深度專訪 | 今年的通用MCU市場有哪些新風向?

2021年MCU市場需求持續旺盛,受到疫情持續影響,半導體供應普遍短缺、價格上漲,中國MCU廠商也迎來了發展的歷史機遇期。作為中國32位微控制器龍頭企業,兆易創新GD32 MCU不斷推出新產品、打開新產能、服務新領域,在各行各業的智能化熱潮中穩步前行。兆易創新產品市場總監金光一先生接受記者采訪時表示,“GD32 MCU累計出貨量已超過8億顆,服務客戶數量超過2萬家。我們正在進一步開辟新增產能,為蓬勃發展的市場需求提供交付保障?!?/p>

IHS此前的統計數據顯示,近5年來中國MCU市場年復合增長率7.2%,是全球MCU市場增速的4倍。隨著物聯網和新能源汽車行業的持續火熱,MCU的出貨量也不斷上升。2020年中國MCU市場規模超過268億元,與上年相比增長5%。預計2021-2026年,我國MCU市場規模將保持8%的速度增長,至2026年,我國MCU市場規模將達到513億元。

數據來源:IHS整理

目前中國MCU廠商積極布局通用型市場和中高端專用型市場,在消費電子、智能儀表、物聯網等MCU主流應用領域發展迅速。面對日益突顯的工業控制、大家電、汽車電子等市場供需差距,也存在較大的發展空間。以兆易創新GD32為代表的中國MCU廠商積極布局32位通用型芯片市場,目前已經成為中國最大的Arm? MCU產品家族,提供了28個系列、近400余款型號選擇,全方位覆蓋高中低端市場,涵蓋入門級、主流型和高性能開發應用需求,MCU內核從M3/M4到最新的M23/M33以及RISC-V,一應俱全。各系列都提供了前所未有的設計靈活度并支持軟硬件相互兼容,使得用戶可以根據項目開發需求在不同型號間自由切換。IHS報告數據顯示,在中國Arm?-Cortex?內核通用MCU市場,兆易創新的銷售額連續5年名列本土廠商第一,并且GD32 MCU的市場份額還在不斷加速提升。

一方面,從已公開的財報數據來看,2021年上半年,兆易創新MCU產品實現營業收入7.97億元,同比增長 222.1%。在過去的2020年,MCU產品營業收入相比前年增加了70.14%;銷量比前年增加75.94%,遠高于中國MCU市場的平均增速,反映了強勁的發展勢頭。

一方面,金總也提到,“兆易創新作為中國MCU市場的領跑者,一直致力于產品工藝的迭代演進,優化上游供應鏈。并以多產線資源優勢在穩定供貨的同時率先打開新增產能,為迅速增長的5G通信、新能源和儲能、工業控制和汽車應用等智能化市場需求提供交付保障。也在不斷推進大學計劃并完善生態系統,持續培養合作伙伴、培訓目標用戶,為開發者賦能?!?/p>

眾所周知,兆易創新的三大產品線是存儲器(Flash、DRAM)、控制器(MCU)、傳感器(Sensor)。兆易創新一直致力打造旗下多產品聯動的綜合性解決方案,MCU作為核心件,可與傳感器、模擬外設和信號鏈、各類存儲器組合聯動。兆易創新也在積極探索,為嵌入式系統及終端提供更加出色的智能化應用解決方案,包括射頻、新型存儲、硬件加速器、信號鏈、實時互聯、光電傳輸、電源管理、功率控制和智能傳感器等。

打造更全面、更細分的解決方案,縮短客戶產品開發周期,節省時間成本、提升競爭力;持續培養豐富MCU生態,加速產學研融合,加強與上下游合作伙伴的合作;借助數字化、智慧化浪潮,擴張MCU產品覆蓋范圍。這三點是我們從本次與兆易創新的訪談中了解到的,也可認為是通用MCU發展必由之路的重要組成部分。

追求time-to-market的完整方案

打造更全面、更細分的解決方案,幫助客戶縮短產品上市周期,從兆易創新的產品布局就能看出來。在兆易創新面向電機驅動的產品布局中,圍繞MCU還提供了電源管理(PMIC)、Gate Driver(MOSFET柵極驅動器)和鋰電池充電管理(Charger) 等產品。金總介紹,“在電機控制方面,我們做的是綜合性完整解決方案,不只提供了邏輯算法,還包含了功率級控制和信號調理?!?/p>

以兆易創新的產品組合來看,從控制芯片本身到電源、傳感器,以及存儲器產品,提供了一站式解決方案。囊括了這些年兆易創新深耕的多個市場,包括NOR Flash、NAND Flash、MCU、PMU、Sensor以及最新的DRAM。

