01 La storia della crescita dell'MCU
MCU, microcontrollore, ha un nome noto: microcomputer a chip singolo.
È davvero carino spostare un insieme di sistemi informatici di base su un chip, inclusa la versione interna della porta seriale del contatore CPU RAM ROM IO, anche se le prestazioni non sono certamente ampie come quelle di un computer, ma è programmabile a basso consumo e flessibile, quindi nell'elettronica di consumo, nell'industria medica e nella comunicazione. Le automobili hanno una gamma molto ampia di applicazioni.
È nato nel 1971, Intel ha progettato il primo microprocessore al mondo: il chip numero 4004 a 4 bit, questo chip integra più di 2.000 transistor e Intel ha anche progettato i chip 4001, 4002, 4003, RAM, ROM e registri.
Quando questi quattro prodotti furono immessi sul mercato, Intel scrisse nella pubblicità “Annuncia una nuova era di circuiti integrati: microcomputer condensati su un singolo chip”.A quel tempo, i minicomputer e i mainframe erano principalmente processori a 8 e 16 bit, quindi Intel lanciò presto il microprocessore a 8 bit 8008 nel 1972 per conquistare rapidamente il mercato, aprendo l'era dei microcomputer a chip singolo.
Nel 1976, Intel ha lanciato il primo controller per microcomputer programmabile al mondo 8748, che integra CPU a 8 bit, I/O parallelo a 8 bit, contatore a 8 bit, RAM, ROM, ecc., in grado di soddisfare le esigenze di controllo industriale generale e strumentazione, rappresentata da 8748, aprendo l'esplorazione dei microcomputer a chip singolo in campo industriale.
Negli anni '80, i microcomputer a chip singolo a 8 bit iniziarono a diventare più maturi, la capacità di RAM e ROM aumentò, generalmente con interfacce seriali, sistemi di elaborazione di interruzione multilivello, contatori multipli a 16 bit, ecc. Nel 1983, Intel lanciò il MCS -96 serie di microcontrollori a 16 bit ad alte prestazioni, con 120.000 transistor integrati.
Dagli anni '90, il microcomputer a chip singolo è entrato sul palco di un centinaio di scuole di pensiero, in termini di prestazioni, velocità, affidabilità, integrazione in piena fioritura, a seconda del numero di bit del bus o dei registri dati, dai 4 bit iniziali sviluppato gradualmente, con microcomputer a chip singolo a 8 bit, 16 bit, 32 bit e 64 bit.
Allo stato attuale, il set di istruzioni degli MCU è principalmente suddiviso in CISC e RISC e l'architettura principale è principalmente ARM Cortex, Intel 8051 e RISC-V.
Secondo il China General Microcontroller (MCU) Market Brief del 2020, i prodotti MCU a 32 bit rappresentano fino al 55% del mercato, seguiti da prodotti a 8 bit, che rappresentano il 43%, prodotti a 4 bit che rappresentano il 2%, 16 I prodotti a bit rappresentano l'1%, si può vedere che i prodotti principali sul mercato sono MCU a 32 e 8 bit e lo spazio di mercato dei prodotti MCU a 16 bit è stato gravemente ridotto.
I prodotti con set di istruzioni CISC rappresentavano il 24% del mercato, i prodotti con set di istruzioni RISC rappresentavano il 76% dei prodotti tradizionali del mercato;I prodotti core Intel 8051 rappresentano il 22% del mercato, seguiti dai prodotti ARM Cortex-M0, pari al 20%, i prodotti ARM Cortex-M3 rappresentano il 14%, i prodotti ARM Cortex-M4 rappresentano il 12%, i prodotti ARM Cortex-M0+ hanno rappresentato il 5%, i prodotti ARM Cortex-M23 hanno rappresentato l'1%, i prodotti core RISC-V hanno rappresentato l'1% e altri hanno rappresentato il 24%.I prodotti ARM Cortex-M0+ rappresentavano il 5%, i prodotti ARM Cortex-M23 rappresentavano l'1%, i prodotti core RISC-V rappresentavano l'1% e altri rappresentavano il 24%.Nel complesso, i core della serie ARM Cortex rappresentano il 52% del mercato mainstream.
