汽车MCU选型的8个关键指标-电子发烧友网

一辆传统燃油车需要大约500到600颗芯片，轻混汽车大约需要1000颗，插电混动和纯电动汽车则需要至少2000颗芯片。这就意味着在智能电动汽车快速发展的过程中，不仅对先进制程芯片需求不断增加，而且对传统芯片需求也会持续增加。MCU就是这样，除了单车搭载的数量在不断增长，域控制器也带来了对高安全、高可靠、高算力MCU的新需求增长。

汽车电子中所使用的半导体即车规级芯片，主要有主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），传感器芯片（CIS）和存储芯片（Flash）四大类，车规级芯片广泛应用于汽车的动力系统、智能座舱及自动驾驶系统，是汽车电子不可或缺的核心元器件。

MCU芯片介绍

MCU，Microcontroller Unit，中文称单片微型计算机/微控制器/单片机，将CPU、存储器、外围功能整合在单一芯片上，形成具有控制功能的芯片级计算机，主要用于实现信号处理和控制，是智能控制系统的核心。

MCU和汽车电子，工业，计算机和网络，消费电子，家电和物联网等我们生活和工作密切相关，汽车电子是汽车电子中最大的一个市场，全球范围内汽车电子所占比例高达33%。

在汽车电子的各个系统当中，往往需要采用车用MCU（车用微控制器）作为运作控制的核心，负责各种信息的运算处理，用于汽车的动力总成、辅助驾驶、网络互联、底盘安全、信息娱乐以及车身电子等方向。

图1、MCU的基本结构

构成MCU的几个重要组件包括：

1、中央处理器（CPU）

CPU是单片机的大脑。它由算术逻辑单元（ALU）和控制单元（CU）组成。CPU读取、解码和执行指令以执行算术、逻辑和数据传输操作。

2、存储单元

任何计算系统都需要两种类型的存储器：程序存储器和数据存储器。程序存储器，顾名思义，包含程序，即要由CPU执行的指令。另一方面，数据存储器需要在执行指令时存储临时数据。通常，程序存储器是只读存储器（ROM），数据存储器是随机存取存储器（RAM）。

3、输入/输出端口

单片机与外部世界的接口由输入/输出端口（I/O端口）提供。开关、键盘等输入设备以二进制数据的形式从用户向CPU提供信息。CPU在接收到来自输入设备的数据后，执行适当的指令并通过LED、显示器、打印机等输出设备做出响应。

4、定时器/计数器

单片机的重要组件之一是定时器和计数器。它们提供时间延迟和计数外部事件的操作。此外，定时器和计数器可以提供函数生成、脉宽调制、时钟控制等。

5、总线

单片机的另一个重要组件，但很少讲到，它就是系统总线。系统总线是一组连接线，将CPU与其他外围设备（如内存、I/O端口和其他支持组件）连接起来。

MCU的工作原理

MCU的工作原理是逐条执行预存指令的过程，不同类型的单片机有不同的指令系统。为了让一个单片功能自动完成某项具体任务，必须将所要解决的问题编成一系列的指令，并且这些指令必须是由一个单独的函数来识别和执行的，这样一系列指令的集合就变成了程序，这些程序需要预先储存在有存储能力的存储器中，也就是我们常说的内存。

由于程序是按顺序执行的，因此程序中的指令也是一条条地存储，MCU在执行程序时要将这些指令逐个提取并执行，必须拥有能够跟踪指令所在存储单元的功能，这个部分就是程序计数器PC（包括CPU在内），当程序开始运行时，PC将会被分配到程序中每一条指令的存储单元，并一一执行该项指令，PC中的内容自动增加，增加量由这个指令长度决定，每一条都指向下一条指令的起始地址，保证指令顺序执行。

内核架构是影响MCU性能的一个关键要素，更优秀的运算单元需要更先进的内核架构。十几年前，各大MCU厂商均采用各自的内核，如瑞萨采用RX内核，飞思卡尔采用PowerPC，微芯采用PIC，Atmel采用AVR。随着ARM推出Cortex-M架构并开展了独特的开创IP授权的模式，以其软件代码的共享和高兼容性、高密度指令集等特点，现已逐步占据主导地位。

