一文读懂车载MCU
01mcu行业概览
1.1.定义：何为mcu？
mcu是芯片级的微型计算机，其在生活中无处不在。mcu（micro controller unit），即主控芯片，又称微控制器或单片机，是一种集成了cpu、存储器（rom/ram）、数据转换器（a/d、d/a）、输入/输出接口（i/o）以及计时器等多种功能模块的、微型的、芯片级的计算机。相比大众所熟知的pc处理器，mcu适度缩减了cpu的规格与频率，从而满足各类计算控制设备对空间、功耗、实时性等方面的苛刻要求，因此广泛应用于汽车电子、消费电子、工业控制等搭载嵌入式系统的场景。mcu在我们的生产生活中发挥着极为重要的角色，从日常使用的手机、冰箱，汽车，到高精尖的医疗设备、光伏逆变器和航空航天领域，均有mcu的身影，是现代数字经济不可或缺的大脑和运算中枢。
图 1 mcu芯片的基本构成单元
图 2 恩智浦devkit-s12 16位车规级mcu
1.2.mcu的工作原理：衔接物理世界和数字世界
mcu是连接真实世界和数字世界的桥梁。mcu通常配备了各类输入/输出口接口，可与传感器进行连接，真实世界中的温度、光线、压力、电压等物理量可以透过传感器转换为电信号，经由信号放大器的扩大，通过模数转换器（adc）将模拟信号离散化为计算机能够识别的二进制数字信号，传递给mcu进行算法运算和逻辑决策，生成控制信号，该控制信号再经由数模转换器（dac）转换为模拟信号，经由功率驱动器的放大传输到外界的执行设备，从而实现对电机、开关、阀门等功能的控制。因此，mcu是衔接物理世界和数字世界进行交互的运算中枢，也是电子产品智能化、智慧化的核心。
图 3 mcu的信号链示意图
图 4 汽车ecu单元中的mcu示例
1.3.mcu发展历程：性能不断攀升，指令集架构百花齐放
mcu已有超过50年的历史，高性能、低功耗和指令集架构的变迁是行业发展的主轴。mcu的发展历程最早可以追溯到上世纪70年代，英特尔推出4位微处理器intel 4004，自此嵌入式计算时代正式开启，此后mcu按照分别历经了从4位、8位、16位到32位乃至64位的迭代更新，性能得到不断增强。mcu的内核架构也从起初的intel 8051逐渐拓展到各家自主内核架构(如微芯的pic和瑞萨的rx)，以及mips、powerpc、arm 等 risc指令集，2004年arm cortex m3处理器核的成功发布标志着mcu进入32位时代，arm逐渐成为mcu的主流架构。而2010年以来逐渐兴起的开源指令集risc-v因为其开源、免费、高度可定制等特性也逐渐受到国内外芯片设计厂商的热捧，随着近年来aiot、智能驾驶和工业自动化等领域的蓬勃发展，嵌入式领域对mcu定制化、模块化的需求不断升高，risc-v有望对arm的在mcu领域的领先地位发起挑战。
图 5 mcu行业的发展历程和重要里程碑
02mcu产业链解析
mcu产业链是一个较为复杂的全球生态系统。mcu产业链涉及环节众多，包括ip授权、芯片设计、制造、封装测试、分销等众多环节，呈现高度全球分工化的特点。mcu中游为芯片设计原厂，主要由美、欧、日芯片巨头所把控，中国企业当前市场份额较小但正在奋起直追；上游可分为芯片设计、材料及设备、晶圆代工及封测三大领域，其中：芯片设计所需的eda软件和ip核主要由英、美企业提供；半导体材料和设备主要由美欧日企业主导；晶圆制造和封装测试工厂则主要分布在东亚和东南亚，国产化率相对较高，但制造环节有向欧美回流的态势。下游主要由汽车电子、工业控制和消费电子三大市场构成，由于mcu产品较为复杂，种类繁多，下游客户较为分散，因此mcu产品的销售主要通过经销商模式向下游终端客户分销。
2.1.上游：寡头垄断市场，整体议价能力较强
（1）mcu产业链上游主要可分为芯片设计及ip、材料及设备、晶圆代工及封测三大领域，上游领域整体呈现技术密集和寡头垄断的特征，整体议价能力较强。芯片设计及ip供应商主要是eda软件和 ip核授权商，是芯片设计的底层基础，主要由欧美企业垄断。eda软件是芯片设计的核心工具，其主要由新思科技（美国）、楷登电子（美国）和西门子eda（德国）三家垄断全球近80%的市场份额，国内方面华大九天、华为等企业也在该领域积极布局。cpu ip核决定了mcu芯片的底层架构和计算机指令规范，这一领域主要由英国的arm公司主导，全球超过50%的mcu基于 arm 的内核架构设计；绝大多数8位mcu则基于intel 8051设计；以 risc-v为代表的开源指令集由于其免费、灵活、指令集简洁等优势，近年增长迅猛，有望对arm的地位形成一定挑战。
图 7 2022年全球ip授权收入市占构成（%）
图 8 2022年全球ip版税收入市占构成（%）
（2）材料及设备供应商主要提供芯片制造环节所需的材料和设备，主要适用于采用idm模式的mcu厂商，主要被美日荷巨头主导。半导体材料主要包括硅片、光刻胶、电子特气、溅射靶材、抛光材料等，主要由美日企业主导。半导体设备主要包括光刻机、刻蚀机、清洗设备、封测设备等，其中光刻机主要是由asml（荷兰）垄断超全球80%的市场，日本的佳能和尼康则分食剩余的市场份额。刻蚀、抛光、清洗等设备则主要由applied materials（美国）、lam research（美国）、东京电子（日本）等美日巨头主导。
（3）晶圆代工及封测厂主要提供芯片的制造和封测环节，对于采用fabless模式的mcu厂商至关重要。其中：晶圆代工厂主要负责芯片制造，2023q2的cr6为台积电（56.4%）、三星（11.7%）、格芯（6.7%）、联电（6.6%）、中芯国际（5.6%）、华虹集团（3.0%），cr6合计市场份额为90%，行业集中度较高，上游议价能力较强。封测厂主要负责将代工厂生产的成品晶圆封装成最终的成品器件，并进行可靠性的测试，这一环节相对于晶圆代工门槛相对更低，国产化率更高，除了美国的安靠（amkor）外，主要集中于中国大陆和中国台湾。
