国产MCU的路在何方?

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国产MCU的路在何方?
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20世纪的90年代初,挪威理工大学的两个研究生Alf-Egil Bogen和Vegard Wolla因不满于当时主流的冯·诺依曼架构在计算性能和数据处理速度方面的局限性,开拓性的基于哈佛结构发明了一套Flash存储器的RISC控制器架构,接下来的几年里, Alf和Vegard不断完善设计,成就了后来赫赫有名的AVR单片机。

国产MCU的路在何方?

Alf和Vegard共同定义的AVR架构珍贵手稿

图片来源:网络

Alf和Vegard坚信他们的创新设计极具竞争优势,应该找一个合适的合伙公司将它商业化。此后,他们获得了去往总部位于美国加州硅谷的Atmel推广的机会。当时的Atmel已经在存储器和基于c51架构的微处理器产品上崭露头角。

此后,Atmel做了一个彻底改变其公司命运的决定:设立挪威研发中心,全力支持Alf和Vegard的创新架构的商业化。1997年首款以Alf和Vegard首字母命名的基于RISC指令架构的AVR单片机1890S1200成功上市并大获成功!

当时的1890S带有采用系统内编程方式的内置Flash存储器,板载EEPROM,在此基础上还提供了免费的开发工具AVR Studio,提供低成本的硬件仿真器并免费赠送软件工具。这个策略很快就被其快速增长的销量业绩证明是非常成功的。

AVR面世10年后的2007年,Atmel的AVR单片机年出货量已经高达3亿片,一举跃入8位MCU全球前五行列,并在2010年进入全球前三,Atmel因此获得了巨大的商业成功。

“让Atmel大获成功的因素除了其创新的系统架构、更高的集成度、Atmel自有的Flash工艺、单周期执行指令和高代码密度的低功耗与高性能的折中优化、稳定可靠的产品外,其易用的开发板、免费的软件工具、丰富的应用笔记文档、成熟的基础代码、24小时全球覆盖的线上技术支持、粉丝人气活跃的社区论坛、机制健全的线下技术培训机制、全面的销售渠道体系等也起着举足轻重的作用。”时任Atmel亚太区AVR产品线负责人的熊海峰总结道。

这些竞争力的融合逐渐成为主流欧美MCU品牌的标准配置,时至今日依然值得国产MCU厂商学习和效仿。

ARM内核普及,生态为王

如果我们把Intel早期主导的的x51以及这个架构的前序架构称作为第一代MCU,那么AVR的发展史基本上代表了基于各家自定义架构的第二代MCU的发展,除此之外还有Microchip的PIC系列、Motorola的MC68HC系列、TI的MSP430等优秀架构。

近10年,随着应用测对于性能要求和处理能力的提升,32位MCU逐渐成为市场主流。效仿在第二代8位MCU上的发展,各家主流MCU厂商纷纷推出基于各自架构的32位MCU,但绝大部分都逐渐被同一种内核代替,也就是目前市场占有率最高的ARM处理器内核。

ARM处理器在20世纪90年代依然发展平平,进入21世纪后由于手机的快速发展,出货量呈现爆炸式增长,ARM处理器占领了全球手机市场,占有率高达90%以上。ARM开放的商业模式,在手机市场中充分验证的架构成熟度在MCU市场逐渐代替各家自定义架构,形成了第三代MCU的产品形态,即基于ARM内核的32位MCU。

这一趋势也引领着MCU厂商逐渐将主要精力从架构转向产品本身,其竞争力更多体现在对于产品定义的把握以及产品开发和迭代的速度。产品定义来源于应用侧需求,如何更精准的把握和预测下游厂商的应用需求。

国产MCU的路在何方?

MCU芯片生态组成

图片来源:芯师爷

经过10多年的产品迭代和彼此竞争发展。基于ARM内核的欧美主流MCU厂商在产品组合和生态方面都取得了长足发展,也形成了一整套成熟的方法论。这一整套的生态和方法论恰恰是国产MCU与积累了数十年的欧美老牌MCU厂商相比所欠缺的核心要素之一。

同样是强大的生态使得ARM在MCU领域的地位依然坚不可摧,RISC-V的开源策略或许可在其他领域奏效,但在MCU领域,ARM的时代远未过去。

物联网的应用爆发催生“MCU+”

近些年,内核的归一化,产品形态的同质化让欧美品牌之间的产品差异也在逐渐缩小,比拼价格不单单是国产MCU的普遍现象,也成为欧美品牌间争夺客户的关键要素之一。

与此同时,近几年物联网爆发式的增长以及传统产品的智能化改造对MCU提出了重新定义的需求。基于传统MCU需要添加越来越多的外围器件才能满足这些新的产品需求。

比如:传感器的普遍使用对MCU的片上运放和ADC都提出了更高的精度要求,也需要更为低功耗的定制系统架构来延长电池寿命;无线应用的普及需要将无线无缝的融入应用系统,催生了Wireless MCU的产生;对于语音和词条的智能识别不再是专用芯片的专利,而成为MCU需要附加的功能;对于流量和电荷等的计量除了实现计量外,还需要更为智能化的可自定义的功能……

越来越多的垂直领域呈现类似的“MCU+特定功能”的需求。在被发明半个世纪之际,这些需求无不例外的都指向了MCU的重新定义,近期我们也关注到一家专注于“MCU+”的初创公司上海泰矽微电子(Tinychip),该公司的创始人及绝大部分的核心成员均来自于Atmel的成建制的MCU团队。核心团队除了常规MCU开发能力外,还拥有高性能模拟电路的深厚积累,数字电路硬件化复杂算法的能力以及通信芯片的开发能力。

