芯片行业专题报告：MCU赛道持续繁荣-RISC-V带来历史性机遇

1、芯片行业专题报告：MCU赛道持续繁荣_RISC-V带来历史性机遇1. 需求旺盛和技术升级，MCU 赛道持续繁荣1.1 物联网需求拉动，MCU 行业维持高增长受益中国市场需求的拉动，中国 MCU（Microcontroller Unit，微控制单元）行业 13-18 年间呈现快速增长。中国为全球最大的消费电子制造中心，而且近几年中国的汽车电子和物联网产业也呈现 快速发展，为国内 MCU 企业创造了广阔市场。2013 年中国 MCU 市场规模为 269 亿元，至 2018 年，已经达到了 452 亿元，2013-2018 年期间，CAGR 为 10.9%，远高于同期全球 4.5%的增速。5G 商用

2、时代已经开启，物联网有望迎来爆发。中国是较早开展 5G 商用的国家之一，2016 年 1 月，中国信通院正式启动 5G 技术试验，2017 年 10 月，开启了第三阶段中国 5G 技术研发试验， 2019 年，中国 5G 商用牌照正式发放，国内正式进入了 5G 时代。随着物联网应用的进一步落地，在终端模组方面需求庞 大，必将驱动 MCU 行业快速发展。受益物联网快速渗透，中国 MCU 市场有望迎来快速增长。国内消费电子市场无论在规模还是在质 量上都在不断崛起，以美的、格力为代表的家电企业，以华为、OPPO、VIVO、小米为代表的手机 厂商已进入全球市场前列，此外，中国的汽车产业也在快速发展，上

3、汽、吉利、比亚迪等车企实力 也在不断壮大。本土优秀企业都在积极布局物联网产业，对于 MCU 芯片的市场需求不断增加，从 而带来 MCU 芯片的市场规模不断增长，预计到 2025 年 MCU 芯片市场规模将达到 982 亿元， 2019-2023 年间，中国 MCU 市场规模 CAGR 为 11.7%。1.2 MCU 技术不断提升MCU 市场仍处于快速成长阶段，随着物联网加速部署，高性能、低功耗、高集成度、高安全性将 成为 MCU 发展趋势。高性能：32 位将成为主流，市场份额有望进一步提升。按照位数分类，MCU 可以分为 4 位、8 位、 16 位、32 位和 64 位。32 位 MCU 主要

4、用途为智能家居、物联网、安防监控、电机及变频控制、 触控按键、GPS、打印机等。随着下游需求市场的不断扩大，32 位 MCU 的市场份额也在不断提 升，2013 年 32 位 MCU 市场份额为 46%，到 2019 年，已经增长到 45%。随着物联网的爆发， 32 位 MCU 市场份额将会进一步提升。MCU 有望加入 AI 计算能力。目前 AI 芯片主要应用在云端和功能复杂的终端，如：智能手机运用 AP 中的 NPU 实现人脸识别功能，功能简单的终端也将逐渐增加 AI 功能，MCU 也将加入 AI 功能 模块，给 MCU 厂商带来新的市场机会。MCU 芯片大厂强力布局有望加速推动 AI 融入

5、 MCU 领域。为了探索 MCU 在 AI 市场的应用，恩 智浦不仅提供硬件平台，还推出了机器学习开发环境 eIQ。eIQ 可以帮助客户将训练好的模型转 换到嵌入式平台中。芯片架构供应商 Arm 也是 AI 的主要推手之一，ARM 在 2020 年发布了两款 Edge AI 芯片-Cortex-M55 和 Ethos-U55。与前一代 Cortex 产品相比，Cortex-M55 可将数字信 号处理性能提高 5 倍，将机器学习性能提高 15 倍。Ethos-U55 是 Cortex-M 处理器的配套 NPU 加 速器，用于解决电池寿命和成本敏感的复杂 AI 计算难题，能和 Cortex-M55