表 1 2023q2全球前十大晶圆代工厂营收和市场份额排名（百万美元）
2.2.中游：美欧日芯片巨头主导，国产替代空间广阔
（1）mcu产业链的中游主要是mcu原厂，按照商业模式可分为 idm和fabless模式，前者主要以外资大厂为主，国内企业则多采用fabless模式，更依赖晶圆代工厂支持。全球mcu原厂以美欧日芯片巨头为主，cr6高达83.4%。2022年全球mcu市场主要由美欧日芯片巨头主导，omdia数据显示2022年全球前六大 mcu 厂商（意法半导体、瑞萨电子、恩智浦、微芯科技、英飞凌、德州仪器）市场占有率高达 83.4%。与之相对，2021年国内 mcu（含消费级）市场85%被外资把持（2019年为94%），mcu总国产化率不足15%，且多集中于消费级产品；而作为最大下游市场的车规级mcu国产化率则不足5%，仍有极大国产替代空间。
图 9 2022年全球mcu市场竞争格局，cr6雄踞83.4%
（2）mcu厂商依据是否自建晶圆生产线或者封装测试生产线分为 idm模式和fabless模式，外资大厂均采用idm模式，国内 mcu 企业则以fabless为主。idm模式又称全栈模式，即企业将产业链垂直整合，从mcu的设计、制造、封装测试到销售都一手包办。该模式对企业的技术能力、资金实力、管理组织水平以及市场影响力等方面都有极高的要求，上述外资mcu龙头均采用idm模式，但部分90nm以上较高制程mcu受原厂产能限制一般也会外包给台积电等专业代工厂。fabless模式即无晶圆厂模式，与idm不同，fabless下原厂仅专注于mcu的研发、设计和销售，而将重资产的晶圆制造、封装测试等环节外包给台积电、日月光等专业的代工和封测厂商。fabless模式下，企业无需大规模的资本开支，资金门槛和运营风险也相对较低，因此全球绝大部分mcu企业采用fabless模式，国内仅士兰微、华大半导体以及台湾的新唐科技采用idm模式。
图 10 idm模式下mcu厂商运作流程和优势分析
图 11 mcu厂商fabless模式下的采购及生产流程
2.3.下游：汽车电子为最大下游市场，国内集中在消费电子
（1）mcu的下游应用极为广泛，主要覆盖汽车电子、工业控制、消费电子、计算与存储、网络通信六大下游市场，从全球来看，mcu下游市场中汽车电子占比最高。根据ic insights，汽车电子为全球mcu最大下游市场，2021年市场份额占比达39%，且呈现逐年升高的态势，这与新能源汽车革命对汽车电子的需求和性能要求的提高密不可分。2020年以来的汽车“缺芯”也一定程度推高了mcu的asp；其次为工业控制类应用，占据全球25%的市场份额，近年来占比相对稳定，工业自动化和机器人技术的发展是其主要驱动力。剩下的36%依次是计算与存储（14%），消费电子（14%）以及网络通信（8%）。
图 12 2019-2021全球mcu下游应用市场规模构成
（2）从国内市场来看，mcu下游市场主要集中在消费电子领域。根据ic insights，2020年国内mcu市场最大下游应用是消费电子，占比26%，而汽车电子仅占16%。国内下游构成和全球相比差别较大，这主要是由于 1）我国为世界工厂，pc、手机、iot、家用电器等消费电子组装和制造环节高度集中，因此国内消费电子相关的mcu需求量相对占比更高；2）汽车电子mcu约95%的市场份额由美欧日idm芯片巨头把持，下游的整车品牌也常年由发达国家主导，因此国内车规mcu自给率一直以来较低，本土 mcu 企业较难打入。但步入新能源汽车时代，国产电动车品牌强势崛起，多家国内mcu企业纷纷布局车规业务，叠加2020-2022汽车电子缺芯所带来的机会窗口，国内车规mcu的市场规模占比有望逐步获得提高。
图 13 2020全球mcu应用领域占比：汽车电子最高
图 14 2020中国mcu应用领域占比：消费电子最高
03汽车电子
3.1.车规mcu是汽车电子的核心部件
mcu是汽车电子不可或缺的核心元器件。车规级芯片按功能主要可分为主控芯片（mcu/soc），功率芯片（igbt），传感器芯片（cis）和存储芯片（memory）四大类，车规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。在汽车电子中，小到车窗和座椅调节，大至动力总成，车身控制，电池电机控制，整车热管理系统，均有mcu的参与。
3.2.新能源汽车是全球mcu市场主要驱动力
（1）汽车电子是mcu第一大下游市场。根据前文图23所示数据，在mcu的下游应用领域中，汽车电子占比最大，2021年市场规模约为86亿美元，市场份额达 39%，且呈现逐年升高态势，是 mcu第一大下游市场和主要驱动力。随着近年新能源汽车蓬勃发展，汽车电动化、智能化和网联化的趋势使得汽车产业对电子元器件的需求水涨船高，提高了汽车电子在新能源整车制造中的成本比重，因而带动了汽车电子占整车成本的价值量比重近年来不断提高。根据中商情报网预测，预计到2030年，汽车电子将占整车制造成本的近50%。
图 16 2000-2030e汽车电子占整车制造成本比重
（2）汽车“三化”革命重塑整车产业链，mcu迎来新机遇。在碳中和和汽车“三化”的大背景下，全球各个主要国家均已对燃油车的禁售时间表做出了承诺，电动车对燃油车的替代已不可逆转。新能源车带来的对汽车能源体系的革命，已经颠覆和重塑了燃油车的整车供应链，传统燃油车时代的“三大件”（发动机、底盘、变速箱）如今已逐渐被高度电气化的电池、电机和电控系统所取代，而mcu 作为新能源汽车的重要元器件，也有望在汽车智能化趋势的大背景下获得价值重估。
