2023, das verrückte Auto MCU

01 Die Wachstumsgeschichte der MCU

MCU, Mikrocontroller, hat einen bekannten Namen: Single-Chip-Mikrocomputer.

Es ist wirklich süß, eine Reihe grundlegender Computersysteme auf einen Chip zu übertragen, einschließlich der internen Version des CPU-RAM-ROM-IO-Zählers mit seriellem Port. Obwohl die Leistung sicherlich nicht so breit ist wie bei einem Computer, ist er mit geringem Stromverbrauch programmierbar und flexibel, so in der Unterhaltungselektronik, der medizinischen Industrie, der Kommunikation. Autos haben ein sehr breites Anwendungsspektrum.

Es wurde 1971 geboren, Intel entwarf den weltweit ersten Mikroprozessor – den 4-Bit-Chip Nummer 4004, dieser Chip integriert mehr als 2.000 Transistoren, und Intel entwarf auch 4001-, 4002-, 4003-Chips, RAM, ROM und Register.

Als diese vier Produkte auf den Markt kamen, schrieb Intel in der Werbung: „Kündigen Sie eine neue Ära integrierter Schaltkreise an: Mikrocomputer, kondensiert auf einem einzigen Chip.“Zu dieser Zeit handelte es sich bei Minicomputern und Großrechnern hauptsächlich um 8-Bit- und 16-Bit-Prozessoren. Daher brachte Intel 1972 bald den 8-Bit-Mikroprozessor 8008 auf den Markt, um schnell den Markt zu erobern und die Ära der Einzelchip-Mikrocomputer einzuleiten.

1976 brachte Intel den weltweit ersten programmierbaren Mikrocomputer-Controller 8748 auf den Markt, der 8-Bit-CPU, 8-Bit-Parallel-E/A, 8-Bit-Zähler, RAM, ROM usw. integriert und die Anforderungen allgemeiner industrieller Steuerungen erfüllen kann Instrumentierung, vertreten durch 8748, eröffnet die Erforschung von Einzelchip-Mikrocomputern im industriellen Bereich.

In den 1980er Jahren wurden 8-Bit-Einzelchip-Mikrocomputer immer ausgereifter, die RAM- und ROM-Kapazität nahm zu, im Allgemeinen mit seriellen Schnittstellen, mehrstufigen Interrupt-Verarbeitungssystemen, mehreren 16-Bit-Zählern usw. 1983 brachte Intel das MCS auf den Markt -96-Serie von 16-Bit-Hochleistungs-Mikrocontrollern mit 120.000 integrierten Transistoren.

Seit den 1990er Jahren hat der Single-Chip-Mikrocomputer die Bühne von hundert Denkschulen betreten, in Bezug auf Leistung, Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Integration in voller Blüte, entsprechend der Anzahl der Bits des Busses oder der Datenregister, ausgehend von den anfänglichen 4 Bits schrittweise weiterentwickelt, mit 8-Bit-, 16-Bit-, 32-Bit- und 64-Bit-Einzelchip-Mikrocomputern.

Derzeit ist der Befehlssatz von MCUs hauptsächlich in CISC und RISC unterteilt, und die Kernarchitektur besteht hauptsächlich aus ARM Cortex, Intel 8051 und RISC-V.

Laut dem China General Microcontroller (MCU) Market Brief 2020 machen 32-Bit-MCU-Produkte bis zu 55 % des Marktes aus, gefolgt von 8-Bit-Produkten mit 43 % und 4-Bit-Produkten mit 2 %16 -Bit-Produkte machen 1 % aus. Es ist ersichtlich, dass die Mainstream-Produkte auf dem Markt 32-Bit- und 8-Bit-MCUs sind und der Marktraum für 16-Bit-MCU-Produkte stark eingeschränkt wurde.

