2023, szalony samochód MCU

01 Historia rozwoju MCU

MCU, mikrokontroler, ma dobrze znaną nazwę: mikrokomputer jednoukładowy.

Naprawdę dobrym rozwiązaniem jest przeniesienie zestawu podstawowego systemu komputerowego do chipa, w tym wewnętrznej wersji procesora RAM ROM, portu szeregowego licznika IO, chociaż wydajność z pewnością nie jest tak szeroka jak w komputerze, ale jest programowalna o niskim poborze mocy i elastyczne, więc w elektronice użytkowej, komunikacji w branży medycznej Samochody mają bardzo szerokie zastosowanie.

Urodził się w 1971 roku, Intel zaprojektował pierwszy na świecie mikroprocesor – 4-bitowy chip o numerze 4004, ten chip integruje ponad 2000 tranzystorów, a Intel zaprojektował także chipy 4001, 4002, 4003, RAM, ROM i rejestry.

Kiedy te cztery produkty weszły na rynek, Intel napisał w reklamie: „Ogłoście nową erę układów scalonych: mikrokomputery skondensowane w jednym chipie”.W tamtym czasie minikomputery i komputery typu mainframe były głównie procesorami 8- i 16-bitowymi, dlatego w 1972 roku Intel wkrótce wypuścił 8-bitowy mikroprocesor 8008, aby szybko podbić rynek, otwierając erę mikrokomputerów jednoukładowych.

W 1976 roku firma Intel wprowadziła na rynek pierwszy na świecie programowalny kontroler mikrokomputerowy 8748, który integruje 8-bitowy procesor, 8-bitowe równoległe wejścia/wyjścia, 8-bitowy licznik, pamięć RAM, ROM itp., co może zaspokoić ogólne potrzeby sterowania przemysłowego i oprzyrządowanie, reprezentowane przez 8748, otwierające eksplorację mikrokomputerów jednoukładowych w dziedzinie przemysłu.

W latach 80. 8-bitowe mikrokomputery jednoukładowe zaczęły stawać się coraz bardziej dojrzałe, zwiększała się pojemność pamięci RAM i ROM, zazwyczaj dzięki interfejsom szeregowym, wielopoziomowym systemom przetwarzania przerwań, wielu 16-bitowym licznikom itp. W 1983 roku Intel wypuścił MCS Seria -96 16-bitowych mikrokontrolerów o wysokiej wydajności, ze 120 000 zintegrowanych tranzystorów.

Od lat 90. mikrokomputer jednoukładowy wszedł na scenę stu szkół myślenia, pod względem wydajności, szybkości, niezawodności, integracji w pełnym rozkwicie, w zależności od liczby bitów magistrali lub rejestrów danych, od początkowych 4 bitów stopniowo rozwijany, z 8-bitowymi, 16-bitowymi, 32-bitowymi i 64-bitowymi mikrokomputerami jednoukładowymi.

Obecnie zestaw instrukcji MCU jest podzielony głównie na CISC i RISC, a podstawowa architektura to głównie ARM Cortex, Intel 8051 i RISC-V.

Według China General Microcontroller (MCU) Market Brief na rok 2020, 32-bitowe produkty MCU stanowią do 55% rynku, następnie produkty 8-bitowe stanowią 43%, a produkty 4-bitowe stanowią 2%, 16 produktów -bitowych stanowiących 1%, można zauważyć, że głównymi produktami na rynku są 32-bitowe i 8-bitowe mikrokontrolery, a przestrzeń rynkowa 16-bitowych produktów MCU została poważnie ograniczona.

Produkty z zestawami instrukcji CISC stanowiły 24% rynku, produkty z zestawami instrukcji RISC stanowiły 76% głównych produktów na rynku;Produkty z rdzeniem Intel 8051 stanowiły 22% rynku, następnie produkty ARM Cortex-M0 z udziałem 20%, produkty ARM Cortex-M3 stanowiły 14%, produkty ARM Cortex-M4 stanowiły 12%, produkty ARM Cortex-M0+ stanowiły 5%, produkty ARM Cortex-M23 stanowiły 1%, produkty z rdzeniem RISC-V stanowiły 1%, a pozostałe 24%.Produkty ARM Cortex-M0+ stanowiły 5%, produkty ARM Cortex-M23 stanowiły 1%, produkty z rdzeniem RISC-V stanowiły 1%, a pozostałe stanowiły 24%.Ogólnie rzecz biorąc, rdzenie serii ARM Cortex stanowią 52% głównego nurtu rynku.