图 17 各个国家燃油车禁售时间表
（3）新能源汽车高速发展给车规mcu带来强劲驱动力。根据中汽协，2022年我国新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7 万辆，同比增长 96.9%和 93.4%，产销量已连续8年位居全球第一；截至2023年7月，我国新能源车市场渗透率达35.7%(同比提升11.2pct)，未来替代空间仍非常广阔。根据中国市场协会，传统普通燃油车携带ecu（由mcu、存储器、传感器、输入/输出接口等集成电路组成的电子控制单元）约为70个，豪华燃油车ecu 约为150个，而智能汽车由于智能座舱和高级别辅助驾驶等高算力需求，其携带ecu数量会激增至约300个，为普通燃油车4.3倍，而每个ecu单元里至少需要使用一颗mcu芯片。因此，随着汽车智能化程度加深，mcu的需求量也随之增多，这也佐证了汽车电子在全球mcu下游构成占比逐年升高至近40%的原因。
图 18 2013-2022年中国新能源汽车销量以及增长率
图 19 智能车ecu搭载数量是传统燃油车的4.3倍
3.3.车规mcu认证标准严苛，进入壁垒较高
（1）车规级芯片工艺标准严苛，质量要求极高。汽车芯片工作环境复杂，一旦失灵就意味着严重后果，因此车规mcu对于安全性和稳定性要求极高。与消费和工业级mcu相比，车规级芯片工作环境复杂多变，具有高振动、多粉尘、多电磁干扰、温度范围广等特点，对温度耐受性要求一般在-40-155℃，同时还要具备耐振动冲击、高低温交变、防水、防晒、抗干扰能力。同时，由于汽车生命周期较长，产品工作寿命要求为15-20年，供货周期要求也在 15年以上，因而对产品不良率和可靠性也提出了极为严苛的标准。
表 2 车规芯片与消费级和工业级芯片要求对比
（2）车规芯片认证的标准严格，流程漫长，门槛较高，但产品生命周期也较长。汽车芯片在进入整车供应链前，须同时满足aec-q100、iatf16949和iso26262的三大车规标准：在设计阶段，必须严格遵循iso26262的功能安全标准；在流片和封装阶段，aecq和iatf16949则是必须满足的标准；而在测试阶段，需遵循aec-q100/q104进行测试。
图 20 车规芯片认证体系
（3）由于车规mcu厂商多采用fabless模式，因此主要适用于 aec-q系列和iso26262两项认证。其中：aec-q系列主要对元器件进行可靠性测试，涵盖grade 0至3四个等级，其中grade 0 级的工作温度范围达到了-40至150度，是进入汽车前装市场的准入“门票”。iso26262标准覆盖了从概念设计、产品开发、批量生产到报废的全生命周期所需的失效防治技术和管理流程，以确保芯片符合汽车安全完整性等级（asil）。根据危险事件严重度、暴露率和可控性等指标，asil被分为a到d四等，其中asil-d为最高等级，对功能安全要求最为严格，qm则表示不具有功能安全风险。综上，车规级芯片认证过程困难重重，周期较长，从流片到量产出货，往往需要2到3年的时间。然而一旦成功打入整车供应链，就能享受至少10年以上的供货周期，从而和下游车厂建立深度绑定。
表 3 车规芯片三大认证体系
04消费电子
4.1.消费电子为我国mcu市场第一大下游应用
（1）消费电子是国内mcu第一大下游市场，应用领域极为广泛。我国作为全球消费电子产业大国，pc、手机、家电、可穿戴设备等消费电子产品的制造和组装环节高度集中，对于消费级mcu的需求量较大，因此消费电子目前仍为国内mcu最大的下游市场。消费级mcu凭借其低功耗、高性价比，低延时等优势，广泛应用于智能手机、智能家居、可穿戴设备等应用场景。
表 4 mcu在消费电子领域的作用示例
（2）消费级mcu需求持续增长，有望成为百亿级市场。根据前瞻产业研究院，我国消费电子产业对mcu的需求规模自2015年以来一直呈现稳步上升态势。随着5g的普及，ai和iot等新兴技术的赋能，消费电子产品智能化和网联化程度将不断提高，从而带动消费级mcu蓬勃发展，预计到2026年，我国消费电子mcu需求规模将有望达97亿元。
图 21 2015-2026e 中国消费电子 mcu 需求规模及预测(亿元)
4.2.万物互联时代，mcu是iot实现智能化操作的核心
（1）mcu是iot实现智能化操作的核心元器件。iot（internet of things）即物联网，是一种技术概念，其核心是指将物理世界中的各类设备（如家电、汽车等）连接到互联网，以实现数据的采集、交换、通信、运算和远程控制，从而实现设备的互联互通和智能化应用。iot技术的实现在硬件层面主要依赖传感器（感知层）、无线通讯模组（网络层）和mcu（应用层）三大核心模块所构成的嵌入式系统，其中mcu作为嵌入式系统的“大脑”，主要负责对传感器输入的温度、距离等数据进行采集分析、逻辑运算，并最终达成各类控制功能的实现，因此mcu是iot实现智能化操作的核心元器件。
表 5 mcu在物联网中的应用
（2）全球iot市场空间广阔，设备连接数量不断增加，有望带动 mcu 需求上升。根据statista，2022年全球iot市场规模约为 9700 亿美元，同比增长 25.4%，预计2028 年有望突破2万亿美元，未来5年cagr 达13.6%。从设备连接数量来看，2022年全球iot设备连接数约为131亿台，预计到2030年将达到接近300亿台，未来5年cagr达9.0%。我们认为随着5g网络的普及、ai 技术的赋能以及万物互联需求的催化，消费电子产品智能化、网联化、集成化的趋势愈加明确，而mcu作为实现数据采集分析、远程智能控制、互联通信和执行输出的重要硬件，其需求量和价值量都有望得到显著带动。
