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钛媒體注：本文援引于報告：《2021年中國半導體系列：MCU晶片兩大應用場景應用現狀及趨勢報告》，首發于頭豹科技創新網。報告作者：莫子慶，本文編輯：胡嘉寅
1月10日，美的集團宣布2021年主要投産的晶片為MCU控制晶片，全年産量約為1000萬顆。不僅僅是美的集團，近年來，包括格力、海信、TCL等在内的國内家電巨頭已經紛紛向晶片領域延伸布局。
然而，千萬顆産量看似數字“驚人”，卻仍遠無法滿足2021年市場端迫切的需求。
企業巨頭紛紛投産的MCU晶片到底是什麼？
MCU（Microcontroller Unit）微控制器，又稱單片機，實際上是一類輕量化數字計算晶片。
2021年全球MCU行業缺芯十分嚴重，除家電産業外，汽車使用的高端MCU晶片尤為短缺，據頭豹研究院統計，汽車微控制器，在過去十年間占微控制器（MCU）總銷量約40%，例如美的這樣的傳統家電企業也正積極布局汽車晶片的研發。
那麼，為何MCU晶片缺芯情況如此嚴峻？
宏觀層面分析來看，近期受疫情影響仍處于不平衡狀态，2021年上半年全球出現“缺芯危機”，導緻全球汽車累計停産數約為300萬輛，其中，手機晶片供貨周期從3個月延長到12個月，其重要原因在于新數字終端對晶片的需求出現了大幅增長。
疫情之後，經濟有所回升，未來MCU缺芯狀況是否仍将嚴峻？MCU晶片應用領域又存在哪些發展機遇和投資邏輯？
本文，頭豹研究院将從MCU晶片兩大應用領域切入分析，深度解讀MCU晶片市場發展現狀，剖析MCU産業應用領域未來趨勢。
背景：中國汽車晶片自給率不到5%，MCU端尤為薄弱
據每日經濟新聞報道，在2021年6月19日舉行的2021中國汽車論壇上，中國汽車工業協會總工程師、副秘書長葉盛基介紹稱，目前，大陸各類晶片中MCU控制晶片最為緊缺，國内MCU控制晶片企業最為薄弱。截至目前，中國半導體自給率為15%，其中汽車晶片自給率不足5%。
目前，晶片短缺已成為全球性發展問題。葉盛基認為，由于目前汽車晶片供應缺口、恢複周期等資訊的不清晰，市場上出現晶片分銷商囤貨居奇、漫天要價情況。同時，企業也選擇大量囤貨掃貨，提高晶片庫存，來抵禦未來風險，進一步加劇目前晶片短缺困境。
中汽協方面預測，今年第二季度汽車晶片短缺将達到最高峰，樂觀預計汽車晶片短缺情況将在今年下半年開始緩解。“目前半導體行業産能對汽車行業提供了較大的支援，當汽車行業不缺晶片後，其他行業再經過半年周期性調整，預計到2022年年底整個半導體産業供應将恢複平衡。”葉盛基認為。
解讀MCU（微控制器）晶片：輕量化數字計算芯
MCU是把中央處理器（CPU, Central Processing Unit） 的頻率與規格做适當縮減，并将記憶體、計數器、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊接口，甚至LCD驅動電路都整合在單一晶片上，形成晶片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制，其具有性能高、功耗低、可程式設計、靈活度高等優點。
MCU基本組成主要包括CPU （核心部件包括運算器、控制器）、存儲器（用于存儲程式和資料）、輸入/輸出I/O接口、定時器/計數器與串行通信端口（和不同外設之間進行資料交換）等，用于實作包括計時、作為輸入/輸出口連接配接外部管道、實施外部中斷控制、提供通訊接口等功能。
中國下遊需求以消費電子、計算機、汽車電子為主總占61%。根據IC Insights資料，2019年全球MCU下遊應用主要分布在汽車電子、工控/醫療、計算機和消費電子四大領域，分别為33%、25%、23%和11%；而2019年中國MCU下遊需求以消費電子領域為主占比26%，計算機、汽車電子、智能卡和工控領域分别占比19%、16%、15%和11%。
中國市場需求更偏向于消費應用，但随着車規産品不斷推出與滲透，汽車電子應用占比有望持續上升；此外随着工業基礎設施數字化、智能化的不斷深入，工業應用市場對MCU的需求也會上升。此次全球“晶片荒”直接對汽車、3C、工控等領域造成較大沖擊。
MCU作為數字信号的處理器件，在信号鍊環節中具有重要作用
信号鍊是電子裝置實作感覺和控制的基礎，MCU在信号鍊中起核心處理作用。一個完整信号鍊的工作原理為：從傳感器探測到真實世界實際信号，如電磁波、聲音、圖像、溫度、光信号等并将這些自然信号轉化成模拟的電信号，通過放大器進行放大，然後通過ADC把模拟信号轉化為數字信号，經過MCU或CPU或DSP等對數字信号進行處理後，再經由DAC還原為模拟信号。
