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从单片机的探索阶段看国产MCU崛起进程

时间：2024-01-10 17:47:49   作者: 解决方案

  从市场维度看，本土的份额也是少得可怜，根据Gartner数据，2021年全球MCU市场，Top5企业市场占有率合计75%，而国内头部厂商

  MCU是Microcontroller Unit的简称，中文叫微控制器，俗称单片机。单片机出现的历史并不长，但发展十分迅猛，作为集成电路中很重要的品类，大范围的应用于所有的领域。本文旨在梳理全球MCU产品发展史，从时间维度感知国产MCU的崛起进程。

  MCU的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步，从时间角度来看,MCU的发展可以大致分为三个阶段：探索阶段、形成阶段、全面发展阶段。

  1971年1月，英特尔的特德·霍夫在与日本商业合作研制台式计算机时，将原始方案的十几个芯片压缩成了3个集成电路芯片。其中的2个芯片分别用于存储程序和数据，另一个芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器，这就是4位微处理器Intel4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。

  霍夫等人研制出首个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器，仍属第一代微处理器。

  霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080，以N沟道MOS电路取代了P沟道，第二代微处理器就此诞生。8080芯片主频为2MHz，运算速度比8008快10倍，可存取64KB 存储器，使用了基于6μm技术的6000个晶体管，处理速度为0.64MIPS。

  德州仪器首次推出4位单片机TMS-1000，标志着单片机正式诞生。TMS1000是世界上公认的第一颗商用单片机。随后，各个半导体设计企业竞相推出了自己的4位单片机，如美国国家半导体公司的COP4XX系列、日本电气公司的PD75XX系列、日本东芝公司TMP47XXX 系列等。

  1976年9月，英特尔研制出了MCS-48系列8位单片机，是现代单片机的雏形，通常称为第一代单片机。采用单片结构，将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时器/计数器、小容量RAMROM等集成于一块芯片上。其寻址范围小于4KB，由于受集成度限制，没有串行I/O接口，RAM、ROM容量小，中断系统也较简单，可满足普通工业控制智能化仪器、仪表等领域的需要。从此，单片机开始快速地发展，应用领域逐步扩大，成为微型计算机的重要分支。

  20世纪70年代后期，许多半导体公司看到单片机巨大未来市场发展的潜力，不断加入该领域的研发中。1978年，Motorola公司推出M6800系列单片机，Zilog公司推出Z80系列单片机，1979年，日本电气公司推出μPD78XX系列。

  随着工业控制领域要求的提高，慢慢的出现了16位单片机，但因性价比不理想并未得到普遍应用。1983年，英特尔推出高性能的16位MCS-96系列，其采用了最新的制造工艺，芯片集成度高达12万只晶体管/片。

  值得一提的是，这一阶段的典型产品是1980年英特尔在MCS-48系列单片机基础上推出的高性能的8位MCS-51系列单片机。MCS-51系列是完全按照嵌入式应用而设计的单片机，比MCS-48系列性能有明显提高，在片内增加了串行I/O接口、16位定时器/计数器、片内ROM和RAM的存储容量都相应增大，寻址范围可达64KB，片内ROM容量达4～8KB，并且有多级中断处理功能。

  20世纪80年代中期后，英特尔集中精力在CPU的研发上，逐渐放弃了单片机的生产，故以专利或技术交换的形式把80C51内核技术转让给其他IC厂商，如飞利浦、日本电气、Atmel、亚德诺、华邦等。这一些企业在保持与80C51单片机兼容的基础上，又进行了一些扩充。这样，80C51就变成有众多厂商支持，发展出上百个品种的大家族。习惯把兼容机等衍生产品统称为80C51系列，是单片机应用的主流产品，功能和市场竞争力更强，直到现在仍在广泛使用。

  该阶段是当前单片机百花齐放的时代。单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。MCU内核除了8051外，还出现了MIPS、自研内核等，以及对当下影响重大的ArmCortex-M内核、RISC-V内核。

  1997年，Atmel公司研发出增强型内置Flash的RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。AVR单片机具有创新的系统架构、更高的集成度、同时搭配Atmel自有的Flash工艺，在性能和功耗上相较于之前的冯•诺依曼架构产品均有较好表现。该类型单片机电路简单、故障率较低、可靠性高、成本低廉。

  与此同时，各家厂商积极开发自有架构及内核，成立于2003年的瑞萨采用自有的瑞萨内核，除此以外还有飞思卡尔的HC05/HC08系列、Motorola的MC68HC系列、TIMSP430系列等。

  2002年，MIPS推出了M4K内核，一款专为MCU和小尺寸嵌入式控制器设计的高性能的综合性处理器内核。Microchip的32位PIC系列MCU产品部分使用了MIPS内核。

  2004年，Arm推出一系列32位Cortex-M内核，意法半导体率先使用，32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位。进入主流市场地位的16位单片机的性能也得到了飞速提高，解决能力比20世纪80年代提高了数百倍。代表产品有Motorola的M68300系列、Hitachi的SH系列等。

