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浅谈三大MCU技术走向和市场走向

来源:芯片解密-龙芯世纪   时间:2009-09-24   阅读:2077

  MCU技术发展不会因为金融危机而停滞,MCU的市场在金融危机后将进一步拓展和繁衍。传统的MCU界限正在变得模糊,集成电路、通信、EDA、嵌入式软件和嵌入式应用将会融合在未来的MCU里,和我们的生活交织在一起。
  国际半导体行业的MCU巨头处境不容乐观。iSuppli公司资料显示,2007年中国市场中排名前10的MCU供应商是瑞萨科技、飞思卡尔半导体、Microchip Technology、NEC电子、英飞凌、东芝、Atmel、三星、恩智浦半导体(NXP)和意法半导体。金融危机后这些企业多数纷纷裁员,更有个别公司除了裁员和关闭制造工厂外,还传出可能被兼并的消息。飞思卡尔公司CEO Rich Buyer最近在接受EETimes专访时表示将专注在汽车电子和通信领域,其无线IC业务将整个或者部分出售。老牌的MCU公司Atmel最近公布2008年第三季度的GAAP净亏损为470万美元,但公司董事会拒绝了Microchip和ON Semiconductor公司近期主动提出的以23亿美元现金收购Atmel的提议。当然,业界也并不看好这个收购。
  基础本身就很单薄的中国芯片设计行业更是感到冬天的寒冷。产品线单一、依靠风险投资和国家政策性的资金,在整个金融危机银根紧缩的环境下,中国本土550家芯片设计公司正在跌入谷底,面临重新的整合。展讯公司创始人武平辞去总裁改任董事长,上海杰得公司大规模裁员,上海智多微公司部分业务被出售等,都说明了新的整合时期已经到来。
  在这个风雨飘摇的时期,作为嵌入式系统最为核心和基层的部件--MCU的市场和技术发展将走向何方,尤为值得关注。
  1  三大MCU技术走向
  1.1  单一架构体系MCU优势逐现
  从历史的情况看,MCU的发展历程走过了20世纪80年代的单一架构(8051),90年代则出现了8051、AVR、XA、68K等众多MCU百花齐放的局面;进入21世纪后,随着ARM技术和生态环境的成熟,越来越多的32位MCU采用ARM SoC。Intel公司去年卖掉XScale业务,借Atom占领了上网本市场后,正在发力嵌入式系统。新一代的嵌入式Atom可以应用在工业控制、通信市场、医疗电子、消费电子以及MID等众多市场,扩充了Intel传统X86的应用领域。原因是Atom具有超低的功耗(小于5 W)和更小的芯片尺寸。更重要的是,X86架构提供广泛的应用软件支持,且符合用户使用习惯。最近Intel公司与台积电公司宣布,将由后者为嵌入式市场的Atom处理器提供部分代工。这也是Intel在学习ARM成功的模式,走联合的道路。我们回头看看8位MCU。
  在目前世界经济形势不很明朗,电子产业面临市场和成本双重压力的时候,电子企业在使用和选择MCU时,8051依然是主流的选择。不仅要考虑BOM(Bill of Material)成本,还要考虑研发成本。单一架构可以帮助企业降低风险,提高系统的可靠性并降低成本。行业内人士不看好Microchip收购Atmel整合MCU业务的原因之一,也是两家公司在8位和32位MCU有各自的产品线和架构。历史的经验证明,整合后必须放弃其一,但是到底选择谁呢,这将是痛苦的决定。目前市场迹象表明,中高端MCU在向着ARM、X86 SoC主流计算平台的方向发展。
  1.2  低功耗MCU成为新宠
  在过去的一年中,低功耗是半导体行业热闹的话题。低功耗MCU成为新宠,包括Atmel、TI、Microchip、Freescale、ST和Silicon Labs等公司都推出了低功耗的MCU产品,原因就是工业产品正在走向消费化和便携化的趋势。