Rynek MCU odnotował znaczny spadek cen w ciągu ostatnich 20 lat, ale spadek średniej ceny sprzedaży (ASP) zwalniał w ciągu ostatnich pięciu lat.Po pogorszeniu się koniunktury w branży motoryzacyjnej, globalnej słabości gospodarczej i kryzysie epidemicznym, w 2020 r. rynek MCU zaczął się odradzać. Według IC Insights dostawy MCU wzrosły o 8% w 2020 r., a łączna liczba dostaw MCU w 2021 r. wzrosła do 12%, co stanowi rekordowy poziom 30,9 miliarda, podczas gdy ASP również wzrosły o 10%, co stanowi najwyższy wzrost od 25 lat.

IC Insights spodziewa się, że w ciągu najbliższych pięciu lat dostawy MCU osiągną poziom 35,8 miliarda jednostek, a łączna sprzedaż wyniesie 27,2 miliarda dolarów.Oczekuje się, że spośród nich sprzedaż 32-bitowych MCU osiągnie 20 miliardów dolarów przy złożonej rocznej stopie wzrostu wynoszącej 9,4%, 16-bitowych MCU osiągnie 4,7 miliarda dolarów, a 4-bitowe MCU nie wykażą wzrostu.

02 Szalone wyprzedzanie MCU samochodu

Elektronika samochodowa to największy scenariusz zastosowań mikrokontrolerów.IC Insights spodziewa się, że światowa sprzedaż MCU wzrośnie o 10% do rekordowej kwoty 21,5 miliarda dolarów w 2022 r., przy czym wzrost liczby mikrokontrolerów motoryzacyjnych będzie większy niż na większości innych rynków końcowych.

Ponad 40% sprzedaży MCU pochodzi z elektroniki samochodowej, a oczekuje się, że sprzedaż MCU do samochodów będzie rosła w tempie CAGR wynoszącym 7,7% w ciągu najbliższych pięciu lat, przewyższając MCU ogólnego przeznaczenia (7,3%).

Obecnie mikrokontrolery samochodowe są głównie 8-bitowe, 16-bitowe i 32-bitowe, a różne bity MCU pełnią różne zadania.

Konkretnie:

8-bitowy MCU jest używany głównie do stosunkowo podstawowych funkcji sterujących, takich jak sterowanie siedzeniami, klimatyzatorami, wentylatorami, oknami i modułami sterującymi drzwiami.

16-bitowy MCU jest używany głównie w dolnej części nadwozia, takiej jak silnik, elektroniczny hamulec, układ zawieszenia i inne układy zasilania i przekładni.

32-bitowy MCU pasuje do inteligencji motoryzacyjnej i jest używany głównie w zaawansowanych, inteligentnych i bezpiecznych scenariuszach aplikacji, takich jak rozrywka w kokpicie, ADAS i kontrola nadwozia.

Na tym etapie 8-bitowe mikrokontrolery zyskują coraz większą wydajność i pojemność pamięci, a dzięki własnej opłacalności mogą zastąpić niektóre 16-bitowe mikrokontrolery w aplikacjach, a także są wstecznie kompatybilne z 4-bitowymi mikrokontrolerami.32-bitowy MCU będzie odgrywał coraz ważniejszą rolę głównego sterownika w całej samochodowej architekturze E/E, która może zarządzać czterema rozproszonymi jednostkami ECU niskiej i średniej klasy, a liczba zastosowań będzie nadal rosła.

Powyższa sytuacja sprawia, że ​​16-bitowy MCU znajduje się w stosunkowo niewygodnej pozycji, nie wysoko, ale nisko, ale w niektórych scenariuszach zastosowań jest nadal przydatny, na przykład w niektórych kluczowych zastosowaniach układów napędowych.

Inteligencja motoryzacyjna znacznie zwiększyła popyt na 32-bitowe MCU: ponad trzy czwarte sprzedaży motoryzacyjnych MCU będzie pochodzić z 32-bitowych MCU w 2021 r. i ma osiągnąć około 5,83 miliarda dolarów;16-bitowe MCU wygenerują około 1,34 miliarda dolarów przychodów;Z raportu McCleana wynika, że ​​mikrokontrolery 8-bitowe wygenerują około 441 milionów dolarów przychodów.

Na poziomie aplikacji inforozrywka to scenariusz zastosowań charakteryzujący się najwyższym wzrostem sprzedaży MCU w branży motoryzacyjnej rok do roku, przy wzroście o 59% w 2021 r. w porównaniu z 2020 r. i o 20% wzroście przychodów w pozostałych scenariuszach.

Teraz całe elektroniczne sterowanie samochodem wykorzystuje ECU (elektroniczną jednostkę sterującą), a MCU jest podstawowym układem sterującym ECU, każde ECU ma co najmniej jeden MCU, więc obecny etap transformacji i modernizacji inteligentnej elektryfikacji spowodował zapotrzebowanie na Zwiększenie wykorzystania pojedynczego pojazdu MCU.

