從MCU發(fā)展史，看國產(chǎn)MCU崛起進(jìn)程

MCU是Microcontroller Unit的簡(jiǎn)稱，中文叫微控制器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，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(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。本文旨在梳理全球MCU產(chǎn)品發(fā)展史，從時(shí)間維度感知國產(chǎn)MCU的崛起進(jìn)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(shí)間角度來看,MCU的發(fā)展可以大致分為三個(gè)階段：探索階段、形成階段、全面發(fā)展階段。

1、單片機(jī)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(tái)式計(jì)算機(jī)時(shí)，將原始方案的十幾個(gè)芯片壓縮成了3個(gè)集成電路芯片。其中的2個(gè)芯片分別用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)，另一個(gè)芯片集成了運(yùn)算器和控制器及一些寄存器，這就是4位微處理器Intel 4004，標(biāo)志著第一代微處理器問世，微處理器和微機(jī)時(shí)代從此開始。

1972年4月，霍夫等人研制出首個(gè)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(yùn)算速度比8008快10倍，可存取64KB 存儲(chǔ)器，使用了基于6μm技術(shù)的6000個(gè)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(jī)TMS-1000，標(biāo)志著單片機(jī)正式誕生。TMS1000是世界上公認(rèn)的第一顆商用單片機(jī)。隨后，各個(gè)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司競(jìng)相推出了自己的4位單片機(jī)，如美國國家半導(dǎo)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(jī)的形成階段（1976年-1990s）

這是一個(gè)以英特爾為主導(dǎo)的單片機(jī)時(shí)代。

1976年9月，英特爾研制出了MCS-48系列8位單片機(jī)，是現(xiàn)代單片機(jī)的雛形，通常稱為第一代單片機(jī)。采用單片結(jié)構(gòu)，將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時(shí)器/計(jì)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(jiǎn)單，可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等領(lǐng)域的需要。從此，單片機(jī)開始迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，成為微型計(jì)算機(jī)的重要分支。

20世紀(jì)70年代后期，許多半導(dǎo)體公司看到單片機(jī)巨大市場(chǎng)前景，不斷加入該領(lǐng)域的研發(fā)中。1978年，Motorola公司推出M6800系列單片機(jī)，Zilog公司推出Z80系列單片機(jī)，1979年，日本電氣公司推出μPD78XX系列。

隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機(jī)，但因性價(jià)比不理想并未得到廣泛應(yīng)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(dá)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(jī)基礎(chǔ)上推出的高性能的8位MCS-51系列單片機(jī)。MCS-51系列是完全按照嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片機(jī)，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(shí)器/計(jì)數(shù)器、片內(nèi)ROM和RAM的存儲(chǔ)容量都相應(yīng)增大，尋址范圍可達(dá)64KB，片內(nèi)ROM容量達(dá)4～8KB，并且有多級(jí)中斷處理功能。

20世紀(jì)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(jī)的生產(chǎn)，故以專利或技術(shù)交換的形式把80C51內(nèi)核技術(shù)轉(zhuǎn)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(jī)兼容的基礎(chǔ)上，又進(jìn)行了一些擴(kuò)充。這樣，80C51就變成有眾多廠商支持，發(fā)展出上百個(gè)品種的大家族。習(xí)慣把兼容機(jī)等衍生產(chǎn)品統(tǒng)稱為80C51系列，是單片機(jī)應(yīng)用的主流產(chǎn)品，功能和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力更強(qiáng)，直到現(xiàn)在仍在廣泛使用。

3、單片機(jī)全面發(fā)展階段（1990s-至今）

該階段是當(dāng)前單片機(jī)百花齊放的時(shí)代。單片機(jī)在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)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(duì)當(dāng)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(qiáng)型內(nèi)置Flash的RISC精簡(jiǎn)指令集的高速8位單片機(jī)，簡(jiǎn)稱AVR。AVR單片機(jī)具有創(chuàng)新的系統(tǒng)架構(gòu)、更高的集成度、同時(shí)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(gòu)產(chǎn)品均有較好表現(xiàn)。該類型單片機(jī)電路簡(jiǎn)單、故障率低、可靠性高、成本低廉。

