深度专访 | 今年的通用MCU市场有哪些新风向?

2021年MCU市场需求持续旺盛,受到疫情持续影响,半导体供应普遍短缺、价格上涨,中国MCU厂商也迎来了发展的历史机遇期。作为中国32位微控制器龙头企业,兆易创新GD32 MCU不断推出新产品、打开新产能、服务新领域,在各行各业的智能化热潮中稳步前行。兆易创新产品市场总监金光一先生接受记者采访时表示,“GD32 MCU累计出货量已超过8亿颗,服务客户数量超过2万家。我们正在进一步开辟新增产能,为蓬勃发展的市场需求提供交付保障。”

IHS此前的统计数据显示,近5年来中国MCU市场年复合增长率7.2%,是全球MCU市场增速的4倍。随着物联网和新能源汽车行业的持续火热,MCU的出货量也不断上升。2020年中国MCU市场规模超过268亿元,与上年相比增长5%。预计2021-2026年,我国MCU市场规模将保持8%的速度增长,至2026年,我国MCU市场规模将达到513亿元。

数据来源:IHS整理

目前中国MCU厂商积极布局通用型市场和中高端专用型市场,在消费电子、智能仪表、物联网等MCU主流应用领域发展迅速。面对日益突显的工业控制、大家电、汽车电子等市场供需差距,也存在较大的发展空间。以兆易创新GD32为代表的中国MCU厂商积极布局32位通用型芯片市场,目前已经成为中国最大的Arm® MCU产品家族,提供了28个系列、近400余款型号选择,全方位覆盖高中低端市场,涵盖入门级、主流型和高性能开发应用需求,MCU内核从M3/M4到最新的M23/M33以及RISC-V,一应俱全。各系列都提供了前所未有的设计灵活度并支持软硬件相互兼容,使得用户可以根据项目开发需求在不同型号间自由切换。IHS报告数据显示,在中国Arm®-Cortex®内核通用MCU市场,兆易创新的销售额连续5年名列本土厂商第一,并且GD32 MCU的市场份额还在不断加速提升。

一方面,从已公开的财报数据来看,2021年上半年,兆易创新MCU产品实现营业收入7.97亿元,同比增长 222.1%。在过去的2020年,MCU产品营业收入相比前年增加了70.14%;销量比前年增加75.94%,远高于中国MCU市场的平均增速,反映了强劲的发展势头。

一方面,金总也提到,“兆易创新作为中国MCU市场的领跑者,一直致力于产品工艺的迭代演进,优化上游供应链。并以多产线资源优势在稳定供货的同时率先打开新增产能,为迅速增长的5G通信、新能源和储能、工业控制和汽车应用等智能化市场需求提供交付保障。也在不断推进大学计划并完善生态系统,持续培养合作伙伴、培训目标用户,为开发者赋能。”

众所周知,兆易创新的三大产品线是存储器(Flash、DRAM)、控制器(MCU)、传感器(Sensor)。兆易创新一直致力打造旗下多产品联动的综合性解决方案,MCU作为核心件,可与传感器、模拟外设和信号链、各类存储器组合联动。兆易创新也在积极探索,为嵌入式系统及终端提供更加出色的智能化应用解决方案,包括射频、新型存储、硬件加速器、信号链、实时互联、光电传输、电源管理、功率控制和智能传感器等。

打造更全面、更细分的解决方案,缩短客户产品开发周期,节省时间成本、提升竞争力;持续培养丰富MCU生态,加速产学研融合,加强与上下游合作伙伴的合作;借助数字化、智慧化浪潮,扩张MCU产品覆盖范围。这三点是我们从本次与兆易创新的访谈中了解到的,也可认为是通用MCU发展必由之路的重要组成部分。

追求time-to-market的完整方案

打造更全面、更细分的解决方案,帮助客户缩短产品上市周期,从兆易创新的产品布局就能看出来。在兆易创新面向电机驱动的产品布局中,围绕MCU还提供了电源管理(PMIC)、Gate Driver(MOSFET栅极驱动器)和锂电池充电管理(Charger) 等产品。金总介绍,“在电机控制方面,我们做的是综合性完整解决方案,不只提供了逻辑算法,还包含了功率级控制和信号调理。”

以兆易创新的产品组合来看,从控制芯片本身到电源、传感器,以及存储器产品,提供了一站式解决方案。囊括了这些年兆易创新深耕的多个市场,包括NOR Flash、NAND Flash、MCU、PMU、Sensor以及最新的DRAM。