在技术层面,MCU的低功耗实现有下面几个方法: 超低电压供电,内置了DC/DC电压转换器和LDO转换器,如8051F9XX,最低电压可到0.9 V;超低功耗的休眠模式和关机模式,80C51F9XX只有50 nA;采用超低电压的MCU,Atmel公司上周刚刚发布的0.7 V TinyAVR (ATtiny43U)甚至可以使用1个钮扣电池供电;嵌入式系统领域里创新的动态功耗控制方式(DVFS),即在工作模式下通过编程设置工作电压和工作频率,降低功耗,也开始在MCU中使用,如AT91SAM7L就支持DVS(动态电压调节);低功耗的实现技术和工具是关键,采用先进的SoC、IP和EDA技术可以带来特别的效果,如STM32 CortexM3 MCU,在72 MHz时工作电流只有27 mA,待机电流2 μA。今年2月ARM公司发布CortexM0,这是一款超低功耗的ARM处理器,85 μW/MHz(75 MHz的MCU功耗只有6.3 mW),1.2万门尺寸,既适合低功耗MCU SoC应用,还可以集成到混合信号器件里。该处理器把ARM的MCU路线图扩展到超低能耗MCU和SoC应用中,如医疗器械、电子测量、照明、智能控制、紧凑型电源、马达控制、精密模拟系统和IEEE 802.15.4 (ZigBee)及ZWave系统。传统的低功耗MCU产品也不甘落后,如TI的MSP430也不断推陈出新,开发出MSP430543X系列,强调高集成度的低功耗实现。特别值得一提的是它的DSC使用,它使得快速唤醒时间缩短到5 μs以内,这对于工业测量装置满足实时性要求是非常重要的。优秀的快速唤醒技术可以让降低功耗和保持实时性达到统一。
  1.3  面向应用的高集成度MCU
  高集成度一直是MCU发展的趋势。长期以来,通用功能的集成化是主要发展方向,今天更多的则是面向应用的集成化。这里主要讲下述两个方面:
  第一,在过去一年中我们看到人机界面技术和MCU的结合越来越多,开始是在中高端的MCU产品上,现在已经延伸到中低端MCU上了,这也是前面提到的工业产品的消费化趋势。AVR、PIC 8/16位MCU都支持LCD、触摸传感功能,Freescale公司推出针对汽车仪表的MCU;Atmel QTouch技术与PicoPower MCU和触摸软件库形成低成本的方案。基于ARM7TDMI和CortexM3的32位中档MCU价格逐渐走低后,为在MCU嵌入式系统中普及先进和复杂的人机界面技术奠定了基础;高速处理器性能、嵌入式OS和GUI软件让工业和中低端消费电子产品有了愉悦的用户体验,增加了产品附加值。
  第二,伴随互联网的广泛应用和智能化装置的普及,各种无线和有线通信方式与MCU结合得越发紧密,CAN、USB和Ethernet已经成为32位MCU的基本组成部分以及8/16位MCU的可选配置。无线技术在工业和消费电子产品的应用越来越多,目前无线网络技术有ZigBee、无线HART、ISA100、无线局域网(WiFi)、蓝牙(Blutooth)、ISM(医疗)、IrDA(家电遥控)和广域网GPRS通用分组无线业务等。还有许多私有和专用无线网络协议在使用,如Zensys zwave就主要针对住宅自动化。其中IEEE802.15.4物理层是今天较为主要和实用的标准。ZigBee在家庭和住宅环境中作为网络协议优势明显,而针对工业应用的无线标准更是百花齐放。多数无线收发器模块需要和MCU配合使用;集成了MCU和无线收发模块的SoC,如TI公司的CC2430,称为无线单片机。可以预测,随着工业无线应用也走向标准化、节能化,采用智能化无线单片机将是未来的趋势。
  2  三大MCU市场走向
  金融风暴后,中国电子行业受到出口订单锐减的影响,正面临着巨大的考验。多数专业预测机构看好汽车电子和工业控制市场,笔者也认同它们是高端市场的热点,但需要厚积而薄发。笔者从量产和短线看好中低端的消费电子产品,尤其是小家电值得关注。
  2.1  汽车电子应用
  在汽车电子市场上,国家对于1.6 L排量以下的有优惠政策,环保型汽车和农用汽车市场正在帮助自主研发的汽车产业市场升温,消费者对汽车安全性、舒适性的关注,汽车电子的ESP、ABS、TPMS、GPS等一系列技术产品将得到推广。16/32位MCU正成为支持汽车动力、安全、网络、多媒体系统的主力产品,推动了汽车电子迈上更高的台阶。中国汽车电子市场的MCU技术主要还是控制在国外著名的半导体公司手里,2007年十大公司中的飞思卡尔、Atmel、瑞萨公司都是国际汽车电子中的佼佼者。