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MCU是Microcontroller Unit的簡稱，中文叫微控制器，俗稱單片機。單片機出現(xiàn)的歷史并不長，但發(fā)展十分迅猛，作為集成電路中非常重要的品類，廣泛應用于各個領域。本文旨在梳理全球MCU產(chǎn)品發(fā)展史，從時間維度感知國產(chǎn)MCU的崛起進程。
MCU發(fā)展史
MCU的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步，從時間角度來看,MCU的發(fā)展可以大致分為三個階段：探索階段、形成階段、全面發(fā)展階段。
1、單片機的探索階段（1971年-1976年）
1971年1月，英特爾的特德·霍夫在與日本商業(yè)通信公司合作研制臺式計算機時，將原始方案的十幾個芯片壓縮成了3個集成電路芯片。其中的2個芯片分別用于存儲程序和數(shù)據(jù)，另一個芯片集成了運算器和控制器及一些寄存器，這就是4位微處理器Intel 4004，標志著第一代微處理器問世，微處理器和微機時代從此開始。
1972年4月，霍夫等人研制出首個8位微處理器Intel 8008。由于8008采用的是P溝道MOS微處理器，仍屬第一代微處理器。
1973年8月，霍夫等人研制出8位微處理器Intel 8080，以N溝道MOS電路取代了P溝道，第二代微處理器就此誕生。8080芯片主頻為2MHz，運算速度比8008快10倍，可存取64KB 存儲器，使用了基于6μm技術的6000個晶體管，處理速度為0.64MIPS。
1975年，德州儀器首次推出4位單片機TMS-1000，標志著單片機正式誕生。TMS1000是世界上公認的第一顆商用單片機。隨后，各個半導體設計公司競相推出了自己的4位單片機，如美國國家半導體公司的COP4XX系列、日本電氣公司的PD75XX系列、日本東芝公司TMP47XXX 系列等。
2、單片機的形成階段（1976年-1990s）
這是一個以英特爾為主導的單片機時代。
1976年9月，英特爾研制出了MCS-48系列8位單片機，是現(xiàn)代單片機的雛形，通常稱為第一代單片機。采用單片結構，將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時器/計數(shù)器、小容量RAM和ROM等集成于一塊芯片上。其尋址范圍小于4KB，由于受集成度限制，沒有串行I/O接口，RAM、ROM容量小，中斷系統(tǒng)也較簡單，可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等領域的需要。從此，單片機開始迅速發(fā)展，應用領域不斷擴大，成為微型計算機的重要分支。
20世紀70年代后期，許多半導體公司看到單片機巨大市場前景，不斷加入該領域的研發(fā)中。1978年，Motorola公司推出M6800系列單片機，Zilog公司推出Z80系列單片機，1979年，日本電氣公司推出μPD78XX系列。
隨著工業(yè)控制領域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因性價比不理想并未得到廣泛應用。1983年，英特爾推出高性能的16位MCS-96系列，其采用了最新的制造工藝，芯片集成度高達12萬只晶體管/片。
值得一提的是，這一階段的典型產(chǎn)品是1980年英特爾在MCS-48系列單片機基礎上推出的高性能的8位MCS-51系列單片機。MCS-51系列是完全按照嵌入式應用而設計的單片機，比MCS-48系列性能有明顯提高，在片內(nèi)增加了串行I/O接口、16位定時器/計數(shù)器、片內(nèi)ROM和RAM的存儲容量都相應增大，尋址范圍可達64KB，片內(nèi)ROM容量達4～8KB，并且有多級中斷處理功能。
20世紀80年代中期后，英特爾集中精力在CPU的研發(fā)上，逐漸放棄了單片機的生產(chǎn)，故以專利或技術交換的形式把80C51內(nèi)核技術轉讓給其他IC 廠商，如飛利浦、日本電氣、Atmel、亞德諾、華邦等。這些公司在保持與80C51單片機兼容的基礎上，又進行了一些擴充。這樣，80C51就變成有眾多廠商支持，發(fā)展出上百個品種的大家族。習慣把兼容機等衍生產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列，是單片機應用的主流產(chǎn)品，功能和市場競爭力更強，直到現(xiàn)在仍在廣泛使用。
3、單片機全面發(fā)展階段（1990s-至今）
