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2023-02-06 10:21

从MCU发展史,看国产MCU崛起进程

本文来自微信公众号:与非网eefocus (ID:ee-focus),作者:大志,题图来自:视觉中国


MCU是Microcontroller Unit的简称,中文叫微控制器,俗称单片机。单片机出现的历史并不长,但发展十分迅猛,作为集成电路中非常重要的品类,广泛应用于各个领域。本文旨在梳理全球MCU产品发展史,从时间维度感知国产MCU的崛起进程。


一、MCU发展史


MCU的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步,从时间角度来看,MCU的发展可以大致分为三个阶段:探索阶段、形成阶段、全面发展阶段。



单片机的探索阶段(1971年~1976年)


1971年1月,英特尔的特德·霍夫在与日本商业通信公司合作研制台式计算机时,将原始方案的十几个芯片压缩成了3个集成电路芯片。其中的2个芯片分别用于存储程序和数据,另一个芯片集成了运算器和控制器及一些寄存器,这就是4位微处理器Intel 4004,标志着第一代微处理器问世,微处理器和微机时代从此开始。 


1972年4月:霍夫等人研制出首个8位微处理器Intel 8008。由于8008采用的是P沟道MOS微处理器,仍属第一代微处理器。


1973年8月:霍夫等人研制出8位微处理器Intel 8080,以N沟道MOS电路取代了P沟道,第二代微处理器就此诞生。8080芯片主频为2MHz,运算速度比8008快10倍,可存取64KB 存储器,使用了基于6μm技术的6000个晶体管,处理速度为0.64MIPS。


1975年:德州仪器首次推出4位单片机TMS-1000,标志着单片机正式诞生。TMS1000是世界上公认的第一颗商用单片机。随后,各个半导体设计公司竞相推出了自己的4位单片机,如美国国家半导体公司的COP4XX系列、日本电气公司的PD75XX系列、日本东芝公司TMP47XXX 系列等。


单片机的形成阶段(1976年~1990s)


这是一个以英特尔为主导的单片机时代。


1976年9月,英特尔研制出了MCS-48系列8位单片机,是现代单片机的雏形,通常称为第一代单片机。采用单片结构,将8位CPU、8位并行I/O接口、8位定时器/计数器、小容量RAM和ROM等集成于一块芯片上。其寻址范围小于4KB,由于受集成度限制,没有串行I/O接口,RAM、ROM容量小,中断系统也较简单,可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等领域的需要。从此,单片机开始迅速发展,应用领域不断扩大,成为微型计算机的重要分支。 


20世纪70年代后期,许多半导体公司看到单片机巨大市场前景,不断加入该领域的研发中。1978年,Motorola公司推出M6800系列单片机,Zilog公司推出Z80系列单片机,1979年,日本电气公司推出μPD78XX系列。


随着工业控制领域要求的提高,开始出现了16位单片机,但因性价比不理想并未得到广泛应用。1983年,英特尔推出高性能的16位MCS-96系列,其采用了最新的制造工艺,芯片集成度高达12万只晶体管/片。


值得一提的是,这一阶段的典型产品是1980年英特尔在MCS-48系列单片机基础上推出的高性能的8位MCS-51系列单片机。MCS-51系列是完全按照嵌入式应用而设计的单片机,比MCS-48系列性能有明显提高,在片内增加了串行I/O接口、16位定时器/计数器、片内ROM和RAM的存储容量都相应增大,寻址范围可达64KB,片内ROM容量达4~8KB,并且有多级中断处理功能。


20世纪80年代中期后,英特尔集中精力在CPU的研发上,逐渐放弃了单片机的生产,故以专利或技术交换的形式把80C51内核技术转让给其他IC 厂商,如飞利浦、日本电气、Atmel、亚德诺、华邦等。这些公司在保持与80C51单片机兼容的基础上,又进行了一些扩充。这样,80C51就变成有众多厂商支持,发展出上百个品种的大家族。习惯把兼容机等衍生产品统称为80C51系列,是单片机应用的主流产品,功能和市场竞争力更强,直到现在仍在广泛使用。 


