从MCU到SoC：繁荣和现实

这篇，主要科普科普MCU和SoC的关系。

从2021年初开始的“缺芯”，到目前为止还没有完全缓解。而一辆传统汽车上少则有40多种芯片，多则达到150多种。此外，一辆新能源汽车上要超过300颗芯片。

那么，“缺芯”缺什么？恐怕很多人说不上来。

实际上，汽车上缺的主要是ECU，而从更基础、更微观的层面来说，缺的是MCU（Micro Control Unit，微控制单元），也就是所谓的单片机。

简单来说，MCU就是在CPU（这个就不用解释了吧？）的基础上，增加了存储器RAM和ROM、计数器/定时器及I/O接口，将它们集成在一块，形成“芯片级别的芯片”。所以说，MCU是传统汽车最为常用的芯片。

而随着计算需求越来越专业化，将CPU、GPU、DSP、NPU等不同类型的芯片，外加上接口、储存等电子元件，就组成了俗称“片上系统”的SoC（System on Chip），形成“系统级别的芯片”。最典型的例子就是特斯拉的FSD，一颗CPU+GPU+2×NPU的多核SoC芯片。

所以，SoC是MCU集成度更高的结果，功能更加复杂，资源利用效率更高。但是，我们要知道的是，SoC和MCU在发展趋势上是什么关系？未来SoC是不是会完全替代MCU呢？

MCU“开挂”

IC Insights最新的《麦克林报告》指出，2022年全球MCU的市场销售额将增长10%，市场规模有望达到215亿美元，再创历史新高。其中，今年汽车MCU的增长将超过其他大多数终端市场。

就像指数资本的调研指出的，从资本市场来看，MCU此前市场空间总计不过100亿人民币，但现在，仅一级市场Top6的MCU企业最新估值总和已超300亿人民币，玩家中更不乏大量切入MCU业务的上市公司。

此外，工业级MCU对无线连接、环境感知、精准控制、电源管理、人机交互等功能不断提出新需求，同时，物联网（IOT）也带来更多的MCU增量需求。换句话说，是全面开花的局面。

按照指数资本董事总经理王逸非的观点，2022年是第二轮产业周期的起始年，“资本的故事主线”是高度智能化、电气化的下一代汽车，以及全新电子电气架构下的增量功能、增量技术、增量市场。

其核心驱动因素有两个：第一，电气化底盘的普及将为下一代智能汽车奠定架构基础；第二，各大车厂基于全新一代电子电气架构推出的平台，将在2022年底~2024年有产品分批上市。

此外，2025年后市场在售车型很可能将全面铺开。这两大产业链增量红利均为万亿元的量级。如此让人眼红的蛋糕，其中，小小的MCU将起到很关键的作用。

赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念也很含蓄地向媒体表示，智能电动时代的趋势下，汽车电子电气架构重构，所需的MCU数量和单价均会提升，MCU需求也会随之发生变化。

同样，根据IC Insights的预测，2021~2026年期间，MCU的平均售价将不断上升，复合年增长率(CAGR)将达到3.5%。此外，这期间MCU总出货量将以3.0%的复合年增长率增长，预计到2026年MCU总出货量将达到358亿片。

当然，也不是所有的MCU都能享受这个红利。未来五年，32位MCU的销售预计将以9.4%的复合年增长率增长，到2026年将达到200亿美元。同时，4/8位MCU的销售额，以及现在正当时的16位MCU的销售额，都将失去增长的动力。

为什么呢？前面说了，车身架构集成拉高了车厂对MCU的需求，所以，8/16位中低端MCU不再有投资机会（比亚迪对此有何感想呢？），投资的重心基本都在32位MCU，以及还在研发阶段的64位MCU。

与MCU蓬勃发展同时的，是SoC芯片同样在日新月异地快速崛起。不过，大多数的文章没有说明的是，SoC芯片虽然是MCU的晋级版本，但是为什么SoC芯片大发展的同时，MCU芯片同样在上量？

