第一部分：MCU是智能汽車的核心零部件

MCU廣泛應用于各行各業

微控制器（Micro-controller Unit，簡稱MCU）是指把中央處理器的規格與規格做適當縮減，并將內存、計數器、模數轉換器（A/D轉換）、異步收發傳輸器（UART）、可編程邏輯控制器（PLC）以及各種輸入輸出結構等整合在單一芯片上，形成芯片級的計算機，被廣泛地應用在消費電子、計算機和通信、工業、汽車電子、物聯網等領域。

圖1  MCU產品示意圖

常用的車用半導體芯片主要分為控制類半導體、功率類半導體和傳感器，MCU一般是用于汽車控制的核心芯片。IC Insight數據顯示，2019年車規級MCU銷售額占MCU總銷售額的39%，預計車規級MCU的需求和用量也將進一步提升。

對于智能汽車來講，車規級MCU的應用范圍將更為廣泛，無論是簡單的駕車操作，比如發動機控制、雨刷器、車窗控制、電動座椅、空調等控制單元，還是到復雜且智能的車載功能，比如車身動力、行車控制、信息娛樂、輔助駕駛等，每一個功能的實現都需要復雜的芯片組和穩定的算法作為支撐。

圖2  汽車MCU分布廣泛

MCU將是"汽車大腦"的重要組成

MCU作為汽車智能大腦，扮演核心的思考、運算、控制的功能，隨著汽車的電子電器架構向集中式演進，MCU不僅需要繼續承擔色彩信息、空間信息等高維數據的采集、轉換和傳送功能，還需要承擔智能決策控制的核心角色，隨著自動駕駛等級的逐步提高，MCU市場有望加速增長。

以自動駕駛車輛的電子控制系統為例。在駕駛過程中，各類傳感器會將采集的數據傳送給底盤系統、動力系統、制動系統和駕駛系統的MCU中，由MCU進行數據的采集和轉換，并傳遞給中央系統進行數學運算和駕駛決策制定，中央系統會繼續將決策指令傳回到MCU中，由MCU傳達到底盤系統、動力系統、制動系統和駕駛系統中的執行對象來進行指令的執行，從而實現MCU對各個執行對象的智能控制。

圖3  MCU成PC端與信息采集的核心樞紐

以新能源汽車的車輛控制系統為例。整車控制器（Vehicle Controller Unit，簡稱VCU）是實現整車控制決策的核心電子控制單元，是新能源汽車的中央控制單元。VCU通過采集油門踏板、擋位、剎車踏板等信號來判斷駕駛員的駕駛意圖，并通過監測車輛狀態（車速、溫度等）信息，由VCU判斷處理后，通過MCU向動力系統、動力電池系統發送車輛的運行狀態控制指令，從而實現對發動機和車載電力系統工作模式的控制。

圖4  新能源汽車整車控制器示意圖

第二部分：相關政策利好集成電路和車規級MCU行業

2020年10月，國務院常務會議通過的《新能源汽車產業發展規劃（2020-2035）》提到，以市場主導、創新驅動、協調推進、開放發展為基本原則，力爭經過15年持續努力，使我國新能源汽車核心技術達到國際領先水平，我國進入世界汽車強國行列。汽車電子作為新能源汽車的核心零部件，將成為半導體行業中極具發展活力與潛力的市場方向，強大的政策支持和產業的打通融合將推動車規級MCU的成長、發展和廣泛應用。

表1  相關政策大力支持MCU、智能汽車 、新能源汽車及集成電路產業發展

國產替代需求推動突破車規級MCU瓶頸

從目前國內汽車的保有量來看，車規級MCU的需求將提升。同時，隨著汽車智能化程度的提高，車規級MCU的需求也將進一步擴大，車規級MCU的數量和價值有望得到大幅提升，其中32位MCU用量的提升速度將會更快。但是，國內MCU廠商在車規級MCU領域所占據的市場份額仍較小，考慮到中國半導體進口受限的現狀，國產替代的需求日益增加。

表2  車規級MCU的技術標準遠高于消費電子類芯片

目前，車規級MCU的瓶頸較為明顯。一般而言，汽車電子產品的技術標準比商業級和工業級更加苛刻，對工作溫度、交付良率、工作壽命等方面的要求僅次于軍工級。例如，車規級MCU需要符合零失效的ISO-16949質量標準、AEC-Q100可靠性標準、ISO26262功能安全保證級別標準等，使用周期15到20年，技術難度遠遠大于消費電子類芯片。

另外，生態系統建設較為復雜，車規級標準包含了從芯片設計、流片工藝、封裝測試到產品測試全產業鏈的要求，只有具備豐富芯片設計經驗、全面產品質量管控、充足人力物力的公司，才有可能研發出滿足汽車正常運行需求的MCU芯片。

車規級MCU芯片研發周期長、設計門檻高、資金投入大，目前國內車規級MCU市場仍然是瑞薩、恩智浦 、德州儀器 、英飛凌、賽普拉斯、意法半導體 等國外半導體廠商的天下，國產車規級MCU企業也處于奮力追趕的階段。

