01 Lịch sử phát triển của MCU
MCU, vi điều khiển, nó có một cái tên khá quen thuộc: máy vi tính đơn chip.
Thật là một điều thú vị khi chuyển một bộ hệ thống máy tính cơ bản sang một con chip, bao gồm cả phiên bản bên trong của CPU RAM ROM IO cổng nối tiếp bộ đếm, mặc dù hiệu suất chắc chắn không rộng bằng máy tính nhưng nó có khả năng lập trình và tiêu thụ điện năng thấp. linh hoạt nên trong ngành điện tử tiêu dùng, truyền thông ngành y tế Ô tô có rất nhiều ứng dụng.
Ra đời năm 1971, Intel thiết kế bộ vi xử lý đầu tiên trên thế giới – chip 4 bit số 4004, con chip này tích hợp hơn 2.000 bóng bán dẫn, đồng thời Intel cũng thiết kế các chip 4001, 4002, 4003, RAM, ROM và các thanh ghi.
Khi bốn sản phẩm này có mặt trên thị trường, Intel đã viết trong quảng cáo “Công bố một kỷ nguyên mới của mạch tích hợp: máy vi tính ngưng tụ trên một con chip duy nhất”.Vào thời điểm đó, máy tính mini và máy tính lớn chủ yếu là bộ xử lý 8 bit và 16 bit nên Intel đã sớm tung ra bộ vi xử lý 8 bit 8008 vào năm 1972 để nhanh chóng chiếm lĩnh thị trường, mở ra kỷ nguyên của máy vi tính đơn chip.
Năm 1976, Intel ra mắt bộ điều khiển máy vi tính lập trình đầu tiên trên thế giới 8748, tích hợp CPU 8 bit, I/O song song 8 bit, bộ đếm 8 bit, RAM, ROM, v.v., có thể đáp ứng nhu cầu điều khiển công nghiệp nói chung và thiết bị đo đạc, đại diện bởi 8748, mở ra việc khám phá máy vi tính đơn chip trong lĩnh vực công nghiệp.
Vào những năm 1980, máy vi tính đơn chip 8 bit bắt đầu trưởng thành hơn, dung lượng RAM và ROM tăng lên, nhìn chung có giao diện nối tiếp, hệ thống xử lý ngắt đa cấp, nhiều bộ đếm 16 bit, v.v. Năm 1983, Intel ra mắt MCS -96 loạt bộ vi điều khiển hiệu suất cao 16 bit, với 120.000 bóng bán dẫn tích hợp.
Kể từ những năm 1990, máy vi tính đơn chip đã bước vào giai đoạn của hàng trăm trường phái tư tưởng, về hiệu suất, tốc độ, độ tin cậy, khả năng tích hợp nở rộ, theo số bit của bus hoặc thanh ghi dữ liệu, từ 4 bit ban đầu. từng bước phát triển với các máy vi tính đơn chip 8 bit, 16 bit, 32 bit và 64 bit.
Hiện tại, tập lệnh của MCU chủ yếu được chia thành CISC và RISC, kiến trúc cốt lõi chủ yếu là ARM Cortex, Intel 8051 và RISC-V.
Theo Bản tóm tắt thị trường vi điều khiển tổng hợp (MCU) Trung Quốc năm 2020, các sản phẩm MCU 32 bit chiếm tới 55% thị trường, tiếp theo là các sản phẩm 8 bit, chiếm 43%, các sản phẩm 4 bit chiếm 2%, 16 -bit chiếm 1%, có thể thấy sản phẩm chủ đạo trên thị trường là MCU 32 bit và 8 bit, không gian thị trường của sản phẩm MCU 16 bit đã bị thu hẹp nghiêm trọng.
Các sản phẩm bộ hướng dẫn CISC chiếm 24% thị trường, các sản phẩm bộ hướng dẫn RISC chiếm 76% sản phẩm phổ thông trên thị trường;Sản phẩm lõi Intel 8051 chiếm 22% thị trường, tiếp theo là sản phẩm ARM Cortex-M0, chiếm 20%, sản phẩm ARM Cortex-M3 chiếm 14%, sản phẩm ARM Cortex-M4 chiếm 12%, sản phẩm ARM Cortex-M0+ chiếm 5%, sản phẩm ARM Cortex-M23 chiếm 1%, sản phẩm cốt lõi RISC-V chiếm 1% và các sản phẩm khác chiếm 24%.Các sản phẩm ARM Cortex-M0+ chiếm 5%, các sản phẩm ARM Cortex-M23 chiếm 1%, các sản phẩm lõi RISC-V chiếm 1% và các sản phẩm khác chiếm 24%.Nhìn chung, lõi dòng ARM Cortex chiếm 52% thị trường phổ thông.