图 22 2019-2030e全球iot设备连接数（十亿台）
4.3.智能家居增长空间广阔，为mcu产业注入新动能
（1）智能家居有望颠覆传统白电产业，是iot在消费电子领域的主要驱动力。智能家居（smart home）是指将家中常用的各类设备，如照明、音响、冰箱、彩电等硬件，通过嵌入式的iot系统连接网络，以实现家居设备的互联互通、自动控制、远程控制、语音控制等智能化操作，从而提高人们居住舒适度、便捷度的一种智能硬件解决方案。与传统家电相比，智能家居智能化、网联化、集成化特点显著，其融合了iot、云计算、人工智能等技术，对传统产品有着颠覆性的功能和体验，因此其对处理器芯片、传感器芯片、通信连接芯片的性能和数量需求有着显著的提升，这意味着 mcu所承载的功能愈加复杂，所需的外设接口更加丰富，主频、flash、ram等性能规格的要求也将不断提高。
（2）mcu在智能家居设备中应用广泛，带动消费级mcu需求提升。mcu智能家居设备中主要运用于诸如电容式触摸感应接口、触摸屏接口、摄像头接口、不同模拟传感器输入检测、usb接口以及电池充电与监控等众多功能的实现，可广泛适用于智能家居的各类场景随着物联网、云计算和ai等技术的推动，智能家居的渗透率有望持续提升，从而驱动消费级mcu需求和价值量随之提升。
表 6 mcu在不同智能家居设备中的应用和典型产品示例
（3）我国智能家居渗透率尚不足20%，对比欧美发达国家30%以上的渗透率仍有较大追赶空间。从国家来看，statista统计 2022 年全球智能家居渗透率在30%以上的国家主要以欧美发达国家为主，中国智能家居渗透率尚不足20%，东南亚只有马来西亚、泰国和印度尼西亚超10%，非洲各国渗透率均低于10%，非欧美国家总体仍有较大的追赶空间。我们认为随着未来智能家居的体验不断升级，消费者对万物互联的需求不断提高，叠加米家、华为等科技厂商在iot和智能家居领域的积极布局和用户培育，我国智能家居渗透率将有望持续提高，从而不断为消费级mcu注入新的驱动力。
图 24 2022年全球各国智能家居渗透率对比（>10%）
05工业控制
5.1.工业4.0时代，工业控制和自动化市场前景广阔
工业4.0时代，工业自动化市场增长空间广阔。工业4.0是 2013 年由德国首先提出，其本质是将计算机、物联网、大数据、人工智能等先进技术融入传统制造业，将制造业从生产要素驱动向数据驱动、智能化、高度自动化的方向转型，被称为人类第四次工业革命。工业自动化是工业4.0的核心，其本质是指机器设备或生产过程在无人工干预前提下，按预期目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称，是涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等领域的一门综合性技术。根据statista，2022年全球工控及自动化市场规模达2343 亿美元，预计2026年将达到3396亿美元，未来 4 年cagr达9.7%。随着我国人口红利趋缓、劳动力成本上升，老龄化程度提高，工业自动化已成为我国在制造业重点发力的领域，也是我国实现制造业转型和升级的重要手段。根据中国工控网，2021年我国工业自动化市场规模达2530亿元，预计2023 年我国工业自动化市场规模将增长至3115亿元，增速高于全球，未来前景广阔。
图 25 2020-2026e全球工控和自动化市场规模（亿美元）
图 26 2017-2023e中国工业自动化市场规模（亿元）
5.2.mcu是实现工业自动化的核心部件
（1）工业控制系统的三大支柱是plc控制器、仪表和电机/变频器，mcu是其中的核心。一个典型的工业控制系统通常由监视层、控制层和现场层三大架构组成，其中：1）监视层主要由erp 软件、报警系统和数据存储系统构成，负责监视生产过程，对设备、数据进行实时监测，从而确保生产稳定性和安全性；2）控制层主要由plc控制器、dcs控制系统、通信设备和控制软件组成，负责将监视层的指令转化为实际的参数调整、设备启停等控制操作；3）现场层主要由传感器、仪表、电机/变频器构成，负责接收控制层发来的指令并实际执行工业过程，实时监测参数并将数据传递给控制层和监视层，确保工控系统的稳定运行。在工控系统中，位于控制层的plc控制器、现场层的电机/变频器通常被认为是三大核心支柱，决定着工控系统的整体性能，而mcu作为这些设备的核心控制器，可用于处理各类信号的输入输出、读取和分析各类参数，控制电机转速和功率等，是实现工业控制自动化和智能化的关键部件之一。
图 27 典型工业控制系统的架构组成
（2）全球plc市场稳步增长，国产替代大有可为。根据亿渡数据，202 年全球plc市场规模为112亿美元，预计到2026年有望达到131亿美元，未来四年cagr约为3.37%。2021年中国 plc 市场规模约为154亿元，预计2026年有望达到193亿元，未来4 年cagr达4.65%，高于全球增速。从市场份额来看，当前我国 plc市场仍由国外龙头企业主导，西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔总共占据70%的市场份额，台达、汇川技术、信捷电气等国产 plc 企业尽管仍有差距，但在小型 plc市场已逐渐展现竞争力，随着未来国产plc企业市占率逐渐升高，有望加快国产mcu/嵌入式 cpu 企业在工控领域的导入。
图 28 2017-2026e中国plc市场规模及预测（亿元）
来源:驭势资本
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1.1.定义：何为mcu？
