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从MCU峰会,看国产MCU走向成熟的几个标志

时间:2020-08-14 作者:黄烨锋 阅读:
目前国内MCU厂商主要在消费电子、智能卡和水电煤气仪表等中低端应用领域竞争,在市场潜力大且利润比较高的领域,比如工业控制、汽车电子和物联网市场,都被国外的MCU厂商垄断。”即从发展阶段来看,国产MCU厂商处在高速发展期,并且可能还有很大的上升空间。
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在《30家国产MCU厂商综合实力对比》一文中,电子工程专辑主分析师Steve Gu总结说:“2008-2018年间,中国 MCU市场年平均复合增长率(CAGR)为7.2%,是同期全球MCU市场增长率的4倍,2019年中国 MCU 市场规模达到256亿元。预计2020年中国MCU市场规模将超过268亿元,市场增长速度仍将领先全球。”这表明了中国MCU市场规模的庞大,即便在大环境逆势下也依然保持着相对高速的增长。FNKEETC-电子工程专辑

而“预计2020年国产MCU厂商的销售额将达到148亿元人民币,占整个中国MCU市场的55%”,则表明国产MCU厂商在技术和市场上正在奋起直追。FNKEETC-电子工程专辑

不过“目前国内MCU厂商主要在消费电子、智能卡和水电煤气仪表等中低端应用领域竞争,在市场潜力大且利润比较高的领域,比如工业控制、汽车电子和物联网市场,都被国外的MCU厂商垄断。”即从发展阶段来看,国产MCU厂商处在高速发展期,并且可能还有很大的上升空间。FNKEETC-电子工程专辑

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国产MCU正奋起直追的趋势,从近期Aspencore在上海举办的“2020全球MCU技术与应用峰会”也能看得出来。参与演讲的唯二两家国际MCU厂商瑞萨电子与Silicon Labs,不管是前者分享以工业控制为主的应用市场,还是后者在8位MCU方面的技术特色,都表明这些MCU国际大厂的发展程度都已经相当之高。FNKEETC-电子工程专辑

但从其余MCU国产厂商关注的技术与市场侧重点,则又能发现国产MCU未来逐步迈向成熟的迹象。FNKEETC-电子工程专辑

广且专的发展思路

去年兆易创新首发RISC-V通用MCU,在全球范围内都引发了相当的关注。当时兆易创新产品市场总监金光一先生就曾提到兆易创新的MCU“百货公司”战略。在MCU技术与应用峰会的圆桌上,金光一再度提到,兆易创新的MCU“百货商店”一方面在增加通用度,提高产品的覆盖度;另一方面则在“关注垂直市场”,即推出专用MCU,如根据接口、算力等方面的需求推出专用产品;以及打造更好的服务生态。FNKEETC-电子工程专辑

体现上述覆盖“广”这一特点的,兆易创新GD32系列MCU,从性能上就覆盖了从入门到高性能增强型的各类需求。内核则有Arm、RISC-V两大产品线,在Arm之下还有包括Cortex-M23、M3、M4、M33的产品可选。“27个系列,360余个型号,具备了灵活的选择方式。而且所有产品线都相互兼容,硬件管脚兼容、软件寄存器兼容。各类开发需求都能得到满足。即便是RISC-V和Arm两种内核的产品也能兼容,要从Arm跨越到RISC-V是代码无缝切换的,升级转译都很灵活。”FNKEETC-电子工程专辑

与此同时,有“多种生产工艺、多产线多封装厂的保障”,如Foundry主要有中芯国际、联电、台积电,而封装测试则在国内不同区域涵盖华天科技、长电科技、通富微电等“同步在进行,提供多产线保障。在MCU缺货或者存在较大变动的情况下,依然保证供货弹性。”金光一说。GD32产品面向的应用市场也涵盖了工业控制、能源控制、安防监控、家电、消费电子、医疗健康、汽车周边等等。FNKEETC-电子工程专辑

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GD32 MCU通用BLDC电机方案FNKEETC-电子工程专辑

而在“专”的方向,兆易创新也有面向专用领域的MCU产品,典型如面向指纹识别(GD32FFPR)、打印机(GD32EPRT)等市场的MCU。实际在“专”的部分,这些年的通用产品原本也越来越倾向于增加一些专用单元,尤其是在高性能领域。典型如兆易创新的GD32E5,包含了内核独立的乘法/除法器+DSP指令集+FPU,以及三角函数运算加速器(TMU),这些对于高精度工业控制更有价值。FNKEETC-电子工程专辑

