如果没有MCU，我们将不配称为“现代人”。MCU不是漫威宇宙。作为现代化生活的必需品，MCU（Microcontroller Unit，微控制单元，又名单片机）早已融入人类的生产和生活，无处不在。空调、遥控器、智能充电器……任何生活中需要自动化性质的电子产品基本上都会搭载MCU，各种家电设备通常至少需要一颗，而复杂的工业设备或汽车则会使用几十到上百颗。
它们承载着你习以为常的小功能：调温度、遥控锁车、选择洗衣机的工作模式，诸如此类。如果没有MCU，如同电子产品缺了“心脏”，造不出来，更卖不出去。
本文是“果壳硬科技”策划的“国产替代”系列第一篇文章，关注MCU国产替代。在本文中，你将了解到MCU的分类与市场概况；芯片荒期间，中国厂商的机遇与挑战。
“缺芯”是疫情以来热度不减的话题，而MCU不仅是缺货的“重灾区”，涨价幅度可能也最离谱。
比如，自2020年10月开始，常态下约10元/颗的STM32F103RET6便一路高涨，直到2021年7月一度出现最高400元/颗的报价，涨幅将近40倍。由于该型号MCU为某品牌共享单车所用物料，甚至曾被商贩拆下以40元/颗低价贩卖。我们查询一些分销商的信息发现，目前大多数分销商库存量为0，有库存的报价则依然高达200元/颗左右。
根据德勤（Deloitte）预测，2022年期间许多类型的芯片仍将面临短缺，紧缺状况将持续24个月才会得到缓解，与2008年至2009年的芯片短缺情况相似。但紧缺的情况下，MCU的需求量不降反增。根据行业研究机构ReserchAndMarkets统计，2020年全球MCU出货量在280亿颗以上。
导入国产MCU正当时。在缺货与涨价并行下，国产MCU的机遇在哪里？
一颗MCU芯片上，集成了中央处理单元、随机存储器、只读存储器和计算机其它功能，相当于一个微型计算机，功能齐全、控制力强、抗干扰强、体积小、功耗低、成本低的它顺理成章成为电子时代的“宠儿”。通过软件控制MCU能够取代复杂的电子线路控制系统，实现智能化以及轻量化控制。除此之外，MCU也是嵌入式系统典型的处理器之一。
因此，MCU能够广泛使用在各类电子产品中，工业控制、电机控制、智慧城市、智能表计、智能家电、智能门锁/门禁医疗、电池及能源管理、生物识别、光通信、传感器控制和机器人……可以说MCU是解决一切的有控制需求场景的“万能钥匙”，其下游应用也渗透入千行百业。
随着物联网、车联网、5G以及疫情之下的新式办公的兴起，能应用于各种场景的MCU市场也逐渐膨胀。
IC Insights最新预测显示，全球半导体的资本支出有望在2021年达到1520亿美元，飙升34%，这是自2017年增长41%以来的最大百分比涨幅。其中代工和MPU/MCU部门的支出同比增幅最大，为42%。赛迪顾问集成电路中心高级咨询顾问池宪念预计，2021年预计MCU将有明显增长，到2025年全球市场规模有望达229亿美元，2020年~2025年年复合增长率将达8%。
目前，MCU根据不同指标分为消费级MCU、工业级MCU和汽车级MCU。不同MCU的良品率要求各异。其中，消费级MCU注重功耗和成本，工业级MCU注重平衡性能、功耗、成本和可靠性，汽车级MCU则注重安全和可靠。从消费到工业再到汽车的领域，对MCU自身的要求愈发严格，产线也越来越高端，这是汽车MCU最难造的重要原因。
消费级MCU交付良率普遍≤200DPPM（DPPM：每百万缺陷数），而汽车级MCU的交付良率需要达到≤1DPPM，这意味着每百万器件中最多只有一个不良品，且汽车MCU使用寿命往往要大于15年，可靠性要求极高。另外，汽车级MCU运行环境恶劣，通常要求能够承受-40℃~125℃的工作温度，发动机舱甚至需要高达150℃的耐温能力。
