前言：【核芯觀察】是電子發燒友編輯部出品的深度系列專欄，目的是用最直觀的方式令讀者盡快理解電子產業架構，理清上、中、下游的各個環節，同時迅速了解各大細分環節中的行業現狀。本期【核芯觀察】，將對近年較為火熱的汽車MCU產業進行梳理分析，主要對汽車MCU的類型、上游產能、市場規模、主要企業等方面進行整理，以及分析國內外主要廠商的產品線差異。
MCU全稱Microcontroller Unit微控制器，可以將MCU看成是將一顆頻率和規格較低的CPU，與存儲、定時器（Timer）、模數轉換器（ADC）、各種I/O接口等電路集成到單一芯片上，構成一個完整的計算系統，可以在多種場合為不同應用起到控制功能。
MCU廣泛被應用于消費電子、汽車、工業控制、醫療設備等領域，根據IC insights的數據，在2020年中國MCU市場中，汽車電子應用占到15%的比例，僅次于消費電子（26%）以及計算機與網絡（19%）。從銷售額的角度來看，2019年全球MCU下游應用分布則主要是汽車電子（33%）、工控/醫療（23%）、計算機（23%）、消費電子（11%）四大領域。
在2021年的統計數據中，IC Insights將工控、計算機、消費電子等集中到通用嵌入式應用分類中，所以2021年MCU市場銷售額按應用分布分別是通用嵌入式應用MCU（包括智能手機、計算機和外圍設備、工業用途和消費產品）約占46%，汽車MCU銷售額約占39%，其余15%則主要來自智能卡市場，比如銀行卡、身份證、門禁卡、公交卡等等。汽車MCU銷售額占比大幅提高，主要有兩方面原因：一是汽車智能化進程，使得單車對于MCU的數量需求有所增加；另一方面是，2021年汽車芯片缺芯潮席卷全球，導致汽車MCU價格飆升，從而提升汽車電子應用的MCU整體銷售額。在汽車電子領域，MCU主要應用于包括空調控制、車窗升降、車燈控制、座椅控制、儀表板控制、電子剎車、動力系統控制等場景，應用十分廣泛。有研究報告顯示，一輛汽車所使用到的半導體器件中，有約30%是MCU。捷豹路虎的工程師曾表示，在每輛普通燃油車上至少需要70個MCU，而智能汽車上對于電子控制的需求增多，這個數字則提升至300個以上。根據不同的位數，汽車MCU可以分為8位、16位、32位三種。8位MCU的架構簡單，尺寸、功耗、成本都較低，主要用于簡單的控制功能上，比如空調控制、車窗升降、天窗、座椅控制、雨刮器控制等；16位MCU的定位處于8位和32位之間，性能適中，響應時間和成本都低于32位MCU，主要用于動力傳動系統、底盤等部分，包括電子剎車、引擎控制、離合器控制、懸掛控制等；32位MCU性能更強，價格更高，能夠完成復雜運算以及控制功能，可以用于高階儀表板控制、網關、車身控制（BCM）、智能座艙相關域控制、動力系統等場景，同時可以作為車用電子系統主控，將分散的簡單控制模塊集中化處理。
隨著汽車智能化、電氣化的程度加深，32位已經成為了車用MCU中的絕對主力。IC Insights預計，2021年汽車MCU市場有超過四分之三的銷售額（76.7%）來自32位MCU，而16位、8位的汽車MCU銷售額分別占整個汽車MCU市場的17.6%和5.7%。同時，在汽車信息娛樂系統中應用到的高性能MCU占比也在快速攀升，2021年占到汽車MCU銷售額的10%，銷售額相比2020年提升59%。