车规MCU的种类

车规MCU按位数可分为8位、16位和32位。位数即MCU单次处理数据宽度，位数越高，MCU性能越强。

8位MCU成本/功耗低，便于开发，性能可满足大部分场景需要，广泛应用于基础功能如风扇、雨刷、天窗，座椅控制等领域。32位MCU运算能力更强，能满足高速处理的需求，多用于解决复杂场景问题，如汽车智能座舱、车身控制、辅助驾驶，行车安全系统等领域。32位的CPU内核以ARM为主流架构，由于CPU指令集庞大，软件开发难度较高，单价一般数倍于8位MCU，因而也有较高的研发壁垒。

图2、不同的MCU

从不同位数MCU规模占比来看，目前全球MCU芯片产品以32位为主。受益于其体积小性能优的特性以及汽车智能化的趋势，32位MCU销售额占比已经从2010年的38.1%提升至2015年的53.7%，进而跃升至2021年65.8%。随着汽车智能化和电动化进一步发展，汽车电子功能将日趋复杂，势必推动车规MCU向更高性能，更小尺寸，更低功耗的方向发展，32位芯片占比有望进一步提高。

从价格上来说，一般8位MCU的单价小于1美元，16位MCU的单价在1~5美元之间，32位MCU价格在5~10美元之间，部分高端产品在10美元以上。但在市场极端缺货情况下，汽车MCU的单价波动幅度极大，德州仪器旗下一款32位MCU——MCF5282CVM66在2022年9月迅猛飙涨，曾一度卖到5000元一颗，此后该芯片单价一度下滑至2000元，2023年3月又涨至4000余元。汽车市场出货的晴雨不一，芯片价格也随之共振。

MCU产业链概况

MCU产业链上游为半导体材料及半导体设备，主要包括硅片、光刻胶、光掩模、电子特种气体、靶材、单晶炉、刻蚀机、***等。中游为MCU制造环节，主要包括芯片设计、单晶硅片制造、晶圆制造、芯片封测。下游应用领域包括汽车电子、工业控制、消费电子、计算机网络等。

图3、MCU行业产业链

MCU市场情况

1、市场规模

IC Insights的数据显示，全球MCU市场规模从2018年的186亿美元增长至2021年的221亿美元，CAGR为5.6%；2022年全球MCU市场规模有望达239亿美元，同比增长8.1%。

图4、全球MCU市场规模

MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一，汽车也是全球MCU第一大应用市场，占比超过1/3，平均每辆汽车MCU需求量高达上百颗。随着汽车半导体行业技术演进和需求升级，智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场，接力电动化成为重要驱动力，MCU作为核心算力芯片深度受益。

2、竞争格局

根据Omdia，MCU市场主要由欧美日芯片厂商牢牢把持，前七大厂商占据全球85.4%的市场份额，但各家企业的占比相对较为平均。

图5、全球MCU市场竞争格局

国内MCU市场方面，根据CSIA和中国汽车工业协会的数据，2021年国内MCU市场约85%（2019年为94%）由外资把持，MCU国产化率低且多集中于消费级，车规级MCU自给率尚不足5%，仍有很大国产替代空间。

根据富昌电子行情预测，2022年4季度的全球车规半导体仍处于供不应求的状态，主要车规MCU大厂如意法半导体，恩智浦和微芯科技都存在不同程度的供货紧张态势，不论是芯片价格还是货期较之前两个季度都有明显的升高。海外大厂的产能扩张尚不能满足市场需求，国内MCU企业有望把握这个供需错配的时间窗口，凭借先前的投入，与国内下游造车新势力合作，加速车规级MCU的国产替代进程。

由于新能源汽车在政策导向及技术驱动下持续发力，预计2023年全球新能源汽车销量将仍有约30%的出货量增长，这也将带动车用MCU的需求量持续提升。从供应端来看，随着晶圆厂产能由消费电子陆续向车规转移，车规半导体芯片总体供应也呈现增长态势。随着供应和需求的双双增长，全年供需将维持较为健康状态，价格走势相对平稳。根据群智咨询（Sigmaintell）调研数据，2023年第一季度车用MCU价格基本停止上涨，预计后续车用MCU价格维持稳定走势。