因此，许多国产企业都是从消费级和工业级做起，逐渐突入汽车级MCU。
华大半导体MCU事业部（现为“小华半导体”）人士就曾对笔者表示，公司将构建超低功耗、通用控制、电机控制和汽车电子四大产品系列逐渐深入，并以汽车MCU作为公司的“最高的台阶”，实现“全面开花”。
民生证券研报显示，MCU市场长期被海外七大巨头ST、NXP、Microchip、Renesas、Infineon、TI、Cypress包揽75%以上市场份额，中国MCU市场占全球比例约23%，其中尤其在高端市场自给率较低。
国产MCU是行业的追赶者，这也会整体体现在国内外MCU的应用分布上。全球MCU市场中，汽车电子占比为33%，为MCU最大市场，其次为工控/医疗、计算机网络、消费电子。
反观中国MCU市场，消费电子领域占比最高，达到26%，汽车与工业MCU分列二三位。值得骄傲的是，近年来国内市场增速明显。数据显示2013~2018年期间，国内MCU市场CAGR为10.9%，远高于同期全球4.5%的增速。另据IHS数据，2020年中国MCU市场规模预计达到268.8亿元，2020~2022年中国MCU市场CAGR为8.99%。
在缺芯潮中，海外七大巨头交付周期均呈现上升趋势，部分企业面临长期无货的状态，这种状况成为导入国产产品的“窗口期”。行业人士曾向笔者表示，虽然看似不起眼的一颗小小的芯片，却影响着整个产品的交付进度，一些车企因为缺少汽车的“微型大脑”MCU而无法交付整车。
MCU交货周期不断延长，图源丨华泰研究所也有很多工程师向笔者坦言，此前公司长期稳定使用国外产品，并无替换动机，但在这轮芯片短缺潮中，公司开始鼓励工程师对MCU产品实施平行替换。“空窗期”内，消费级、工业级和汽车级MCU均形成较大的市场，国产MCU厂商的机会来了。
在2021年下半年，“MCU缺乏症”愈发严重，但需求并没有减少，Silicon Labs首席技术官Daniel Cooley最近表示，到2023年，全球MCU出货量预计将达到300亿颗，并且没有放缓的迹象。国内厂商早期就意识到巨大的入场机会，在研发和投融资上增速，从消费级升级至工业汽车级MCU。这催生许多新兴企业，同时市场耕耘多年的企业也开始利用投融资巩固地位，颇有一种“赶集”的气氛。
这拨浪潮中，不同企业的策略也不尽相同，有些专攻汽车领域，有些大呼“我全都要”，有些则另辟蹊径采用RISC-V，或开发自主IP。从下游应用市场上来讲，消费级、工业级、汽车级MCU均有不同的“突围”重点。
国产MCU主要起步于消费电子，消费市场占比也非常可观。但据多家媒体求证和企业自述，国产消费级MCU上正从价格上“拼杀”，以求“低价抢客”。
随着物联网的兴起，智能家电和可穿戴设备成为消费级MCU市场增长的关键，功能多样化势必导致MCU使用数量上升。智能家电分为大家电和小家电，大家电包括空调、冰箱、洗衣机等白色家电和音箱、家庭影院等黑色家电，小家电主要指以家居和厨卫等应用为目的的家用电器，包括豆浆机、破壁机、电磁炉、电风扇、电吹风等日用电器。
白电和小家电是消费市场MCU突围的重点。
据招商证券测算，中国家电MCU整体规模约50亿元，其中白电MCU约25亿~30亿元，小家电MCU约20亿元，大家电出货量未来增长相对有限，但智能化和变频化升级有望提升MCU需求；小家电市场规模不断增长，智能化带来小家电MCU量价齐升。举个例子，美的数据显示，智能变频电冰箱所需MCU数量就要提升5个以上。
因为增设温度调节、Wi-Fi连接、智能显示等高级功能，使得家电中MCU数量增加，并驱动消费级MCU从8位向32位升级。但白电厂商在明确的市场预期和成本控制需求面前，往往选择走上自研MCU的道路，根据“爱集微”统计，美的、格力、海尔、格兰仕等品牌，都有MCU等芯片投产或在研。