兆易創新GD30 PMU新產品系列目前主要面向4個應用方向。其一是TWS耳機專門細分市場的充電盒管理IC;其二是電機控制的電機驅動器;還有LDO線性穩壓器;以及面向新能源電池的充放電管理IC。

GD32E230F-TWS 無線耳機充電倉方案

典型的例子是上圖中的TWS(True Wireless Stereo)耳機充電倉解決方案。在這套方案中,“除了提供MCU之外,我們也提供TWS的PMIC(電源管理芯片),這款新推出的電源管理芯片GD30WS8805就集成了充電、放電、通信、保護、耳機檢測、LDO等六大功能。在充電管理方面,可以給充電盒電池、耳機電池以及MCU供電,實現充電管理三合一,還可以配合GD32 MCU,通過I2C總線自由配置充電過程中的恒流充電流、恒流充跳轉電壓等多種參數,實現對TWS電源管理系統的智能化控制。值得一提的是,GD30WS8805內置的LDO可以提供輸出50mA、3.3V 的電源,為外部電路供電,無需額外器件,從而減少方案的整體開支,以業界的領先創新獲得了TWS行業客戶的廣泛關注。

金總介紹,“只需要加上一些外圍器件,就構成了TWS耳機充電盒管理的Turnkey解決方案。目前,這顆電源管理芯片GD30WS8805已經成功打入市場,一些行業頭部客戶已經開始導入并批量出貨?!边@實則也體現了兆易創新期望圍繞MCU,擴展細分市場的實踐;讓細分市場的下游客戶能夠以更直接的方式獲得更完整的方案。

“在Turnkey解決方案方面,我們的專業AE團隊關注每個行業的技術發展趨勢。針對細分市場提供豐富的行業解決方案,幫助客戶的研發項目快速落地,迅速推出產品?!?/p>

對于物聯網和消費電子市場而言,成本極其關鍵。兆易創新發揮產業鏈優勢,輔以MCU市場本身的優勢地位,打造高性價比方案——對下游客戶而言自然直接節省了成本;與此同時,如前所述這類綜合性解決方案可以加快time-to-market時間,時間成本得以節省。從成本、研發速度兩方面都做得最優。

“從娃娃抓起”的教育市場

堅持“產品”與“生態”并舉,是兆易創新GD32 MCU服務客戶、樹立行業燈塔的法則。除了產品本身,擴張生態也是相當重要的。如上所述,藉由細分市場構成影響力也屬于生態擴張的組成部分。除此之外,兆易創新還從教育以及生態合作兩方面做布局。

合肥是兆易創新重要的應用支持基地,“兆易創新集成電路科技館”就坐落于此。該館于2019年正式面向大眾開放以來,已接待了來自科研機構、集成電路產業同行、高校老師和大學生、青少年等大批參觀者。借著兆易創新獲批加入示范性微電子學院產學融合發展聯盟的契機,科技館成為該聯盟的合作資源,與高校在微電子人才培養、校企合作等方面開展多層次合作。

金總表示,“我們通過科技館中各種聲光電的立體展示,生動演示了集成電路如何從硅(沙子)變成芯片(金子)的全過程,非常形象具體,令人印象深刻;在科技館還開設了大師講堂,開館時我們邀請了FinFET發明人胡正明教授來到現場闡述大師觀點,去年我們邀請了半導體物理的鼻祖施敏院士給觀眾做科普教育。以科技館為基地,持續為產業發展賦能?!?/p>

“這是中國第一個由企業出資興建的以集成電路為主題的科技館。讓高等院校、科研機構、產業同行以及全社會全年齡層人群都能夠進一步了解集成電路的演化歷史,萌發對未來信息世界的無盡暢想?!苯鹂傪堄信d致地介紹,“科技館的設計已經申請了專利?!?/p>

將“以人為本”理念引入MCU教育是兆易創新全方位人才培養模式的特色,涵蓋了幼兒和中小學、高職???、大學本科和研究生階段,這樣的“四級火箭”式的強有力教育推進機制,金總對此展開介紹:

首先、MCU需要“從娃娃抓起”。我們與Linkboy共同打造的“中國芯少年”圖形化編程仿真平臺,非常適合針對青少年開展“MCU編程與集成電路科普行動”,與國家普及“中國芯”教育指導思想契合。目前這款LinkBoy科普編程套件已經被引入到小學及初中的教學課程中。

