費電子特別是家電領(lǐng)域，芯旺微、比亞迪等企業(yè)擁有車規(guī)級MCU產(chǎn)品，其他廠商尚處在研發(fā)或認證階段。

國內(nèi)外廠商產(chǎn)品位數(shù)相差不大：國外廠商如意法半導體、恩智浦、微芯科技等主流產(chǎn)品均為32位，部分國內(nèi)廠商如中穎電子產(chǎn)品以8位為主，目前大部分國內(nèi)廠商均具備32位產(chǎn)品生產(chǎn)能力，整體差距不大。

內(nèi)核方面，各家廠商均以ARM內(nèi)核為主，國內(nèi)廠商主要使用ARM Cortex-M0/M3內(nèi)核，國外廠商對更性能更好的M4/M7內(nèi)核使用率較低。另外部分國外廠商如微芯科技擁有自主開發(fā)的內(nèi)核，國內(nèi)廠商中芯旺微擁有自研內(nèi)核。

在應用領(lǐng)域上，全球汽車電子占比最高，中國集中在家電領(lǐng)域。據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，2019年全球MCU下游應用主要分布在汽車電子(33%)、工控/醫(yī)療(25%)、計算機(23%)和消費電子(11%)四大領(lǐng)域。具體到中國，2019年中國MCU市場銷售額集中在消費電子(26%)、計算機網(wǎng)絡(19%)領(lǐng)域，而汽車電子(16%)及工業(yè)控制(11%)領(lǐng)域的MCU占比則顯著低于全球水平，中國MCU應用仍主要集中在家電等品類。

2019年全球MCU應用分布

2020年中國MCU應用領(lǐng)域銷售額分布

伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，MCU市場經(jīng)歷價量齊升的過程。未來物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)端到端人機互動，幾乎每個設備每個端都需要一個甚至多個MCU。更多的數(shù)據(jù)更高的計算要求，推動設備向32位高端MCU升級。

根據(jù)GSMA數(shù)據(jù)，2018年全球物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量為91億個，2010-2018年復合增長率為20.9%，預計2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設備將高達252億個。

中國物聯(lián)網(wǎng)整體規(guī)模逐年增長，2015年中國物聯(lián)網(wǎng)整體規(guī)模為7500億元，預計2020年達到18300億元，2015年-2020年復合增長率為19.5%。

全球物聯(lián)網(wǎng)設備連接數(shù)量及預測情況

中國物聯(lián)網(wǎng)整體規(guī)模及增長率

設備聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵在于組網(wǎng)技術(shù)，組網(wǎng)技術(shù)有LoRa（遠距離無線電）、Zigbee（短距離低速）、WiFi、NB-IoT（蜂窩網(wǎng)絡）、藍牙，需要搭配響應的組網(wǎng)模塊才能遙控設備。

我國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)2020年達到35億，2017-2020的復合增長率為34%。主要的組網(wǎng)方式是WiFi和藍牙，2020年WiFi和藍牙組網(wǎng)技術(shù)占比達67.3%，蜂窩網(wǎng)絡組網(wǎng)占比逐年提升，由2017年的3%上升到2020年占8.75%。

中國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)（單位：億）

根據(jù)Techno Systems Research 2017年2月及2018年2月發(fā)布的各年度研究報告，在物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi MCU 芯片領(lǐng)域，樂鑫是與高通、德州儀器、美滿、賽普拉斯、瑞昱、聯(lián)發(fā)科等同屬于第一梯隊的大陸企業(yè)。

目前主流嵌入式WiFi芯片企業(yè)包括:高通(美國)、瑞昱(中國臺灣)、樂鑫、博通集成、聯(lián)盛德以及博流，國產(chǎn)替代率高。

主流WiFi MCU性能對比

家電智能化趨勢：機械按鍵交互向觸摸語音交互轉(zhuǎn)變、數(shù)碼管顯示向液晶顯示轉(zhuǎn)變、單頻向變頻轉(zhuǎn)變等。計算能力和抗干擾能力要求增大，需求向更高級的MCU轉(zhuǎn)移。

2020年，中國智慧家庭產(chǎn)品出貨總量達到2.8億臺，到2025年出貨總量將增長至8.1億臺，年復合增長率可達23.7%。

家庭視頻視訊設備（電視機、機頂盒）和智慧安防產(chǎn)品（攝像頭、門鎖）占比最高，分別達到39.2%和19.6%；智能白電（冰箱、空調(diào)、洗衣機）占比接近兩成，達到17.1%。

