近兩年，國內芯片設計類企業呈現出一種趨勢，之前專注于存儲、模擬、電源、射頻甚至AI等領域的設計公司，紛紛開始調整方向涉足MCU業務。部分公司選擇了通用MCU，更多的則是在原有功能芯片基礎上做MCU集成融合。

基于這一現象，筆者站在產業角度對國產MCU進行了一定程度的行業洞察和案例分析，希望對國內的相關從業者、上下游廠商以及資本市場等相關的決策判斷有所幫助。更期望國產MCU能得到更加高質量的發展，在追趕和超越國際頂級MCU廠商的道路上走得更順。

MCU的重要性、復雜性和成長性

MCU（Microcontroller Unit）即微控制器，又名單片機，是將CPU、存儲器（RAM和ROM）、各種模擬外設、數字外設、多種I/O和接口等集成在一片芯片上，形成的芯片級計算機。MCU廣泛應用于工業控制、家電、汽車、數碼電子等產品中，是電子設備的核心零部件。單單中國市場，每年的產業規模就超過400億人民幣。

作為基于傳統晶圓制造工藝的一個看起來再普通不過的芯片，其戰略性重要程度絕不亞于任何其他類別的芯片，無論是更為復雜的AI芯片、GPU等高端芯片，還是體量上更為龐大的各類模擬芯片。除開近期階段性缺貨造成的稀缺性影響，MCU的戰略重要性、復雜性、及成長性都被嚴重低估。

MCU的供給關乎中國電子信息制造產業

小至一只耳機，大到一輛汽車，但凡帶電的設備里，少則一顆，多則數百顆MCU，少一顆都成不了產品、出不了貨。中國是電子制造業的大國，但所制造的產品中采用的MCU有90%以上都還是依賴進口。國產MCU所占的大多都還是低端和同質化的市場。人為斷供的風險時刻存在，即便是當下非人為的階段性缺貨，也對很多相關下游廠商造成了不可逆轉的影響。對于下游廠商來說，這波缺貨最大的教訓之一莫過于要學會和習慣做供應鏈預測，這同樣也是MCU芯片廠商應該要接受的教訓。而我們依然處于正在被教育的過程中。歐美MCU廠商將未來2年的晶圓產能通過部分預付款方式強行鎖定，意圖已是十分的明顯。

完成一顆高可靠性的可大規模應用的MCU絕非易事

看似簡單的MCU芯片內，從數字到模擬集成了至少50個的核心IP。每個IP都需要工匠般的精神精心打磨。長時間的大量仿真，不斷的調整電路和參數，不斷的流片，不斷的迭代，開發沒有任何捷徑。

MCU看似簡單，但因為其通用性，在應用場景上非常多樣化并難以預測。而大量的出貨又要求產品的高度一致性和極低的不良率。這就要求電路的設計需要具備更好的容忍度，容忍一定的工藝偏差，容忍不同的溫濕度和電磁工作環境，容忍各種外設組合工作下的穩定性，甚至需要考慮外圍應用設計的容錯性。這才具備了高可靠性，高品質MCU產品的基本要求。

而真正要將其大規模的商業化，其他生態相關的建設一樣都不能少。簡單易用的開發板、完善的軟件工具鏈、豐富的應用筆記文檔、成熟的SDK開發包、及時有效的線上線下的技術支持、人氣旺盛的社區論壇、機制健全的線下技術培訓以及全面的銷售渠道體系等都起著舉足輕重的作用。

MCU的增長數倍于終端產品的增長且不斷加速

電子產品的不斷普及提升了MCU需求的絕對數量，而電子產品的智能化和物聯網化則讓單位產品所需要的MCU的數量不斷攀升，導致對于MCU的需求遠超線性增長的增速。

這種“戴維斯雙擊”式的增長對MCU產業來說固然是件好事情，但同時也伴隨著產能匱乏的困擾。尤其是相當一部分的MCU都采用了傳統工藝節點和制程，基于產能持續萎縮的8英寸晶圓產線。這需要產業上下游的協同和共識，需要更長遠和科學的需求預測和產能規劃，更需要頂層設計對MCU戰略重要性的認同和政策扶持。

這不僅僅關乎國產MCU的崛起，更關乎著中國電子信息制造產業生存發展的安全性。而對于資本市場來說，則意味著巨大的投資機會。

國產MCU發展縮影

國產MCU品牌的數量比國外品牌多一個數量級，但市占率卻反而少了一個數量級。國產MCU多應用于消費類電子產品中，內核以8位為主，且以OTP和MTP類居多，可靠性要求也相對較低而成本壓力較大。

對于可靠性要求較高的工業應用和行業應用而言，則多以進口MCU品牌為主。這類應用除了高可靠性外，還需要確保供貨的可持續性，同一產品通常需要保證10年以上的供貨，產品生命期內，廠商不會貿然更換方案。而汽車領域的要求則更為苛刻，前裝市場入局的國產品牌鳳毛麟角。造成以上格局的原因有很多，筆者根據多年的MCU從業經歷暫且羅列了以下幾點：