兆易创新GD30 PMU新产品系列目前主要面向4个应用方向。其一是TWS耳机专门细分市场的充电盒管理IC;其二是电机控制的电机驱动器;还有LDO线性稳压器;以及面向新能源电池的充放电管理IC。

GD32E230F-TWS 无线耳机充电仓方案

典型的例子是上图中的TWS(True Wireless Stereo)耳机充电仓解决方案。在这套方案中,“除了提供MCU之外,我们也提供TWS的PMIC(电源管理芯片),这款新推出的电源管理芯片GD30WS8805就集成了充电、放电、通信、保护、耳机检测、LDO等六大功能。在充电管理方面,可以给充电盒电池、耳机电池以及MCU供电,实现充电管理三合一,还可以配合GD32 MCU,通过I2C总线自由配置充电过程中的恒流充电流、恒流充跳转电压等多种参数,实现对TWS电源管理系统的智能化控制。值得一提的是,GD30WS8805内置的LDO可以提供输出50mA、3.3V 的电源,为外部电路供电,无需额外器件,从而减少方案的整体开支,以业界的领先创新获得了TWS行业客户的广泛关注。

金总介绍,“只需要加上一些外围器件,就构成了TWS耳机充电盒管理的Turnkey解决方案。目前,这颗电源管理芯片GD30WS8805已经成功打入市场,一些行业头部客户已经开始导入并批量出货。”这实则也体现了兆易创新期望围绕MCU,扩展细分市场的实践;让细分市场的下游客户能够以更直接的方式获得更完整的方案。

“在Turnkey解决方案方面,我们的专业AE团队关注每个行业的技术发展趋势。针对细分市场提供丰富的行业解决方案,帮助客户的研发项目快速落地,迅速推出产品。”

对于物联网和消费电子市场而言,成本极其关键。兆易创新发挥产业链优势,辅以MCU市场本身的优势地位,打造高性价比方案——对下游客户而言自然直接节省了成本;与此同时,如前所述这类综合性解决方案可以加快time-to-market时间,时间成本得以节省。从成本、研发速度两方面都做得最优。

“从娃娃抓起”的教育市场

坚持“产品”与“生态”并举,是兆易创新GD32 MCU服务客户、树立行业灯塔的法则。除了产品本身,扩张生态也是相当重要的。如上所述,藉由细分市场构成影响力也属于生态扩张的组成部分。除此之外,兆易创新还从教育以及生态合作两方面做布局。

合肥是兆易创新重要的应用支持基地,“兆易创新集成电路科技馆”就坐落于此。该馆于2019年正式面向大众开放以来,已接待了来自科研机构、集成电路产业同行、高校老师和大学生、青少年等大批参观者。借着兆易创新获批加入示范性微电子学院产学融合发展联盟的契机,科技馆成为该联盟的合作资源,与高校在微电子人才培养、校企合作等方面开展多层次合作。

金总表示,“我们通过科技馆中各种声光电的立体展示,生动演示了集成电路如何从硅(沙子)变成芯片(金子)的全过程,非常形象具体,令人印象深刻;在科技馆还开设了大师讲堂,开馆时我们邀请了FinFET发明人胡正明教授来到现场阐述大师观点,去年我们邀请了半导体物理的鼻祖施敏院士给观众做科普教育。以科技馆为基地,持续为产业发展赋能。”

“这是中国第一个由企业出资兴建的以集成电路为主题的科技馆。让高等院校、科研机构、产业同行以及全社会全年龄层人群都能够进一步了解集成电路的演化历史,萌发对未来信息世界的无尽畅想。”金总饶有兴致地介绍,“科技馆的设计已经申请了专利。”

将“以人为本”理念引入MCU教育是兆易创新全方位人才培养模式的特色,涵盖了幼儿和中小学、高职专科、大学本科和研究生阶段,这样的“四级火箭”式的强有力教育推进机制,金总对此展开介绍:

首先、MCU需要“从娃娃抓起”。我们与Linkboy共同打造的“中国芯少年”图形化编程仿真平台,非常适合针对青少年开展“MCU编程与集成电路科普行动”,与国家普及“中国芯”教育指导思想契合。目前这款LinkBoy科普编程套件已经被引入到小学及初中的教学课程中。