與此同時(shí)，各家廠商積極開發(fā)自有架構(gòu)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(shè)計(jì)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(dǎo)體率先使用，32位單片機(jī)迅速取代了16位單片機(jī)的高端地位。進(jìn)入主流市場(chǎng)地位的16位單片機(jī)的性能也得到了飛速提高，處理能力比20世紀(jì)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。

2010年，開源指令集RISC-V始于加州大學(xué)伯克利分校。

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(gòu)RISC-V的Bumblebee處理器內(nèi)核的GD32V系列通用單片機(jī)--GD32VF103。

21世紀(jì)，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、運(yùn)算能力強(qiáng)的8/16/32位通用型單片機(jī)，以及應(yīng)用于特定領(lǐng)域的專用型單片機(jī)。當(dāng)前單片機(jī)系統(tǒng)已不再是裸機(jī)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(yīng)用在單片機(jī)上。作為掌上電腦和手機(jī)核心處理器的高端單片機(jī)，甚至可以直接使用專用的Windows和Linux等操作。

國產(chǎn)MCU崛起進(jìn)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(jì)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(dāng)前國際環(huán)境下。

盡管目前市面上熱門的單片機(jī)系列仍以歐美日企業(yè)為主，如意法半導(dǎo)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(tái)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(dá)旗下極海半導(dǎo)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(qiáng)”的階段。根據(jù)上文的MCU的發(fā)展歷史梳理，筆者認(rèn)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(quán)的分工形式。目前Arm的Cortex-M內(nèi)核在市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位，占比52%。以Arm Cortex-M內(nèi)核應(yīng)用為標(biāo)準(zhǔn)，某種意義上可以窺探國產(chǎn)MCU產(chǎn)品當(dāng)前豐富度和競(jìng)爭(zhēng)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(kuò)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(bǔ)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(shù)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(dǎo)體副總曾豪透漏：“極海半導(dǎo)體基于Arm Cortex-M7內(nèi)核的APM32F720中高端產(chǎn)品即將快速上市。”（截至發(fā)稿，筆者未在其官網(wǎng)上看到相關(guān)產(chǎn)品信息。）

但值得一提的是，Cortex-M55是首個(gè)基于Armv8.1-M架構(gòu)，采用Helium技術(shù),支持AI處理能力的處理器；Cortex-M85是號(hào)稱“迄今為止性能最強(qiáng)的Cortex-M處理器”，標(biāo)量計(jì)算比Cortex-M7提高30%，并采用了Helium技術(shù)。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(dǎo)體，也未有量產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品。

國產(chǎn)高端MCU時(shí)代何時(shí)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(shí)間線，基本可以代表我國MCU廠商的最強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)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(jí)MCU發(fā)布。（首顆國產(chǎn)Arm Cortex-M33車規(guī)級(jí)MCU由云途半導(dǎo)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(shí)間線，每3年左右會(huì)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(dǎo)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(yīng)用維度對(duì)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(duì)標(biāo)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(chǔ)、功耗、可靠性等指標(biāo)，以及產(chǎn)品品類的豐富度及應(yīng)用場(chǎng)景等。

另外，從市場(chǎng)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(chǎng)，Top5企業(yè)市場(chǎng)份額合計(jì)75%，而國內(nèi)頭部廠商兆易創(chuàng)新、紫光國微的市場(chǎng)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(qiáng)”、“從有到多”的進(jìn)程中。在汽車和工業(yè)控制等中高端市場(chǎng)，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(jí)MCU芯片AC781x，最近的2023年2月極海半導(dǎo)體推出的APM32A全系列車規(guī)級(jí)MCU。在新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，國產(chǎn)MCU廠商跟國際大廠幾乎站在同一起跑線上。同時(shí)，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！