MCU的工作原理汽車MCU產業鏈上下游廠商梳理

什么是MCU

MCU即微控制單元（Micro Controller Unit），即微控制器，又叫單片機，是把CPU、外圍功能、儲存功能等多種功能模塊和接口集成在單個芯片上，作為高度集成的微型計算機控制系統，實現終端控制的功能，具有性能高、功耗低、可編程、靈活度高等優點。已廣泛應用于汽車電子、工業控制、儀器儀表、家電等領域。 ? 在汽車電子的各個系統當中，往往需要采用車用MCU（車用微控制器）作為運作控制的核心，負責各種信息的運算處理，用于汽車的動力總成、輔助駕駛、網絡互聯、底盤安全、信息娛樂以及車身電子等方向。 ? 車規級MCU示意圖：

▲?資料來源：公開資料、編寫單位提供

MCU的基本結構

MCU主要由中央處理器CPU、存儲器（ROM和RAM）、輸入輸出I/O接口、總線、計數器等構成。

中央處理器（CPU）

是 MCU 內部的核心部件，運算部件能完成數據的算術邏輯運算、位變量處理和數據傳送操作，控制部件則按照一定時序協調工作，分析并執行指令。 ?

存儲器（ROM和RAM）

任何計算系統都需要兩種類型的存儲器：程序存儲器和數據存儲器。程序存儲器，顧名思義，包含程序，即要由CPU執行的指令。另一方面，數據存儲器需要在執行指令時存儲臨時數據。通常，程序存儲器是只讀存儲器（ROM），數據存儲器是隨機存取存儲器（RAM）。

輸入輸出I/O接口

單片機與外部世界的接口由輸入/輸出端口（I/O端口）提供。開關、鍵盤等輸入設備以二進制數據的形式從用戶向CPU提供信息。CPU在接收到來自輸入設備的數據后，執行適當的指令并通過LED、顯示器、打印機等輸出設備做出響應。

定時器/計數器

單片機的重要組件之一是定時器和計數器。它們提供時間延遲和計數外部事件的操作。此外，定時器和計數器可以提供函數生成、脈寬調制、時鐘控制等。

總線

單片機的另一個重要組件，但很少講到，它就是系統總線。系統總線是一組連接線，將CPU與其他外圍設備（如內存、I/O端口和其他支持組件）連接起來。

MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐條執行預存指令的過程，不同類型的單片機有不同的指令系統。為了讓一個單片功能自動完成某項具體任務，必須將所要解決的問題編成一系列的指令，并且這些指令必須是由一個單獨的函數來識別和執行的，這樣一系列指令的集合就變成了程序，這些程序需要預先儲存在有存儲能力的存儲器中，也就是我們常說的內存。 ? 由于程序是按順序執行的，因此程序中的指令也是一條條地存儲，MCU在執行程序時要將這些指令逐個提取并執行，必須擁有能夠跟蹤指令所在存儲單元的功能，這個部分就是程序計數器PC(包括CPU在內)，當程序開始運行時，PC將會被分配到程序中每一條指令的存儲單元，并一一執行該項指令，PC中的內容自動增加，增加量由這個指令長度決定，每一條都指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執行。 ? 內核架構是影響MCU性能的一個關鍵要素，更優秀的運算單元需要更先進的內核架構。十幾年前，各大MCU廠商均采用各自的內核，如瑞薩采用RX內核，飛思卡爾采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。隨著ARM推出Cortex-M架構并開展了獨特的開創IP授權的模式，以其軟件代碼的共享和高兼容性、高密度指令集等特點，現已逐步占據主導地位。

車規MCU的種類

車規MCU按位數可分為8位、16位和32位。位數即MCU單次處理數據寬度，位數越高，MCU性能越強。 ? 8位MCU成本/功耗低，便于開發，性能可滿足大部分場景需要，廣泛應用于基礎功能如風扇、雨刷、天窗，座椅控制等領域。32位MCU運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統等領域。32位的CPU內核以ARM為主流架構，由于CPU指令集龐大，軟件開發難度較高，單價一般數倍于8位MCU，因而也有較高的研發壁壘。

從價格上來說，一般8位MCU的單價小于1美元，16位MCU的單價在1-5美元之間，32位MCU價格在5-10 美元之間，部分高端產品在 10 美元以上。但在市場極端缺貨情況下，汽車MCU的單價波動幅度極大，TI旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飆漲，曾一度賣到5000元一顆，此后該芯片單價一度下滑至2000元，2023年3月又漲至4000余元。汽車市場出貨的晴雨不一，芯片價格也隨之共振。 ? 近年來，由于汽車智能化和電動化快速發展，汽車電子面臨的應用場景越來越復雜，32位MCU的用量正逐步提高，用量提升進一步降低了32位MCU的單價，在性能要求提高和產品單價降低的同步驅動下，目前32位MCU在汽車領域應用占比最高。

MCU技術發展趨勢

更高算力

隨著汽車智能化程度的不斷增加，車規級MCU將向多功能集成、高算力及超低功耗方向發展，且使用數量也會隨之增加。同時，未來智能汽車中大量使用的車載傳感器、車載攝像頭，也需要高性能的MCU來做模擬數據的運算處理與驅動控制。因此，在未來更高階自動駕駛等級的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢下，總線寬度32位乃至64位高算力車規級MCU將成為主流產品，而8/16位中低端MCU則會被更高制程的SOC所集成，失去增長動力。

更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求會指數上升，部分MCU會和GPU，DSP，NPU和AI處理單元等不同類型芯片共同被集成到SoC(系統級芯片)上。SoC是MCU集成度更高的結果，其功能更復雜，資源利用效率更高，可勝任如無人駕駛和智能座艙等需要高算力的場景。

?更高開放度

由于ARM內核IP授權費高昂(芯片售價的2%-15%)，很多廠商已開始基于開源的RISC-V內核開發MCU，如瑞薩，英特爾，兆易創新等。RISC-V不僅完全免費開源，還具有低功耗，指令集精簡，設計編譯簡單，支持模塊化和可拓展等的特點，這和車規級MCU場景碎片化，功能模塊化的特點十分契合。

汽車MCU產業鏈上下游廠商梳理

在汽車MCU的產業鏈中，芯片設計公司也就是MCU原廠處于中游位置，全球主要的汽車MCU廠商幾乎都具備IDM能力，不過出于成本考慮，在進行產能調整時部分IDM廠商也會選擇第三方晶圓代工；上游主要是半導體設備以及硅片、光刻膠等原材料；下游則是主要不同的終端應用。 ? 因此我們可以將MCU的產業鏈簡單分為上游原材料設備、中游設計制造、下游應用三個方面。

汽車MCU產業鏈，與一般的消費和工業用芯片產業鏈不同之處主要在晶圓制造以及封裝測試部分。由于對芯片可靠性要求高，在汽車行業中，整個產品流程都需要通過多項車規認證，包括從芯片設計到晶圓廠和封測廠等需要通過IATF16949或更高的ISO26262的體系認證，芯片要通過AEC-Q100等認證等。

結語

隨著智能網聯汽車的發展，新型汽車相對于傳統汽車而言，對于傳感器和MCU的需求以數量級方式上升。由于本土供應的市場足夠大，國內芯片原廠競相涌入汽車MCU市場，更多人才的加入為汽車MCU領域帶來了良好的發展，有利于提升技術能力，豐富國產車規MCU產品矩陣，實現產業良性競爭。未來，在本土供應浪潮和中國新能源汽車品牌及市場持續增長的帶動下，期待國內車規MCU繼續加速成長。下面是全球MCU原廠100強名單。