单片机全面发展阶段(1990s至今)


该阶段是当前单片机百花齐放的时代。单片机在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。MCU内核除了8051外,还出现了MIPS、自研内核等,以及对当下影响重大的Arm Cortex-M内核、RISC-V内核。


1997年,Atmel公司研发出增强型内置Flash的RISC精简指令集的高速8位单片机,简称AVR。AVR单片机具有创新的系统架构、更高的集成度、同时搭配Atmel自有的Flash工艺,在性能和功耗上相较于之前的冯·诺依曼架构产品均有较好表现。该类型单片机电路简单、故障率低、可靠性高、成本低廉。


与此同时,各家厂商积极开发自有架构及内核,成立于2003年的瑞萨采用自有的瑞萨内核,此外还有飞思卡尔的HC05/HC08系列、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430系列等。


2002年,MIPS推出了M4K内核,一款专为MCU和小尺寸嵌入式控制器设计的高性能的综合性处理器内核。Microchip的32位PIC系列MCU产品部分使用了MIPS内核。


2004年,Arm推出一系列32位Cortex-M内核,意法半导体率先使用,32位单片机迅速取代了16位单片机的高端地位。进入主流市场地位的16位单片机的性能也得到了飞速提高,处理能力比20世纪80年代提高了数百倍。代表产品有Motorola的M68300系列、Hitachi的SH系列等。


2010年,开源指令集RISC-V始于加州大学伯克利分校。


2019年,兆易创新携手芯来科技推出全球首款基于开源指令集架构RISC-V的Bumblebee处理器内核的GD32V系列通用单片机——GD32VF103。


21世纪,出现了高速、大寻址范围、运算能力强的8/16/32位通用型单片机,以及应用于特定领域的专用型单片机。当前单片机系统已不再是裸机环境下的开发和使用,大量专用的嵌入式操作系统广泛应用在单片机上。作为掌上电脑和手机核心处理器的高端单片机,甚至可以直接使用专用的Windows和Linux等操作。


二、国产MCU崛起进程


图源 | milesconsultinggroup


如果从1971年1月,4位微处理器Intel 4004诞生算起,MCU至今已有近50年的历史。而国内厂商的MCU产品大都起于21世纪初,可溯历史非常短。国产MCU没有参与到MCU发展的探索阶段、形成阶段,但在MCU全面发展阶段,国产MCU是一股不可忽视的存在,尤其在当前国际环境下。


尽管目前市面上热门的单片机系列仍以欧美日企业为主,如意法半导体的STM32系列,Microship的PIC系列,Atmel(被Microship收购)的AVR系列,恩智浦的LPC系列,德州仪器的MSP430系列等,但我们发现在各元器件分销平台的销量榜中,慢慢出现了一些国产MCU产品的面孔,如兆易创新的GD32系列、纳思达旗下极海半导体的APM32系列等,国产MCU产品在快速崛起。


国产MCU处于“从有到强”的阶段。根据上文的MCU的发展历史梳理,笔者认为现代MCU真正意义上的高速发展始于Arm推出Cortex-M内核,采取IP授权的分工形式。目前Arm的Cortex-M内核在市场上占据主导地位,占比52%。以Arm Cortex-M内核应用为标准,某种意义上可以窥探国产MCU产品当前丰富度和竞争力。


图源 | 中信建投


Arm共推出了11款Cortex-M系列MCU内核IP,定位不同,涉及性能、功耗、成本、体积、特定扩展等,可满足低、中、高端需求。其中,M0、M0+、M1、M23系列为低端MCU内核;M3、M4为中端MCU内核;M33、M35P为中高端MCU内核;M7、M55、M85为高端MCU内核。