汽車MCU在過去十年時間里，占到MCU市場總銷售量的40%左右，但在過去的五年時間里，汽車MCU市場波動還是比較大的。在2017年汽車MCU銷量增長12%之后，2018年突然遭遇增長停滯，僅增長1%；到了2019年，全球汽車市場迎來衰退，需求停滯，拖累汽車MCU市場銷售額倒退6%；2020年則是突如其來的新冠疫情嚴重打擊了終端需求和供應鏈，這一年汽車MCU市場銷售額繼續下跌5%。2020年下半年開始，疫情對整體市場的影響開始消退，終端市場逐漸反彈向上，與此同時上游產能增長遠遠不及突然反彈的終端需求，晶圓廠訂單爆滿，持續近兩年時間的全球缺芯潮也自此開始。
汽車MCU產能短缺狀況尤為顯著，但需求的爆發增長以及缺貨導致的單價提高，依然使汽車MCU市場銷售額在2021年暴增23%，創下了76億美元的歷史新高。2022年按照IC Insights的預測數據，汽車MCU市場規模會增長約14%，預計今年2023年還會繼續增長16%，市場規模達到100億美元。當然，汽車MCU的市場增長，關鍵還要看汽車終端市場的表現。
從過去兩年的國內乘用車零售量數據中，可以看到自2021年10月開始，國內汽車銷量就開始有回暖的跡象，這其中原因有芯片短缺緩解，也有疫情變化帶來的終端消費恢復。到了2022年，在三四月上海等地疫情大規模影響到汽車零部件供應鏈的情況下，帶來了一波同比下跌。不過自6月供應鏈完全恢復后，國內汽車零售量也連續五個月實現較大的同比增幅。與此同時，新能源汽車在整體乘用車市場中的占比也在快速增長，2022年1月新能源汽車滲透率僅為21.3%，到了11月，這個數字已經達到35.9%。當然從年底各大車企公布的新能源汽車銷售數據來看，因為受到了2023年國補退場的影響，各大車企以及消費者都在抓住年底最后機會來趕上最后一波國補機會。長期來看，新能源汽車的滲透率不會因為國補退場而停滯，隨著電動化智能化的進程持續推進。前面提到新能源汽車的MCU需求量相比傳統燃油車要高出幾倍，未來由新能源汽車帶動的新一輪汽車市場增長，會很大程度上拉動汽車MCU的需求。
與整體MCU市場相似，汽車MCU目前主要是以海外的幾家半導體巨頭主導。IC Insights最新的報告顯示，2021年全球前五大MCU供應商分別是恩智浦、Microchip、瑞薩、ST、英飛凌，市占率分別為18.8%、17.8%、17%、16.7%、11.8%，前五大MCU供應商占到全球MCU銷售額的82.1%，市場集中度較高。
而汽車MCU方面，IHS數據顯示，2020年全球汽車MCU市場中瑞薩、恩智浦、英飛凌占前三，市場份額分別為30%、26%、23%，穩居第一梯隊，而德州儀器、Microchip、ST市場份額分別為7%、7%、5%。前三大汽車MCU供應商占市場的79%份額，并且行業集中度有繼續上升的趨勢。
目前來看，汽車MCU市場仍是以海外龍頭主導，國內也已經有多家MCU廠商都推出了車規級MCU，比如兆易創新、杰開科技、芯旺微、芯馳科技、比亞迪半導體、賽騰微電子、芯海科技、極海半導體、琪埔維半導體、中穎電子等。不過考慮到整車廠驗證周期以及產品規劃等因素，可能在未來一到兩年中國產MCU廠商會在汽車MCU市場上占有一席之地。
汽車MCU的高門檻，從國內近幾年的初創公司的路線大概也能看出來，從入門的消費級MCU，到汽車MCU的布局，這個過程至少需要三到四年。當然也有一些公司是直接在創立之初就瞄準車規級MCU的賽道，但顯然這是少數。