Według danych Działu Badań Komitetu Ekspertów ds. Marketingu Motoryzacyjnego Chińskiego Instytutu Marketingu, średnia liczba ECU przewożonych w zwykłych samochodach napędzanych tradycyjnym paliwem wynosi 70;liczba ECU przewożonych w luksusowych samochodach zasilanych tradycyjnym paliwem może osiągnąć 150 ze względu na wyższe wymagania dotyczące wydajności siedzeń, centralnego sterowania i rozrywki, stabilności nadwozia i bezpieczeństwa;a średnia liczba ECU przewożonych przez inteligentne samochody może osiągnąć 300 ze względu na nowe wymagania programowe i sprzętowe dla jazdy autonomicznej i jazdy wspomaganej, co odpowiada ilości MCU wykorzystywanej przez pojedyncze samochody, również osiągnie ponad 300.

Silny popyt na mikrokontrolery ze strony producentów samochodów jest szczególnie widoczny w roku 2021, kiedy w związku z epidemią brakuje rdzeni.W tym roku wiele firm samochodowych musiało na krótko zamknąć niektóre linie produkcyjne z powodu braku rdzeni, ale sprzedaż mikrokontrolerów motoryzacyjnych wzrosła o 23% do 7,6 miliarda dolarów, co stanowi rekordowy poziom.

Większość chipów samochodowych jest produkowana przy użyciu 8-calowych płytek, niektórzy producenci, np. TI do 12-calowego transferu liniowego, IDM będzie również częścią odlewni outsourcingowej, w której dominuje MCU, około 70% mocy produkcyjnych TSMC .Jednak sama branża motoryzacyjna stanowi niewielką część TSMC, a TSMC koncentruje się na dziedzinie zaawansowanych technologii procesowych elektroniki użytkowej, dlatego rynek motoryzacyjny MCU jest szczególnie rzadki.

Niedobór chipów samochodowych, na który wpływa cały przemysł półprzewodników, również zapoczątkował falę ekspansji, a główne odlewnie i zakłady IDM aktywnie rozszerzały produkcję, ale nacisk jest inny.

Oczekuje się, że fabryka TSMC Kumamoto zostanie oddana do użytku do końca 2024 r., oprócz procesu 22/28 nm, będzie zapewniać dalsze procesy 12 i 16 nm, a fabryka w Nanjing zwiększy produkcję do 28 nm, z miesięczną zdolnością produkcyjną wynoszącą 40 000 sztuk;

SMIC planuje zwiększyć produkcję o co najmniej 45 000 płytek 8-calowych i co najmniej 10 000 płytek 12-calowych w 2021 r. oraz zbudować w Lingang linię produkcyjną 12-calowych płytek o miesięcznej wydajności 120 000 płytek, koncentrując się na węzłach o długości 28 nm i większych.

Huahong spodziewa się przyspieszyć rozwój mocy produkcyjnych 12-calowych urządzeń do 94 500 sztuk w 2022 r.;

Renesas ogłosił swoje udziały w fabryce TSMC w Kumamoto z zamiarem rozszerzenia outsourcingu i ma na celu zwiększenie dostaw MCU dla branży motoryzacyjnej o 50% do 2023 r., przy czym oczekuje się, że moce MCU najwyższej klasy wzrosną o 50%, a wydajności MCU niższej klasy o około 70% w porównaniu do końca 2021 r.

STMicroelectronics zainwestuje 1,4 miliarda dolarów w 2022 r. w rozbudowę i planuje podwoić moce produkcyjne swoich europejskich fabryk do 2025 r., głównie w celu zwiększenia wydajności 12-calowych, a w przypadku 8-calowych STMicroelectronics będzie selektywnie modernizować produkty, które nie wymagają 12- technologia calowa.

Texas Instruments doda cztery nowe zakłady, pierwszy zakład ma zostać uruchomiony w 2025 r., a trzeci i czwarty zostaną wybudowane w latach 2026–2030;

ON Semiconductor zwiększył swoje inwestycje kapitałowe do 12%, głównie w celu zwiększenia pojemności 12-calowych płytek.

IC Insights dysponuje interesującymi danymi, według których ASP wszystkich 32-bitowych MCU spada w latach 2015–2020 ze współczynnikiem CAGR wynoszącym -4,4% rok do roku, ale w 2021 r. wzrasta o około 13% do około 0,72 USD. Odzwierciedlenie na rynku kasowym wahania cen samochodowych MCU są bardziej oczywiste: 32-bitowy MCU NXP FS32K144HAT0MLH ze stałą ceną 22 dolarów wzrósł do 550 dolarów, co stanowi ponad 20-krotny wzrost, co było wówczas jednym z najrzadszych chipów motoryzacyjnych.