6、、Cortex-M33、CortexM7、Cortex-M4 等产品搭配使用。低功耗：物联网终端 MCU 的核心竞争力。受限于体积，物联网终端的电池容量往往有限，通过降 低功耗来提升续航能力成为终端厂商对 MCU 芯片的重要要求。物联网世界拥有数量庞大的无线传 感节点，功耗和续航时间更是直接关系到产品的可行性。通常这些节点需要 24 小时处于连接状态， 这对 MCU 的功耗提出了非常高的要求。特别是隧道或桥梁中的检测传感器，对电池续航能力的要 求常常达到十年以上。因此，低功耗将成为 MCU 的核心竞争力。高集成度：高集成度的 MCU 将成为发展趋势。物联网终端需要通过传感器收集信息，同时需要利

7、 用无线通讯模块发送/接收数据。因此，集成传感器+MCU+无线模块的高度集成方案是一大发展趋 势，高度集成不仅可以降低成本，而且可以降低功耗。而 SiP 等技术的发展更是为高整合度 MCU 的发展提供了技术可行性。高安全性：物联网时代必然要求。物联网设备通常处于联网状态，在智能设备上运行的操作系统、 应用程序等难免存在着各种漏洞，一些黑客会籍此对智能设备展开攻击，进而篡改或窃取用户的重 要数据，这为智能设备的正常使用带来了严重的威胁。为了使得智能设备能够免受黑客攻击的困扰 正常地提供服务，需要采取有效的措施对黑客的攻击进行防御。除了提高系统被破解的难度以外， 还应该在系统内部对用户的关键数据进

8、行严格的保护。目前 ARM 和 intel 分别推出了自己的可信 执行环境的技术，ARM TrustZone 和 Intel SGX，未来随着需求的提升，有望出现更多的安全技术。2. 中国厂商迎来黄金发展期中国 MCU 市场集中度较为分散，以国外品牌为主。全球 MCU 行业市场集中度高，主要市场被瑞 萨电子（日本）、恩智浦（荷兰）、得捷电子（中国）、英飞凌（德国）、微芯（美国）等国际半 导体大厂所占据，2019 年，CR5 为 83%。中国 MCU 市场集中度相对全球来说，较为分散,CR5 仅 为 55.2%，且都被海外半导体大厂所占据。中国 MCU 厂商与国际一流企业差距较大，总体占比较 小

9、，高端 MCU 渗透率不足。具备政策、资金、产业链、终端客户、人才等多重优势，国内厂商迎来机遇，有望打破国外厂商垄断局面。政策层面给予多重利好。半导体产业作为战略性产业，是信息技术产业的核心，关系到经济社会的 发展和国家安全保障，一直受到国家的关注和重点扶持。尤其是中美贸易摩擦以后，半导体的发展 更是受到了全社会的关注，而且企业融资变得相对更容易，这样有利于初创企业的成长，也利于产品升级与技术创新。同时，终端厂商也愿意给国内厂商更多机会，让国内厂商逐步从中低端介入， 再到中高端。应用终端制造在国内，MCU 应用“定义权”在中国。不管从消费类的玩具、手机周边、家居家电， 到工业类的电机控制、汽车

10、电子、无线通讯，甚至物联网、人工智能，在中国都有大量的开发团队 和配套的支持体系，以及广泛的消费群体和应用场景。这使得 MCU 产品及方案的“定义权”逐步 移到中国来。国内企业更能提供贴近本土化的产品和服务，同时具备成本优势。此外，国内 MCU 产业链也逐渐成熟，国内的晶圆代工厂、封测厂已经成熟，IP 库的丰富和技术的沉淀，为提高 MCU 产品的性能表现和可靠性打下了扎实的基础 。国际知名企业为国内培养了充足的人才。外资MCU厂商过去30年在国内的发展培养了大量人才， 为国产 MCU 的发展提供了软实力的支持。例如：华大半导体 MCU 的设计团队中 80%成员有一二 十年的外企设计经验。国内