图6、2023年车用芯片调研及预测

MCU技术发展趋势

1、更高算力

随着汽车智能化程度的不断增加，车规级MCU将向多功能集成、高算力及超低功耗方向发展，且使用数量也会随之增加。同时，未来智能汽车中大量使用的车载传感器、车载摄像头，也需要高性能的MCU来做模拟数据的运算处理与驱动控制。因此，在未来更高阶自动驾驶等级的汽车中，加以多传感器融合的大趋势下，总线宽度32位乃至64位高算力车规级MCU将成为主流产品，而8/16位中低端MCU则会被更高制程的SOC所集成，失去增长动力。

2、更高集成度

由于集成更多功能，主控芯片的算力要求会指数上升，部分MCU会和GPU，DSP，NPU和AI处理单元等不同类型芯片共同被集成到SoC（系统级芯片）上。SoC是MCU集成度更高的结果，其功能更复杂，资源利用效率更高，可胜任如无人驾驶和智能座舱等需要高算力的场景。

3、更高开放度

由于ARM内核IP授权费高昂（芯片售价的2%-15%），很多厂商已开始基于开源的RISC-V内核开发MCU，如瑞萨，英特尔，兆易创新等。RISC-V不仅完全免费开源，还具有低功耗，指令集精简，设计编译简单，支持模块化和可拓展等的特点，这和车规级MCU场景碎片化，功能模块化的特点十分契合。

随着汽车行业的快速发展，汽车电气化率不断提升，车上的ECU也越来越多，众多的ECU由于功能和需求的差异，成本的差异，需要针对不同的ECU选择合适的MCU进行功能和成本上的匹配，以满足开发需求，这时MCU选型就显得尤为重要。

图7、ECU示意图

汽车MCU选型要点

1、普通接口梳理：

梳理出ECU有哪些功能，需要处理的传感器信号，需要控制的执行器数量、以及控制方式，数字检测包括数字和模拟信号的数量。

2、通信功能统计：

有几路CAN、LIN，甚至以太网，速率需求。

3、通信以及各类对外接口的电压：

以及是否需要辅助器件如EEPROM、FLASH、DDR，以便确定哪种工作电压的MCU更为合适。

4、确定GPIO的数量：

根据需求确定需要多少GPIO。

5、确定ADC接口数量：

模拟信号需要ADC检测，需要确定ADC检测的数量。

6、I2C，SPI等通信端口的数量：

一些辅助芯片需要I2C， SPI等通讯方式，不同MCU的资源数量不同且较为有限。

7、统计需要的RAM和FLASH的大小：

统计RAM和FLASH的大小，以便确定选择哪种规格的MCU，以及是否需要外挂，哪种方式更具性价比等等。

8、MCU主频算力确定：

根据当前通信端口、SPI、I2C、FLASH等外设的数据吞吐总量确定MCU算力需求。

图8、MCU结构示意图

车规MCU选型思路

国内外有众多的MCU厂家，国外原厂有英飞凌、瑞萨、恩智浦、德州仪器、意法半导体、微芯等，而国内MCU厂家有芯驰、云途、赛腾微、复旦微、比亚迪半导体、芯旺、杰发、国芯、中微半导、凌鸥创芯、峰岹、国民技术、航顺、芯海、旋智、旗芯、智芯、极海、先楫半导体、小华、兆易创新等，各个厂家的实力，质量，价格不尽相同，且定位和产品路线存在差异，需要多维度的考量厂家的实力和可靠性。

图9、国产MCU原厂及其产品

另外需要确定MCU需要使用哪种核心，如RISC-V， POWER PC， ARM A， ARM M， ARM R5等系列，不同系列的侧重点不同，如ARM A侧重性能，ARM M侧重功耗，ARM R则在性能和功能上进行了折中，另外RISC-V架构没有受美国管制的风险，但是仍处于发展早期，技术及生态链尚不成熟，很多厂家人在观望中，有个别厂家却全身家押注，如：奕斯伟、芯科集成、凌思微，可重点关注此厂商。