信号鍊将真實世界和數字世界進行連接配接，是電子産品智能化、智慧化的基礎。
MCU晶片位數發展曆程
按位數分類：8/32位占據主流，其中8位具有低成本、低功耗、易開發等優點，而32位主要應用在較高端場景。MCU位數是指CPU一次處理的資料的寬度，也可了解為參與運算的寄存器的資料長度。位數越大，代表CPU一次處理的資料量越多，運算速度越快，即位數越高的MCU處理能力更強。
通常而言，越高核心處理速度配置的存儲器空間更大，相應外設組合也更為豐富。根據CSIA資料，2019年中國MCU産品中32位占據主要份額45%,，8位占比40%。
未來，MCU設計将朝六大方向發展，向64位MCU晶片進一步演進
根據電子工程專輯資訊，随着AI和IOT的發展與融合，微控制器MCU的設計趨于複雜，頭豹研究院分析師認為，MCU将逐漸從傳統單一功能向計算性能更強、內建更多功能的系統級晶片（SOC）演進，MCU設計方向也将向6個次元轉變。
此外，随着先進制程工藝的采用，32位MCU成本逐年降低。32位MCU将持續保持高速增長，将向MCU晶片六大演進方向進一步推進。
疫情好轉，“芯慌”漸定，下遊複蘇，全球MCU市場逐漸恢複穩健成長
全球MCU晶片市場規模達150億美元，預計未來三年複合增速達8%。據IC Insights資料，2020年MCU市場規模下滑8.6%至150億美元，其預計MCU市場将在2021年恢複增長，2023年預計規模達到188億美元，對應2021-2023年複合增速為8.0%。
從全球MCU下遊應用領域來看，MCU主要應用于汽車電子、工控/醫療、計算機與消費電子四大領域，從2019年IC Insights資料來看，汽車電子是MCU最大市場，占據33%的份額，工控/醫療、計算機領域分别占比25%、23%。
MCU晶片行業應用領域：汽車電子
MCU的車内應用場景主要包括五大系統：動力總成系統、底盤安全系統、車身控制系統、電機驅動系統與ADAS （進階輔助駕駛系統）&資訊娛樂系統。
其中：
1） 動力總成：變速器、發動機套件、汽油/柴油噴射系統等以及電動汽車新增的電池管理系統、電機控制等；
2） 底盤安全：安全氣囊、主動懸挂控制、制動助力器等一系列維護汽車安全與穩定性的系統；
3） 車身控制：包括後視鏡、前車燈、車頂部、座椅、車門、車窗等車身控制子產品；
4） 電機驅動：這部分為電動汽車新增的逆變器與充電子產品；
5） ADAS&資訊娛樂系統：智能汽車新增的功能，包含傳感器、攝像頭、雷達以及更新的語音娛樂裝置等。
随着汽車電動化與智能化趨勢演進，汽車電子的自動化程度提高，車内系統與功能的增加帶動了ECU數量增長，MCU作為ECU的必備元器件，也将伴随着單車ECU數量的提升迎來快速增長。
從低端切入，逐漸走向高端産品研發
中國廠商從中低端車規MCU切入，并考慮研發高算力産品。車規級MCU由于認證周期長、可靠性要求高，是國産替代最難突破的陣地。
近年來，不少中國廠商已從與安全性能相關性不大的中低端車規MCU切入，比如雨刷、車窗、遙控器、環境光控制、動态流水燈等車身控制子產品，并逐漸開始研發未來汽車智能化所需的高端MCU，如智能座艙、ADAS等。目前，行業内推進較為快速的廠商包括華大北鬥、兆易創新、比亞迪半導體、傑發科技等。
在汽車應用中，從雨刷、車窗、座椅，到車載娛樂資訊系統，幾乎都會用到MCU來實作控制，據iSuppli資料，一輛汽車内半導體器件數量中，MCU晶片約占30%。MCU主要作為ECU核心參與汽車各個系統控制之中。而随着汽車智能化水準越來越高，MCU用處和用量還有望進一步提升。
車規MCU國産替代正起步
車規級MCU要求較高，國産替代仍處于起步階段：其一，車規級MCU相比消費級和工業級産品性能要求更高；其二，車規級産品認證周期長，需要滿足AEC-Q100和ISO/TS 16949标準；其三，全球整車供應鍊基本固化，生态切入困難。
是以，車規級MCU市場以海外龍頭為主，瑞薩電子、NXP、英飛淩、TI以及微芯等頭部廠商CR5達到85.6%。目前國産車規級MCU生産商主要包括：比亞迪半導體、傑發科技（四維圖新）、芯旺微電子、賽騰微電子等。
汽車電子架構調整，MCU需求随之變革
随着汽車智能化趨勢推進，汽車功能增加與電子架構的內建化推動單車MCU價值量的提升，促使汽車從分布式架構向內建化域架構的轉變，将進一步促進車用MCU的需求增長。