該階段是當前單片機百花齊放的時代。單片機在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發(fā)展。MCU內(nèi)核除了8051外，還出現(xiàn)了MIPS、自研內(nèi)核等，以及對當下影響重大的Arm Cortex-M內(nèi)核、RISC-V內(nèi)核。
1997年，Atmel公司研發(fā)出增強型內(nèi)置Flash的RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR。AVR單片機具有創(chuàng)新的系統(tǒng)架構、更高的集成度、同時搭配Atmel自有的Flash工藝，在性能和功耗上相較于之前的馮?諾依曼架構產(chǎn)品均有較好表現(xiàn)。該類型單片機電路簡單、故障率低、可靠性高、成本低廉。
與此同時，各家廠商積極開發(fā)自有架構及內(nèi)核，成立于2003年的瑞薩采用自有的瑞薩內(nèi)核，此外還有飛思卡爾的HC05/HC08系列、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430系列等。
2002年，MIPS推出了M4K內(nèi)核，一款專為MCU和小尺寸嵌入式控制器設計的高性能的綜合性處理器內(nèi)核。Microchip的32位PIC系列MCU產(chǎn)品部分使用了MIPS內(nèi)核。
2004年，Arm推出一系列32位Cortex-M內(nèi)核，意法半導體率先使用，32位單片機迅速取代了16位單片機的高端地位。進入主流市場地位的16位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比20世紀80年代提高了數(shù)百倍。代表產(chǎn)品有Motorola的M68300系列、Hitachi的SH系列等。
2019年，兆易創(chuàng)新攜手芯來科技推出全球首款基于開源指令集架構RISC-V的Bumblebee處理器內(nèi)核的GD32V系列通用單片機--GD32VF103。
21世紀，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、運算能力強的8/16/32位通用型單片機，以及應用于特定領域的專用型單片機。當前單片機系統(tǒng)已不再是裸機環(huán)境下的開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)廣泛應用在單片機上。作為掌上電腦和手機核心處理器的高端單片機，甚至可以直接使用專用的Windows和Linux等操作。
國產(chǎn)MCU崛起進程
如果從1971年1月，4位微處理器Intel 4004誕生算起，MCU至今已有近50年的歷史。而國內(nèi)廠商的MCU產(chǎn)品大都起于21世紀初，可溯歷史非常短。國產(chǎn)MCU沒有參與到MCU發(fā)展的探索階段、形成階段，但在MCU全面發(fā)展階段，國產(chǎn)MCU是一股不可忽視的存在，尤其在當前國際環(huán)境下。
盡管目前市面上熱門的單片機系列仍以歐美日企業(yè)為主，如意法半導體的STM32系列，Microship的PIC系列，Atmel（被Microship收購）的AVR系列，恩智浦的LPC系列，德州儀器的MSP430系列等，但我們發(fā)現(xiàn)在各元器件分銷平臺的銷量榜中，慢慢出現(xiàn)了一些國產(chǎn)MCU產(chǎn)品的面孔，如兆易創(chuàng)新的GD32系列、納思達旗下極海半導體的APM32系列等，國產(chǎn)MCU產(chǎn)品在快速崛起。
國產(chǎn)MCU處于“從有到強”的階段。根據(jù)上文的MCU的發(fā)展歷史梳理，筆者認為現(xiàn)代MCU真正意義上的高速發(fā)展始于Arm推出Cortex-M內(nèi)核，采取IP授權的分工形式。目前Arm的Cortex-M內(nèi)核在市場上占據(jù)主導地位，占比52%。以Arm Cortex-M內(nèi)核應用為標準，某種意義上可以窺探國產(chǎn)MCU產(chǎn)品當前豐富度和競爭力。
圖源：中信建投
Arm共推出了11款Cortex-M系列MCU內(nèi)核IP，定位不同，涉及性能、功耗、成本、體積、特定擴展等，可滿足低、中、高端需求。其中，M0、M0+、M1、M23系列為低端MCU內(nèi)核；M3、M4為中端MCU內(nèi)核；M33、M35P為中高端MCU內(nèi)核；M7、M55、M85為高端MCU內(nèi)核。
下圖是中信建投整理的國產(chǎn)MCU內(nèi)核信息，可以看出：國產(chǎn)MCU在Arm Cortex-M內(nèi)核上，已經(jīng)覆蓋了低端、中端和部分中高端內(nèi)核。