其次,MCU使用需要有“匠人精神”,深度参与“1+X”项目“物联网单片机应用与开发”意义重大。在教育部和国家部委支持下,与第三方教育科技机构合作,针对中专和职高开展MCU技术和实操教学和考核,对合格者颁发教育部认证的职业技能等级证书。GD32口袋实验室则为更成熟的开发者而打造,着眼于社区范围内的“教育”推广。

第三,高等院校是培植MCU产学研融合的沃土,“GD32大学计划”为此设立“四个维度”,包括打造精品课程、开展师资培训、设立联合实验室促进开发实践、举办电子竞赛发挥双创活力。

今年8月,由林金龙和何小庆老师编著,第一本基于GD32VF103系列芯片的技术丛书《深入理解RISC-V程序开发》已经出版上架。后续兆易创新将以这本专著为依托,开展一系列的RISC-V开源生态普及活动。

这辆展出的智能车,是由兆易创新合肥工业大学联合实验室开发的作品。其电路板设计基于RISC-V内核的GD32VF103。这辆智能车可以避障、环绕、加速,做各种控制。其目标应用场景包括智能配送、智能仓储等。这是GD32大学计划持续深化的成果。

GD32智能车方案

另外,研究生等高层次人才培养是MCU科研创新的重点,兆易创新连续多年冠名中国研究生电子设计竞赛。此为教育部学位与研究生教育发展中心指导,中国电子学会和中国学位与研究生教育学会主办,面向全国在读研究生的年度赛事。2021年“兆易创新杯”第16届研电赛,全国共有5120支队伍成功报名参赛,同比增长34%。参赛师生接近3万人,参赛高校254所。研电赛持续激发广大师生进行创新创意,涌现了一大批优秀作品。

合作构建开发生态

兆易创新GD32V系列是全球首个基于RISC-V内核的32位通用MCU产品,在2019年推出就受到了全行业的关注,并在德国纽伦堡举办的国际顶级展会Embedded World 2020上囊括全场唯一的最佳硬件产品大奖。下图是兆易创新与瑞典IAR共同推出的RISC-V开发套件。业界主流工具厂商都在积极地为RISC-V MCU提供支持,也表现出对于RISC-V技术以及GD32品牌的重视和认可。

值得一提的是,兆易创新一方面主要立足于Arm Cortex®-M内核的MCU,另一方面也是全球首家推出RISC-V 32位通用MCU的厂商,RISC-V在兆易创新的定位中并非用于取代Arm,而是作为市场的差异化补充。“RISC-V在我们的细分产品线存在一些先天优势,包括指令集本身是开源的——可以满足某些细分垂直市场和差异化创新应用的需求。”

GD32和IAR Systems联合推出的RISC-V开发套件

RISC-V也更有利于实现二次开发和定制化,在细分领域可以满足更多的差异化需求。兆易创新能够藉由RISC-V产品线覆盖更多有差异化需求的客户,实现细分领域的产品扩充。

金光一特别提到,兆易创新作为全球首家推出RISC-V MCU的厂商,后续还会不断完善RISC-V产品线。此前发布的是面向主流市场的产品,兆易创新未来还陆续推出各类高性能的、低成本的RISC-V MCU,“为RISC-V技术提供更多发挥空间”

扩展生态还需要与合作伙伴做联动。金总向我们介绍了多款由合作伙伴构建或者结合了合作伙伴相关能力的方案。比如下图这款来自翌控科技的工业PLC方案。该方案基于兆易创新GD32F450系列MCU,采用GD32F450+FreeRTOS+LwIP基础平台,LogicLab编程工具支持IEC61131-3标准五种编程语言(梯形图、结构化文本、功能块图、顺序功能图与指令表)以及基础PLC函数与功能块,支持在线数据监控与调试、逻辑示波器、现场总线组态等功能,并且可支持深度OEM定制。

GD32与翌控科技联合推出工业PLC方案

从展示界面可见,这套方案采用图形化编程方式,实现图形化界面到代码的转换,用户通过配置图形界面就能实现复杂的PLC编程。这套工具已经适配GD32 MCU平台,可帮助客户加速工业PLC应用的开发。客户使用免费的工具,直接设置参数,轻松实现PLC的工业类控制。

工业PLC方案的PC端工具演示

除了此类颇具创新的合作,还有更多生态拓展。在当今万物互联的发展趋势下,MCU作为物联网设备的主控核心,需要连接至云端以实现远程控制等更丰富的特性。因此兆易创新自然需要与操作系统、云服务供应商合作。