CISC-Befehlssatzprodukte machten 24 % des Marktes aus, RISC-Befehlssatzprodukte machten 76 % der Mainstream-Produkte auf dem Markt aus;Intel 8051-Kernprodukte machten 22 % des Marktes aus, gefolgt von ARM Cortex-M0-Produkten mit 20 %, ARM Cortex-M3-Produkten mit 14 %, ARM Cortex-M4-Produkten mit 12 % und ARM Cortex-M0+-Produkten entfielen 5 %, auf ARM Cortex-M23-Produkte entfielen 1 %, auf RISC-V-Kernprodukte entfielen 1 % und auf andere entfielen 24 %.Auf ARM-Cortex-M0+-Produkte entfielen 5 %, auf ARM-Cortex-M23-Produkte 1 %, auf RISC-V-Kernprodukte 1 % und auf andere 24 %.Insgesamt machen Kerne der ARM Cortex-Serie 52 % des Mainstream-Marktes aus.

Der MCU-Markt war in den letzten 20 Jahren mit erheblichen Preisrückgängen konfrontiert, doch der Rückgang des durchschnittlichen Verkaufspreises (ASP) hat sich in den letzten fünf Jahren verlangsamt.Nach dem Abschwung in der Automobilindustrie, der globalen Wirtschaftsschwäche und der Epidemiekrise begann sich der MCU-Markt im Jahr 2020 zu erholen. Laut IC Insights stiegen die MCU-Lieferungen im Jahr 2020 um 8 %, und die gesamten MCU-Lieferungen stiegen im Jahr 2021 auf 12 %, ein Rekordhoch von 30,9 Milliarden, während die ASPs ebenfalls um 10 % stiegen, der höchste Anstieg seit 25 Jahren.

IC Insights geht davon aus, dass die MCU-Auslieferungen in den nächsten fünf Jahren 35,8 Milliarden Einheiten erreichen werden, mit einem Gesamtumsatz von 27,2 Milliarden US-Dollar.Davon wird der Umsatz mit 32-Bit-MCUs voraussichtlich 20 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 9,4 %, der Umsatz mit 16-Bit-MCUs wird voraussichtlich 4,7 Milliarden US-Dollar erreichen und bei 4-Bit-MCUs ist kein Wachstum zu erwarten.

02 Auto MCU verrücktes Überholen

Die Automobilelektronik ist das größte Anwendungsszenario von MCUs.IC Insights geht davon aus, dass der weltweite MCU-Umsatz im Jahr 2022 um 10 % auf den Rekordwert von 21,5 Milliarden US-Dollar steigen wird, wobei Automobil-MCUs stärker wachsen als die meisten anderen Endmärkte.

Mehr als 40 % des MCU-Umsatzes stammen aus der Automobilelektronik, und es wird erwartet, dass der MCU-Umsatz im Automobilbereich in den nächsten fünf Jahren mit einer jährlichen Wachstumsrate von 7,7 % wächst und damit den der Allzweck-MCUs (7,3 %) übersteigt.

Derzeit sind Automobil-MCUs hauptsächlich 8-Bit-, 16-Bit- und 32-Bit-MCUs, und verschiedene Teile von MCUs erfüllen unterschiedliche Aufgaben.

Speziell:

Die 8-Bit-MCU wird hauptsächlich für relativ grundlegende Steuerfunktionen verwendet, beispielsweise die Steuerung von Sitzen, Klimaanlagen, Lüftern, Fenstern und Türsteuermodulen.

Die 16-Bit-MCU wird hauptsächlich für Unterkörper wie Motor, elektronische Bremse, Federungssystem und andere Antriebs- und Übertragungssysteme verwendet.

Die 32-Bit-MCU passt zur Automobilintelligenz und wird hauptsächlich für intelligente und sichere High-End-Anwendungsszenarien wie Cockpit-Unterhaltung, ADAS und Karosseriesteuerung verwendet.

Derzeit nehmen 8-Bit-MCUs an Leistung und Speicherkapazität zu, und aufgrund ihrer eigenen Kosteneffizienz können sie einige 16-Bit-MCUs in Anwendungen ersetzen und sind außerdem abwärtskompatibel mit 4-Bit-MCUs.Die 32-Bit-MCU wird in der gesamten Automobil-E/E-Architektur, die vier verstreute Low-End- und Midrange-ECU-Einheiten verwalten kann, eine immer wichtigere Master-Steuerungsrolle spielen, und die Zahl der Einsatzmöglichkeiten wird weiter zunehmen.