Il mercato MCU ha dovuto far fronte a significative diminuzioni dei prezzi negli ultimi 20 anni, ma il calo del prezzo di vendita medio (ASP) ha rallentato negli ultimi cinque anni.Dopo aver vissuto la recessione dell’industria automobilistica, la debolezza economica globale e la crisi epidemica, il mercato degli MCU ha iniziato a riprendersi nel 2020. Secondo IC Insights, le spedizioni di MCU sono aumentate dell’8% nel 2020 e le spedizioni totali di MCU nel 2021 sono aumentate a +12%, il livello record di 30,9 miliardi, mentre anche gli ASP sono aumentati del 10%, l'aumento più alto in 25 anni.
IC Insights prevede che le spedizioni di MCU raggiungeranno i 35,8 miliardi di unità nei prossimi cinque anni, con un fatturato totale di 27,2 miliardi di dollari.Di questi, si prevede che le vendite di MCU a 32 bit raggiungeranno i 20 miliardi di dollari con un tasso di crescita annuo composto del 9,4%, gli MCU a 16 bit dovrebbero raggiungere i 4,7 miliardi di dollari e non si prevede alcuna crescita per gli MCU a 4 bit.
02 Auto MCU sorpasso pazzesco
L'elettronica automobilistica è il più vasto scenario applicativo degli MCU.IC Insights prevede che le vendite mondiali di MCU cresceranno del 10% fino a raggiungere la cifra record di 21,5 miliardi di dollari nel 2022, con le MCU automobilistiche che cresceranno più della maggior parte degli altri mercati finali.
Oltre il 40% delle vendite di MCU proviene dall’elettronica automobilistica e si prevede che le vendite di MCU automobilistiche cresceranno a un CAGR del 7,7% nei prossimi cinque anni, superando le MCU per uso generale (7,3%).
Al momento, gli MCU automobilistici sono principalmente a 8 bit, 16 bit e 32 bit e diversi bit di MCU svolgono compiti diversi.
Nello specifico:
L'MCU a 8 bit viene utilizzato principalmente per funzioni di controllo relativamente basilari, come il controllo di sedili, condizionatori d'aria, ventilatori, finestrini e moduli di controllo delle porte.
L'MCU a 16 bit viene utilizzato principalmente per la parte inferiore della carrozzeria, come motore, freno elettronico, sistema di sospensione e altri sistemi di alimentazione e trasmissione.
L'MCU a 32 bit si adatta all'intelligenza automobilistica e viene utilizzato principalmente per scenari applicativi intelligenti e sicuri di fascia alta come l'intrattenimento nella cabina di pilotaggio, ADAS e il controllo del corpo.
In questa fase, gli MCU a 8 bit stanno crescendo in termini di prestazioni e capacità di memoria e, grazie al loro rapporto costo-efficacia, possono sostituire alcuni MCU a 16 bit nelle applicazioni e sono anche retrocompatibili con gli MCU a 4 bit.L'MCU a 32 bit svolgerà un ruolo di controllo principale sempre più importante nell'intera architettura E/E automobilistica, in grado di gestire quattro unità ECU sparse di fascia bassa e media, e il numero di utilizzi continuerà ad aumentare.
La situazione di cui sopra rende l'MCU a 16 bit in una posizione relativamente scomoda, non alta ma bassa, ma in alcuni scenari applicativi è comunque utile, come alcune applicazioni chiave dei sistemi di propulsione.
L’intelligenza automobilistica ha incrementato in modo significativo la domanda di MCU a 32 bit, con oltre tre quarti delle vendite di MCU automobilistiche provenienti da MCU a 32 bit nel 2021, che si prevede raggiungeranno circa 5,83 miliardi di dollari;Gli MCU a 16 bit genereranno circa 1,34 miliardi di dollari di entrate;e gli MCU a 8 bit genereranno circa 441 milioni di dollari di entrate, secondo il rapporto McClean.
A livello applicativo, l’infotainment è lo scenario applicativo con il più alto aumento anno su anno delle vendite di MCU automobilistici, con una crescita del 59% nel 2021 rispetto al 2020 e una crescita dei ricavi del 20% per i restanti scenari.
Ora tutto il controllo elettronico dell'auto utilizza l'ECU (unità di controllo elettronico) e l'MCU è l'ECU del chip di controllo principale, ogni ECU ha almeno un MCU, quindi l'attuale fase di trasformazione e aggiornamento dell'elettrificazione intelligente ha stimolato la domanda di Aumento dell'utilizzo del singolo veicolo MCU.