这里面其实就涉及到“域控制器”的问题。

从MCU到SoC

因为，目前汽车的电子电气架构正在从大量ECU的分布式，向域控制器、中央计算单元的集中式架构转变，而从分布式转移到集中式，是一个革命性的变化。

换句话说，这也是车企拿回控制权的一场“内卷”。并且，受益于由分布走向集中的趋势，域控制器市场得以快速增长。

据盖世汽车研究院预测，2025年，自动驾驶域控制器出货量将超过400万台套，智能座舱域控制器出货量将超过500万台套，复合增长率预计在50%以上。

而域控制器目前大致可以分为底盘、动力、车身、座舱、自动驾驶（ADAS）五大域，或者整合成车控VDC、智能座舱CDC、智能驾驶ADC三大域。而负责自动驾驶的域控制器是核心，其本质是一块SoC级别的芯片。

不同于以CPU为主的MCU芯片，SoC芯片集成了CPU、AI芯片（GPU/FPGA/ASIC等结构，芯片算力的主要来源）、深度学习加速单元（NPU）等多个模块。

更重要的是，MCU的百兆级的处理速度，远远无法与SoC的G级处理速度相提并论。所以，域控制器采用SoC芯片成为主流趋势。

从目前车企的做法来看，以SoC芯片为代表的高性能硬件会率先上车，以“硬件预埋”的形式帮助实现“软件定义汽车”。举例来说，小鹏汽车在P7车型中预埋Xavier芯片、14个摄像头等的方式，为后续L3级自动驾驶留下升级空间等。

而且，这个领域已经聚集大量玩家，尤其是ADAS域控制器领域，像英伟达、高通、恩智浦、Mobileye、TI等海外厂商，以及华为、地平线、黑芝麻、芯驰科技等国内厂商。

海外厂商中，自动驾驶领域的“王者”英伟达，早在2015年就推出了NVIDIA Drive系列平台，此后几乎是每年英伟达都要更新一至两次Drive平台，每隔两年发布一款车规级SoC芯片。

2020年，Xavier芯片算力为30 TOPS，2022年量产上车的Orin算力一跃至254 TOPS，而其对应的智能驾驶域控制器算力可达1000 TOPS以上。而基于Orin开发的车型，像理想汽车的X01、蔚来汽车的ET7、智己汽车的L7等，都在整装待发。

国内厂商中，地平线早就发布了面向L3级以上的征程5芯片。目前已知将搭载征程5芯片的车型有全新 哈弗H9 ( 参数 | 询价 ) 、荣威新款RX5以及一汽红旗、理想汽车的多款车型，当然性能如何还有待验证。

而在制造工艺方面，SoC芯片制程已经由28nm迈向16nm、12nm，甚至是7nm、5nm的争夺。比如，今年1月高通就透露，其骁龙Ride SoC将以5nm制程打造，成为业内首款5nm制程自动驾驶芯片。

那是不是SoC会完全替代MCU呢？答案是，也不是。毕竟，MCU是通用型的，而SoC是偏重更具体的应用领域。

黑芝麻智能市场总监黄莹告诉我，“SoC的快速增长来自智能化的普及，SoC具有进行复杂运算的能力，可以说是汽车的‘大脑’，给用户更好的智能体验。而从汽车内部芯片总量来看，MCU目前在车身控制等环节还是具有非常重要的作用，这个部分则不会被SoC取代。”

MCU的架构之路

接下来的问题是，MCU何以越战越勇？

实际上，MCU从上个世纪70年代推出，至今已有50多年的历史。从架构来说，经历了从INTEL的8051发展到AVR（哈佛结构）再到各家自定义架构，直至如今广泛用于32位通用MCU的ARM架构的历程。

根据总线或数据暂存器的宽度，MCU划分为4位、8位到32位（未来64位）。其中，8位MCU工作频率在16~50MHz之间，16位MCU工作频率在24~100MHz之间。而32位MCU工作频率大多在100~350MHz之间，现在是MCU市场主流。

MCU当前的竞争格局形成主要是架构变化加上并购整合带来的。其中的主导者，当然就是英国的ARM，在国内叫做安谋中国（介绍ARM的话，可以写一本书，所以省略哈）。2007年后，ARM架构开始爆发并且迅速占领了32位MCU市场。