32-bitowy samochodowy MCU Infineon SAK-TC277TP-64F200N DC wzrósł do 4500 juanów, co stanowi wzrost prawie 100-krotny, ta sama seria SAK-TC275T-64F200N DC również wzrosła do ponad 2000 juanów.

Z drugiej strony, pierwotnie gorąca elektronika użytkowa zaczęła się ochładzać, słaby popyt, a także przyspieszenie krajowej substytucji, co spowodowało powrót cen konsumenckich MCU ogólnego przeznaczenia, niektóre modele chipów ST, takie jak F0/F1/F3 ceny serii zbliżyły się do cen normalnych, a nawet na rynku pojawiły się pogłoski, że ceny niektórych MCU spadły przez ceny agencyjne.

Jednak mikrokontrolery samochodowe, takie jak Renesas, NXP, Infineon i ST, nadal borykają się z względnym niedoborem.Na przykład cena wysokowydajnego 32-bitowego MCU STM32H743VIT6 firmy ST wzrosła pod koniec ubiegłego roku do 600 juanów, podczas gdy dwa lata temu jego cena wynosiła zaledwie 48 juanów.Wzrost jest ponad 10-krotny;Infineon Automotive MCU SAK-TC237LP-32F200N Cena rynkowa AC w ​​październiku ubiegłego roku wynosiła około 1200 dolarów, w grudniu oferowano do 3800 dolarów, a nawet na stronach internetowych stron trzecich oferowano ponad 5000 dolarów.

03 Rynek jest duży, a produkcja krajowa niewielka

Krajobraz konkurencyjny MCU jest w równym stopniu zdominowany przez zagranicznych gigantów, jak całe konkurencyjne środowisko półprzewodników.W 2021 r. pięciu największych dostawców MCU to NXP, Microchip, Renesas, ST i Infineon.Tych pięciu dostawców MCU odpowiadało za 82,1% całkowitej światowej sprzedaży w porównaniu z 72,2% w 2016 r., przy czym wielkość głównych firm rosła w międzyczasie.

W porównaniu z MCU konsumenckimi i przemysłowymi próg certyfikacji MCU w motoryzacji jest wysoki, a okres certyfikacji długi, system certyfikacji obejmuje standardową certyfikację ISO26262, AEC-Q001 ~ 004 i IATF16949, standardową certyfikację AEC-Q100/Q104, w tym ISO26262 Bezpieczeństwo funkcjonalne pojazdów dzieli się na cztery poziomy od ASIL-A do D. Na przykład podwozie i inne scenariusze mają najwyższe wymagania bezpieczeństwa i wymagają certyfikacji na poziomie ASIL-D, niewielu producentów chipów jest w stanie spełnić te warunki.

Według danych Strategy Analysis, światowy i krajowy rynek MCU motoryzacyjnych zajmują głównie NXP, Renesas, Infineon, Texas Instruments, Microchip, z udziałem w rynku na poziomie 85%.Chociaż 32-bitowe MCU są nadal zmonopolizowane przez zagranicznych gigantów, niektóre krajowe firmy odniosły sukces.

04 Wniosek

Szybki rozwój inteligentnych pojazdów elektrycznych, dlatego dołączyło wielu producentów chipów konsumenckich, takich jak Nvidia, Qualcomm, Intel, w inteligentnym kokpicie dokonano przełomowych chipów do jazdy autonomicznej, kompresując przestrzeń przetrwania starych producentów chipów samochodowych.Rozwój motoryzacyjnych mikrokontrolerów przeszedł od skupiania się na samorozwoju i poprawie wydajności do wszechstronnej konkurencji w zakresie redukcji kosztów przy jednoczesnym zachowaniu przewagi technologicznej.

Wraz z architekturą motoryzacyjną E/E od rozproszonej do kontroli domeny, a ostatecznie w kierunku centralnej integracji, będzie coraz więcej wielofunkcyjnych i prostych chipów z niższej półki, które będą zastępowane, o wysokiej wydajności, dużej mocy obliczeniowej i innych wysokiej klasy chipy staną się przedmiotem przyszłej konkurencji w zakresie chipów samochodowych, ponieważ główna rola kontrolna MCU w wyniku przyszłej redukcji liczby ECU jest stosunkowo niewielka, jak na przykład ECU sterujący podwoziem Tesli, pojedynczy zawiera 3-4 MCU, ale pewną prostą funkcję podstawowy MCU zostanie zintegrowany.Ogólnie rzecz biorąc, rynek mikrokontrolerów motoryzacyjnych i przestrzeń dla krajowej substytucji w nadchodzących latach jest niewątpliwie ogromna.