Die obige Situation bringt die 16-Bit-MCU in eine relativ schwierige Position, nicht hoch, sondern niedrig, aber in einigen Anwendungsszenarien ist sie dennoch nützlich, beispielsweise bei einigen Schlüsselanwendungen von Antriebsstrangsystemen.

Automotive Intelligence hat die Nachfrage nach 32-Bit-MCUs erheblich gesteigert, wobei mehr als drei Viertel des Automobil-MCU-Umsatzes im Jahr 2021 mit 32-Bit-MCUs erzielt werden und voraussichtlich etwa 5,83 Milliarden US-Dollar erreichen werden;16-Bit-MCUs werden einen Umsatz von etwa 1,34 Milliarden US-Dollar generieren;Laut dem McClean-Bericht werden 8-Bit-MCUs einen Umsatz von rund 441 Millionen US-Dollar generieren.

Auf der Anwendungsebene ist Infotainment das Anwendungsszenario mit dem höchsten Anstieg der Automobil-MCU-Verkäufe im Jahresvergleich, mit einem Wachstum von 59 % im Jahr 2021 im Vergleich zu 2020 und einem Umsatzwachstum von 20 % für die übrigen Szenarien.

Jetzt verwendet die gesamte elektronische Steuerung des Autos ein Steuergerät (elektronische Steuereinheit), und die MCU ist der Kernsteuerchip des Steuergeräts. Jedes Steuergerät verfügt über mindestens eine MCU, sodass die aktuelle Phase der Transformation und Verbesserung der intelligenten Elektrifizierung die Nachfrage danach geweckt hat Die Nutzung einzelner MCU-Fahrzeuge soll erhöht werden.

Nach Angaben der Forschungsabteilung des Automobilmarketing-Expertenausschusses des China Marketing Institute beträgt die durchschnittliche Anzahl von Steuergeräten, die in gewöhnlichen Autos mit herkömmlichem Kraftstoff vorhanden sind, 70;Aufgrund der höheren Leistungsanforderungen an Sitze, zentrale Steuerung und Unterhaltung, Karosseriestabilität und Sicherheit kann die Anzahl der Steuergeräte in Luxusautos mit herkömmlichem Kraftstoff bis zu 150 betragen.Aufgrund der neuen Software- und Hardware-Anforderungen für autonomes Fahren und assistiertes Fahren kann die durchschnittliche Anzahl der in intelligenten Fahrzeugen enthaltenen Steuergeräte bis zu 300 erreichen.

Die starke Nachfrage der Autohersteller nach MCUs zeigt sich besonders im Jahr 2021, wenn es aufgrund der Epidemie zu einem Mangel an Kernen kommt.In diesem Jahr mussten viele Automobilhersteller einige Produktionslinien wegen Kernmangels kurzzeitig schließen, doch der Umsatz mit Automobil-MCUs stieg um 23 % auf 7,6 Milliarden US-Dollar, ein Rekordhoch.

Die meisten Automobilchips werden mit 8-Zoll-Wafern hergestellt, einige Hersteller wie TI werden auf 12-Zoll-Wafer übertragen, IDM wird auch Teil der Kapazitäts-Outsourcing-Foundry sein, die von MCU dominiert wird, etwa 70 % der Kapazität von TSMC .Allerdings macht das Automobilgeschäft selbst nur einen kleinen Teil von TSMC aus, und TSMC konzentriert sich auf den Bereich der fortschrittlichen Prozesstechnologie der Unterhaltungselektronik, sodass der Automobil-MCU-Markt besonders knapp ist.

Der von der gesamten Halbleiterindustrie angeführte Mangel an Automobilchips löste ebenfalls eine Expansionswelle aus. Die großen Gießereien und IDM-Werke weiteten ihre Produktion aktiv aus, doch der Schwerpunkt ist ein anderer.

