| ELEXCON深圳國際電子展暨第六屆嵌入式系統(tǒng)展設有嵌入式系統(tǒng)專區(qū)，同期舉辦第九屆MCU技術創(chuàng)新與嵌入式應用大會，深度展示和探討MCU市場與技術的發(fā)展趨勢，歡迎大家持續(xù)關注。
微處理器和單片機（MCU）從70年代在歐美開始興起，1981年8051 單片機問世，到今天已經36年了。從數量上看，8位單片機依然是MCU 市場的主力，基于8051內核的單片機依然有許多公司在設計和生產。90年代初，由于價格的原因，32位MCU只是在一些需要高性能計算的應用中使用。2008年以后，以物聯網（IoT）為代表的新技術出現，讓開發(fā)者開始尋找具備無線通信功能、有一定計算能力，而且價格不是太貴的MCU。隨著ARM CortexM核的MCU 逐漸在市場占據主導地位，應用的場合也越來越多，在芯片制造上采用更先進和高效的制程工藝，32位MCU 的價格與8位MCU 已經沒有本質上的差異，有的甚至更便宜，加上ARM 創(chuàng)建的良好的生態(tài)環(huán)境，32位MCU 已經成為今天全球消費和工業(yè)電子產品的核心，我從以下三個方面回顧全球MCU發(fā)展歷程，探討發(fā)展趨勢。
MCU 市場現狀
2015年開始，為爭奪市場份額，布局強勁增長的物聯網應用，MCU主要廠商之間發(fā)生了數起大規(guī)模并購。根據市場調研機構IC Insights的統(tǒng)計，從收購完成合并后的銷售數據看， NXP、Microchip和Cypress2016年MCU產品線銷售額同比大幅增長，排名也相應上升。未進行大規(guī)模收購的MCU廠商則表現平平，只有個位數的增長，比如ST和TI，有的出現了大幅下降，比如像Samsung，（見圖1）。
圖12016全球MCU 市場格局
從圖1我們還看到，8大MCU廠商全球市場份額合計達到了88%，這也就是說除了幾大MCU 外，小的MCU公司市場份額非常小。IC Insights 2016年8月的研究報告說，MCU市場將于2020年達到高峰，銷售額達到209億美元，銷售267億顆芯片，（見圖2）。針對這樣的市場形勢，在剛剛結束的2017年STM32峰會上，ST給自己定下目標是2020年銷售額將到達40億美元，從目前市場10%份額增長到20%分額。
圖22013-2020全球MCU市場預估
MCU技術發(fā)展線路
開發(fā)工具
8位MCU 時代，開發(fā)工具很簡單，MCU 功能簡單，存儲器容量很小，應用代碼甚至可以使用匯編語言書寫， 簡單的下載和編程工具可以勝任開發(fā)工作，后來隨著MCU 功能增加，存儲器容量增加，C語言逐漸成為首選，集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和JATG 調試漸成主流，這種方式主導了過去20年MCU開發(fā)模式。
隨著物聯網的興起，大量的電子產品急需智能化升級，聯網就成為基本需求，特別是無線網絡，RTOS 從以前的嵌入式系統(tǒng)中“奢飾品”變成今天的“必需品”。得益于開源社區(qū)和開源軟件的幫助，開源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和ConTIki已經成為開發(fā)者的優(yōu)選。 專門針對物聯網應用的物聯網OS 也應運而生，比如ARM mbed OS 、慶科 MicoOS和華為LiteOS， 其實這幾種物聯網OS的內核也是基于開源的RTOS技術。
開發(fā)工具（IDE）價格昂貴，讓創(chuàng)業(yè)者望而卻步，借助開源軟件，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，這些IDE 是基于開源Eclipse，編譯軟件也是開源的GCC ARM 。芯片公司的IDE 雖然在功能和優(yōu)化上無法與Keil和IAR 相比，但已經完全到達可用的程度。 ARM 開發(fā)了基于Web的mbed工具，開發(fā)者不需要購買和安裝任何IDE，只要有一塊mbed兼容的開發(fā)板，就可以進行嵌入式開發(fā)。如果你使用的是Arduino開發(fā)板，Arudino IDE 集成大量開源硬件知識庫，讓你開發(fā)如虎添翼，事半功倍。
今天，有了強大的開源的生態(tài)環(huán)境，MCU 開發(fā)者不再會因為缺乏資金無法購買開發(fā)工具，無法獲得技術支持，因而耽誤項目開發(fā)而犯愁了。
制造技術
摩爾定律推動了芯片產業(yè)輝煌了40年，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑。傳統(tǒng)的MCU，比如8位OTP MCU ，長期是使用0.5u的制程工藝，隨著時間的推移，設備和技術更新，現在主流的MCU 制程是180nm，甚至90nm技術，展望不遠的將來，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU 也不是遙不可及事情。