那么汽車MCU的高門檻，都高在哪？這里包括車規標準多、研發周期長、隱形成本高、配套要求高、連帶責任大等壁壘，多方面的入行門檻導致在早年國內做車規級MCU的廠商數量屈指可數。車規級MCU項目周期長，無論是從資金還是回款周期等多方面都不是一般企業能承受的，更不用說對資金鏈更加敏感的初創企業。這也是國內此前大多數MCU廠商都集中在消費領域的原因，產品推出市場速度快，研發周期短，可以迅速推出產品并投入市場。近幾年，受到國際貿易局勢不穩、汽車缺芯潮等沖擊，汽車芯片國產替代需求高漲，才開始有大量消費領域MCU廠商開始入局車規MCU。由于汽車的工作環境相對復雜惡劣，因此在產品性能上，車規級MCU與消費級MCU也有很多差異。普通消費領域的MCU不良率一般在1000PPM（百萬分之1000），而車規級MCU基于高安全性和高可靠性考量，對器件的可靠性和批量一致性要求非常高，需要嚴格遵守零失效率的質量管理規范，不良率需要滿足0PPM的要求。消費級MCU的溫度范圍在-30-85℃,車規級MCU的運行環境相對惡劣，往往要求-40~125℃。除此之外，汽車行業中認證標準多樣，要想將產品賣出去，最重要的是通過專業的車規標準測試認證，如AEC-Q100、IATF16949、ISO26262功能安全等級認證等。其中ISO 26262 依照嚴重程度、接觸概率、可控性等幾個方面，確定了四種ASIL—A、B、C和D四種功能安全認證等級，ASIL A 代表最低程度的汽車危害，ASIL D 則代表最高程度的汽車危害。具體到應用，安全氣囊、防抱死制動系統和動力轉向系統必須達到 ASIL D 級，這是應用于安全保障的最嚴苛等級，因為其失效帶來的風險最高。而安全等級范圍的最低等級，如后燈等部件，僅需達到 ASIL A 級即可。大燈和剎車燈通常是ASIL B級，而巡航控制通常是ASIL C 級。在完成了第三方的認證后，芯片廠商還需要將通過車規認證的MCU產品交由客戶認證，包括整車廠和Tier1等等，這些客戶還需要一到兩年的時間去測試認證，最終確認后才會開始讓芯片廠商開始批量供貨。盡管對于新玩家而言，打入汽車供應鏈十分困難，但相對的是，一旦進入汽車供應鏈之后，同型號芯片的供貨周期會非常長且穩定，整車廠以及Tier1一般不會輕易更換單一元器件的供應商，特別是涉及到汽車安全方面的一些部件。另一方面，汽車的生命周期普遍比普通消費類產品要長很多，因此車規MCU使用壽命都要大于15年以上，不僅如此，車規級MCU還需功能安全底層軟件支持，確保汽車安全穩定地運行。同時車規級MCU根據不同應用對資源和供應體系要求也更高，即要保證可以維持至少5~10年的穩定供應等。綜合上面的內容，基本上就是車規級MCU與消費級MCU的主要差異。這里小結一下，汽車MCU與消費級MCU的主要差異主要有幾點：1. 普通消費領域MCU不良率在1000 PPM,而車規級MCU基于高安全性和高可靠性考量，對器件的可靠性和批量一致性要求非常高，需要嚴格遵守零失效率的質量管理規范，不良率達到0 PPM；2. 消費級MCU的溫度范圍在-30-85℃,車規級MCU的運行環境相對惡劣，往往要求-40~125℃；3. 需要通過專業的車規標準測試認證，如AEC-Q100、IATF16949、ISO26262功能安全等級認證等；4. 完成車規標準測試認證后，需要整車廠、Tier1等客戶再進行測試認證，時間周期為1-2年；5. 汽車的生命周期普遍比普通消費類產品要長很多，因此車規MCU使用壽命都要大于15年以上；6. 車規級MCU根據不同應用對資源和供應體系要求也更高，即要保證可以維持至少5~10年的穩定供應等。接下來的兩期內容中，我們將會對汽車MCU產業鏈中的上游產能、中游芯片設計廠商等方面的內容進行梳理，并對目前國內外主流汽車MCU廠商的產品線和產品參數差異進行分析，記得關注我們~
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