其次,MCU使用需要有“匠人精神”,深度參與“1+X”項目“物聯網單片機應用與開發”意義重大。在教育部和國家部委支持下,與第三方教育科技機構合作,針對中專和職高開展MCU技術和實操教學和考核,對合格者頒發教育部認證的職業技能等級證書。GD32口袋實驗室則為更成熟的開發者而打造,著眼于社區范圍內的“教育”推廣。

第三,高等院校是培植MCU產學研融合的沃土,“GD32大學計劃”為此設立“四個維度”,包括打造精品課程、開展師資培訓、設立聯合實驗室促進開發實踐、舉辦電子競賽發揮雙創活力。

今年8月,由林金龍和何小慶老師編著,第一本基于GD32VF103系列芯片的技術叢書《深入理解RISC-V程序開發》已經出版上架。后續兆易創新將以這本專著為依托,開展一系列的RISC-V開源生態普及活動。

這輛展出的智能車,是由兆易創新合肥工業大學聯合實驗室開發的作品。其電路板設計基于RISC-V內核的GD32VF103。這輛智能車可以避障、環繞、加速,做各種控制。其目標應用場景包括智能配送、智能倉儲等。這是GD32大學計劃持續深化的成果。

GD32智能車方案

另外,研究生等高層次人才培養是MCU科研創新的重點,兆易創新連續多年冠名中國研究生電子設計競賽。此為教育部學位與研究生教育發展中心指導,中國電子學會和中國學位與研究生教育學會主辦,面向全國在讀研究生的年度賽事。2021年“兆易創新杯”第16屆研電賽,全國共有5120支隊伍成功報名參賽,同比增長34%。參賽師生接近3萬人,參賽高校254所。研電賽持續激發廣大師生進行創新創意,涌現了一大批優秀作品。

合作構建開發生態

兆易創新GD32V系列是全球首個基于RISC-V內核的32位通用MCU產品,在2019年推出就受到了全行業的關注,并在德國紐倫堡舉辦的國際頂級展會Embedded World 2020上囊括全場唯一的最佳硬件產品大獎。下圖是兆易創新與瑞典IAR共同推出的RISC-V開發套件。業界主流工具廠商都在積極地為RISC-V MCU提供支持,也表現出對于RISC-V技術以及GD32品牌的重視和認可。

值得一提的是,兆易創新一方面主要立足于Arm Cortex?-M內核的MCU,另一方面也是全球首家推出RISC-V 32位通用MCU的廠商,RISC-V在兆易創新的定位中并非用于取代Arm,而是作為市場的差異化補充?!癛ISC-V在我們的細分產品線存在一些先天優勢,包括指令集本身是開源的——可以滿足某些細分垂直市場和差異化創新應用的需求?!?/p>

GD32和IAR Systems聯合推出的RISC-V開發套件

RISC-V也更有利于實現二次開發和定制化,在細分領域可以滿足更多的差異化需求。兆易創新能夠藉由RISC-V產品線覆蓋更多有差異化需求的客戶,實現細分領域的產品擴充。

金光一特別提到,兆易創新作為全球首家推出RISC-V MCU的廠商,后續還會不斷完善RISC-V產品線。此前發布的是面向主流市場的產品,兆易創新未來還陸續推出各類高性能的、低成本的RISC-V MCU,“為RISC-V技術提供更多發揮空間”。

擴展生態還需要與合作伙伴做聯動。金總向我們介紹了多款由合作伙伴構建或者結合了合作伙伴相關能力的方案。比如下圖這款來自翌控科技的工業PLC方案。該方案基于兆易創新GD32F450系列MCU,采用GD32F450+FreeRTOS+LwIP基礎平臺,LogicLab編程工具支持IEC61131-3標準五種編程語言(梯形圖、結構化文本、功能塊圖、順序功能圖與指令表)以及基礎PLC函數與功能塊,支持在線數據監控與調試、邏輯示波器、現場總線組態等功能,并且可支持深度OEM定制。

GD32與翌控科技聯合推出工業PLC方案

從展示界面可見,這套方案采用圖形化編程方式,實現圖形化界面到代碼的轉換,用戶通過配置圖形界面就能實現復雜的PLC編程。這套工具已經適配GD32 MCU平臺,可幫助客戶加速工業PLC應用的開發??蛻羰褂妹赓M的工具,直接設置參數,輕松實現PLC的工業類控制。

工業PLC方案的PC端工具演示

除了此類頗具創新的合作,還有更多生態拓展。在當今萬物互聯的發展趨勢下,MCU作為物聯網設備的主控核心,需要連接至云端以實現遠程控制等更豐富的特性。因此兆易創新自然需要與操作系統、云服務供應商合作。