我們知道，更先進的制程工藝會在MCU內部集成更多的晶體管，使處理器實現更多的功能和更高的性能。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了，更多的32位MCU 核心將替代8位，芯片的體積也不會變大，功耗反而會更小。此外，先進的制程工藝還能帶來片內FLASH 容量的增加，未來1MB甚至4MB 的FALSH MCU 也是常見的產品了。
當然，制程工藝將會給MCU 生態(tài)環(huán)境帶來挑戰(zhàn)，比如初期制造成本的增加，芯片設計復雜性增加。32位核心導入，軟件開發(fā)難度增加，以及物聯網應用帶來MCU和RF 以及Sensor集成，進而帶來功耗管理和PCB設計上一系列棘手問題。
應用設計方案
MCU應用五花八門，從最小的消費電子產品，到大型工業(yè)機器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產品。早期的MCU芯片公司只是提供應用指南和參考設計代碼，方案性的設計一般是客戶自己完成，或者由專業(yè)的方案公司和代理商完成，然后交給設備廠商生產，這樣模式至今依然大量存在。
隨著物聯網興起，電子產品智能化需求越來越多，傳統(tǒng)產業(yè)升級已經迫在眉睫，電子產業(yè)急需MCU 廠商提供更多更好的創(chuàng)新型設計方案。隨著電商時代到來，渠道的扁平化，傳統(tǒng)芯片代理商已經無力投入日趨復雜的方案設計，行業(yè)日趨細化和深入，傳統(tǒng)的方案商已經轉型成產品提供商，應用設計方案的重任再次落在MCU 公司身上。
今天我們看到全球領先的MCU企業(yè)，比如ST、NXP、TI 和瑞薩等公司，他們都能提供許許多多MCU 應用解決方案，這些方案的技術越來越前沿，功能越來越完善。比如STM32峰會上展示的預防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案，可以在小屏幕上實現美觀流暢的游戲界面的超低功耗MCU 智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網關。
近年興起的創(chuàng)客運動也是MCU 應用方案的一大貢獻者。創(chuàng)客們大量采用的Arduino 開源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器； 機器人項目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。 在開源硬件環(huán)境下，沒有開發(fā)基礎， 只有創(chuàng)意的開發(fā)者， 也可以完成自己的產品開發(fā)。 開發(fā)門檻的降低了， 將吸引更多的人實現創(chuàng)意， 極大地增加產品的種類和數量， 從而導致對MCU需求的增長。
中國MCU 發(fā)展機遇
80年代初北京工業(yè)大學電子廠掀起了TP801開發(fā)熱潮，同期，上海和江蘇等地開發(fā)了MCS-51的單片機開發(fā)系統(tǒng)，這股單片機的熱潮引發(fā)了全國的智能電子大變革的時代的開始。1986年10月，在上海復旦大學舉行了第一次全國單片機學術交流會，這標志了中國單片機事業(yè)的開始，也由此經歷了中國單片機30年輝煌發(fā)展歷史進程。2016年11月，嵌入式系統(tǒng)聯誼會舉辦了中國單片機30年紀念活動，老中輕三代單片機工作者齊聚北航回憶這段歷程，共議中國單片機發(fā)展的美好前景。
過去幾年中國MCU市場一直持續(xù)增長，據 isuppli Research 2015的研究報告（見圖3），2011年中國MCU市場銷售額大約30億美元，到了2016年已經有40億美元，其中32位MCU市場份額將持續(xù)增大，期內復合增長率已經接近10%。前面我們看到全球8大MCU 企業(yè)沒有的中國企業(yè)（包括臺灣），有關研究報告還指出，
中國內地和臺灣MCU企業(yè)在中國市場各有10%的份額。筆者從剛剛結束的2017年STM32峰會了解到，2016年ST 中國通用MCU市場營收在其全球市場中占比36%，從2007年開始就一直保持27% 的年復合增長率，以物聯網，可穿戴、智能手機、智能樓宇和表計以及電動汽車和無人機等新型應用是拉動MCU快速增長重要引擎。
圖32011-2017中國MCU 市場預估
中國單片機30年，MCU廠商很多，但多數混跡8/16位低端市場，中國是全球第一大電子制造基地，有足夠大的市場來養(yǎng)活這些小廠商。但設計能力低，缺少戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃和資金支持的中小MCU 廠商，難以改變中國企業(yè)在MCU市場的弱勢地位。
國產32位MCU 提速
近年中國MCU企業(yè)的增長提速，尤其是在32位MCU市場上涌現出像兆易創(chuàng)新、致象科技和靈動微電子這樣的企業(yè)，他們基于ARM Cortex M 技術的MCU 芯片受到了市場的歡迎，國產 MCU產品的市場戰(zhàn)略一般是更低的價格，更好的性能，本地周到的服務，最主要的是與國外產品 pin-pin兼容， 這些市場策略讓國內企業(yè)非常受用，取得了豐碩的成果。