在“更好的生态服务”方面,主要应该是指开发生态。兆易创新在这方面着力了6个部分,分别是官方工具(典型如开发板、学习套件等)、合作伙伴工具(典型如与SEGGER的合作所推的工具)、嵌入式软件、解决方案、宣传培训(在线培训等)、大学计划(联合实验室、电子设计竞赛等)。FNKEETC-电子工程专辑

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绿色那块是GD32FFPR-START开发板FNKEETC-电子工程专辑

更高的集成度

瑞萨电子资深专家吴频吉先生在介绍RX72M MCU时,提到了“驱控一体化”。RX72M是面向工业机器人、电机驱动控制等领域的MCU。其特色在于一颗芯片,融合了系统控制、电机驱动,以及EtherCAT工业以太网通讯。这一点从下面的模块构成也能看出来,其实际集成的部分还有更多。FNKEETC-电子工程专辑

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“现在很多做法,就是用一颗芯片搞定很多事。我们把以太网、驱控做到了一颗芯片内。那些对体积要求很高的应用,就非常适用这颗芯片。”吴频吉说。FNKEETC-电子工程专辑

国内的MCU厂商普遍也在做这方面的工作。航顺芯片研发总监王翔提到两个新的概念,分别叫MCPU(Micro Controller & Processing Unit)以及MaaS(MCPU as a Service)。他在提出5G、AIoT时代产业特征及挑战时,认为传统MCU作为“端”侧的重要组成部分,理应“合纵连横”。FNKEETC-电子工程专辑

所以MCPU的概念,是令MCU+传感器+无线连接+安全+OS+AI处理;而MaaS,则是在MCPU的基础上增加数据平台专有设计,再加上智能应用专有设计。其本质应该是提升集成度,并部分增加专用特性的思路。王翔举了几个例子,比如用于宠物管理的芯片,理应在传统MCU的基础上增加生物传感器(脉搏、血压)、LPWAN无线连接、环境传感器(声、光、味)、超低能耗PMU、情绪模型AI识别。FNKEETC-电子工程专辑

王翔总结MCPU与MaaS的特点,包括面向如今更多领域有碎片化的“千芯千面”(可通过增加FPGA,或生态合作-应用标准化IP芯片、先进芯片封装的方式来实现),以及芯片成本更低(研发各环节自动化、专用化/定制化方案、采用最合适的制造工艺、现代化库存管理等)、算力加强(更多处理与AI能力)、敏捷开发(OS+API接口+特定应用软件包)、安全、超低能耗(快速执行+超低待机电流)、集成网络连接能力(包括BLE、WiFi、NBIoT、LoRa等)。当代MCU企业的不少产品,包括前述瑞萨电子、兆易创新以及航顺电子的产品都多多少少在往这个方向靠拢的趋势。FNKEETC-电子工程专辑

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中微半导体的混合信号SoC即是提高集成度的另一个典型代表。中微半导体(深圳)股份有限公司产品应用部部长钟成保先生说:“我们把一些模拟外设,包括ADC、运放/比较器、可编程增益放大器、DAC、LDO模块等都往MCU里面靠,显著减少外围器件。”“很多市场都在往集成化的方向走;传统集成化SoC遭遇技术瓶颈,无法满足应用需求;模拟、射频逐渐集成到了SoC内部;加上可重用IP以及相辅相成的模拟IP与数字控制。”所以2018年,中微半导体在“国内首次提出混合信号SoC概念”。FNKEETC-电子工程专辑

比较有代表性的,上面这张图是中微半导体用于电机控制的专用SoC:CMS32M5524。其特色除了增强型PWM之外,模拟外设包含一个低速ADC与一个高速ADC,“低速做系统控制,高速做电机控制”;还有集成2通道高性能模拟放大器;具备双边迟滞功能的模拟比较器,“通过比较器对整个系统实施保护”,“相当于4个运放在里面”;4-32倍增益可选的PGA。FNKEETC-电子工程专辑

中微的混合信号SoC的产品应用,典型如循环扇、筋膜枪、耳温枪、血氧仪、锂电充电方案等。从钟成保列举的方案来看,无论是电路板尺寸还是整体成本,都有不小的缩减,“一颗MCU就把几颗芯片都干掉了”,这是集成方案带来的价值。FNKEETC-电子工程专辑