GD32&Microsoft Azure操作系統方案

GD32&AWS操作系統方案

比如上面兩張圖展示的,是兆易創新分別與微軟、亞馬遜的合作,兆易創新的MCU可連接至Microsoft Azure云;而通過FreeRTOS,就能連接到AWS亞馬遜云。一鍵上云的過程對開發者而言也相當簡單。

隨著人工智能和物聯網技術的發展,智能設備正在加速普及。我們的身邊,有智能音箱、掃地機器人等新智能設備品類出現,同時在智能工業、智能農業和智能城市等領域,智能化的腳步也在向前進展。在這樣的發展趨勢下,對MCU的性能也提出更高要求。目前,在人工智能領域主要需要解決的痛點包括如何處理海量數據,如何實現更精確的控制,如何以更低成本、更低延遲和更低功耗實現更高的性能,這些都是我們在AIoT領域主要的發力方向。無論是連接用的小型節點、收集與記錄資料的感測器中樞,主要都以MCU平臺為基礎, 兆易創新的產品還可以在海量的應用場景中找到。

GD32&涂鴉智能AIoT方案

例如上圖展示的是兆易創新與涂鴉智能合作的AIoT方案。金光一告訴我們兆易創新也已成為涂鴉智能的開發生態伙伴。這套方案通過MCU的I2S+SDIO外設,實現播放本地SD卡里的音頻;通過MCU集成的WiFi接口實現開發板的配網,以及手機App、Tuya IoT云端與設備三方的數據互連,并支持與涂鴉APP交互,遠程控制開發板設備實現歌曲播放/暫停/切歌的功能。

尤為值得一提的是,該demo基于兆易創新GD32W515系列Wi-Fi MCU設計。GD32W515將Wi-Fi射頻模塊也直接集成到了MCU內部,并且延續了GD32 MCU產品家族的軟硬件兼容性,支持代碼復用。目前該系列Wi-Fi MCU已經取得了Wi-Fi聯盟授權認證,并通過Arm平臺安全架構PSA level 1認證,幫助終端用戶提升設備的安全性和可靠性。

涂鴉智能目前的諸多智能硬件及智能生態產品都接入了兆易創新的MCU。涂鴉構建生態以具體的場景來打造解決方案,如酒店管理、公寓樓、智慧交通等。從理念上來看,兆易創新與涂鴉智能相當契合:就像金總提到的,兆易創新正也為更多細分市場客戶打造解決方案。

MCU應用于更多創新領域

TWS耳機充電解決方案就是體現覆蓋更多“細分市場”的典型案例。而除此之外,GD32 MCU還可以在海量的應用場景中找到。借助如今萬物互聯、數字化與智慧化的浪潮,大量物聯網設備需要使用通用MCU產品。物聯網的發展趨勢與MCU市場的關系密不可分,無論是連接用的小型節點、采集與記錄數據的感測器中樞,都要以MCU平臺為基礎進行設備開發。

隨著人工智能和物聯網技術的發展,智能設備正在加速普及。在我們身邊,出現了智能音箱、掃地機器人等新智能設備品類,同時在工業控制、智慧農業和智慧城市等領域,智能化的腳步也在不斷向前。在這樣的發展趨勢下,對MCU性能也提出了更高的要求。目前,在人工智能領域主要需要解決的痛點包括如何處理海量數據,如何實現更精準的控制,低延遲、低功耗、高性能比,以及支持TinyML等智能算法,這些都是兆易創新在人工智能領域主要的發力方向。

兆易創新在智慧農業領域頗有建樹。比如養殖業逐漸開始引入智能畜牧的理念,要控制喂食、檢測通風、做好溫濕度管理,實現規?;约熬珳柿炕B殖,MCU是其中的關鍵。再比如茶葉種植,需要監測當地的風向、雨量、土壤溫濕度等數據,這些都離不開MCU的存在。甚至用于農業溫室大棚育種、空中施肥的無人機,高效收割的農機等也都已經廣泛使用GD32 MCU。兆易創新與廈門大學的聯合實驗室在海洋經濟方向的探索正是基于GD32 MCU所做的開發。

實際上,不僅是AIoT的發展給MCU帶來了大量的機遇,MCU的技術革新和功能拓展也給傳統產業帶來了更多的可能性。

GD32 MCU吸塵器高速電機方案

金光一先生給我們介紹了許多可以體現通用MCU覆蓋更多應用場景的例子,如上圖的吸塵器電機方案。這套吸塵器方案,藉由兆易創新的MCU實現了電機的高速旋轉。方案采用GD32E230超值型MCU用于控制電機,搭載Cortex?-M23內核,具備了極高的性價比。通過兆易創新研發的FOC(Field-Oriented Control)算法,可以實現電機高達10萬轉的轉速。