汽车电子对于半导体器件和电子产品的安全性、可靠性、适应性要求严格,产品的测试和量产过程和其他电子产品有很大的不同,这也形成汽车电子行业高门槛和长周期的特色,即研发、测试、定型和量产的时间很长,导致一般小厂很难进入这个行业。中国大陆和台湾地区的半导体公司目前还没有支持汽车电子成龙配套的MCU系列产品。与国内通信、航空航天产业,甚至消费电子相比较,汽车电子产品的设计水平还较为落后。工信部和科技部“关于核电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”科技重大专项2009年课题申报指南有关基础软件产品方向中,就有针对汽车电子的课题(31:实时嵌入式操作系统及开发环境和课题;32:汽车电子控制器嵌入式软件平台研发及产业化)。可以预计,先进的车用MCU技术和中国自主研发的汽车电子软件和产品将主导未来3~5年中国汽车电子市场走向。
  2.2工业控制应用
  国家4万亿投资方向析出,如表1所列。
  表1
  落实在高速铁路、轨道交通、公路、机场、电网改造的基本建设项目开工后,项目中涉及的电子产品的需求将逐渐增加。工业控制系统中MCU的使用是非常广泛和多样性的,8/16/32位MCU,还有可能基于计算机模块或者系统。与汽车电子一样,工业控制系统对于安全性和可靠性的要求很高,并且对于实时性的要求更高。长期以来,工业控制系统的核心部件一直为国外少数大型设备制造商所垄断。国产的基于MCU/嵌入式CPU的控制系统在经过多年研究后逐渐成熟,并已经替代国外产品。据报道,北京地铁自动售检票系统就是使用了研祥公司的特种嵌入式计算机产品。车场停车管理系统、远程抄表自动系统都是典型的MCU应用。上海上志电子无线抄表器配置了ARM7处理器、4 MB/8 MB数据容量、SD卡、锂电,可扩展RF模块、红外、GPRS、扫描头。国内的停车场系统制造商,深圳捷顺科技,在引领ARM停车场系统网络时代到来。
  长期以来工业控制系统的MCU应用没有能够吸引半导体公司的足够重视,与消费电子产品相比,它的量产少,差异性大,周期长,厂家分散。金融危机后,消费者捂紧了口袋,海外订单取消,消费电子产品市场(尤其是手机、PC电脑等高档产品)萎缩,转向工业控制市场也是情理中的事情,但是半导体和电子设计公司对于工业控制市场的特殊性要有一定的准备。抓住国内交通、电力、铁路和装备自动化建设中的嵌入式系统机会,这在金融危机中是一个新的亮点。
  2.3  小家电应用
  2008年下半年以来,家电行业特别是白色家电行业受宏观经济增速下滑、房地产成交量低迷等各方面因素的影响,增长情况不容乐观,甚至出现衰退。相对于其他家电行业,我国小家电产品普及率较低,同时由于产品单价低,并没有明显受到宏观经济环境的负面影响,保持了较快的增长速度。例如,牛奶业的“三聚氰胺”事件给九阳公司带来豆浆机的旺销,改变了国内消费者的消费习惯,并且把豆浆机从一个产品做成一个行业。同时也为公司发展更多的小家电产品铺平了道路。近期中信证券表示维持对家电行业相对景气的判断。对比小家电同行,九阳不断彰显其在渠道、研发、品牌等方面的竞争优势,以及管理层积极进取的价值取向和管理执行能力。
  长期以来,日系MCU公司在家电产品中占有比例很高,尤其是白色家电产品,如冰箱、洗衣机和空调等;但是在小家电中,台湾地区或者台资背景的MCU产品具有很大的优势,如义隆、盛群和中颖公司。不同于白色家电和高档消费电子产品,小家电功能单一,4位单片机使用得比较多。如九阳豆浆机采用SH66P20A,软件上采用汇编语言,MCU的作用主要是可编程和中断的处理(如温度监控、防干烧等)。为了支持C语言的使用和实现更多的功能,8位MCU的使用越来越多,目前多采用私有的CPU架构。为了迎合小家电生产厂家设计能力低的现状,使用SoC技术和完整方案是小家电MCU的现状和趋势。如盛群公司在IIC2009上展示的厨房小家电产品,1颗MCU基本解决问题,1~2个月一款新产品就可以面世。小家电由于销售价格低,利润收入低,多数国外MCU公司无法和台资企业竞争,这也是国内本土MCU公司发展的机会之一。考虑到未来软件功能的增加,发展8位通用核SoC型小家电MCU,是未来的发展方向。
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