mcu是芯片级的微型计算机，其在生活中无处不在。mcu（micro controller unit），即主控芯片，又称微控制器或单片机，是一种集成了cpu、存储器（rom/ram）、数据转换器（a/d、d/a）、输入/输出接口（i/o）以及计时器等多种功能模块的、微型的、芯片级的计算机。相比大众所熟知的pc处理器，mcu适度缩减了cpu的规格与频率，从而满足各类计算控制设备对空间、功耗、实时性等方面的苛刻要求，因此广泛应用于汽车电子、消费电子、工业控制等搭载嵌入式系统的场景。mcu在我们的生产生活中发挥着极为重要的角色，从日常使用的手机、冰箱，汽车，到高精尖的医疗设备、光伏逆变器和航空航天领域，均有mcu的身影，是现代数字经济不可或缺的大脑和运算中枢。
图 1 mcu芯片的基本构成单元
图 2 恩智浦devkit-s12 16位车规级mcu
1.2.mcu的工作原理：衔接物理世界和数字世界
mcu是连接真实世界和数字世界的桥梁。mcu通常配备了各类输入/输出口接口，可与传感器进行连接，真实世界中的温度、光线、压力、电压等物理量可以透过传感器转换为电信号，经由信号放大器的扩大，通过模数转换器（adc）将模拟信号离散化为计算机能够识别的二进制数字信号，传递给mcu进行算法运算和逻辑决策，生成控制信号，该控制信号再经由数模转换器（dac）转换为模拟信号，经由功率驱动器的放大传输到外界的执行设备，从而实现对电机、开关、阀门等功能的控制。因此，mcu是衔接物理世界和数字世界进行交互的运算中枢，也是电子产品智能化、智慧化的核心。
图 3 mcu的信号链示意图
图 4 汽车ecu单元中的mcu示例
1.3.mcu发展历程：性能不断攀升，指令集架构百花齐放
mcu已有超过50年的历史，高性能、低功耗和指令集架构的变迁是行业发展的主轴。mcu的发展历程最早可以追溯到上世纪70年代，英特尔推出4位微处理器intel 4004，自此嵌入式计算时代正式开启，此后mcu按照分别历经了从4位、8位、16位到32位乃至64位的迭代更新，性能得到不断增强。mcu的内核架构也从起初的intel 8051逐渐拓展到各家自主内核架构(如微芯的pic和瑞萨的rx)，以及mips、powerpc、arm 等 risc指令集，2004年arm cortex m3处理器核的成功发布标志着mcu进入32位时代，arm逐渐成为mcu的主流架构。而2010年以来逐渐兴起的开源指令集risc-v因为其开源、免费、高度可定制等特性也逐渐受到国内外芯片设计厂商的热捧，随着近年来aiot、智能驾驶和工业自动化等领域的蓬勃发展，嵌入式领域对mcu定制化、模块化的需求不断升高，risc-v有望对arm的在mcu领域的领先地位发起挑战。
图 5 mcu行业的发展历程和重要里程碑
02mcu产业链解析
mcu产业链是一个较为复杂的全球生态系统。mcu产业链涉及环节众多，包括ip授权、芯片设计、制造、封装测试、分销等众多环节，呈现高度全球分工化的特点。mcu中游为芯片设计原厂，主要由美、欧、日芯片巨头所把控，中国企业当前市场份额较小但正在奋起直追；上游可分为芯片设计、材料及设备、晶圆代工及封测三大领域，其中：芯片设计所需的eda软件和ip核主要由英、美企业提供；半导体材料和设备主要由美欧日企业主导；晶圆制造和封装测试工厂则主要分布在东亚和东南亚，国产化率相对较高，但制造环节有向欧美回流的态势。下游主要由汽车电子、工业控制和消费电子三大市场构成，由于mcu产品较为复杂，种类繁多，下游客户较为分散，因此mcu产品的销售主要通过经销商模式向下游终端客户分销。
2.1.上游：寡头垄断市场，整体议价能力较强
（1）mcu产业链上游主要可分为芯片设计及ip、材料及设备、晶圆代工及封测三大领域，上游领域整体呈现技术密集和寡头垄断的特征，整体议价能力较强。芯片设计及ip供应商主要是eda软件和 ip核授权商，是芯片设计的底层基础，主要由欧美企业垄断。eda软件是芯片设计的核心工具，其主要由新思科技（美国）、楷登电子（美国）和西门子eda（德国）三家垄断全球近80%的市场份额，国内方面华大九天、华为等企业也在该领域积极布局。cpu ip核决定了mcu芯片的底层架构和计算机指令规范，这一领域主要由英国的arm公司主导，全球超过50%的mcu基于 arm 的内核架构设计；绝大多数8位mcu则基于intel 8051设计；以 risc-v为代表的开源指令集由于其免费、灵活、指令集简洁等优势，近年增长迅猛，有望对arm的地位形成一定挑战。
图 7 2022年全球ip授权收入市占构成（%）
图 8 2022年全球ip版税收入市占构成（%）
（2）材料及设备供应商主要提供芯片制造环节所需的材料和设备，主要适用于采用idm模式的mcu厂商，主要被美日荷巨头主导。半导体材料主要包括硅片、光刻胶、电子特气、溅射靶材、抛光材料等，主要由美日企业主导。半导体设备主要包括光刻机、刻蚀机、清洗设备、封测设备等，其中光刻机主要是由asml（荷兰）垄断超全球80%的市场，日本的佳能和尼康则分食剩余的市场份额。刻蚀、抛光、清洗等设备则主要由applied materials（美国）、lam research（美国）、东京电子（日本）等美日巨头主导。
（3）晶圆代工及封测厂主要提供芯片的制造和封测环节，对于采用fabless模式的mcu厂商至关重要。其中：晶圆代工厂主要负责芯片制造，2023q2的cr6为台积电（56.4%）、三星（11.7%）、格芯（6.7%）、联电（6.6%）、中芯国际（5.6%）、华虹集团（3.0%），cr6合计市场份额为90%，行业集中度较高，上游议价能力较强。封测厂主要负责将代工厂生产的成品晶圆封装成最终的成品器件，并进行可靠性的测试，这一环节相对于晶圆代工门槛相对更低，国产化率更高，除了美国的安靠（amkor）外，主要集中于中国大陆和中国台湾。