圖源：公司官網(wǎng)、中信建投
圖片數(shù)據(jù)補充：1、兆易創(chuàng)新已于2018年11月已推出基于Arm Cortex-M23的MCU的55nm的GD32E230系列，成本低、體積小，性能和電源效率較Cortex-M0/M0+有所提升。
2、ELEXCON 2019深圳國際電子展中，紫光同創(chuàng)FPGA通過集成Arm Cortex-M1嵌入式軟核，提供了快速、低成本、高集成CPU解決方案。
此外，國內(nèi)MCU廠商在高端產(chǎn)品上也在持續(xù)發(fā)力。據(jù)悉，截至2022年三季度，兆易創(chuàng)新、國民技術等大陸頭部企業(yè)在高算力、高性能的Cortex-M7內(nèi)核系列產(chǎn)品正在研發(fā)階段。另外，在2021年慕尼黑電子展中，極海半導體副總曾豪透漏：“極海半導體基于Arm Cortex-M7內(nèi)核的APM32F720中高端產(chǎn)品即將快速上市?！保ń刂涟l(fā)稿，筆者未在其官網(wǎng)上看到相關產(chǎn)品信息。）
但值得一提的是，Cortex-M55是首個基于Armv8.1-M架構，采用Helium技術,支持AI處理能力的處理器；Cortex-M85是號稱“迄今為止性能最強的Cortex-M處理器”，標量計算比Cortex-M7提高30%，并采用了Helium技術。作為高端內(nèi)核，兩者分別于2020年2月、2022年4月發(fā)布，即使是全球MCU龍頭意法半導體，也未有量產(chǎn)相關產(chǎn)品。
國產(chǎn)高端MCU時代何時到來？具體來看，兆易創(chuàng)新作為國內(nèi)MCU行業(yè)的龍頭企業(yè)，以其32位MCU產(chǎn)品的發(fā)布時間線，基本可以代表我國MCU廠商的最強競爭力了。
2013年4月，首顆國產(chǎn)基于Arm Cortex-M3的MCU發(fā)布；
2016年6月，首顆國產(chǎn)基于Arm Cortex-M4 的MCU發(fā)布；
2018年10月，首顆國產(chǎn)基于Arm Cortex-M23 的MCU發(fā)布；
2022年9月,首顆公司基于Arm Cortex-M33內(nèi)核的GD32A503系列車規(guī)級MCU發(fā)布。（首顆國產(chǎn)Arm Cortex-M33車規(guī)級MCU由云途半導體在2022年8月發(fā)布）
目前，兆易創(chuàng)新的產(chǎn)品已經(jīng)覆蓋了中高端MCU，但在高算力、高性能的Arm Cortex-M7內(nèi)核的高端MCU上，還處于研發(fā)階段。根據(jù)上面兆易創(chuàng)新的MCU產(chǎn)品發(fā)布時間線，每3年左右會推出一款新的基于Arm Cortex-M內(nèi)核的MCU產(chǎn)品，筆者希望在2025年前，兆易創(chuàng)新可以量產(chǎn)Arm Cortex-M7的MCU產(chǎn)品。要知道，意法半導體早在2014年就發(fā)布了全球首款基于Arm Cortex-M7的高端MCU產(chǎn)品。
寫在最后
盡管從Arm Cortex-M內(nèi)核應用維度對比,中外MCU產(chǎn)品差距似乎不是那么明顯，僅在Cortex-M7、Cortex-M35P未有對標產(chǎn)品，但是真正衡量MCU的產(chǎn)品力，還要看產(chǎn)品的主頻、存儲、功耗、可靠性等指標，以及產(chǎn)品品類的豐富度及應用場景等。
另外，從市場維度看，本土MCU廠商的份額也是少得可憐，根據(jù)Gartner數(shù)據(jù)，2021年全球MCU市場，Top5企業(yè)市場份額合計75%，而國內(nèi)頭部廠商兆易創(chuàng)新、紫光國微的市場份額分別僅為1%左右。
但值得期待的是，本土MCU產(chǎn)品正處于“從有到強”、“從有到多”的進程中。在汽車和工業(yè)控制等中高端市場，國產(chǎn)MCU已慢慢開始打破國際大廠壟斷，如2018年底杰發(fā)科技量產(chǎn)了國內(nèi)首顆32位車規(guī)級MCU芯片AC781x，最近的2023年2月極海半導體推出的APM32A全系列車規(guī)級MCU。在新興物聯(lián)網(wǎng)應用領域，國產(chǎn)MCU廠商跟國際大廠幾乎站在同一起跑線上。同時，國內(nèi)還出現(xiàn)了一批自研內(nèi)核的MCU產(chǎn)品，如芯旺微電子的KungFu8/KungFu32內(nèi)核，峰岹科技的ME內(nèi)核。
本土MCU廠商們正全力前行！
下載ECAD模型