工业级MCU一直处于重要地位。工业机器人、步进马达、机器手臂、仪器仪表、工业电机、工业柴油机、呼吸机系统、能源网关、电机驱动、表计的大量应用，使工业级MCU市场广阔。MCU在工业中主要实现变速控制、收集信号、传输数据、执行复杂高速运算等。在工业物联网驱动下，许多国内企业开始拓展产线，不断推出低功耗新品或专用品。
但工业级MCU是一条艰难且走不快的路。
一方面讲求更高的抗静电能力、抗浪涌电压、浪涌电流能力、工作温度范围和寿命，另一方面讲求更高的实时处理能力和功能安全。种种压力导致芯片研发过程非常“磨人”，考验着团队的技术沉淀。
复旦微电子电力电子事业部技术市场总监梁磊介绍，工业MCU芯片普遍拥有10~15年的生命周期，迭代并不如消费类MCU迅速，且在核心器件替换上非常谨慎，慢赛道生意并没有那么容易做；产品导入相比消费类MCU也拥有更长的时间窗口，相对来说更高的研发投入使得企业需要“沉得住气”，潜心研发。
近期，整个MCU圈子飘来浓浓的“上车风”。
由于供需关系，车规级MCU缺货问题短期内不会得到明显缓解，同时车规级MCU需求仍在上升，还是国产厂商进入的好时期。集微咨询（JW insights）预计，由于单价更高的32位MCU应用比例继续提升，汽车MCU市场规模仍将处于持续增长趋势，预计从目前的59.16亿美元提升至2024年的88.78亿美元。“得车规者得天下”似乎成了企业的座右铭，能够取得汽车的高安全标准的产品，必然拥有极高的安全可靠性。
但较为可惜的是，高端产品汽车MCU依然是海外巨头的天下，市占率超过95%。2020年全球汽车MCU市场中，Renesas、NXP、Infineon、TI和Microchip五大厂商合计市占率达86.6%。目前拥有车规级MCU的国内厂商只有极少数，不过这也意味着发展空间更大。
国产MCU存在的问题。许多一线嵌入式工程师向笔者透露，缺芯稍有苗头之时，自己所在公司便启动国产替代计划，要求工程师测试各类MCU的替换效果；也有一些企业“临时抱佛脚”，只有等到自家产品“弹尽粮绝”之际才会想起找替代方案。不论怎样，经过重重的测试，许多替代MCU仍然存在一定的问题，导致更换国产计划不得不搁置甚至放弃。
替代有成本，想说爱你非常难。
一位常年处在一线的嵌入式工程师表示，公司效益与项目直接挂钩，实际给工程师找替代MCU的时间非常短暂，一款国产MCU想要被“翻牌子”，需要考虑开发人员的熟悉程度、开发难易度、开发时长。虽然很多国产MCU在研发之初，就奔着替代和兼容的目的进行Pin to Pin的对标甚至“高度致敬”，但时常有工程师反映在跑程序过程中会遇到跑不动、跑飞、呆板的问题。
开发过程中工程师会碰到许多错综复杂的问题，这些都大大影响着开发进度，与此同时便是替代成本的直线上升。
售后有阻力，我爱你你不爱我。“售后电话永远打不通，即使打通了，对面永远会判定是工程师自己的问题。”国产MCU只注重推广力度，而售后服务却是落后，甚至连简单的技术支持都没有。“有些bug技术支持也都不知道怎么解决。”一些工程师向笔者列举了一系列国产MCU厂商的售后难题。市场有波动，供需矛盾与差价。
虽然缺芯成为国产的重要“空窗期”，但国内厂商也逃不掉受上游波动影响的命运。地缘政治摩擦、疫情及自然灾害导致国际物流受阻，原材料供应和封装测试产能都会影响MCU的交付。缺芯之下，终端恐慌性备货，导致8英寸晶圆产能严重不足，从而加剧MCU厂商交期拉长。此前，部分现货商和贸易商囤货和哄抬价格等行为，使得一些热门产品价格上涨10余倍，给市场造成极其恶劣的负面影响。
伴随市场上扬，国内厂商一度出现“低价抢单”的情况，导致价格波动加剧。缺芯，既是危机，也是机遇。MCU企业大量浮现，而在这波浪潮中，行业必然会迎来新一波的优胜劣汰和洗牌。