Secondo i dati del Dipartimento di ricerca del Comitato di esperti di marketing automobilistico del China Marketing Institute, il numero medio di ECU trasportate dalle normali auto a carburante tradizionale è 70;il numero di ECU trasportate dalle auto di lusso a carburante tradizionale può raggiungere 150 a causa dei requisiti di prestazioni più elevati per sedili, controllo centrale e intrattenimento, stabilità del corpo e sicurezza;e il numero medio di ECU trasportate dalle auto intelligenti può raggiungere 300 a causa dei nuovi requisiti software e hardware per la guida autonoma e assistita, che corrisponde alla quantità di MCU utilizzati dalle singole auto che raggiungerà anch’esso più di 300.
La forte domanda di MCU da parte delle case automobilistiche è particolarmente evidente nel 2021, quando si registra una carenza di core a causa dell’epidemia.Quell’anno, molte case automobilistiche dovettero chiudere brevemente alcune linee di produzione a causa della mancanza di core, ma le vendite di MCU automobilistici aumentarono del 23% raggiungendo i 7,6 miliardi di dollari, un livello record.
La maggior parte dei chip automobilistici sono prodotti utilizzando wafer da 8 pollici, alcuni produttori come TI trasferiscono linee da 12 pollici, IDM farà anche parte della fonderia di outsourcing della capacità, che è dominata da MCU, circa il 70% della capacità da TSMC .Tuttavia, il settore automobilistico stesso rappresenta una piccola percentuale di TSMC e TSMC si concentra sul campo della tecnologia di processo avanzata dell'elettronica di consumo, quindi il mercato degli MCU automobilistici è particolarmente scarso.
La carenza di chip automobilistici guidata dall'intera industria dei semiconduttori ha anche inaugurato un'ondata di espansione, le principali fonderie e gli impianti IDM hanno ampliato attivamente la produzione, ma l'attenzione è diversa.
Si prevede che l'impianto TSMC di Kumamoto entrerà in funzione entro la fine del 2024 e, oltre al processo a 22/28 nm, fornirà ulteriori processi a 12 e 16 nm e l'impianto di Nanchino espanderà la produzione a 28 nm, con una capacità produttiva mensile di 40.000 pezzi;
SMIC prevede di espandere la produzione di almeno 45.000 wafer da 8 pollici e almeno 10.000 wafer da 12 pollici nel 2021 e costruire una linea di produzione da 12 pollici con una capacità mensile di 120.000 wafer a Lingang, concentrandosi sui nodi da 28 nm e superiori.
Huahong prevede di accelerare l'espansione della capacità produttiva di 12 pollici fino a 94.500 pezzi nel 2022;
Renesas ha annunciato la sua partecipazione nello stabilimento di Kumamoto di TSMC con l'intenzione di espandere l'outsourcing e mira ad aumentare la fornitura di MCU per il settore automobilistico del 50% entro il 2023, con una capacità di MCU di fascia alta prevista in aumento del 50% e una capacità di MCU di fascia bassa di circa il 70% rispetto a fine 2021.
La STMicroelectronics investirà 1,4 miliardi di dollari nel 2022 per l'espansione e prevede di raddoppiare la capacità dei suoi stabilimenti europei entro il 2025, principalmente per aumentare la capacità da 12 pollici, mentre per la capacità da 8 pollici la STMicroelectronics aggiornerà selettivamente i prodotti che non richiedono 12 pollici. tecnologia in pollici.
Texas Instruments aggiungerà quattro nuovi impianti, il primo impianto dovrebbe entrare in funzione nel 2025 e il terzo e il quarto impianto saranno costruiti tra il 2026 e il 2030;
ON Semiconductor ha aumentato il proprio investimento di capitale al 12%, principalmente per l'espansione della capacità dei wafer da 12 pollici.
IC Insights fornisce dati interessanti secondo cui l'ASP di tutti gli MCU a 32 bit sta diminuendo a un CAGR del -4,4% su base annua tra il 2015 e il 2020, ma aumenta di circa il 13% a circa 0,72 dollari nel 2021. Riflesso nel mercato spot , la fluttuazione dei prezzi degli MCU automobilistici è più evidente: l'MCU NXP a 32 bit FS32K144HAT0MLH con un prezzo fisso di $ 22 è salito fino a $ 550, una gamma di oltre 20 volte, che era uno dei chip automobilistici più rari in quel momento.