GD32&Microsoft Azure操作系统方案

GD32&AWS操作系统方案

比如上面两张图展示的,是兆易创新分别与微软、亚马逊的合作,兆易创新的MCU可连接至Microsoft Azure云;而通过FreeRTOS,就能连接到AWS亚马逊云。一键上云的过程对开发者而言也相当简单。

随着人工智能和物联网技术的发展,智能设备正在加速普及。我们的身边,有智能音箱、扫地机器人等新智能设备品类出现,同时在智能工业、智能农业和智能城市等领域,智能化的脚步也在向前进展。在这样的发展趋势下,对MCU的性能也提出更高要求。目前,在人工智能领域主要需要解决的痛点包括如何处理海量数据,如何实现更精确的控制,如何以更低成本、更低延迟和更低功耗实现更高的性能,这些都是我们在AIoT领域主要的发力方向。无论是连接用的小型节点、收集与记录资料的感测器中枢,主要都以MCU平台为基础, 兆易创新的产品还可以在海量的应用场景中找到。

GD32&涂鸦智能AIoT方案

例如上图展示的是兆易创新与涂鸦智能合作的AIoT方案。金光一告诉我们兆易创新也已成为涂鸦智能的开发生态伙伴。这套方案通过MCU的I2S+SDIO外设,实现播放本地SD卡里的音频;通过MCU集成的WiFi接口实现开发板的配网,以及手机App、Tuya IoT云端与设备三方的数据互连,并支持与涂鸦APP交互,远程控制开发板设备实现歌曲播放/暂停/切歌的功能。

尤为值得一提的是,该demo基于兆易创新GD32W515系列Wi-Fi MCU设计。GD32W515将Wi-Fi射频模块也直接集成到了MCU内部,并且延续了GD32 MCU产品家族的软硬件兼容性,支持代码复用。目前该系列Wi-Fi MCU已经取得了Wi-Fi联盟授权认证,并通过Arm平台安全架构PSA level 1认证,帮助终端用户提升设备的安全性和可靠性。

涂鸦智能目前的诸多智能硬件及智能生态产品都接入了兆易创新的MCU。涂鸦构建生态以具体的场景来打造解决方案,如酒店管理、公寓楼、智慧交通等。从理念上来看,兆易创新与涂鸦智能相当契合:就像金总提到的,兆易创新正也为更多细分市场客户打造解决方案。

MCU应用于更多创新领域

TWS耳机充电解决方案就是体现覆盖更多“细分市场”的典型案例。而除此之外,GD32 MCU还可以在海量的应用场景中找到。借助如今万物互联、数字化与智慧化的浪潮,大量物联网设备需要使用通用MCU产品。物联网的发展趋势与MCU市场的关系密不可分,无论是连接用的小型节点、采集与记录数据的感测器中枢,都要以MCU平台为基础进行设备开发。

随着人工智能和物联网技术的发展,智能设备正在加速普及。在我们身边,出现了智能音箱、扫地机器人等新智能设备品类,同时在工业控制、智慧农业和智慧城市等领域,智能化的脚步也在不断向前。在这样的发展趋势下,对MCU性能也提出了更高的要求。目前,在人工智能领域主要需要解决的痛点包括如何处理海量数据,如何实现更精准的控制,低延迟、低功耗、高性能比,以及支持TinyML等智能算法,这些都是兆易创新在人工智能领域主要的发力方向。

兆易创新在智慧农业领域颇有建树。比如养殖业逐渐开始引入智能畜牧的理念,要控制喂食、检测通风、做好温湿度管理,实现规模化以及精准量化养殖,MCU是其中的关键。再比如茶叶种植,需要监测当地的风向、雨量、土壤温湿度等数据,这些都离不开MCU的存在。甚至用于农业温室大棚育种、空中施肥的无人机,高效收割的农机等也都已经广泛使用GD32 MCU。兆易创新与厦门大学的联合实验室在海洋经济方向的探索正是基于GD32 MCU所做的开发。

实际上,不仅是AIoT的发展给MCU带来了大量的机遇,MCU的技术革新和功能拓展也给传统产业带来了更多的可能性。

GD32 MCU吸尘器高速电机方案

金光一先生给我们介绍了许多可以体现通用MCU覆盖更多应用场景的例子,如上图的吸尘器电机方案。这套吸尘器方案,藉由兆易创新的MCU实现了电机的高速旋转。方案采用GD32E230超值型MCU用于控制电机,搭载Cortex®-M23内核,具备了极高的性价比。通过兆易创新研发的FOC(Field-Oriented Control)算法,可以实现电机高达10万转的转速。