11、MCU 厂商在特定细分领域已经实现突破，正在走向全面崛起。不同于手机 SOC 技术几乎每 年在更新换代，MCU 用于控制的运算量较小，且在每个具体的应用场景相对静态性，技术更新速 度相对较慢。因此，国外具备技术垄断的公司针对具体应用场景的产品其功能和性能的提升和优化 相对较慢，叠加天时地利人和的优势，给国内公司提供了在某些特定的技术领域实现慢慢突破并赶 超的机会。3. RISC-V 带来历史性机遇3.1 RISC-V 有望打破专利壁垒国内 MCU 发展受限 IP 壁垒。MCU 芯片的发展需要 IP 授权，而 ARM、Synopsys、Cadence 等 海外公司占据绝大多数份额，存在特殊的情况

12、下 IP 断供的风险。RISC-V 有望打破专利壁垒。RISC-V 是一种开放处理器架构技术，是基于精简指令集（RISC）的 开源指令集架构（ISA）实现的。2010 年，加州大学伯克利分校 EECS 实验室启动 RISC-V 项目， 以打造一个真正开源的、免许可的、免授权费用指令集架构。经过多年研究和验证，RISC 指令集 已发展出五代。RISC-V 即指第五代 RISC。RISC-V 受到了全球半导体公司的关注。国内外巨头入局，有助于 RISC-V 快速建立生态。RISC-V 基金会在 2015 年宣布成立，会员数量 一直保持快速增长，截止到2019年2月已经达到了235家，其中包括谷歌、

13、英伟达、高通、Rambus、 三星、恩智浦、华为、阿里、美光、IBM、GlobalFoundries、UltraSoC 和西门子在内的多家国内 外巨头。在国内外芯片巨头资金和研发的支持下，RISC-V 有望在较短时间实现生态体系的初步完 善并实现应用广度的拓展。开源、可修改、精简、安全等特点决定了 RISC-V 在物联网时代将会大放异彩。开源：RISC-V 完 全开放，企业可以自由免费使用。可修改：RISC-V 容许企业添加自有指令集拓展而不必开放共享 以实现差异化发展。精简：RISC-V 基础指令集则只有 40 多条，加上其他的模块化扩展指令总共 几十条指令。 RISC-V 的规范文档仅有

14、145 页，而“特权架构文档”的篇幅也仅为 91 页。安全：其 开源性特征，能够接受公众监督，及时修正体系漏洞，避免重大安全风险。具备以上优点使得 RISCV 有望成为低功耗 AIoT 应用的最佳解决方案。3.2 中国厂商深入布局，有望实现弯道超车中国厂商深入布局，成果逐步显现。RISC-V 的开源特性、可修改特定，使得国内企业较为便利且 能以较低的价格使用。国内部分企业已经深入布局，目前已经推出多款基于 RISC-V 指令集的 MCU 产品。中国 RISC-V 产业联盟的成立有助于加快完善国内 RISC-V “IP 核芯片软件整机系统”产 业生态体系。2018 年 10 月，中国 RISC-

15、V 产业联盟成立，五十余家相关企业以及十余家大学和 研究机构加入，涉及了众多 IP 设计服务、芯片、软件、系统应用领域的中国知名企业。中国 RISCV 产业联盟有助于集聚和整合国内 RISC-V 创新力量，助推 RISC-V 产业生态的建设，提升中国企 业在 RISC-V 指令集创新、标准制定中的影响力；同时，能加快 RISC-V 的市场推广和产业化应 用，助力形成有效的产学研合作机制、共性技术协作开发机制、知识产权合作机制等长效机制，提 升产业核心竞争力。RISC-V 芯片设计开源平台已经出现，有望加速国内 RISC-V 产业链的发展。2019 年 8 月，平头 哥发布了一站式芯片设计平台无剑，无剑能够提供稳定可靠的设计平台和验证平台，在测试、流片 等环节帮助用户节约大量成本和时间，将芯片设计成本和设计周期压缩 50%以上。2019 年 10 月， 平头哥在乌镇互联网大会上宣布开源 MCU 芯片设计平台，这是国内首家开源芯片设计平台的公 司。这个开源平台搭载