Infineon MCU automobilistico a 32 bit SAK-TC277TP-64F200N DC è salito a 4.500 yuan, con un incremento di quasi 100 volte, anche la stessa serie di SAK-TC275T-64F200N DC è salita a più di 2.000 yuan.
D'altro canto, l'elettronica di consumo originariamente calda ha cominciato a raffreddarsi, la debole domanda, così come l'accelerazione della sostituzione interna, facendo scendere i prezzi degli MCU di consumo generici, alcuni modelli di chip ST come F0/F1/F3 i prezzi delle serie si sono avvicinati al prezzo normale e anche le voci di mercato secondo cui il prezzo di alcuni MCU sono diminuiti rispetto al prezzo di agenzia.
Tuttavia, gli MCU automobilistici come Renesas, NXP, Infineon e ST sono ancora in uno stato di relativa carenza.Ad esempio, il prezzo dell'MCU STM32H743VIT6 a 32 bit ad alte prestazioni della ST è salito a 600 yuan alla fine dello scorso anno, mentre due anni fa era di soli 48 yuan.L'aumento è più di 10 volte;Infineon Automotive MCU SAK-TC237LP-32F200N AC prezzo di mercato nell'ottobre dello scorso anno a circa $ 1200, dicembre offre fino a $ 3800 e anche su siti Web di terzi offre più di $ 5000.
03 Il mercato è ampio e la produzione interna è piccola
Il panorama competitivo dell’MCU è dominato da giganti d’oltremare tanto quanto l’intero ambiente competitivo dei semiconduttori.Nel 2021, i primi cinque fornitori di MCU erano NXP, Microchip, Renesas, ST e Infineon.Questi cinque fornitori di MCU rappresentavano l’82,1% delle vendite globali totali, rispetto al 72,2% del 2016, con una crescita delle dimensioni delle aziende principali negli anni successivi.
Rispetto all'MCU consumer e industriale, la soglia di certificazione dell'MCU automobilistico è elevata e il periodo di certificazione è lungo, il sistema di certificazione include la certificazione standard ISO26262, la certificazione standard AEC-Q001~004 e IATF16949, la certificazione standard AEC-Q100/Q104, di cui ISO26262 su La sicurezza funzionale automobilistica è divisa in quattro livelli da ASIL-A a D. Ad esempio, il telaio e altri scenari hanno i requisiti di sicurezza più elevati e richiedono la certificazione di livello ASIL-D, pochi produttori di chip possono soddisfare le condizioni.
Secondo i dati di Strategy Analysis, il mercato globale e nazionale degli MCU automobilistici è occupato principalmente da NXP, Renesas, Infineon, Texas Instruments, Microchip, con una quota di mercato dell'85%.Sebbene gli MCU a 32 bit siano ancora monopolizzati dai giganti esteri, alcune aziende nazionali sono decollate.
04 Conclusione
Il rapido sviluppo di veicoli elettrici intelligenti, quindi un certo numero di produttori di chip di consumo si sono uniti, come Nvidia, Qualcomm, Intel sono stati nella cabina di pilotaggio intelligente, scoperte di chip di guida autonoma, comprimendo lo spazio di sopravvivenza dei vecchi produttori di chip automobilistici.Lo sviluppo di MCU automobilistici è passato dal concentrarsi sullo sviluppo personale e sul miglioramento delle prestazioni alla competizione a tutto tondo per la riduzione dei costi mantenendo i vantaggi tecnologici.
Con l'architettura E/E automobilistica dal controllo distribuito al controllo di dominio e infine all'integrazione centrale, ci saranno sempre più chip multifunzionali e semplici di fascia bassa sostituiti, ad alte prestazioni, elevata potenza di calcolo e altri chip di fascia alta I chip diventeranno il fulcro della futura concorrenza sui chip automobilistici, poiché il ruolo di controllo principale dell'MCU mediante la futura riduzione del numero di ECU è relativamente piccolo, come l'ECU di controllo del telaio Tesla, un singolo contiene 3-4 MCU, ma alcune semplici funzioni di l'MCU di base sarà integrato.Nel complesso, il mercato degli MCU automobilistici e lo spazio per la sostituzione domestica nei prossimi anni sono senza dubbio vasti.
Orario di pubblicazione: 01-febbraio-2023