解析MCU技術(shù)發(fā)展線(xiàn)路 中國MCU如何取勝？

　　微處理器和單片機(MCU)從上個(gè)世紀70年代在歐美開(kāi)始興起，1981年8051單片機問(wèn)世，到今天已經(jīng)36年了。從數量上看，8位單片機依然是MCU市場(chǎng)的主力，32位MCU已經(jīng)成為今天全球消費和工業(yè)電子產(chǎn)品的核心。

　　從2015年開(kāi)始，為爭奪市場(chǎng)份額，布局強勁增長(cháng)的物聯(lián)網(wǎng)應用，MCU主要廠(chǎng)商之間發(fā)生了數起大規模并購。根據市場(chǎng)調研機構IC Insights的統計，從收購完成合并后的銷(xiāo)售數據看，NXP、Microchip和Cypress 2016年MCU產(chǎn)品線(xiàn)銷(xiāo)售額同比大幅增長(cháng)，排名也相應上升。未進(jìn)行大規模收購的MCU廠(chǎng)商則表現平平，只有個(gè)位數的增長(cháng)，比如ST和TI，有的出現了大幅下降，比如像Samsung。

　　8大MCU廠(chǎng)商全球市場(chǎng)份額合計達到了88%，這也就是說(shuō)除了幾大MCU外，小的MCU公司市場(chǎng)份額非常小。IC Insights 2016年8月的研究報告顯示，MCU市場(chǎng)將于2020年達到高峰，銷(xiāo)售額達到209億美元，銷(xiāo)售267億顆芯片。針對這樣的市場(chǎng)形勢，在剛剛結束的2017年STM32峰會(huì )上，ST給自己定下目標是2020年銷(xiāo)售額將到達40億美元，從目前市場(chǎng)份額10%增長(cháng)到20%。

　　MCU技術(shù)發(fā)展線(xiàn)路

　　1.開(kāi)發(fā)工具

　　8位MCU時(shí)代，開(kāi)發(fā)工具很簡(jiǎn)單，MCU功能簡(jiǎn)單，存儲器容量很小，應用代碼甚至可以使用匯編語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)，簡(jiǎn)單的下載和編程工具可以勝任開(kāi)發(fā)工作。后來(lái)隨著(zhù)MCU功能增加，存儲器容量增加，C語(yǔ)言逐漸成為首選，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)和JATG調試漸成主流，這種方式主導了過(guò)去20年MCU開(kāi)發(fā)模式。

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的興起，大量的電子產(chǎn)品急需智能化升級，聯(lián)網(wǎng)就成為基本需求，特別是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，RTOS (實(shí)時(shí)操作系統)從以前的嵌入式系統中“奢飾品”變成今天的“必需品”。得益于開(kāi)源社區和開(kāi)源軟件的幫助，開(kāi)源的RTOS 比如像FreeRTOS、uC/OS和Contiki已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)者的優(yōu)選。專(zhuān)門(mén)針對物聯(lián)網(wǎng)應用的物聯(lián)網(wǎng)OS 也應運而生，比如ARM mbed OS、慶科MicoOS和華為L(cháng)iteOS，其實(shí)這幾種物聯(lián)網(wǎng)OS的內核也是基于開(kāi)源的RTOS技術(shù)。

　　開(kāi)發(fā)工具(IDE)價(jià)格昂貴，讓創(chuàng )業(yè)者望而卻步，借助開(kāi)源軟件，MCU企業(yè)紛紛推出自己的IDE，比如瑞薩的e2studio、芯科的Simplicty Studio和NXP的 LPCXpresso，這些IDE 是基于開(kāi)源Eclipse，編譯軟件也是開(kāi)源的GCC ARM 。芯片公司的IDE雖然在功能和優(yōu)化上無(wú)法與Keil和IAR相比，但已經(jīng)完全到達可用的程度。ARM開(kāi)發(fā)了基于Web的mbed工具，開(kāi)發(fā)者不需要購買(mǎi)和安裝任何IDE，只要有一塊mbed兼容的開(kāi)發(fā)板，就可以進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)。如果你使用的是Arduino開(kāi)發(fā)板，Arudino IDE集成大量開(kāi)源硬件知識庫，讓你開(kāi)發(fā)如虎添翼，事半功倍。