金光一先生表示,“工業控制領域在MCU市場中一直占據著重要地位。隨著市場需求的不斷擴大,人們對于電機驅動技術以及控制器性能的要求也越來越高。首先,電機系統數字化是必然的發展方向。電驅動控制系統在高性能高速處理器的基礎上,可以實現復雜多變的控制算法,進一步提升電機效率。其次,電機系統輕量化和集成化也是發展趨勢。結合有限的外圍器件能夠實現優異的控制效果,主控芯片集成多種功能,不僅減小控制系統體積,也有利于提高電機系統效率,降低能耗損失。這套方案現在很受歡迎。除了吸塵器以外,更多智能硬件也會選擇類似的方案,包括掃地機器人、吹風機、破壁機等常見的智能家居產品?!?/p>

GD32E5系列開關電源方案

上圖演示的開關電源是基于兆易創新GD32E5系列打造的。該系列主要面向電機和電源這樣的工業應用。這個系列內置超高精度定時器(SHRTIMER),分辨率最快90ps。對于電源類應用而言,效率可以做得很高。其中電壓可調范圍0-30V,電流可調范圍0-3A,最大可承載90W輸出功率。

GD32E5系列電機+顯示屏驅動方案

上圖Demo中的這顆MCU本身既能驅動電機,也能驅動顯示屏。電機轉速在顯示屏上可實時顯示。通過顯示屏觸控操作還能交互控制電機的轉向、速度、占空比等參數。

GD32指夾式血氧儀方案

醫療健康相關的應用已經不需要再多做贅述,因為疫情的原因,額溫槍、制氧吸氧機、血氧儀、心率監測、血壓計等醫療健康設備普遍有著龐大的市場需求,另外還有大量的COVID-19檢測儀和疫苗保溫箱等支援抗疫。兆易創新作為這些設備的MCU供應商自然也不例外。金總也提到,兆易創新在這部分市場一直有著相當大的出貨量。

智能電表也是今年市場的重要機遇,智能化抄表、遠程抄表,融合終端是近兩年的趨勢?!皣W就在積極主導電表的智能化升級改造。IR46電表后續都要求使用兩顆MCU。以及在水表、氣表方面,我們都看到持續增長點?!?/p>

貫穿電力應用的整個環節,從發電,到輸變電,到配電和用電等場景也有MCU的應用機會:比如輸變電需要做功率因數補償,還有負載開關等,儲能也需要對電池充放電進行管理和逆變。整個電力市場也會成為未來兆易創新的重要布局方向。

與此同時,與新基建相關的還包括軌道交通,鐵路信號控制、交通路面標識等,亦為兆易創新看到的機會?!吧踔涟ㄖ悄軣魲U,里面集成了指示、定位、充電等各種功能。這里面還有我們很多的應用案例?!苯鹂傃a充道。

只要是令傳統設施設備數字化、網聯化、智能化,就必定與MCU相關。還有更多我們之前未曾談到的熱點,如新能源汽車對MCU的需求量就相當大。汽車正在往智能化方向發展,作為汽車電子系統內部運算和處理的核心,MCU是實現汽車智能化的關鍵。相關數據顯示,一輛汽車中所使用的半導體器件數量中,MCU芯片約占30%。這意味著每輛車需要使用100-200顆MCU芯片。隨著汽車不斷向智能化演進,MCU的需求增長也將越來越快?!?span style="box-sizing: border-box; margin: 0px; padding: 0px; font-weight: 700;">我們車規級的產品也早已在研發中了,半年內預計就會有車規級的MCU正式面世?!苯鸸庖粡娬{。

兆易創新2021中報中提到,“上半年公司MCU產品營收同比增長222.1%,在能源電力、工業自動化、醫療設備、安防監控、汽車儀表、娛樂影音、T-BOX、家電等領域實現良好增長。公司始終以客戶需求為導向,今年計劃推出包括PMU、WiFi和低功耗等在內的新產品,不斷演進“MCU百貨商店”的定位與內涵,豐富工規、車規、消費等領域產品,為客戶提供完整解決方案?!边@不僅說明了兆易創新這家企業在MCU方面的發展思路,實則也是整個行業的著眼點。

藉由自身的產業鏈優勢打造更完整、更細分的解決方案,同時擴張MCU生態布局,以及借助市場大趨勢讓MCU產品覆蓋到更多的領域,是我們本次與兆易創新的深度專訪中感受到的思路。這些都是兆易創新擴大MCU銷量優勢的舉措,以及市場本身大環境造就的。


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