考慮到車規級MCU對穩定性要求極高，產品一旦被車廠使用，就很難被替代；而且，由于車企的切換成本較高，一般不會輕易去更換其零部件產品，所以率先卡位十分重要。一旦初創企業可以突破車規級技術瓶頸、成功進入市場，便可建立起極高的護城河，并進入10-15年的穩定供貨階段，很難被替換。這一特點使得國產MCU企業，有極大的機會通過突破車規級技術瓶頸來逐步滲透國內廣闊的汽車電子市場。

要求	具體描述
溫度要求	汽車電子對元件的工作溫度要求比較寬，根據不同的安裝位置等有不同的需求，如發動機艙為-40℃-150℃;車身控制為-40℃-125℃;而消費類產品只需要達到0℃-70℃。
環境要求	濕度、發霉、粉塵、水、EMC以及有害氣體侵蝕等往往都高于消費電子產品要求。
運行穩定要求	汽車在行進過程中會遭遇更多的振動和沖擊，這種要求可能會比擺放在家里使用的產品要高很多。
抗干擾要求	汽車對器件的抗干擾性能要求極高，包括抗ESD靜電、EFT群脈沖、RS傳導輻射等，MCU在這些干擾下需要做到不損壞、不死機、不復位。
可靠性要求	使用壽命要可靠，一般汽車設計壽命都在15年、20萬公里左右，遠大于消費電子產品壽命要求。
一致性要求	質量的一致性是很多本地供應商和國際知名供應商的最大差異。對于組成復雜的汽車產品來說，一致性差的元件會導致整車出現安全隱患，這是無法被市場接受的。
產品生命周期要求	一般的使用周期要達到15年以上。作為汽車零部件供應商，必須要保持相當長時間的售后配件供應能力；同時，開發一個汽車零件需要投入大量的驗證工作，更換元件帶來的驗證工作也是巨大的，所以整車制造企業和零部件供應商需要維持較長時間的穩定供貨。
良率要求	車規級MCU產品需要有批量一致性。如何把產品的不良率做到1DPPM(defectivepartspermillion的縮寫，是指百萬分比的缺陷率)以下，這對芯片設計、制造、封測各環節都是一個非常大的挑戰。

表3  車規級MCU瓶頸較高

智能網聯推動車規級MCU升級，32位已成主流發展方向

在ADAS以及自動駕駛領域中，MCU主要配合負責感知的高算力MPU或SoC，根據當前車輛的運動狀況和感知目標進行控制變量的計算。在汽車向智能化系統演變的過程中，行業和政策對于智能汽車安全性、環保性的規定越來越高，所以對MCU的控制運算能力有了更高的要求。

尤其是域控制器和眾多ECU的執行架構成為了汽車電子控制的主流架構，其對算力、網絡接口的功能有了更高的需求，同時需要降低功耗，這對MCU芯片提出了更高的要求，也直接推動了車規級MCU的升級。

從總線寬度方面，車規級MCU逐漸由8/16位升級到32位，32位MCU工作頻率大多在100-350MHz之間，處理能力和執行效能比8/16位更好，其應用也更為寬泛。此外，隨著先進制程工藝的采用，32位MCU的成本逐年降低，價格上將更有競爭力。

未來，隨著汽車智能化程度的不斷增加，車規級MCU將向多功能集成及超低功耗方向發展，且使用數量將不斷增加；同時，大量使用的車載傳感器、車載攝像頭，也需要高性能的MCU來做模擬數據的運算處理與驅動控制。因此，在未來更高階自動駕駛等級的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢下，32位車規級MCU將成為主流產品。

MCU分類	汽車各系統應用領域
8位	車用空調系統、電動船控制系統、電動座椅控制設備、電動照后鏡系統等
16位	防滑剎車系統、車用穩定控制、安全氣囊系統模組、引擎控制系統、車速控制設計等
32位	駕駛者資訊裝置、智能控制裝置、多媒體系統產品、多媒體娛樂系統設備

表4  車規級MCU的應用領域

從工藝制程方面，目前主流為55nm工藝制程，未來40nm和22nm制程有望得到推廣。相對于目前集成電路5nm、3nm的先進制程，40nm和22nm并不是前沿的技術節點，但對于車規級MCU已經足夠，這對中國相對滯后的半導體技術而言壓力較小。工藝越先進的MCU動態功耗越好，但靜態功耗反而會因此變差，市場普遍認為40nm和22nm是非常適合MCU的技術節點，在這兩個尺寸上面的MCU可以實現成本最優。

第三部分：MCU芯片介紹

MCU的基本結構

構成MCU的幾個重要組件包括：

（1）中央處理器（CPU）

CPU是單片機的大腦。它由算術邏輯單元(ALU)和控制單元(CU)組成。CPU讀取、解碼和執行指令以執行算術、邏輯和數據傳輸操作。

（2）存儲單元

任何計算系統都需要兩種類型的存儲器：程序存儲器和數據存儲器。程序存儲器，顧名思義，包含程序，即要由CPU執行的指令。另一方面，數據存儲器需要在執行指令時存儲臨時數據。通常，程序存儲器是只讀存儲器（ROM），數據存儲器是隨機存取存儲器（RAM）。