Das TSMC-Werk in Kumamoto wird voraussichtlich bis Ende 2024 in Betrieb gehen. Zusätzlich zum 22/28-nm-Prozess werden dort auch 12- und 16-nm-Prozesse angeboten, und das Werk in Nanjing wird die Produktion auf 28 nm mit einer monatlichen Produktionskapazität von erweitern 40.000 Stück;

SMIC plant, die Produktion im Jahr 2021 um mindestens 45.000 8-Zoll-Wafer und mindestens 10.000 12-Zoll-Wafer zu erweitern und in Lingang eine 12-Zoll-Produktionslinie mit einer monatlichen Kapazität von 120.000 Wafern zu bauen, wobei der Schwerpunkt auf den 28-nm- und höher-Knoten liegt.

Huahong erwartet, den Ausbau der 12-Zoll-Produktionskapazität auf 94.500 Stück im Jahr 2022 zu beschleunigen;

Renesas kündigte seine Beteiligung am Kumamoto-Werk von TSMC mit der Absicht an, das Outsourcing auszuweiten, und zielt darauf ab, das MCU-Angebot für die Automobilindustrie bis 2023 um 50 % zu erhöhen, wobei die MCU-Kapazität im oberen Preissegment voraussichtlich um 50 % und die MCU-Kapazität im unteren Preissegment um etwa 70 % steigen wird. im Vergleich zum Jahresende 2021.

STMicroelectronics wird im Jahr 2022 1,4 Milliarden US-Dollar in die Erweiterung investieren und plant, die Kapazität seiner europäischen Werke bis 2025 zu verdoppeln, hauptsächlich um die 12-Zoll-Kapazität zu erhöhen. Bei der 8-Zoll-Kapazität wird STMicroelectronics selektiv für Produkte aufrüsten, die keine 12-Zoll-Kapazität erfordern. Zoll-Technologie.

Texas Instruments wird vier neue Anlagen hinzufügen, die erste Anlage soll 2025 in Betrieb genommen werden, die dritte und vierte Anlage sollen zwischen 2026 und 2030 gebaut werden;

ON Semiconductor erhöhte seine Kapitalinvestition auf 12 %, hauptsächlich für die Erweiterung der 12-Zoll-Waferkapazität.

IC Insights verfügt über interessante Daten, die besagen, dass der ASP aller 32-Bit-MCUs zwischen 2015 und 2020 im Vergleich zum Vorjahr mit einer jährlichen Wachstumsrate von -4,4 % zurückgeht, im Jahr 2021 jedoch um etwa 13 % auf etwa 0,72 US-Dollar steigt. Dies spiegelt sich im Spotmarkt wider , sind die Preisschwankungen bei Automobil-MCUs offensichtlicher: Der NXP 32-Bit-MCU FS32K144HAT0MLH mit einem Standpreis von 22 US-Dollar stieg auf 550 US-Dollar, eine Spanne von mehr als dem Zwanzigfachen, was zu dieser Zeit einer der seltensten Automobilchips war.

Der 32-Bit-Automobil-MCU SAK-TC277TP-64F200N DC von Infineon war auf 4.500 Yuan gestiegen, was einem Anstieg um fast das Hundertfache entspricht. Die gleiche Serie von SAK-TC275T-64F200N DC stieg ebenfalls auf über 2.000 Yuan.

Auf der anderen Seite begann sich die ursprünglich heiße Unterhaltungselektronik abzukühlen, die Nachfrage war schwach und die inländische Substitution beschleunigte sich, was dazu führte, dass die Preise für Allzweck-MCUs für Verbraucher, einige ST-Chip-Modelle wie F0/F1/F3, wieder sanken Die Serienpreise näherten sich dem Normalpreis, und es gab sogar Marktgerüchte, dass der Preis einiger MCUs durch den Agenturpreis gefallen sei.