中國智慧家庭出貨量及預測（單位：百萬臺）

全國家用電器工業(yè)信息中心數(shù)據(jù)顯示，2019年國內(nèi)市場家電零售額規(guī)模8032億元，同比增長率為-2.2%。

根據(jù)《IDC中國智能家居設備市場季度跟蹤報告》，2019年上半年中國智能大家電市場出貨量約為2838萬臺，同比增長22.8%。

家電市場整體表現(xiàn)平穩(wěn)，智能家電市場的銷售保持穩(wěn)步增長態(tài)勢。傳統(tǒng)家電智能化轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

2016-2019年中國家電行業(yè)零售額

八大家電企業(yè)自給率高，紛紛加速智能化轉(zhuǎn)型，加速家電芯片國產(chǎn)替代進程

一般家電芯片包括MCU主控芯片、電源管理芯片、通信芯片、驅(qū)動芯片和圖像處理芯片，目前家電企業(yè)的造芯進程中，幾乎所有芯片都已布局。八大家電企業(yè)造芯布局中，MCU的占比最高，達到34%

家電MCU國產(chǎn)替代程度高，中穎電子在中國小家電MCU中處于領(lǐng)先地位，據(jù)中國產(chǎn)業(yè)信息統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2017年中穎電子在中國家電MCU中的占比為19.8%，排名第三，與排名前二的MCU廠家盛群半導體（22.6%）和盛群電子（21.2%）的差距不大，預計未來小家電領(lǐng)域MCU國產(chǎn)替代率會進一步提升。

八大家電布局芯片類型占比

2017年中國小家電MCU競爭格局

2016年蘋果發(fā)布第一代Air Pods，開創(chuàng)真無線耳機（TWS）時代，iPhone 12系列取消標配耳機，再次引發(fā)TWS耳機銷量暴增。

傳統(tǒng)有線耳機線路簡單，無需配置MCU主控芯片。

TWS產(chǎn)業(yè)鏈主要包括ODM廠商，無線耳機和充電盒元器件廠商，其包括主控芯片、存儲芯片、FPC、語音加速感應器、MEMS、過流保護IC、電池等。

據(jù)Counterpoint預計，TWS耳機市場會有十年前智能手機一樣的增長趨勢，智能手機市場2009-2012年CAGR為80%，預計TWS市場2019-2022年CAGR為80%。

在Air Pods引爆市場后，各手機廠商如華為、OPPO、vivo、小米以及傳統(tǒng)音頻廠商Sony、BOSE、1MORE、漫步者紛紛跟進推出相關(guān)產(chǎn)品，蘋果市場份額雖仍是第一，其他品牌耳機也在加速搶占，使得蘋果市場份額逐年減少，據(jù)Statista數(shù)據(jù)，蘋果TWS耳機市場占有率從2018年Q4的60%下降到2019年Q3的45%。

TWS耳機市場競爭格局

高端手表處理的任務多，需要用內(nèi)嵌操作系統(tǒng)的SoC，而手環(huán)只需要時鐘、記步、統(tǒng)計熱量小號、測血壓等簡單的功能，使用MCU即可。

隨著智能手表性能和功能的加強，使用帶系統(tǒng)的SoC+MCU會是的趨勢，其中WiFi模塊中集成了MCU，另外需要多一顆MCU來鏈接眾多的傳感器，輔助SoC采集數(shù)據(jù)。

小米手環(huán)3拆解

得益于硬件創(chuàng)新，智能手表逐步成熟，與智能手機組成的應用生態(tài)日趨完善。通過定位聚焦于運動、健康、移動支付領(lǐng)域，行業(yè)持續(xù)加速發(fā)展，預計2021年智能手表的支出將達到273.88億美元。

智能手環(huán)相比智能手表，性能較低、功能單一、只支持蘋果或安卓單一操作系統(tǒng)。t4ai預測未來整個智能手環(huán)市場將持續(xù)萎縮。

小米智能手環(huán)市場占有率高，預計未來市場集中度進一步提升。

全球智能手表消費趨勢

未來，智能手表行業(yè)將更進一步地向頭部集中。蘋果、三星、華為、Garmin將占據(jù)超過75%的市場份額。

參考智能手機市場的發(fā)展，未來蘋果TWS耳機的市場份額會進一步下降，而國內(nèi)廠商諸如小米、華為、OPPO、vivo等手機廠商會快速崛起，為芯片國產(chǎn)替代提供條件。目前充電盒國產(chǎn)主控MCU方案成熟，如芯?？萍?、昇生微、微源半導體等均有成熟的方案且被各大TWS品牌商采用。

2020上半年全球主要智能手表企業(yè)

ECU（Engine Control Unit），即發(fā)動機控制單元，特指電噴發(fā)動機的電子控制系統(tǒng)。但是隨著汽車電子的迅速發(fā)展，ECU的定義也發(fā)生了巨大的變化，變成了electronic control unit即電子控制單元，泛指汽車上所有電子控制系統(tǒng)。而原來的發(fā)動機ECU有很多的公司稱之為EMS（Engine Management System）。

