架構創新的AVR單片機

是第二代MCU蓬勃發展的縮影

20世紀的90年代初，挪威理工大學的兩個研究生Alf-Egil Bogen和Vegard Wolla因不滿于當時主流的馮·諾依曼架構在計算性能和數據處理速度方面的局限性，開拓性的基于哈佛結構發明了一套Flash存儲器的RISC控制器架構，接下來的幾年里，?Alf和Vegard不斷完善設計，成就了后來赫赫有名的AVR單片機。

Alf和Vegard共同定義的AVR架構珍貴手稿 圖片來源：網絡 ? Alf和Vegard堅信他們的創新設計極具競爭優勢，應該找一個合適的合伙公司將它商業化。此后，他們獲得了去往總部位于美國加州硅谷的Atmel推廣的機會。當時的Atmel已經在存儲器和基于c51架構的微處理器產品上嶄露頭角。 ? 此后，Atmel做了一個徹底改變其公司命運的決定：設立挪威研發中心，全力支持Alf和Vegard的創新架構的商業化。1997年首款以Alf和Vegard首字母命名的基于RISC指令架構的AVR單片機1890S1200成功上市并大獲成功！? 當時的1890S帶有采用系統內編程方式的內置Flash存儲器，板載EEPROM,在此基礎上還提供了免費的開發工具AVR Studio，提供低成本的硬件仿真器并免費贈送軟件工具。這個策略很快就被其快速增長的銷量業績證明是非常成功的。 ? AVR面世10年后的2007年，Atmel的AVR單片機年出貨量已經高達3億片，一舉躍入8位MCU全球前五行列，并在2010年進入全球前三，Atmel因此獲得了巨大的商業成功。 ? “讓Atmel大獲成功的因素除了其創新的系統架構、更高的集成度、Atmel自有的Flash工藝、單周期執行指令和高代碼密度的低功耗與高性能的折中優化、穩定可靠的產品外，其易用的開發板、免費的軟件工具、豐富的應用筆記文檔、成熟的基礎代碼、24小時全球覆蓋的線上技術支持、粉絲人氣活躍的社區論壇、機制健全的線下技術培訓機制、全面的銷售渠道體系等也起著舉足輕重的作用。”時任Atmel亞太區AVR產品線負責人的熊海峰總結道。? 這些競爭力的融合逐漸成為主流歐美MCU品牌的標準配置，時至今日依然值得國產MCU廠商學習和效仿。 ?

ARM內核普及，生態為王

如果我們把Intel早期主導的的x51以及這個架構的前序架構稱作為第一代MCU，那么AVR的發展史基本上代表了基于各家自定義架構的第二代MCU的發展，除此之外還有Microchip的PIC系列、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430等優秀架構。

近10年，隨著應用測對于性能要求和處理能力的提升，32位MCU逐漸成為市場主流。效仿在第二代8位MCU上的發展，各家主流MCU廠商紛紛推出基于各自架構的32位MCU，但絕大部分都逐漸被同一種內核代替，也就是目前市場占有率最高的ARM處理器內核。 ? ARM處理器在20世紀90年代依然發展平平，進入21世紀后由于手機的快速發展，出貨量呈現爆炸式增長，ARM處理器占領了全球手機市場，占有率高達90%以上。ARM開放的商業模式，在手機市場中充分驗證的架構成熟度在MCU市場逐漸代替各家自定義架構，形成了第三代MCU的產品形態，即基于ARM內核的32位MCU。? 這一趨勢也引領著MCU廠商逐漸將主要精力從架構轉向產品本身，其競爭力更多體現在對于產品定義的把握以及產品開發和迭代的速度。產品定義來源于應用側需求，如何更精準的把握和預測下游廠商的應用需求。

MCU芯片生態組成? 圖片來源：芯師爺 ? 經過10多年的產品迭代和彼此競爭發展。基于ARM內核的歐美主流MCU廠商在產品組合和生態方面都取得了長足發展，也形成了一整套成熟的方法論。這一整套的生態和方法論恰恰是國產MCU與積累了數十年的歐美老牌MCU廠商相比所欠缺的核心要素之一。? 同樣是強大的生態使得ARM在MCU領域的地位依然堅不可摧，RISC-V的開源策略或許可在其他領域奏效，但在MCU領域，ARM的時代遠未過去。 ?