表 1 2023q2全球前十大晶圆代工厂营收和市场份额排名（百万美元）
2.2.中游：美欧日芯片巨头主导，国产替代空间广阔
（1）mcu产业链的中游主要是mcu原厂，按照商业模式可分为 idm和fabless模式，前者主要以外资大厂为主，国内企业则多采用fabless模式，更依赖晶圆代工厂支持。全球mcu原厂以美欧日芯片巨头为主，cr6高达83.4%。2022年全球mcu市场主要由美欧日芯片巨头主导，omdia数据显示2022年全球前六大 mcu 厂商（意法半导体、瑞萨电子、恩智浦、微芯科技、英飞凌、德州仪器）市场占有率高达 83.4%。与之相对，2021年国内 mcu（含消费级）市场85%被外资把持（2019年为94%），mcu总国产化率不足15%，且多集中于消费级产品；而作为最大下游市场的车规级mcu国产化率则不足5%，仍有极大国产替代空间。
图 9 2022年全球mcu市场竞争格局，cr6雄踞83.4%
（2）mcu厂商依据是否自建晶圆生产线或者封装测试生产线分为 idm模式和fabless模式，外资大厂均采用idm模式，国内 mcu 企业则以fabless为主。idm模式又称全栈模式，即企业将产业链垂直整合，从mcu的设计、制造、封装测试到销售都一手包办。该模式对企业的技术能力、资金实力、管理组织水平以及市场影响力等方面都有极高的要求，上述外资mcu龙头均采用idm模式，但部分90nm以上较高制程mcu受原厂产能限制一般也会外包给台积电等专业代工厂。fabless模式即无晶圆厂模式，与idm不同，fabless下原厂仅专注于mcu的研发、设计和销售，而将重资产的晶圆制造、封装测试等环节外包给台积电、日月光等专业的代工和封测厂商。fabless模式下，企业无需大规模的资本开支，资金门槛和运营风险也相对较低，因此全球绝大部分mcu企业采用fabless模式，国内仅士兰微、华大半导体以及台湾的新唐科技采用idm模式。
图 10 idm模式下mcu厂商运作流程和优势分析
图 11 mcu厂商fabless模式下的采购及生产流程
2.3.下游：汽车电子为最大下游市场，国内集中在消费电子
（1）mcu的下游应用极为广泛，主要覆盖汽车电子、工业控制、消费电子、计算与存储、网络通信六大下游市场，从全球来看，mcu下游市场中汽车电子占比最高。根据ic insights，汽车电子为全球mcu最大下游市场，2021年市场份额占比达39%，且呈现逐年升高的态势，这与新能源汽车革命对汽车电子的需求和性能要求的提高密不可分。2020年以来的汽车“缺芯”也一定程度推高了mcu的asp；其次为工业控制类应用，占据全球25%的市场份额，近年来占比相对稳定，工业自动化和机器人技术的发展是其主要驱动力。剩下的36%依次是计算与存储（14%），消费电子（14%）以及网络通信（8%）。
图 12 2019-2021全球mcu下游应用市场规模构成
（2）从国内市场来看，mcu下游市场主要集中在消费电子领域。根据ic insights，2020年国内mcu市场最大下游应用是消费电子，占比26%，而汽车电子仅占16%。国内下游构成和全球相比差别较大，这主要是由于 1）我国为世界工厂，pc、手机、iot、家用电器等消费电子组装和制造环节高度集中，因此国内消费电子相关的mcu需求量相对占比更高；2）汽车电子mcu约95%的市场份额由美欧日idm芯片巨头把持，下游的整车品牌也常年由发达国家主导，因此国内车规mcu自给率一直以来较低，本土 mcu 企业较难打入。但步入新能源汽车时代，国产电动车品牌强势崛起，多家国内mcu企业纷纷布局车规业务，叠加2020-2022汽车电子缺芯所带来的机会窗口，国内车规mcu的市场规模占比有望逐步获得提高。
图 13 2020全球mcu应用领域占比：汽车电子最高
图 14 2020中国mcu应用领域占比：消费电子最高
03汽车电子
3.1.车规mcu是汽车电子的核心部件
mcu是汽车电子不可或缺的核心元器件。车规级芯片按功能主要可分为主控芯片（mcu/soc），功率芯片（igbt），传感器芯片（cis）和存储芯片（memory）四大类，车规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。在汽车电子中，小到车窗和座椅调节，大至动力总成，车身控制，电池电机控制，整车热管理系统，均有mcu的参与。
3.2.新能源汽车是全球mcu市场主要驱动力
（1）汽车电子是mcu第一大下游市场。根据前文图23所示数据，在mcu的下游应用领域中，汽车电子占比最大，2021年市场规模约为86亿美元，市场份额达 39%，且呈现逐年升高态势，是 mcu第一大下游市场和主要驱动力。随着近年新能源汽车蓬勃发展，汽车电动化、智能化和网联化的趋势使得汽车产业对电子元器件的需求水涨船高，提高了汽车电子在新能源整车制造中的成本比重，因而带动了汽车电子占整车成本的价值量比重近年来不断提高。根据中商情报网预测，预计到2030年，汽车电子将占整车制造成本的近50%。
图 16 2000-2030e汽车电子占整车制造成本比重
（2）汽车“三化”革命重塑整车产业链，mcu迎来新机遇。在碳中和和汽车“三化”的大背景下，全球各个主要国家均已对燃油车的禁售时间表做出了承诺，电动车对燃油车的替代已不可逆转。新能源车带来的对汽车能源体系的革命，已经颠覆和重塑了燃油车的整车供应链，传统燃油车时代的“三大件”（发动机、底盘、变速箱）如今已逐渐被高度电气化的电池、电机和电控系统所取代，而mcu 作为新能源汽车的重要元器件，也有望在汽车智能化趋势的大背景下获得价值重估。