常見的ECU有導航ECU、安全氣囊ECU、引擎ECU、電動車窗ECU、懸吊系統(tǒng)ECU。

ECU由MCU、存儲器、輸入/輸出接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器以及驅(qū)動等集成電路組成。其中MCU是ECU真正起到控制作用的關(guān)鍵。

汽車ECU

汽車電子應用已經(jīng)占據(jù)超過1/3的MCU市場，汽車向智能化過程中，對安全、環(huán)保要求越來越高，因此對MCU的需求增長迅猛。據(jù)IC Insights預測，車用MCU銷售額將在2020年接近65億美元，并在2023年達到81億美元。

據(jù)Strategy Analytics統(tǒng)計，傳統(tǒng)燃油車中MCU占整車半導體價值的23%，純電動汽車MCU占整車半導體價值的11%，2018年傳統(tǒng)燃油車單車半導體價值量為338美元，新能源汽車單車半導體價值量為704美元，MCU價值量在傳統(tǒng)燃油車和新能源車中相當，均為78美元左右。

燃油和電動汽車半導體占比

據(jù)Strategy Analysis數(shù)據(jù)，全球以及國內(nèi)車載MCU市場主要由恩智浦、瑞薩、英飛凌、德州儀器、微芯科技占領(lǐng)，共占約85%市場份額。

汽車級MCU產(chǎn)品品質(zhì)嚴苛，認證過程很復雜，投入大，短期內(nèi)難有盈利。目前國內(nèi)汽車級MCU已量產(chǎn)的公司有：杰發(fā)科技、上海芯旺微電子、賽騰微電子、中微半導體等公司。

國內(nèi)車載MCU起步晚，較少公司涉及該領(lǐng)域業(yè)務，未來國產(chǎn)替代潛力巨大。

MCU是實現(xiàn)工業(yè)自動化的核心部件，如步進馬達、機器手臂、儀器儀表、工業(yè)電機等。以工控的主要應用場景——工業(yè)機器人為例，為了實現(xiàn)工業(yè)機器人所需的復雜運動，需要對電機的位置、方向、速度和扭矩進行高精度控制，而MCU則可以執(zhí)行電機控制所需的復雜、高速運算。

工業(yè)4.0時代下工業(yè)控制市場前景廣闊，催漲MCU需求。根據(jù)Prismark統(tǒng)計，2019年全球工業(yè)控制的市場規(guī)模為2310億美元，預計至2023年全球工業(yè)控制的市場規(guī)模將達到2600億美元，年復合增長率約為3%。根據(jù)賽迪智庫的數(shù)據(jù)，2020年中國工業(yè)控制市場規(guī)模達到2321億元，同比增長13.1%。2021年市場規(guī)模有望達到2600億元。

全球工業(yè)控制市場規(guī)模及其增速

中國工業(yè)控制市場規(guī)模及其增速

MCU市場現(xiàn)被國外廠商主導，國內(nèi)廠商雖百花齊放，但占比較低，國產(chǎn)替代空間巨大。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，2019年全球MCU市場主要被微芯、意法半導體、瑞薩、德州儀器、恩智浦等廠商占據(jù)，前五大廠商合計市場份額達72.8%。中國MCU市場主要被意法半導體、恩智浦、微芯、瑞薩、英飛凌等廠商占據(jù)，前五大廠商合計市場份額達74.42%。

近期MCU市場缺貨行情持續(xù)，本土MCU產(chǎn)業(yè)鏈有望加速產(chǎn)品的市場拓展，提升產(chǎn)品的價值量或出貨量，從而充分受益于MCU市場高漲的應用需求。另一方面，高性能MCU的價量齊升，帶來可觀的毛利率，驅(qū)使更多國內(nèi)優(yōu)秀企業(yè)進軍MCU領(lǐng)域，加快實現(xiàn)國產(chǎn)替代。

國內(nèi)廠商在工業(yè)控制MCU產(chǎn)品方面，銷售收入及其占比逐年上升，產(chǎn)品出貨量增長顯著，國產(chǎn)替代指日可待。

智東西認為，隨著我國電動汽車如火如荼的快速發(fā)展，在汽車電子上的應用使得MCU芯片未來注定在我國的芯片行業(yè)中扮演者一個十分重要的角色。但是，現(xiàn)階端國產(chǎn)MCU主要還是集中在家電等行業(yè)低端應用行業(yè)。好消息是，雖然32位MCU是現(xiàn)在的主流，但國內(nèi)廠商有優(yōu)勢的8位芯片仍然在物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)中有著廣泛的應用，在國外巨頭的統(tǒng)治下，國產(chǎn)MCU仍然有著不差的生長土壤，假以時日大規(guī)模的國產(chǎn)替代也不是不可能。