通用MCU賣的是Catalog

歐美頭部MCU品牌經過數十年的發展，技術迭代使得產品在穩定性、可靠性及產品系列化方面非常全面。產品大多都能橫跨幾個管腳到幾百個管腳的各種級別MCU，且未來數年的產品路標清晰明確。這是對質量、可靠性和供應商資質等要求較高的大客戶在方案選擇方面考慮的重要因素。國產MCU發展時間相對較短，基礎還不夠深厚。一方面需要更長時間的產品積累和能力提升，另一方面也需要開拓思路，尋求彎道超車的戰略拐點。

中國的電子信息制造業起步于純代工

早期產品方案的MCU主平臺選型和采購都是全球化的，決策權不在本土。有相當一部分的國內市場需求是從國外研發導入到國內生產的移交性需求。其MCU平臺的選型具有延續性，隨著國內系統廠商的研發團隊自主權的提升，國產MCU亟需伺機切入。

大多國產通用MCU以替代性兼容設計為主

這樣的產品思路目標就是作為二供進行部分替代。可替代的市場大多屬于對可靠性要求不那么高的消費類市場。對于更高要求的工業及汽車類應用來說，國產MCU還有很大的提升空間以滿足相應要求。

通過大學計劃占領長期戰略制高點

歐美MCU品牌多年前就開始通過持續性的大學計劃從大學生入手，通過與高校設立聯合實驗室，將產品植入到課件、畢設和競賽中。培養先入為主的使用習慣和未來用戶群。近幾年也陸續看到國內的頭部MCU廠商開始效仿類似做法，這樣的投入有一定的滯后性，通常需要3-5年。但長期來看是最具性價比、最長效的生態建設投入。

MCU下游應用分散，種種原因導致海外與國內存在結構性差異。國外MCU以汽車電子，高端工控及品牌類應用為主，而國產MCU則主要以消費電子為主。對標國際頭部MCU廠商，差距客觀存在，除了不斷彌補明顯的短板外，國產MCU更需要持續尋找差異化創新的機會，借助彎道超車實現更大的突破。

“MCU+”

或是國產MCU彎道超車的機會

電子產品的數量在不斷攀升，形態也在不斷進化，尤其近些年物聯網技術的興起與普及，產品智能化已成為大勢所趨，而這波缺貨潮會加快這一趨勢。有限的供貨將會流向更高附加值的產品中去，包括高附加值的品牌和更高定位的產品。

這一趨勢又會反過來影響MCU未來的發展和分布，促使MCU同樣會朝著更高的附加值發展。更高的可靠性、更低的功耗、更高的集成度。這其中集成度的提升將會是MCU發展的主旋律，我們認為這會是國產MCU彎道超車的主要著力點。集成度的提升意味著和應用的深度結合。從需求挖掘和產品定義來說，本土MCU廠商最靠近市場和真實應用，占據了絕對的優勢。

時間追溯至2020年的4月份，距上海泰矽微首次公開提出“MCU+”的發展思路已經過去整整一年的時間。一年前半導體行業因受到疫情影響尚未走出陰霾，也固然不存在缺貨現象。但產業發展的趨勢不容改變，后疫情又恰恰起到了促進作用，進一步加速了“MCU+”這一趨勢的形成。

前文中提到的眾多MCU以外的廠商介入MCU業務，大多也是基于集成的需求，比如，電源類芯片需要加協議、加快充；電池管理需要加算法；物聯網類無線通信類芯片需要加應用相關的控制和處理；存儲芯片需要集成智能化算法等等。

總之，目前看到的集中轉向MCU的現象并非當下缺貨潮所致，而是市場在需求側變化的推動下產品形態的自然演繹。這波缺貨潮終將過去，當潮水退去的那一刻，產品競爭力是取決于價格還是產品自身？

上海泰矽微設立之初就直接定位于”MCU+”的發展思路，站在應用角度，基于MCU來定義適合于各垂直市場的高性能專用MCU+／SoC芯片。在這過程中并沒有因為通用MCU暫時的缺貨和爆炒動搖過產品方向的決心。

經過一段時間的封閉開發，多個“MCU+”系列芯片逐漸從開發到流片再到工程，進入量產。產品涉及信號鏈、電源管理、電池管理、無線通信等技術領域。覆蓋消費類、工業及汽車等相關應用。

泰矽微宣布量產首個“MCU+”產品

高性能信號鏈SoC

泰矽微日前正式量產發布目前業內超高集成度的高性能高可靠性信號鏈系列化SoC芯片。傳感器作為物聯網不可或缺的一部分存在于絕大部分的物聯網終端節點中，在基于通用MCU的傳統方案中，傳感器的信號調理、采集或測量需要額外的多顆芯片來實現，性能要求越高，外圍的復雜程度和成本代價越高。