Thị trường MCU đã phải đối mặt với sự sụt giảm giá đáng kể trong 20 năm qua, nhưng mức giảm giá bán trung bình (ASP) của nó đã chậm lại trong 5 năm qua.Sau khi trải qua thời kỳ suy thoái của ngành ô tô, kinh tế toàn cầu yếu kém và khủng hoảng dịch bệnh, thị trường MCU bắt đầu phục hồi vào năm 2020. Theo IC Insights, lô hàng MCU đã tăng 8% vào năm 2020 và tổng lô hàng MCU vào năm 2021 đã tăng lên 12%, mức cao kỷ lục 30,9 tỷ đồng, trong khi giá bán trung bình cũng tăng 10%, mức tăng cao nhất trong 25 năm.
IC Insights dự kiến lô hàng MCU sẽ đạt 35,8 tỷ chiếc trong 5 năm tới, với tổng doanh thu là 27,2 tỷ USD.Trong số này, doanh số MCU 32 bit dự kiến sẽ đạt 20 tỷ USD với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm là 9,4%, MCU 16 bit dự kiến sẽ đạt 4,7 tỷ USD và MCU 4 bit dự kiến sẽ không tăng trưởng.
02 Xe MCU điên cuồng vượt xe
Điện tử ô tô là kịch bản ứng dụng lớn nhất của MCU.IC Insights kỳ vọng doanh số bán MCU trên toàn thế giới sẽ tăng 10% lên mức kỷ lục 21,5 tỷ USD vào năm 2022, trong đó MCU ô tô tăng trưởng nhiều hơn hầu hết các thị trường cuối cùng khác.
Hơn 40% doanh số bán MCU đến từ thiết bị điện tử ô tô và doanh số bán MCU ô tô dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ CAGR là 7,7% trong 5 năm tới, vượt xa các MCU đa năng (7,3%).
Hiện tại, MCU ô tô chủ yếu là 8 bit, 16 bit và 32 bit và các bit khác nhau của MCU thực hiện các công việc khác nhau.
Đặc biệt:
MCU 8 bit chủ yếu được sử dụng cho các chức năng điều khiển tương đối cơ bản, chẳng hạn như điều khiển ghế ngồi, điều hòa không khí, quạt, cửa sổ và mô-đun điều khiển cửa.
MCU 16 bit chủ yếu được sử dụng cho phần thân dưới, chẳng hạn như động cơ, phanh điện tử, hệ thống treo và các hệ thống truyền động và điện khác.
MCU 32 bit phù hợp với trí thông minh của ô tô và chủ yếu được sử dụng cho các tình huống ứng dụng an toàn và thông minh cao cấp như giải trí trong buồng lái, ADAS và điều khiển thân xe.
Ở giai đoạn này, MCU 8 bit đang phát triển về hiệu suất và dung lượng bộ nhớ, đồng thời với hiệu quả chi phí riêng, chúng có thể thay thế một số MCU 16 bit trong các ứng dụng và cũng tương thích ngược với MCU 4 bit.MCU 32 bit sẽ đóng vai trò điều khiển chính ngày càng quan trọng trong toàn bộ kiến trúc E/E ô tô, có thể quản lý bốn đơn vị ECU cấp thấp và tầm trung nằm rải rác và số lượng sử dụng sẽ tiếp tục tăng.
Tình huống trên khiến MCU 16 bit ở vị trí tương đối khó xử, không cao cũng không thấp, nhưng trong một số tình huống ứng dụng, nó vẫn hữu ích, chẳng hạn như một số ứng dụng chính của hệ thống truyền động.
Trí thông minh ô tô đã thúc đẩy đáng kể nhu cầu về MCU 32 bit, với hơn 3/4 doanh số MCU ô tô đến từ MCU 32 bit vào năm 2021, dự kiến đạt khoảng 5,83 tỷ USD;MCU 16 bit sẽ tạo ra doanh thu khoảng 1,34 tỷ USD;và MCU 8 bit sẽ tạo ra doanh thu khoảng 441 triệu USD, theo báo cáo của McClean.
Ở cấp độ ứng dụng, thông tin giải trí là kịch bản ứng dụng có doanh số bán MCU ô tô tăng cao nhất so với cùng kỳ năm trước, với mức tăng trưởng 59% vào năm 2021 so với năm 2020 và tăng trưởng doanh thu 20% cho các kịch bản còn lại.