金光一先生表示,“工业控制领域在MCU市场中一直占据着重要地位。随着市场需求的不断扩大,人们对于电机驱动技术以及控制器性能的要求也越来越高。首先,电机系统数字化是必然的发展方向。电驱动控制系统在高性能高速处理器的基础上,可以实现复杂多变的控制算法,进一步提升电机效率。其次,电机系统轻量化和集成化也是发展趋势。结合有限的外围器件能够实现优异的控制效果,主控芯片集成多种功能,不仅减小控制系统体积,也有利于提高电机系统效率,降低能耗损失。这套方案现在很受欢迎。除了吸尘器以外,更多智能硬件也会选择类似的方案,包括扫地机器人、吹风机、破壁机等常见的智能家居产品。”

GD32E5系列开关电源方案

上图演示的开关电源是基于兆易创新GD32E5系列打造的。该系列主要面向电机和电源这样的工业应用。这个系列内置超高精度定时器(SHRTIMER),分辨率最快90ps。对于电源类应用而言,效率可以做得很高。其中电压可调范围0-30V,电流可调范围0-3A,最大可承载90W输出功率。

GD32E5系列电机+显示屏驱动方案

上图Demo中的这颗MCU本身既能驱动电机,也能驱动显示屏。电机转速在显示屏上可实时显示。通过显示屏触控操作还能交互控制电机的转向、速度、占空比等参数。

GD32指夹式血氧仪方案

医疗健康相关的应用已经不需要再多做赘述,因为疫情的原因,额温枪、制氧吸氧机、血氧仪、心率监测、血压计等医疗健康设备普遍有着庞大的市场需求,另外还有大量的COVID-19检测仪和疫苗保温箱等支援抗疫。兆易创新作为这些设备的MCU供应商自然也不例外。金总也提到,兆易创新在这部分市场一直有着相当大的出货量。

智能电表也是今年市场的重要机遇,智能化抄表、远程抄表,融合终端是近两年的趋势。“国网就在积极主导电表的智能化升级改造。IR46电表后续都要求使用两颗MCU。以及在水表、气表方面,我们都看到持续增长点。”

贯穿电力应用的整个环节,从发电,到输变电,到配电和用电等场景也有MCU的应用机会:比如输变电需要做功率因数补偿,还有负载开关等,储能也需要对电池充放电进行管理和逆变。整个电力市场也会成为未来兆易创新的重要布局方向。

与此同时,与新基建相关的还包括轨道交通,铁路信号控制、交通路面标识等,亦为兆易创新看到的机会。“甚至包括智能灯杆,里面集成了指示、定位、充电等各种功能。这里面还有我们很多的应用案例。”金总补充道。

只要是令传统设施设备数字化、网联化、智能化,就必定与MCU相关。还有更多我们之前未曾谈到的热点,如新能源汽车对MCU的需求量就相当大。汽车正在往智能化方向发展,作为汽车电子系统内部运算和处理的核心,MCU是实现汽车智能化的关键。相关数据显示,一辆汽车中所使用的半导体器件数量中,MCU芯片约占30%。这意味着每辆车需要使用100-200颗MCU芯片。随着汽车不断向智能化演进,MCU的需求增长也将越来越快。“我们车规级的产品也早已在研发中了,半年内预计就会有车规级的MCU正式面世。”金光一强调。

兆易创新2021中报中提到,“上半年公司MCU产品营收同比增长222.1%,在能源电力、工业自动化、医疗设备、安防监控、汽车仪表、娱乐影音、T-BOX、家电等领域实现良好增长。公司始终以客户需求为导向,今年计划推出包括PMU、WiFi和低功耗等在内的新产品,不断演进“MCU百货商店”的定位与内涵,丰富工规、车规、消费等领域产品,为客户提供完整解决方案。”这不仅说明了兆易创新这家企业在MCU方面的发展思路,实则也是整个行业的着眼点。

藉由自身的产业链优势打造更完整、更细分的解决方案,同时扩张MCU生态布局,以及借助市场大趋势让MCU产品覆盖到更多的领域,是我们本次与兆易创新的深度专访中感受到的思路。这些都是兆易创新扩大MCU销量优势的举措,以及市场本身大环境造就的。


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