　　今天，有了強大的開(kāi)源的生態(tài)環(huán)境，MCU開(kāi)發(fā)者不再會(huì )因為缺乏資金無(wú)法購買(mǎi)開(kāi)發(fā)工具和獲得技術(shù)支持而耽誤項目開(kāi)發(fā)犯愁了。

　　2.制造技術(shù)

　　摩爾定律推動(dòng)了芯片產(chǎn)業(yè)輝煌了40年，其中制程工藝發(fā)展是重要的助推劑。傳統的MCU，比如8位OTP MCU，長(cháng)期是使用0.5微米的制程工藝，隨著(zhù)時(shí)間的推移，設備和技術(shù)的更新，現在主流的MCU制程是180nm，甚至90nm技術(shù)，展望不遠的將來(lái)，使用40nm甚至28nm制程工藝的MCU也不是遙不可及的事情。

　　我們知道，更先進(jìn)的制程工藝會(huì )在MCU內部集成更多的晶體管，使處理器實(shí)現更多的功能和更高的性能。這樣MCU核心尺寸的大小就不是很重要的因素了，更多的32位MCU核心將替代8位，芯片的體積也不會(huì )變大，功耗反而會(huì )更小。此外，先進(jìn)的制程工藝還能帶來(lái)片內FLASH容量的增加，未來(lái)1MB甚至4MB的FALSH MCU 也是常見(jiàn)的產(chǎn)品了。

　　當然，制程工藝將會(huì )給MCU生態(tài)環(huán)境帶來(lái)挑戰，比如初期制造成本的增加，芯片設計復雜性增加。32位核心導入，軟件開(kāi)發(fā)難度增加，以及物聯(lián)網(wǎng)應用帶來(lái)MCU和RF以及Sensor集成，進(jìn)而帶來(lái)功耗管理和PCB設計上一系列棘手問(wèn)題。

　　3.應用設計方案

　　MCU應用五花八門(mén)，從最小的消費電子產(chǎn)品，到大型工業(yè)機器人，幾乎涵蓋了所有嵌入式電子產(chǎn)品。早期的MCU芯片公司只是提供應用指南和參考設計代碼，方案性的設計一般是客戶(hù)自己完成，或者由專(zhuān)業(yè)的方案公司和代理商完成，然后交給設備廠(chǎng)商生產(chǎn)，這樣模式至今依然大量存在。

　　隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)興起，電子產(chǎn)品智能化需求越來(lái)越多，傳統產(chǎn)業(yè)升級已經(jīng)迫在眉睫，電子產(chǎn)業(yè)急需MCU廠(chǎng)商提供更多更好的創(chuàng )新型設計方案。隨著(zhù)電商時(shí)代到來(lái)，渠道的扁平化，傳統芯片代理商已經(jīng)無(wú)力投入日趨復雜的方案設計，行業(yè)日趨細化和深入，傳統的方案商已經(jīng)轉型成產(chǎn)品提供商，應用設計方案的重任再次落在MCU公司身上。

　　今天我們看到全球領(lǐng)先的MCU企業(yè)，比如ST、NXP、TI和瑞薩等公司，他們都能提供許許多多MCU應用解決方案，這些方案的技術(shù)越來(lái)越前沿，功能越來(lái)越完善。比如STM32峰會(huì )上展示的預防黑客侵入的智能鎖的安全解決方案、可以在小屏幕上實(shí)現美觀(guān)流暢游戲界面的超低功耗MCU智能手表方案，以及基于低成本STM32F7MCU的LoRa網(wǎng)關(guān)。

　　近年興起的創(chuàng )客運動(dòng)也是MCU應用方案的一大貢獻者。創(chuàng )客們大量采用的Arduino開(kāi)源硬件，Arduino采用的MCU是Atmel公司的AVR系列處理器;機器人項目Pibot則采用Arduino作為核心控制板。在開(kāi)源硬件環(huán)境下，沒(méi)有開(kāi)發(fā)基礎，只有創(chuàng )意的開(kāi)發(fā)者，也可以完成自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。開(kāi)發(fā)門(mén)檻的降低了，將吸引更多的人實(shí)現創(chuàng )意，極大地增加產(chǎn)品的種類(lèi)和數量，從而導致對MCU需求的增長(cháng)。