Hiện nay tất cả các bộ điều khiển điện tử của ô tô đều sử dụng ECU (bộ điều khiển điện tử) và MCU là chip điều khiển lõi ECU, mỗi ECU có ít nhất một MCU nên giai đoạn chuyển đổi, nâng cấp điện khí hóa thông minh hiện nay đã thúc đẩy nhu cầu về Việc sử dụng xe đơn của MCU sẽ tăng lên.
Theo dữ liệu từ Phòng Nghiên cứu của Ủy ban Chuyên gia Tiếp thị Ô tô của Viện Tiếp thị Trung Quốc, số ECU trung bình mà ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống mang theo là 70;số lượng ECU được trang bị trên ô tô chạy bằng nhiên liệu truyền thống sang trọng có thể lên tới 150 do yêu cầu hiệu suất cao hơn về ghế ngồi, hệ thống điều khiển trung tâm và giải trí, độ ổn định và an toàn của thân xe;và số lượng ECU trung bình được trang bị trên ô tô thông minh có thể lên tới 300 do các yêu cầu về phần mềm và phần cứng mới cho hệ thống lái tự động và lái xe được hỗ trợ, tương ứng với lượng MCU được sử dụng bởi ô tô đơn lẻ cũng sẽ lên tới hơn 300.
Nhu cầu mạnh mẽ về MCU từ các nhà sản xuất ô tô đặc biệt rõ ràng vào năm 2021, khi tình trạng thiếu lõi do dịch bệnh.Năm đó, nhiều hãng ô tô phải đóng cửa một thời gian ngắn một số dây chuyền sản xuất do thiếu lõi, nhưng doanh số bán MCU ô tô đã tăng 23% lên 7,6 tỷ USD, mức cao kỷ lục.
Hầu hết các chip ô tô được sản xuất bằng tấm wafer 8 inch, một số nhà sản xuất như chuyển dòng TI sang 12 inch, IDM cũng sẽ là một phần của xưởng đúc gia công năng lực, do MCU thống trị, khoảng 70% công suất bởi TSMC .Tuy nhiên, bản thân mảng kinh doanh ô tô chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong TSMC và TSMC tập trung vào lĩnh vực công nghệ xử lý tiên tiến của điện tử tiêu dùng nên thị trường MCU ô tô đặc biệt khan hiếm.
Sự thiếu hụt chip ô tô do toàn bộ ngành công nghiệp bán dẫn dẫn đầu cũng mở ra một làn sóng mở rộng, các xưởng đúc lớn và nhà máy IDM tích cực mở rộng sản xuất, nhưng trọng tâm lại khác.
Nhà máy TSMC Kumamoto dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào cuối năm 2024, ngoài quy trình 22/28nm sẽ cung cấp thêm quy trình 12 và 16nm, đồng thời nhà máy Nam Kinh sẽ mở rộng sản xuất lên 28nm, công suất sản xuất hàng tháng là 40.000 chiếc;
SMIC có kế hoạch mở rộng sản xuất thêm ít nhất 45.000 tấm wafer 8 inch và ít nhất 10.000 tấm wafer 12 inch vào năm 2021, đồng thời xây dựng dây chuyền sản xuất 12 inch với công suất hàng tháng là 120.000 tấm wafer ở Lingang, tập trung vào các nút 28nm trở lên.
Huahong dự kiến sẽ đẩy nhanh việc mở rộng công suất sản xuất 12 inch lên 94.500 chiếc vào năm 2022;
Renesas công bố sở hữu cổ phần tại nhà máy Kumamoto của TSMC với ý định mở rộng gia công, đồng thời đặt mục tiêu tăng nguồn cung MCU ô tô lên 50% vào năm 2023, với công suất MCU cao cấp dự kiến tăng 50% và công suất MCU cấp thấp khoảng 70%. so với cuối năm 2021.
STMicroelectronics sẽ đầu tư 1,4 tỷ USD vào năm 2022 để mở rộng và có kế hoạch tăng gấp đôi công suất các nhà máy ở Châu Âu vào năm 2025, chủ yếu để tăng công suất 12 inch, còn đối với công suất 8 inch, STMicroelectronics sẽ nâng cấp có chọn lọc cho các sản phẩm không yêu cầu 12-inch. công nghệ inch.
Texas Instruments sẽ bổ sung thêm 4 nhà máy mới, nhà máy đầu tiên dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2025, nhà máy thứ ba và thứ tư sẽ được xây dựng trong khoảng thời gian từ năm 2026 đến năm 2030;
ON Semiconductor đã tăng vốn đầu tư lên 12%, chủ yếu để mở rộng công suất wafer 12 inch.