泰矽微电子创始人CEO熊海峰2007年加入Atmel,负责公司亚太区的AVR,ARM以及Wireless MCU产品线。在担任AVR产品线亚太区负责人期间,深度参与了Alf与Vegard领导下的AVR产品从战略制定、产品定义、开发到生态构建及产品商业化的全过程。

我们对MCU+的定义就是将传统MCU和专用电路、专用算法融合来满足垂直应用的系列化SoC芯片,其典型特征是专用性和高集成度。”Tinychip熊海峰如是介绍。

据悉,这家成立不到一年的初创公司已和多家行业头部客户达成了合作。“这得益于越来越多系统厂家芯片的定制化的需求和趋势”熊海峰介绍说。在国产MCU竞争加剧的当下,无疑是为更多厂商提供了突围的新思路,在欧美品牌MCU具有绝对优势的情形下,更是为国产MCU提供了弯道超车的机会。

·MCU+的多芯片融合,提升了系统集成度,减少客户BOM成本和系统复杂度。

·以一替多,集成高性能模拟电路,间接替代模拟器件。

·技术门槛较高,可避开价格厮杀和竞争的同质化,获取高毛利,走向蓝海。

·垂直市场众多,且单个市场体量巨大,发展空间广阔。

回过头再继续回顾Atmel后续的发展,Atmel在2016年被老对手Microchip收购,对比两家来说,Atmel产品定义一直中规中矩,产品稳定可靠。而Microchip一直寻求自身在产品定义,产品特性上的差异化,通过大量市场调研,针对应用场景和特定垂直应用提取共性的定制需求,注重更高性能模拟电路部分的功能整合,最后形成独特定义的MCU。

其目标市场的单个客户体量不会特别大,但销售单价高,毛利率较高。某种意义上也代表MCU+的优势,间接验证了MCU+的商业逻辑。Microchip整合了包括Atmel在内的多家公司之后的策略依然是毫不犹豫的剥离低毛利同质化的产品,保持差异化获胜和高毛利销售。

顺势而生的MCU+

或助力国产MCU弯道超车!

早年,国产MCU在ARM内核方向的一个重要发展分支是做欧美品牌的兼容替代。由于与被替代品的价格差较明显,Pin-to-Pin甚至是Register-to-Register替代方便,存量市场给初入者带来了业绩的快速成长。

随着进入者越来越多,替代产品质量良莠不齐,这门生意越来越不具有可持续性。不过我们也庆幸的看到像华大半导体这样有特色的MCU厂商开始自主定义和开发更有差异化更有竞争力的ARM MCU产品,这样的践行也给华大带来了业务的飞速成长。我们也看到类于泰矽微这样深入行业,深入市场和应用,致力于定义物联网时代新的MCU形态的创新型初创公司。

摸索中前行的国产MCU更应回归商业的本质—盈利。放下急功近利的心态,无论是产品开发还是销售。

01
从产品开发出发,认真打磨

一颗小小的、看似简单的MCU芯片内,从数字到模拟集成了超过50个的核心IP。尤其是模拟IP,每个IP都需要工匠般的精心打磨,长时间的大量仿真,不断的调整电路和参数,不断的流片,不断的迭代,开发没有任何捷径。

MCU看似简单,但因为其通用型,在应用场景上非常多样化并难以预测。而大量的出货又要求产品的高度一致性和低不良率。这就要求电路的设计需要具备更好的容忍度,容忍一定的工艺偏差,容忍不同的温湿度和电磁工作环境,容忍各种外设组合工作下的稳定性,甚至需要考虑外围应用设计的容错性。这才具备了可靠性,高品质MCU产品的基本要求。

02
后MCU需要更精准的产品定义

无论是像Microchip这样成功的践行者,还是像Tinychip这样专注于精准定义MCU+并初获认可的探索者,都是这个方向的典型代表。产品给芯片原厂带来的是利润,而给客户带来的是价值。只有更高的附加价值才会带来高额的利润。物联网的到来则把MCU的产品重新定义从一个基本准则推升到了势在必行的地步。

03
物联网时代的生态尤为重要

物联网本身就具备超长生态链的典型特征。MCU的生态与物联网生态的重叠、衔接与融合将会起到相互促进和共同发展的作用。拥抱生态,融入生态,拥有生态是与欧美品牌MCU厂商进入正面交锋的基本条件。

04
芯片国产化的大背景助推

芯片国产化推动着技术与资本的化学反应,MCU作为一个颇有争议的方向,其反应程度并不算剧烈。而在物联网这个催化剂下,MCU自身正在悄然发生变化,无论是叫“后MCU”也好,或者是Tinychip所定义的“MCU+”也罢,先知先觉的资本已经开始悄然布局。对于资本市场来说,只要碰上认真踏实做事的团队,靠谱接地气的创始人,大胆出手,一定能投出平台级的新型MCU公司。

05
国内MCU的市场前景可期

国内MCU市场高达400多亿人民币,如果进一步融合应用侧形成MCU+的形态,加之基于物联网应用的爆发,未来的千亿市场是可以预期的。如此庞大的市场可以容纳多家国产芯片的存在,厂商更应立足于自身优势,避免一窝蜂的相互踩踏。毕竟,利润才是商业的本质。

在国产MCU领域,出现平台级芯片公司的前提条件是可以与欧美品牌正面竞争和抗衡。目前来看无论是产品还是生态都尚存一段差距。除了逐步补齐差距外,在物联网爆发之际,从新兴市场切入,深耕行业,走MCU+的道路或许是弯道超车的良机。

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