TCAS系列芯片集成了32位ARM? Cortex?-M0高性能內核，最高工作頻率可達48MHz，內置最高64KB FLASH和8KB SRAM。其內部集成了24bit高精度Sigma-Delta ADC、14bit高速SAR ADC、最高1024倍增益放大的超低噪聲PGA、VDAC、IDAC、TIA、運放等多種模擬前端外設，同時集成了多路UART、SPI、I2C等數字接口外設，支持多種硬件加密算法。

泰矽微還開發了獨創的降低系統整體功耗的Tinywork?技術（專利號：CN111427443A），使得外設在睡眠模式下，無需內核處理器的干預也能獨立工作和相互協同，可將典型應用場景中的工作電流降低80%以上，并且支持超低功耗待機，支持獨立備用電池供電。

MCU產品定位的基本要素是高可靠性，對于TCAS系列而言，從芯片的開發到測試的流程、單個模擬或數字IP及IO Ring的實現、基于整芯片的Floor plan布局以及封裝材料的選取等都將可靠性放在了首位。對比常規工業級芯片2KV的ESD靜電測試指標，TCAS的實測數據可輕松通過6KV，且HTOL、Latch up等全部Pass。為了配合產品發布和后續推廣，除了基本數據手冊外，也準備了大量的應用筆記、低成本的開發評估板、典型應用的參考設計、調試工具以及培訓材料等。

信號鏈作為TCAS系列芯片的主要特性，可通過軟件配置實現多種傳感器的信號調理和數據采集，外圍電簡單，噪聲系數極低，可實現高精度測量。

以下羅列了部分傳感器接口的典型電路及應用介紹：

1. 橋式傳感器接口：橋式傳感器應用框圖所示是一個基于低噪聲PGA、24Bit Σ-△ADC等的高精度橋式傳感器測量系統。

TCAS14A內置2級具有可調增益的低噪聲PGA，以及低均方根(RMS)噪聲的24Bit Σ-△ADC和溫度補償電路，因此可以直接測量來自橋式傳感器等的小信號。

2. 熱電偶傳感器接口：熱電偶傳感器應用框圖所示是一個基于24Bit Σ-△ADC的熱電偶測量系統。TCAS14A內置PGA、24bit Σ-△ADC、基準電壓源VDAC和激勵電流IDAC等。芯片內部集成的偏置電壓發生器偏置熱電偶信號,確保輸入信號滿足輸入電壓限值的要求。片內提供1mA的激勵電流用于為熱敏電阻和采樣電阻電阻供電。基準電壓利用該外部采樣電阻產生。

3. 電化學氣體傳感器：電化學氣體傳感器應用框圖是一個基于24Bit Σ-△ADC或14bit SAR ADC的電流型電化學氣體傳感器系統。TCAS14A內置運放OPA、跨阻放大器TIA、24bit Σ-△ADC或14bit SAR ADC、VDAC等。 

通過傳感器參考電極(RE)向OPA提供反饋，從而改變反電極(CE)上的電壓來保持WE引腳的恒定電位。內部TIA將傳感器的電流信號轉變為電壓信號，提供給ADC。內部VDAC為TIA提供偏置電壓，使得信號處于ADC支持的電壓范圍內，以便為不同類型的傳感器提供充足裕量。

4. 三線制RTD傳感器：三線制RTD傳感器應用框圖是一個基于24Bit Σ-△ADC的具有外部參考的比例型三線制RTD(Resistance Temperature Detector)傳感器測量系統。該方案在很大程度上消除了傳感器引線對測量結果的影響，可進行高精度的測量。

泰矽微的這款信號鏈SoC是其在“MCU+”戰略路線上走出的堅實一步，后續還將推出更多系列化“MCU+”芯片，覆蓋電源管理、電池管理、射頻、觸控等技術領域。這種體系化、系列化創新的模式也代表著國產MCU在通過探索技術創新、產品創新和商業模式創新等追求更高質量發展的一股新的力量。

從產品定義到架構設計和芯片開發，都堅持從“0”起步走全原創自主開發，充分尊重和重視知識產權。選擇走自定義產品而不是兼容設計和國產替代之路，通過應用場景和需求的深度分析倒逼產品創新，通過和行業標桿的下游廠商共同定義產品，開辟了全新的商業模式，解決了行業痛點的同時也可鎖定大客戶訂單。

結語

新能源革命給中國的汽車工業帶來了全新的發展機遇，而電子信息產業的這次物聯網化革命也同樣會給國產MCU帶來彎道超車的機會。毋庸置疑，歐美頭部MCU廠商擁有非常強大的周邊生態，但容易被忽略的是，層出不窮的國產兼容替代實質上是在為進口MCU芯片的生態不斷修筑護城河。

真正的彎道超車是緊追而不跟隨、借鑒但不復制。實現國產MCU的自主可控和產業振興尚有一段距離，需要全產業鏈的集體智慧與努力。不過，中國擁有全世界最全的產業生態，最大的本地市場，緊抓類似“MCU+”這樣全新的機會，產業上下游聯動，通過創新走高質量發展之路，國產MCU的生態崛起，可期！

來源：芯師爺，作者：熊海峰