Allerdings herrscht bei Automobil-MCUs wie Renesas, NXP, Infineon und ST immer noch ein relativer Mangel.Beispielsweise stieg der Preis des leistungsstarken 32-Bit-MCU STM32H743VIT6 von ST Ende letzten Jahres auf 600 Yuan, während er vor zwei Jahren nur 48 Yuan kostete.Die Steigerung beträgt mehr als das Zehnfache;Der Marktpreis für die MCU SAK-TC237LP-32F200N AC von Infineon Automotive lag im Oktober letzten Jahres bei etwa 1.200 US-Dollar, im Dezember wurden bis zu 3.800 US-Dollar angeboten, und selbst auf Websites von Drittanbietern werden mehr als 5.000 US-Dollar angeboten.

03 Der Markt ist groß, die heimische Produktion klein

Die MCU-Wettbewerbslandschaft wird ebenso von ausländischen Giganten dominiert wie die gesamte Halbleiter-Wettbewerbslandschaft.Im Jahr 2021 waren NXP, Microchip, Renesas, ST und Infineon die fünf größten MCU-Anbieter.Auf diese fünf MCU-Anbieter entfielen 82,1 % des weltweiten Gesamtumsatzes, verglichen mit 72,2 % im Jahr 2016, wobei die Größe der Hauptunternehmen in den vergangenen Jahren zunahm.

Im Vergleich zu Verbraucher- und Industrie-MCUs ist die Zertifizierungsschwelle für Automobil-MCUs hoch und die Zertifizierungsdauer lang. Das Zertifizierungssystem umfasst die ISO26262-Standardzertifizierung, die AEC-Q001~004- und IATF16949-Standardzertifizierung sowie die AEC-Q100/Q104-Standardzertifizierung, darunter ISO26262 Die funktionale Sicherheit im Automobilbereich ist in vier Stufen von ASIL-A bis D unterteilt. Beispielsweise stellen das Chassis und andere Szenarien die höchsten Sicherheitsanforderungen und erfordern eine ASIL-D-Stufenzertifizierung, nur wenige Chiphersteller können die Bedingungen erfüllen.

Den Daten von Strategy Analysis zufolge wird der globale und inländische Automobil-MCU-Markt hauptsächlich von NXP, Renesas, Infineon, Texas Instruments und Microchip besetzt, mit einem Marktanteil von 85 %.Obwohl 32-Bit-MCUs immer noch von ausländischen Giganten monopolisiert werden, haben einige inländische Unternehmen den Durchbruch geschafft.

04 Fazit

Die rasante Entwicklung intelligenter Elektrofahrzeuge hat dazu geführt, dass sich eine Reihe von Consumer-Chipherstellern angeschlossen haben, darunter Nvidia, Qualcomm und Intel, die im intelligenten Cockpit einen Durchbruch bei autonomen Fahrchips erzielten und den Überlebensraum der alten Automobilchiphersteller verkleinerten.Die Entwicklung von Automobil-MCUs hat sich von der Fokussierung auf Eigenentwicklung und Leistungsverbesserung zu einem umfassenden Wettbewerb um Kostensenkung bei gleichzeitiger Beibehaltung technologischer Vorteile entwickelt.

Mit der Entwicklung der Automobil-E/E-Architektur von der verteilten zur Domänensteuerung und schließlich zur zentralen Integration werden immer mehr multifunktionale und einfache Low-End-Chips mit hoher Leistung, hoher Rechenleistung und anderen High-End-Chips ersetzt Chips werden zum Schwerpunkt des zukünftigen Automobilchip-Wettbewerbs, da die Hauptsteuerungsrolle der MCU durch die zukünftige Reduzierung der ECU-Anzahl relativ gering ist, wie zum Beispiel das Tesla-Chassis-Control-ECU, ein einzelnes enthält 3-4 MCU, aber einige einfache Funktionen Die Basis-MCU wird integriert.Insgesamt ist der Markt für Automobil-MCUs und der Raum für inländische Substitution in den kommenden Jahren zweifellos riesig.