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安全性提升

实际上前面提到的这几家MCU厂商普遍都有谈到MCU层面的一些安全措施。包括Silicon Labs高级现场应用工程师赵伟先生,也特别提到了旗下BG22蓝牙产品的安全性加强:专门硬件加速的加密、真随机数发生器、信任根安全启动、启动工程密码校验、Secure Debug with Lock/Unlock,以及Arm核本身支持的TrustZone。FNKEETC-电子工程专辑

我们常说,开始格外注重安全问题乃是一个领域发展到高级阶段的代表。因为安全的技术投入,产出经常不算很大——很多时候还影响开发进度,但安全的缺失却足以造成致命打击。MCU峰会上,有家专门做“安全MCU”的国民技术。国民技术产品规划与管理部执行总监、资深行业产品规划师钟新利先生介绍了旗下的“安全芯片”。FNKEETC-电子工程专辑

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这是一种为MCU融入安全技术,或者说增加相关安全模块的芯片产品。除了常规的MCU组成部分,其特点在于加强了芯片关键信息存储、运算过程的保护和抗攻击能力。上图中的红色部分,即是国民技术为其安全芯片增加的安全模块。FNKEETC-电子工程专辑

相对典型的比如安全存储技术:“一般编辑后的bin,在download到Flash时是明文形式。通过暴力获取的方式,能够得到Flash内的明文内容,通过反向编译、绕开防护就能做到破解。我们把明文的bin以密文的方式存储,程序执行时自动解密,每颗芯片的Key也各不相同。”钟新利说。这一点与手机高级应用的数据保护措施听起来颇为相似。FNKEETC-电子工程专辑

还有比较典型的存储器分区隔离保护技术,这种技术会将Flash分成多个区,各区之间不能相互访问data与code。这一点针对不同层级做开发,比如语音识别厂商要将算法灌入MCU,方案整合商需要将应用场景整合进去,终端设备制造商又要修改人机界面。彼此藉由API访问,并不影响开发本身,同时做到防复制、防篡改、防擦除,保护多用户开发应用下的核心知识产权。FNKEETC-电子工程专辑

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国民技术的电机驱动开发板FNKEETC-电子工程专辑

再比如各类密码算法硬件加速引擎的加入(包括国密算法)、时钟安全系统(外部时钟晶体失效时自动切换到内部RC振荡器)、固件安全更新(固件签名认证),以及一些防侧信道攻击的方案(典型如指令功耗平衡,因为攻击者通过功耗、发热等侧信道攻击方式是可以进行算法推断,进而获取资产的,指令功耗平衡可以切断这些侧信道攻击的可行性)。FNKEETC-电子工程专辑

从MCU层面开始融入安全技术,对于供应链下游的开发者将安全融入到开发生命周期中去,本身就是个比较积极的信号。FNKEETC-电子工程专辑

提升开发的易用性

将开发生态的完善放在最后,是因为我们认为,这是某个个别的商业企业MCU产品走向成熟的基本能力。如兆易创新在开发生态方面做得已经比较完善,几乎各个需要着力的部分都有成果。参与MCU峰会的每家企业,基本都有花比较多的篇幅去介绍自家在开发生态建设上的成果。FNKEETC-电子工程专辑

这其中在生态理念构建上,比较有代表性的是赛元微电子。深圳市赛元微电子有限公司副总经理、技术总监程君健先生提到,物联网应用开发遭遇的几个主要问题包括了碎片化,技术标准和架构不统一(比如无线标准非常多,WLAN和WAN的选择碎片化);传统厂商对接云端困难(云平台并不擅长MCU控制逻辑,而传统的电子厂商又不了解物联网技术、与云端对接困难);物联网项目周期短,联合开发困难(IoT模组、硬件厂商、云平台之间的联合开发,难以区隔、定位问题);产品迭代升级困难(物联网技术变化快,产品迭代快,但资源有限)。FNKEETC-电子工程专辑

这些问题的本质,都在开发生态的易用性问题上。赛元微电子在解决这些问题时,有两个亮点。其一是MCU产品本身具备“通用化平台”特性。不仅是平台化产品,可以相对简单地扩展、修改、升级;还在于建立生态环境,比如其中的连接、传感器模块“可以由不同的厂家提供。我们的开发环境可以由不同的厂家提供模块。我们提供标准接口,其他厂家就可以加入进来。”程君健说,“比如一个WiFi模块加入进来,即便客户对WiFi不熟,通过我们的标准接口,无论是WiFi还是蓝牙,客户都只需要当做串口在用就行。”这是开发易用性提升的表现。FNKEETC-电子工程专辑