據財經媒體報道，2016年，兆易創(chuàng)新實現營收14.89億，凈利1.76億，營收同比增長25%、利潤增長了12%；MCU芯片實現營收1.97億元，同比增長55.2%，銷量4578萬顆，兆易創(chuàng)新最近以65億收購北京矽成。矽成的主營業(yè)務是以易失性存儲芯片為主，主要從事SRAM、中低密度DRAM、EEPROM等集成電路產品的設計與銷售，產品應用于汽車、工業(yè)醫(yī)療、網絡移動通訊、電子消費產品等領域。這與兆易創(chuàng)新的非易失性存儲芯片，包括NOR Flash和NAND Flash及其衍生產品以及MCU微控制器產品的研發(fā)、技術支持和銷售的業(yè)務范圍正好互補。收購矽成對于未來兆易創(chuàng)新GD32系列MCU發(fā)展都將起到積極作用，或將有助于兆易創(chuàng)新拓展汽車電子市場的計劃。
國產MCU 的挑戰(zhàn)
比較國產高端CPU的發(fā)展，國產32位MCU 要順利的多。 相比智能手機芯片，生態(tài)環(huán)境相對單純和簡單是幫助國產MCU 發(fā)展的重要原因。我們知道，開發(fā)智能手機芯片要有巨資投入最先進的制程工藝，比如三星Galaxy S8 機型搭載高通驍龍830處理器，并且處理器將會由三星獨家制造，制程工藝為驚人的10nm。還有Android OS，圍繞Android OS 的開放手機聯盟 （Open Handset Alliance）現在有84個成員，如果你們企業(yè)不是成員，你或許拿不到最新的Anrdoid版本的軟件，即使你是成員，如果不能投入大量的Android開發(fā)人員，你也很難與高通、三星和華為這樣的手機巨頭競爭。
我們前面已經介紹MCU 的技術線路，它與智能手機完全不一樣，MCU 還是一個多元化的應用市場，雖然有幾個很熱鬧的產品，比如無人機、可穿戴手環(huán)，智能溫控器，但是這些產品在數量上與智能手機無法比擬，而且它們每一個的軟硬件平臺都不一樣。憑借基礎的開發(fā)工具、90nm制程和應用方案，加上中國企業(yè)擅長的“保姆式”服務，國產MCU 有機會出奇制勝，一展宏圖。
是不是國產MCU 可以高枕無憂，一路順利發(fā)展了呢？不是的，如果大家看看全球領先的MCU 企業(yè)的產品線就不難發(fā)現，中國企業(yè)（包括臺灣）差距很大，STM32 750余款MCU，多數采用90nm制程上，ST 計劃發(fā)布的超高性能STM32H7 將采用40nm制程工藝，而靈動微電子成熟產品F103 采用還是傳統(tǒng)的0.18um。
在開發(fā)工具上，國產MCU 基本沒有自己的發(fā)工具（IDE），推薦都是ARM KEIL 和 IAR，為了支持自己公司的MCU ，一般會開發(fā)一個 KEIL MDK 或者IAR 插件，沒有經費的用戶多是盜版IDE使用。
在應用設計方案和生態(tài)環(huán)境建設方面，國產MCU 更是遠遠落在外國企業(yè)后面，比如STM32峰會第二天，幾十家合作伙伴展示了包括LoRa、藍牙和WiFi模塊、空中固件升級、NB-IoT診斷儀、多功能汽車總線通信平臺和安全認證的RTOS等百余種解決方案，以及大疆和小米無人機、華為運動手表、MOOV 耳機和阿兒法智能機器人等數十種國內設計和生產的基于STM32產品。 這大大提升了與會的開發(fā)者的興趣，（見圖4）。
圖4 STM32 峰會現場展示
32位MCU市場發(fā)展，芯片設計和制造技術固然很重要，而產品線生態(tài)建設，開發(fā)工具的研究、嵌入式OS的支持、創(chuàng)新型的應用案例、穩(wěn)定的貨源供應和技術支持也非常重要，每一項都缺一不可，都做好了真的不容易，國產MCU要進入國內電子企業(yè)主流供應商名單，要走向國際舞臺，還有很長路要走。面向未來5-10年百億級的物聯網設備市場，MCU迎來了前所未有的機遇，也給了中國MCU 發(fā)展和騰飛創(chuàng)造了絕佳的切入點。
關于ELEXCON2017深圳國際電子展暨嵌入式系統(tǒng)展：作為華南地區(qū)規(guī)模最大的專業(yè)電子和嵌入式技術展，ELEXCON2017將于2017年12月21-23日在深圳會展中心舉行。從元件到系統(tǒng)，從設計到制造，ELEXCON2017將匯聚超過800家重要供應商提供的最新技術和產品，覆蓋的熱點涵蓋：嵌入式、物聯網、電力電子、人機交互與生物識別、無線充電、醫(yī)療電子、傳感器、電動汽車、智能制造等。更多詳情，請登陸：www.elexcon.com
作者簡介
何小慶是著名的嵌入式系統(tǒng)專家，國內最早涉足嵌入式OS者之一，創(chuàng)辦了北京麥克泰軟件技術有限公司，有30年嵌入式技術和市場經驗。他是中國軟件行業(yè)協(xié)會理事、嵌入式系統(tǒng)分會副理事長，嵌入式系統(tǒng)聯誼會秘書長，《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》編委會副主任，出版有《嵌入式操作系統(tǒng)風云錄：歷史演進與物聯網未來》，嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-III應用開發(fā)》和《嵌入式軟件精解》等多本著作和譯著. |