其实，近年ARM有进入汽车领域的强烈意愿。然而，欧洲和美国两大汽车市场的汽车芯片巨头非常强势，ARM的IP难以进入。因此，ARM找到中国这个突破口，2018年底，亿咖通和安谋中国等公司共同出资成立芯擎科技，所以，ARM应该好好感谢中国市场哈。

回转来讲，ARM在RISC（精简指令集体系）的地位越发牢固。业内有个段子，说各大MCU厂商推出新品的速度，已经赶不上ARM推出新架构的速度。

在其Cortex-M55推出仅半年之后，ARM又发布了全新Cortex-M85处理器，同时还推出了新的物联网全面解决方案，包括采用Cortex-M和Cortex-A（主要面向通用处理应用市场，像智能手机、移动计算平台等领域）的最新Corstone子系统和ARM虚拟硬件……

这里简单介绍下，目前ARM Cortex根据应用范围的不同可分为三个系列，分别为Cortex-M、Cortex-R与Cortex-A系列（性能及复杂度由低到高）。

其中，车企所用的MCU主要是Cortex-M系列处理器，包括Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7等多个类别。

当然，ARM不是高枕无忧。由于受到ARM内核高昂授权费的影响，很多MCU厂商开始转型或入局RISC-V内核MCU。免费、完全开源，RISC-V内核就像当初的LINUX，发展趋势非常喜人。

RISC-V具有袖珍化、低能耗的特点，而这对于嵌入式应用可能至关重要。并且由于RISC-V是一个新兴领域，国内外MCU厂商在上面的技术和生态差距不大，因此RISC-V也成为国内MCU新的驱动力。

这方面，有爱普特微电子推出的基于RISC-V内核（平头哥玄铁E系列）开发的32位高性能高可靠性MCUAPT32F1／7。还有先楫半导体 HPM6000系列旗舰产品HPM6750（双RISC-V内核），还创下了MCU高于9000 CoreMar和4500以上的DMIPS性能新记录。不过，还是那句话，有待验证。

国产MCU现状

最后说一下，在前五大海外厂商CR5主导（据2019年CSIA数据，CR5达74%；而据IC Insights统计，2021年CR5提升至82.1%，行业格局进一步集中）的国内MCU市场，国内厂商也在慢慢崛起。

当然，除了地平线、黑芝麻等SoC芯片厂商，实际上国产MCU厂商们现在还大多集中于中低端市场。

国产厂商目前主要采取的突围方式，还是做小做精，从细分领域切入，以时效和价格为驱动，从专用领域做起进驻行业客户，不断提升产品的性能和稳定性，然后迈向通用领域。

按照中金公司的分析，在汽车领域，国产MCU厂商的产品主要集中于车窗、照明、冷却系统等相对简单的控制应用上，目前仅比亚迪半导体、杰发科技、赛腾微电子、芯旺微、国芯科技等少数企业实现车规级MCU量产。

就拿比亚迪来说，从2007年进入MCU领域，2018年推出第一代8位MCU芯片，2019年推出第一代32位MCU芯片，今年3月推出车规级8位MCU BS9000AMXX系列，芯片用的还是S8051内核，主频最高为24MHZ。虽然不断在突破，然而离巨头的差距还“略远”不是？

那么，为什么车规级MCU技术壁垒这么高？

主要是车用MCU的要求非常严苛：

比如，良率要求小于1DPPM；工作温度区间范围宽，要求在-40~125+℃之间；工作寿命要求超过15年；需通过特定的资质认证，包括AEC-Q100可靠性标准、符合零失效的供应链质量管理标准IATF 16949规范、符合ISO26262标准的ASIL功能安全保证级别（严格程度从低到高）。

除了验证环节难以打开整车厂的缺口，中金公司调研认为，在整个生态环境建设上，多数国产MCU企业还停留在开发板、烧写器和基础固件库上，在开发环境（IDE）、实时操作系统（RTOS）方面，仍然依靠第三方更高层应用的支撑。在生态环境层面，国产MCU企业与国际MCU大厂相距甚远。

不过，这两年MCU缺货潮引发供应危机，加上美国的制裁，国内领先MCU厂商迎来发展机遇。而且，随着本土整机厂给予国内MCU厂家的验证机会增多，国内厂商有望通过不断增强MCU的产品竞争力，实现产品销量与市场份额的提升，一句话，“前途是光明的”。