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赛元微电子的隔空水位检测应用,可隔空2mm检测到水与其他液体的位置变化,可应用在饮用水、咖啡机、水壶等家电FNKEETC-电子工程专辑

另外赛元微电子在MCU对接云的问题上,强调“强化端与管、云合作”,与无线模组厂商战略合作、与云平台对接、软硬件开发平台支持。FNKEETC-电子工程专辑

“我们提供软件硬件和协议栈,用户不需要搞清楚具体的设计、编程手法,当成标准模块来用即可。我们和无线模组厂商合作——我们自己没有无线模组产品,但我们可以提供不同厂家提供的模块——这些模块有不同的特点,有些性能好、有些成本低,用户可以自由选择。”FNKEETC-电子工程专辑

“对应用而言是基本一致的,不同厂家的模块遵循我们的协议。我们提供开发的平台,硬件层面的不同模块可以加入到我们的平台中来。这就解决了电子设备厂商、互联网之间,技术不衔接的问题。”具体到与无线模组厂的合作,包括“提供完整、可靠的驱动包;图形化软件支持,快速开发”;与云平台对接则实现“标准化接口;开放给第三方;终端用户可使用”。FNKEETC-电子工程专辑

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赛元微电子触摸滑轮滑条三合一DEMOFNKEETC-电子工程专辑

比较有趣的是,赛元微电子还做了一个名为“易码魔盒”的开发平台。这是一个部分利用图形化编程工具、让开发简易化的平台。“软件开发过程中,是否可以不用写代码,提供框图就能做逻辑控制。”程君健说。此间所做的是封装协议栈、中间件、统一抽象标准API,图形化编程工具。另一方面,开发者还能以搭积木的方式挑选功能和驱动模块进行开发。FNKEETC-电子工程专辑

这些在提升开发易用性、缩短开发周期的问题上,都比较具有代表性。类似的更多解决方案也是MCU峰会上多家厂商在谈自家开发生态时多有提及的部分。FNKEETC-电子工程专辑

新基建是未来10年的驱动力

“新基建如今上升到国家高度,提倡加强数字领域的建设,新基建是未来10年的主要驱动力。” 芯海科技在MCU峰会上提到。作为信号链MCU领域的重要代表,在国内新冠疫情爆发时,芯海科技的信号链MCU推动额温枪产品的快速开发是相当知名的——这是其信号链MCU产品在生理参数、传感器领域的一个应用方向。FNKEETC-电子工程专辑

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芯海科技信号链MCU应用的红外体温测试仪FNKEETC-电子工程专辑

芯海科技的电子烟开发板(CS32F031 MCU)FNKEETC-电子工程专辑

芯海科技双PD3.0/PPS移动电源开发板FNKEETC-电子工程专辑

“新基建在设计、制造、应用等多个维度带动国产半导体行业的发展。信号链MCU集感知、计算、控制于一体,在新基建的浪潮下将成为新的明星。”信号链MCU是从感知到控制,连接现实世界与数字世界的芯片设备。芯海科技列举了信号链MCU在光通信、通信电源、传感器方面的具体应用。智能家居、健康测量、能源管理、人机交互都是芯海科技专注的方向。FNKEETC-电子工程专辑

新基建显然不仅是驱动芯海科技未来发展的动力,MCU乃至所有数字基础建设的相关领域都会受惠于此。“新基建以5G为核心,本身5G的各个组成部分就为半导体行业带来非常大的影响。比如5G应用急剧增加,5G带来耗电量增加,对充电回路就提出了更高的要求;5G基站能源本身也有方案方面的需求。”5G对通信基础设施、交通医疗、智慧城市、消费电子各方面都是重要推力。FNKEETC-电子工程专辑

在新基建本身的推动,以及美国对中国的芯片出口限制间接带动了“国产替代”的大背景下,国内MCU发展的大好时机就在当下。“预计到2023年国内MCU厂商的出货量将增长到256亿元。”国产MCU也必然从各方面走向进一步的成熟。FNKEETC-电子工程专辑

责编:Yvonne GengFNKEETC-电子工程专辑

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黄烨锋
欧阳洋葱,编辑、上海记者,专注成像、移动与半导体,热爱理论技术研究。
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