新能源汽車普及，無人駕駛技術更新成熟
新能源汽車的普及和無人駕駛技術的更新與成熟，将催生32位MCU晶片大量需求：無人駕駛技術的發展将快速推進駕駛輔助系統、自适應巡航控制、預碰撞、引擎控制等需求的落地轉化，由此将産生較大的32位甚至64位MCU需求。
中國政府大力推動新能源汽車普及，陸續出台《新能源汽車産業發展規劃（2021-2035年）》、 《關于完善新能源汽車推廣應用财政補貼政策的通知》等涉及購置補貼、生産補貼及技術研發支援相關政策，促使新能源汽車銷量持續處于高速增長态勢。2020年，中國新能源汽車市場規模達2,231.9億元，其中純電動車占比最高，達80%。
MCU晶片行業應用領域：物聯網
IoT裝置需求與MCU相契合，是未來各領域增量的重要來源。IoT實際上并非一種新的裝置，而是指通過在傳統裝置上加入傳感器+執行器+通信模組，以持續收集相關裝置的資料并進行分析，進而提供增強的服務和營運的産品。
MCU下遊領域多樣，以AIoT應用場景目前較快的消費物聯網和車聯網領域為切入口。
（1）智能化浪潮在量級上驅動MCU需求提升：從智能家電到新能源汽車，一方面，單裝置對MCU的需求量有提高，另一方面對各類智能裝置需求量的提高也推動MCU需求增長。
（2）性能要求推動MCU單價走高：為滿足下遊應用性能需求，32位MCU已成為市場主流，未來8位MCU仍将會向32位遷移，推動産品單價走高。
（3）國産替代大背景下格局變遷：無論是供應鍊安全需要還是缺芯帶來的機遇，國産替代邏輯已成為目前半導體産業一大主要背景。
智能終端産品更新換代加速
loT裝置需求與MCU相契合，是未來各領域增量的重要來源。IoT實際上并非一種新的裝置，而是指通過在傳統裝置上加入傳感器+執行器+通信模組，以持續收集相關裝置的資料并進行分析，進而提供增強的服務和營運的産品。
多技術、多應用融合及多樣化需求，使得智能終端産品更新換代的速度越來越快。到2020年全球物聯網連接配接數量将接近300億個，物聯網市場規模在2020年以前将按照每年 16.9%速度遞增，2020年将增至1.7萬億美元。
MCU作為聯網裝置的關鍵元件，從2014年起，MCU+傳感器結合成為主流物聯網方案。物聯網裝置增多提升對聯網能力需求，同時也需要兼顧成本和功耗，由此促使無線MCU解決方案快速進入行業視野。目前而言，除了将傳感器和MCU整合到SOC當中，把藍牙、WiFi等通信技術作為拓展功能整合到産品中也逐漸成為一種産品發展趨勢。
“智能手環與手表”穿戴式裝置高速增長
智能穿戴裝置以無線耳機、智能手表與手環為主。針對無線耳機而言，配套耳機充電盒配備1顆MCU晶片，主要用于實作充電盒跟耳機雙向通信以及控制電量顯示燈等功能。智能手表手環則主要配置低功耗設計MCU，以保證器件續航能力。随着可穿戴裝置市場出貨量持續增長，預計低功耗MCU需求量将穩步增長。
中國智能穿戴市場規模，自2017年的147.9億元增長至2020年的430.2億元，複合增長率達42.7%，智能穿戴裝置對于涉及兒童、老人安全，健康監護，定位起到關鍵性作用，為推動其智能穿戴市場需求擴張的主要因素，預計2025年市場規模将達941.8億元，複合增長率達17.0%。
智能化+消費更新，智能家居需求迎來爆發
MCU：智能家居産品橋梁，随智能家居滲透有望提升MCU用量，與普通家居相比，智能家居不僅能提供品味高端、舒适安全家庭生活空間，還由原來被動靜止結構轉變為具有動能的智能工具，提供全方位資訊交換功能。是以智能家居概念是對傳統家電行業全面更新，其中每一個智能終端、節點、網關都需要MCU進行各子產品連接配接、資料傳遞，以及實時控制并顯示，MCU扮演橋梁紐帶角色。
目前，以中國智能家居市場為準，智能安防、智能照明和智能家電為最大應用領域之一，分别占比達21%、16%和14%。
頭豹深度研究見解：全球智能汽車MCU需求将迎爆發式增長
半導體市場需求一般以3~4年為一個枯榮周期。2020年，全球半導體市場進入新一輪上行周期，各類需求均較旺盛，産能供應開始趨緊。2021年，此次汽車“芯荒”主要是由于汽車産業需求與半導體産業周期“錯配”所導緻的。
2020年年初，汽車産業因疫情影響對市場預期偏低、主動減少半導體訂單，使得半導體制造企業将部分産能向消費電子晶片轉移，到2020年年底全球汽車市場複蘇時，半導體行業難以完成産能切換和恢複産品供應。
此次汽車“芯荒”，使汽車界認識到車用半導體供應鍊安全穩定的重要性，為重塑中國車用半導體産業鍊提供視窗機遇。