  2019年，兆易创新携手芯来科技推出全球首款基于开源指令集架构RISC-V的Bumblebee处理器内核的GD32V系列通用单片机--GD32VF103。

  21世纪，出现了高速、大寻址范围、运算能力强的8/16/32位通用型单片机，以及应用于特定领域的专用型单片机。当前单片机系统已不再是裸机环境下的开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统大范围的应用在单片机上。作为掌上电脑手机核心处理器的高端单片机，还可以直接用专用的Windows和Linux等操作。

  如果从1971年1月，4位微处理器Intel 4004诞生算起，MCU至今已有近50年的历史。而国内厂商的MCU产品大都起于21世纪初，可溯历史非常短。国产MCU没有参与到MCU发展的探索阶段、形成阶段，但在MCU全面发展阶段，国产MCU是一股不可忽视的存在，尤其在当前国际环境下。

  尽管目前市面上热门的单片机系列仍以欧美日企业为主，如意法半导体的STM32系列，Microship的PIC系列，Atmel（被Microship收购）的AVR系列，恩智浦的LPC系列，德州仪器的MSP430系列等，但我们得知在各元器件分销平台的销量榜中，慢慢出现了一些国产MCU产品的面孔，如兆易创新的GD32系列、纳思达旗下极海半导体的APM32系列等，国产MCU产品在快速崛起。

  国产MCU处于“从有到强”的阶段。根据上文的MCU的发展历史梳理，作者觉得现代MCU真正意义上的快速地发展始于Arm推出Cortex-M内核，采取IP授权的分工形式。目前Arm的Cortex-M内核在市场上占据主导地位，占比52%。以Arm Cortex-M内核应用为标准，某一种意义上可以窥探国产MCU产品当前丰富度和竞争力。

  Arm共推出了11款Cortex-M系列MCU内核IP，定位不同，涉及性能、功耗、成本、体积、特定扩展等，可满足低、中、高端需求。其中，M0、M0+、M1、M23系列为低端MCU内核；M3、M4为中端MCU内核；M33、M35P为中高端MCU内核；M7、M55、M85为高端MCU内核。

  下图是中信建投整理的国产MCU内核信息，能够准确的看出：国产MCU在Arm Cortex-M内核上，已经覆盖了低端、中端和部分中高端内核。

  ② ELEXCON 2019深圳国际电子展中，紫光同创FPGA通过集成Arm Cortex-M1嵌入式软核，提供了快速、低成本、高集成CPU解决方案。

  此外，国内MCU厂商在高端产品上也在持续发力。据悉，截至2022年三季度，兆易创新、国民技术等大陆头部企业在高算力、高性能的Cortex-M7内核系列新产品正在研发阶段。另外，在2021年慕尼黑电子展中，极海半导体副总曾豪透漏：“极海半导体基于Arm Cortex-M7内核的APM32F720中高端产品即将快速上市。”（截止至发稿，笔者未在其官网上看到相关这类的产品信息。）

  但值得一提的是，Cortex-M55是首个基于Armv8.1-M架构，采用Helium技术,支持AI解决能力的处理器；Cortex-M85是号称“迄今为止性能最强的Cortex-M处理器”，标量计算比Cortex-M7提高30%，并采用了Helium技术。作为高端内核，两者分别于2020年2月、2022年4月发布，即使是全球MCU龙头意法半导体，也未有量产相关产品。

  国产高端MCU时代何时到来？具体来看，兆易创新作为国内MCU行业的有突出贡献的公司，以其32位MCU产品的发布时间线，基本能代表我国MCU厂商的最强竞争力了。

  目前，兆易创新的产品已经覆盖了中高端MCU，但在高算力、高性能的Arm Cortex-M7内核的高端MCU上，还处于研发阶段。根据上面兆易创新的MCU产品发布时间线年左右会推出一款新的基于Arm Cortex-M内核的MCU产品，笔者希望在2025年前，兆易创新可以量产Arm Cortex-M7的MCU产品。要知道，意法半导体早在2014年就发布了全球首款基于Arm Cortex-M7的高端MCU产品。

  尽管从Arm Cortex-M内核应用维度对比,中外MCU产品差距似乎不那么明显，仅在Cortex-M7、Cortex-M35P未有对标产品，但是真正衡量MCU的产品力，还要看产品的主频、存储、功耗、可靠性等指标，和产品品类的丰富度及应用场景等。

  另外，从市场维度看，本土MCU厂商的份额也是少得可怜，根据Gartner数据，2021年全球MCU市场，Top5企业市场占有率合计75%，而国内头部厂商兆易创新、紫光国微的市场占有率分别仅为1%左右。

  但值得期待的是，本土MCU产品正处于“从有到强”、“从有到多”的进程中。在汽车和工业控制等中高端市场，国产MCU已慢慢开始打破国际大厂垄断，如2018年底杰发科技量产了国内首颗32位车规级MCU芯片AC781x，最近的2023年2月极海半导体推出的APM32A全系列车规级MCU。在新兴物联网应用领域，国产MCU厂商跟国际大厂几乎站在同一个起跑线上。同时，国内还出现了一批自研内核的MCU产品，如芯旺微电子的KungFu8/KungFu32内核，峰岹科技的ME内核。

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