物聯網的應用爆發催生“MCU+”

近些年，內核的歸一化，產品形態的同質化讓歐美品牌之間的產品差異也在逐漸縮小，比拼價格不單單是國產MCU的普遍現象，也成為歐美品牌間爭奪客戶的關鍵要素之一。

與此同時，近幾年物聯網爆發式的增長以及傳統產品的智能化改造對MCU提出了重新定義的需求。基于傳統MCU需要添加越來越多的外圍器件才能滿足這些新的產品需求。 ? 比如：傳感器的普遍使用對MCU的片上運放和ADC都提出了更高的精度要求，也需要更為低功耗的定制系統架構來延長電池壽命；無線應用的普及需要將無線無縫的融入應用系統，催生了Wireless MCU的產生；對于語音和詞條的智能識別不再是專用芯片的專利，而成為MCU需要附加的功能；對于流量和電荷等的計量除了實現計量外，還需要更為智能化的可自定義的功能……越來越多的垂直領域呈現類似的“MCU+特定功能”的需求。在被發明半個世紀之際，這些需求無不例外的都指向了MCU的重新定義。 ? Atmel在2016年被老對手Microchip收購，對比兩家來說，Atmel產品定義一直中規中矩，產品穩定可靠。而Microchip一直尋求自身在產品定義，產品特性上的差異化，通過大量市場調研，針對應用場景和特定垂直應用提取共性的定制需求，注重更高性能模擬電路部分的功能整合，最后形成獨特定義的MCU。 ? 其目標市場的單個客戶體量不會特別大，但銷售單價高，毛利率較高。某種意義上也代表MCU+的優勢，間接驗證了MCU+的商業邏輯。Microchip整合了包括Atmel在內的多家公司之后的策略依然是毫不猶豫的剝離低毛利同質化的產品，保持差異化獲勝和高毛利銷售。

順勢而生的MCU+

或助力國產MCU彎道超車！

早年，國產MCU在ARM內核方向的一個重要發展分支是做歐美品牌的兼容替代。由于與被替代品的價格差較明顯，Pin-to-Pin甚至是Register-to-Register替代方便，存量市場給初入者帶來了業績的快速成長。

隨著進入者越來越多，替代產品質量良莠不齊，這門生意越來越不具有可持續性。不過我們也慶幸的看到像華大半導體這樣有特色的MCU廠商開始自主定義和開發更有差異化更有競爭力的ARM MCU產品，這樣的踐行也給華大帶來了業務的飛速成長。我們也看到類于泰矽微這樣深入行業，深入市場和應用，致力于定義物聯網時代新的MCU形態的創新型初創公司。

摸索中前行的國產MCU更應回歸商業的本質---盈利。放下急功近利的心態，無論是產品開發還是銷售。

01、從產品開發出發，認真打磨

一顆小小的、看似簡單的MCU芯片內，從數字到模擬集成了超過50個的核心IP。尤其是模擬IP，每個IP都需要工匠般的精心打磨，長時間的大量仿真，不斷的調整電路和參數，不斷的流片，不斷的迭代，開發沒有任何捷徑。

MCU看似簡單，但因為其通用型，在應用場景上非常多樣化并難以預測。而大量的出貨又要求產品的高度一致性和低不良率。這就要求電路的設計需要具備更好的容忍度，容忍一定的工藝偏差，容忍不同的溫濕度和電磁工作環境，容忍各種外設組合工作下的穩定性，甚至需要考慮外圍應用設計的容錯性。這才具備了可靠性，高品質MCU產品的基本要求。 ?

02、后MCU需要更精準的產品定義

無論是像Microchip這樣成功的踐行者，還是像Tinychip這樣專注于精準定義MCU+并初獲認可的探索者，都是這個方向的典型代表。產品給芯片原廠帶來的是利潤，而給客戶帶來的是價值。只有更高的附加價值才會帶來高額的利潤。物聯網的到來則把MCU的產品重新定義從一個基本準則推升到了勢在必行的地步。

03、物聯網時代的生態尤為重要

物聯網本身就具備超長生態鏈的典型特征。MCU的生態與物聯網生態的重疊、銜接與融合將會起到相互促進和共同發展的作用。擁抱生態，融入生態，擁有生態是與歐美品牌MCU廠商進入正面交鋒的基本條件。

04、芯片國產化的大背景助推

芯片國產化推動著技術與資本的化學反應，MCU作為一個頗有爭議的方向，其反應程度并不算劇烈。而在物聯網這個催化劑下，MCU自身正在悄然發生變化，無論是叫“后MCU”也好，或者是Tinychip所定義的“MCU+”也罷，先知先覺的資本已經開始悄然布局。對于資本市場來說，只要碰上認真踏實做事的團隊，靠譜接地氣的創始人，大膽出手，一定能投出平臺級的新型MCU公司。

05、國內MCU的市場前景可期

國內MCU市場高達400多億人民幣，如果進一步融合應用側形成MCU+的形態，加之基于物聯網應用的爆發，未來的千億市場是可以預期的。如此龐大的市場可以容納多家國產芯片的存在，廠商更應立足于自身優勢，避免一窩蜂的相互踩踏。畢竟，利潤才是商業的本質。

在國產MCU領域，出現平臺級芯片公司的前提條件是可以與歐美品牌正面競爭和抗衡。目前來看無論是產品還是生態都尚存一段差距。除了逐步補齊差距外，在物聯網爆發之際，從新興市場切入，深耕行業，走MCU+的道路或許是彎道超車的良機。