下图是中信建投整理的国产MCU内核信息,可以看出:国产MCU在Arm Cortex-M内核上,已经覆盖了低端、中端和部分中高端内核。


补充:① 兆易创新已于2018年11月已推出基于Arm Cortex-M23的MCU的55nm的GD32E230系列,成本低、体积小,性能和电源效率较Cortex-M0/M0+有所提升。

② ELEXCON 2019深圳国际电子展中,紫光同创FPGA通过集成Arm Cortex-M1嵌入式软核,提供了快速、低成本、高集成CPU解决方案。

图源:公司官网、中信建投


此外,国内MCU厂商在高端产品上也在持续发力。据悉,截至2022年三季度,兆易创新、国民技术等大陆头部企业在高算力、高性能的Cortex-M7内核系列产品正在研发阶段。另外,在2021年慕尼黑电子展中,极海半导体副总曾豪透漏:“极海半导体基于Arm Cortex-M7内核的APM32F720中高端产品即将快速上市。”(截至发稿,笔者未在其官网上看到相关产品信息。)


但值得一提的是,Cortex-M55是首个基于Armv8.1-M架构,采用Helium技术,支持AI处理能力的处理器;Cortex-M85是号称“迄今为止性能最强的Cortex-M处理器”,标量计算比Cortex-M7提高30%,并采用了Helium技术。作为高端内核,两者分别于2020年2月、2022年4月发布,即使是全球MCU龙头意法半导体,也未有量产相关产品。


国产高端MCU时代何时到来?具体来看,兆易创新作为国内MCU行业的龙头企业,以其32位MCU产品的发布时间线,基本可以代表我国MCU厂商的最强竞争力了。


2013年4月:首颗国产基于Arm Cortex-M3的MCU发布;


2016年6月:首颗国产基于Arm Cortex-M4 的MCU发布;


2018年10月:首颗国产基于Arm Cortex-M23 的MCU发布;


2022年9月:首颗公司基于Arm Cortex-M33内核的GD32A503系列车规级MCU发布。(首颗国产Arm Cortex-M33车规级MCU由云途半导体在2022年8月发布。)


目前,兆易创新的产品已经覆盖了中高端MCU,但在高算力、高性能的Arm Cortex-M7内核的高端MCU上,还处于研发阶段。根据上面兆易创新的MCU产品发布时间线,每3年左右会推出一款新的基于Arm Cortex-M内核的MCU产品,笔者希望在2025年前,兆易创新可以量产Arm Cortex-M7的MCU产品。要知道,意法半导体早在2014年就发布了全球首款基于Arm Cortex-M7的高端MCU产品。


三、写在最后


尽管从Arm Cortex-M内核应用维度对比,中外MCU产品差距似乎不是那么明显,仅在Cortex-M7、Cortex-M35P未有对标产品,但是真正衡量MCU的产品力,还要看产品的主频、存储、功耗、可靠性等指标,以及产品品类的丰富度及应用场景等。


另外,从市场维度看,本土MCU厂商的份额也是少得可怜,根据Gartner数据,2021年全球MCU市场,Top5企业市场份额合计75%,而国内头部厂商兆易创新、紫光国微的市场份额分别仅为1%左右。


但值得期待的是,本土MCU产品正处于“从有到强”、“从有到多”的进程中。在汽车和工业控制等中高端市场,国产MCU已慢慢开始打破国际大厂垄断,如2018年底杰发科技量产了国内首颗32位车规级MCU芯片AC781x,最近的2023年2月极海半导体推出的APM32A全系列车规级MCU。


在新兴物联网应用领域,国产MCU厂商跟国际大厂几乎站在同一起跑线上。同时,国内还出现了一批自研内核的MCU产品,如芯旺微电子的KungFu8/KungFu32内核,峰岹科技的ME内核。


本土MCU厂商们正全力前行!


本文来自微信公众号:与非网eefocus (ID:ee-focus),作者:大志

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