图 17 各个国家燃油车禁售时间表
（3）新能源汽车高速发展给车规mcu带来强劲驱动力。根据中汽协，2022年我国新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7 万辆，同比增长 96.9%和 93.4%，产销量已连续8年位居全球第一；截至2023年7月，我国新能源车市场渗透率达35.7%(同比提升11.2pct)，未来替代空间仍非常广阔。根据中国市场协会，传统普通燃油车携带ecu（由mcu、存储器、传感器、输入/输出接口等集成电路组成的电子控制单元）约为70个，豪华燃油车ecu 约为150个，而智能汽车由于智能座舱和高级别辅助驾驶等高算力需求，其携带ecu数量会激增至约300个，为普通燃油车4.3倍，而每个ecu单元里至少需要使用一颗mcu芯片。因此，随着汽车智能化程度加深，mcu的需求量也随之增多，这也佐证了汽车电子在全球mcu下游构成占比逐年升高至近40%的原因。
图 18 2013-2022年中国新能源汽车销量以及增长率
图 19 智能车ecu搭载数量是传统燃油车的4.3倍
3.3.车规mcu认证标准严苛，进入壁垒较高
（1）车规级芯片工艺标准严苛，质量要求极高。汽车芯片工作环境复杂，一旦失灵就意味着严重后果，因此车规mcu对于安全性和稳定性要求极高。与消费和工业级mcu相比，车规级芯片工作环境复杂多变，具有高振动、多粉尘、多电磁干扰、温度范围广等特点，对温度耐受性要求一般在-40-155℃，同时还要具备耐振动冲击、高低温交变、防水、防晒、抗干扰能力。同时，由于汽车生命周期较长，产品工作寿命要求为15-20年，供货周期要求也在 15年以上，因而对产品不良率和可靠性也提出了极为严苛的标准。
表 2 车规芯片与消费级和工业级芯片要求对比
（2）车规芯片认证的标准严格，流程漫长，门槛较高，但产品生命周期也较长。汽车芯片在进入整车供应链前，须同时满足aec-q100、iatf16949和iso26262的三大车规标准：在设计阶段，必须严格遵循iso26262的功能安全标准；在流片和封装阶段，aecq和iatf16949则是必须满足的标准；而在测试阶段，需遵循aec-q100/q104进行测试。
图 20 车规芯片认证体系
（3）由于车规mcu厂商多采用fabless模式，因此主要适用于 aec-q系列和iso26262两项认证。其中：aec-q系列主要对元器件进行可靠性测试，涵盖grade 0至3四个等级，其中grade 0 级的工作温度范围达到了-40至150度，是进入汽车前装市场的准入“门票”。iso26262标准覆盖了从概念设计、产品开发、批量生产到报废的全生命周期所需的失效防治技术和管理流程，以确保芯片符合汽车安全完整性等级（asil）。根据危险事件严重度、暴露率和可控性等指标，asil被分为a到d四等，其中asil-d为最高等级，对功能安全要求最为严格，qm则表示不具有功能安全风险。综上，车规级芯片认证过程困难重重，周期较长，从流片到量产出货，往往需要2到3年的时间。然而一旦成功打入整车供应链，就能享受至少10年以上的供货周期，从而和下游车厂建立深度绑定。
表 3 车规芯片三大认证体系
04消费电子
4.1.消费电子为我国mcu市场第一大下游应用
（1）消费电子是国内mcu第一大下游市场，应用领域极为广泛。我国作为全球消费电子产业大国，pc、手机、家电、可穿戴设备等消费电子产品的制造和组装环节高度集中，对于消费级mcu的需求量较大，因此消费电子目前仍为国内mcu最大的下游市场。消费级mcu凭借其低功耗、高性价比，低延时等优势，广泛应用于智能手机、智能家居、可穿戴设备等应用场景。
表 4 mcu在消费电子领域的作用示例
（2）消费级mcu需求持续增长，有望成为百亿级市场。根据前瞻产业研究院，我国消费电子产业对mcu的需求规模自2015年以来一直呈现稳步上升态势。随着5g的普及，ai和iot等新兴技术的赋能，消费电子产品智能化和网联化程度将不断提高，从而带动消费级mcu蓬勃发展，预计到2026年，我国消费电子mcu需求规模将有望达97亿元。
图 21 2015-2026e 中国消费电子 mcu 需求规模及预测(亿元)
4.2.万物互联时代，mcu是iot实现智能化操作的核心
（1）mcu是iot实现智能化操作的核心元器件。iot（internet of things）即物联网，是一种技术概念，其核心是指将物理世界中的各类设备（如家电、汽车等）连接到互联网，以实现数据的采集、交换、通信、运算和远程控制，从而实现设备的互联互通和智能化应用。iot技术的实现在硬件层面主要依赖传感器（感知层）、无线通讯模组（网络层）和mcu（应用层）三大核心模块所构成的嵌入式系统，其中mcu作为嵌入式系统的“大脑”，主要负责对传感器输入的温度、距离等数据进行采集分析、逻辑运算，并最终达成各类控制功能的实现，因此mcu是iot实现智能化操作的核心元器件。
表 5 mcu在物联网中的应用
（2）全球iot市场空间广阔，设备连接数量不断增加，有望带动 mcu 需求上升。根据statista，2022年全球iot市场规模约为 9700 亿美元，同比增长 25.4%，预计2028 年有望突破2万亿美元，未来5年cagr 达13.6%。从设备连接数量来看，2022年全球iot设备连接数约为131亿台，预计到2030年将达到接近300亿台，未来5年cagr达9.0%。我们认为随着5g网络的普及、ai 技术的赋能以及万物互联需求的催化，消费电子产品智能化、网联化、集成化的趋势愈加明确，而mcu作为实现数据采集分析、远程智能控制、互联通信和执行输出的重要硬件，其需求量和价值量都有望得到显著带动。