（3）輸入/輸出端口

單片機與外部世界的接口由輸入/輸出端口（I/O端口）提供。開關、鍵盤等輸入設備以二進制數據的形式從用戶向CPU提供信息。CPU在接收到來自輸入設備的數據后，執行適當的指令并通過LED、顯示器、打印機等輸出設備做出響應。

（4）定時器/計數器

單片機的重要組件之一是定時器和計數器。它們提供時間延遲和計數外部事件的操作。此外，定時器和計數器可以提供函數生成、脈寬調制、時鐘控制等。

（5）總線

單片機的另一個重要組件，但很少講到，它就是系統總線。系統總線是一組連接線，將CPU與其他外圍設備（如內存、I/O端口和其他支持組件）連接起來。

MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐條執行預存指令的過程，不同類型的單片機有不同的指令系統。為了讓一個單片功能自動完成某項具體任務，必須將所要解決的問題編成一系列的指令，并且這些指令必須是由一個單獨的函數來識別和執行的，這樣一系列指令的集合就變成了程序，這些程序需要預先儲存在有存儲能力的存儲器中，也就是我們常說的內存。

由于程序是按順序執行的，因此程序中的指令也是一條條地存儲，MCU在執行程序時要將這些指令逐個提取并執行，必須擁有能夠跟蹤指令所在存儲單元的功能，這個部分就是程序計數器PC(包括CPU在內)，當程序開始運行時，PC將會被分配到程序中每一條指令的存儲單元，并一一執行該項指令，PC中的內容自動增加，增加量由這個指令長度決定，每一條都指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執行。

內核架構是影響MCU性能的一個關鍵要素，更優秀的運算單元需要更先進的內核架構。十幾年前，各大MCU廠商均采用各自的內核，如瑞薩采用RX內核，飛思卡爾采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。隨著ARM推出Cortex-M架構并開展了獨特的開創IP授權的模式，以其軟件代碼的共享和高兼容性、高密度指令集等特點，現已逐步占據主導地位。

車規MCU的種類

車規MCU按位數可分為8位、16位和32位。位數即MCU單次處理數據寬度，位數越高，MCU性能越強。

8位MCU成本/功耗低，便于開發，性能可滿足大部分場景需要，廣泛應用于基礎功能如風扇、雨刷、天窗，座椅控制等領域。32位MCU運算能力更強，能滿足高速處理的需求，多用于解決復雜場景問題，如汽車智能座艙、車身控制、輔助駕駛，行車安全系統等領域。32位的CPU內核以ARM為主流架構，由于CPU指令集龐大，軟件開發難度較高，單價一般數倍于8位MCU，因而也有較高的研發壁壘。

從不同位數MCU規模占比來看，目前全球MCU芯片產品以32位為主。受益于其體積小性能優的特性以及汽車智能化的趨勢，32位MCU銷售額占比已經從2010年的38.1%提升至2015年的53.7%，進而躍升至2021年65.8%。隨著汽車智能化和電動化進一步發展，汽車電子功能將日趨復雜，勢必推動車規MCU向更高性能，更小尺寸，更低功耗的方向發展，32位芯片占比有望進一步提高。

第四部分：MCU產業鏈概況

MCU產業鏈上游為半導體材料及半導體設備，主要包括硅片、光刻膠、光掩模、電子特種氣體、靶材、單晶爐、刻蝕機、光刻機等。中游為MCU制造環節，主要包括芯片設計、單晶硅片制造、晶圓制造、芯片封測。下游應用領域包括汽車電子、工業控制、消費電子、計算機網絡等。

第五部分：MCU技術發展趨勢

1 更高算力

隨著汽車智能化程度的不斷增加，車規級MCU將向多功能集成、高算力及超低功耗方向發展，且使用數量也會隨之增加。同時，未來智能汽車中大量使用的車載傳感器、車載攝像頭，也需要高性能的MCU來做模擬數據的運算處理與驅動控制。因此，在未來更高階自動駕駛等級的汽車中，加以多傳感器融合的大趨勢下，總線寬度32位乃至64位高算力車規級MCU將成為主流產品，而8/16位中低端MCU則會被更高制程的SOC所集成，失去增長動力。

2 更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求會指數上升，部分MCU會和GPU，DSP，NPU和AI處理單元等不同類型芯片共同被集成到SoC(系統級芯片)上。SoC是MCU集成度更高的結果，其功能更復雜，資源利用效率更高，可勝任如無人駕駛和智能座艙等需要高算力的場景。

3 更高開放度

由于ARM內核IP授權費高昂(芯片售價的2%-15%)，很多廠商已開始基于開源的RISC-V內核開發MCU，如瑞薩，英特爾，兆易創新等。RISC-V不僅完全免費開源，還具有低功耗，指令集精簡，設計編譯簡單，支持模塊化和可拓展等的特點，這和車規級MCU場景碎片化，功能模塊化的特點十分契合。