图 22 2019-2030e全球iot设备连接数（十亿台）
4.3.智能家居增长空间广阔，为mcu产业注入新动能
（1）智能家居有望颠覆传统白电产业，是iot在消费电子领域的主要驱动力。智能家居（smart home）是指将家中常用的各类设备，如照明、音响、冰箱、彩电等硬件，通过嵌入式的iot系统连接网络，以实现家居设备的互联互通、自动控制、远程控制、语音控制等智能化操作，从而提高人们居住舒适度、便捷度的一种智能硬件解决方案。与传统家电相比，智能家居智能化、网联化、集成化特点显著，其融合了iot、云计算、人工智能等技术，对传统产品有着颠覆性的功能和体验，因此其对处理器芯片、传感器芯片、通信连接芯片的性能和数量需求有着显著的提升，这意味着 mcu所承载的功能愈加复杂，所需的外设接口更加丰富，主频、flash、ram等性能规格的要求也将不断提高。
（2）mcu在智能家居设备中应用广泛，带动消费级mcu需求提升。mcu智能家居设备中主要运用于诸如电容式触摸感应接口、触摸屏接口、摄像头接口、不同模拟传感器输入检测、usb接口以及电池充电与监控等众多功能的实现，可广泛适用于智能家居的各类场景随着物联网、云计算和ai等技术的推动，智能家居的渗透率有望持续提升，从而驱动消费级mcu需求和价值量随之提升。
表 6 mcu在不同智能家居设备中的应用和典型产品示例
（3）我国智能家居渗透率尚不足20%，对比欧美发达国家30%以上的渗透率仍有较大追赶空间。从国家来看，statista统计 2022 年全球智能家居渗透率在30%以上的国家主要以欧美发达国家为主，中国智能家居渗透率尚不足20%，东南亚只有马来西亚、泰国和印度尼西亚超10%，非洲各国渗透率均低于10%，非欧美国家总体仍有较大的追赶空间。我们认为随着未来智能家居的体验不断升级，消费者对万物互联的需求不断提高，叠加米家、华为等科技厂商在iot和智能家居领域的积极布局和用户培育，我国智能家居渗透率将有望持续提高，从而不断为消费级mcu注入新的驱动力。
图 24 2022年全球各国智能家居渗透率对比（>10%）
05工业控制
5.1.工业4.0时代，工业控制和自动化市场前景广阔
工业4.0时代，工业自动化市场增长空间广阔。工业4.0是 2013 年由德国首先提出，其本质是将计算机、物联网、大数据、人工智能等先进技术融入传统制造业，将制造业从生产要素驱动向数据驱动、智能化、高度自动化的方向转型，被称为人类第四次工业革命。工业自动化是工业4.0的核心，其本质是指机器设备或生产过程在无人工干预前提下，按预期目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称，是涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等领域的一门综合性技术。根据statista，2022年全球工控及自动化市场规模达2343 亿美元，预计2026年将达到3396亿美元，未来 4 年cagr达9.7%。随着我国人口红利趋缓、劳动力成本上升，老龄化程度提高，工业自动化已成为我国在制造业重点发力的领域，也是我国实现制造业转型和升级的重要手段。根据中国工控网，2021年我国工业自动化市场规模达2530亿元，预计2023 年我国工业自动化市场规模将增长至3115亿元，增速高于全球，未来前景广阔。
图 25 2020-2026e全球工控和自动化市场规模（亿美元）
图 26 2017-2023e中国工业自动化市场规模（亿元）
5.2.mcu是实现工业自动化的核心部件
（1）工业控制系统的三大支柱是plc控制器、仪表和电机/变频器，mcu是其中的核心。一个典型的工业控制系统通常由监视层、控制层和现场层三大架构组成，其中：1）监视层主要由erp 软件、报警系统和数据存储系统构成，负责监视生产过程，对设备、数据进行实时监测，从而确保生产稳定性和安全性；2）控制层主要由plc控制器、dcs控制系统、通信设备和控制软件组成，负责将监视层的指令转化为实际的参数调整、设备启停等控制操作；3）现场层主要由传感器、仪表、电机/变频器构成，负责接收控制层发来的指令并实际执行工业过程，实时监测参数并将数据传递给控制层和监视层，确保工控系统的稳定运行。在工控系统中，位于控制层的plc控制器、现场层的电机/变频器通常被认为是三大核心支柱，决定着工控系统的整体性能，而mcu作为这些设备的核心控制器，可用于处理各类信号的输入输出、读取和分析各类参数，控制电机转速和功率等，是实现工业控制自动化和智能化的关键部件之一。
图 27 典型工业控制系统的架构组成
（2）全球plc市场稳步增长，国产替代大有可为。根据亿渡数据，202 年全球plc市场规模为112亿美元，预计到2026年有望达到131亿美元，未来四年cagr约为3.37%。2021年中国 plc 市场规模约为154亿元，预计2026年有望达到193亿元，未来4 年cagr达4.65%，高于全球增速。从市场份额来看，当前我国 plc市场仍由国外龙头企业主导，西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔总共占据70%的市场份额，台达、汇川技术、信捷电气等国产 plc 企业尽管仍有差距，但在小型 plc市场已逐渐展现竞争力，随着未来国产plc企业市占率逐渐升高，有望加快国产mcu/嵌入式 cpu 企业在工控领域的导入。
图 28 2017-2026e中国plc市场规模及预测（亿元）
来源:驭势资本
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