Thông tin chi tiết về IC có một dữ liệu thú vị rằng ASP của tất cả các MCU 32 bit đang giảm với tốc độ CAGR là -4,4% so với cùng kỳ năm ngoái từ năm 2015 đến năm 2020, nhưng tăng khoảng 13% lên khoảng 0,72 USD vào năm 2021. Được phản ánh trên thị trường giao ngay , sự biến động về giá của MCU ô tô càng rõ ràng hơn: MCU 32-bit NXP FS32K144HAT0MLH với mức giá cố định là 22 USD đã tăng lên 550 USD, gấp hơn 20 lần, là một trong những chip ô tô khan hiếm nhất vào thời điểm đó.
Infineon 32-bit ô tô MCU SAK-TC277TP-64F200N DC đã tăng lên 4.500 nhân dân tệ, tăng gần 100 lần, cùng dòng SAK-TC275T-64F200N DC cũng tăng vọt lên hơn 2.000 nhân dân tệ.
Mặt khác, các thiết bị điện tử tiêu dùng vốn nóng hổi bắt đầu hạ nhiệt, nhu cầu yếu cũng như sự gia tăng thay thế trong nước khiến giá MCU tiêu dùng thông dụng giảm trở lại, một số mẫu chip ST như F0/F1/F3 giá loạt phim đã tiệm cận mức giá bình thường, thậm chí thị trường còn có tin đồn rằng giá một số MCU đã giảm qua giá đại lý.
Tuy nhiên, các MCU ô tô như Renesas, NXP, Infineon và ST vẫn đang trong tình trạng thiếu hụt tương đối.Ví dụ: giá của MCU 32-bit hiệu suất cao STM32H743VIT6 của ST đã tăng lên 600 nhân dân tệ vào cuối năm ngoái, trong khi giá của nó hai năm trước chỉ là 48 nhân dân tệ.Mức tăng hơn 10 lần;Giá thị trường AC của Infineon Automotive MCU SAK-TC237LP-32F200N vào tháng 10 năm ngoái là khoảng 1200 USD, ưu đãi tháng 12 lên tới 3800 USD và thậm chí trên các trang web của bên thứ ba còn cung cấp hơn 5000 USD.
03 Thị trường lớn, sản xuất trong nước nhỏ
Bối cảnh cạnh tranh của MCU cũng bị thống trị bởi những gã khổng lồ ở nước ngoài cũng như toàn bộ môi trường cạnh tranh bán dẫn.Năm 2021, năm nhà cung cấp MCU hàng đầu là NXP, Microchip, Renesas, ST và Infineon.Năm nhà cung cấp MCU này chiếm 82,1% tổng doanh số bán hàng toàn cầu, so với 72,2% vào năm 2016, với quy mô của các công ty hàng đầu đều tăng lên trong những năm qua.
So với MCU tiêu dùng và công nghiệp, ngưỡng chứng nhận MCU ô tô cao và thời gian chứng nhận dài, hệ thống chứng nhận bao gồm chứng nhận tiêu chuẩn ISO26262, chứng nhận tiêu chuẩn AEC-Q001~004 và IATF16949, chứng nhận tiêu chuẩn AEC-Q100/Q104, trong đó ISO26262 trên An toàn chức năng ô tô được chia thành bốn cấp độ ASIL-A đến D. Ví dụ: khung gầm và các tình huống khác có yêu cầu an toàn cao nhất và yêu cầu chứng nhận cấp ASIL-D, rất ít nhà sản xuất chip có thể đáp ứng các điều kiện.
Theo dữ liệu của Strategy Analysis, thị trường MCU ô tô toàn cầu và trong nước chủ yếu do NXP, Renesas, Infineon, Texas Instruments, Microchip chiếm giữ với thị phần 85%.Mặc dù MCU 32 bit vẫn bị các đại gia nước ngoài độc quyền, một số công ty trong nước đã thành công.
04 Kết luận
Sự phát triển nhanh chóng của xe điện thông minh nên một số nhà sản xuất chip tiêu dùng đã tham gia, chẳng hạn như Nvidia, Qualcomm, Intel đã có mặt trong buồng lái thông minh, đột phá về chip lái xe tự động, nén không gian tồn tại của các nhà sản xuất chip ô tô cũ.Sự phát triển của MCU ô tô đã chuyển từ tập trung vào tự phát triển và cải thiện hiệu suất sang cạnh tranh toàn diện để giảm chi phí trong khi vẫn duy trì lợi thế công nghệ.
Với kiến trúc E/E ô tô từ phân tán đến điều khiển miền, và cuối cùng là hướng tới tích hợp trung tâm, sẽ ngày càng có nhiều chip cấp thấp đơn giản và đa chức năng được thay thế, hiệu năng cao, sức mạnh tính toán cao và các sản phẩm cao cấp khác. chip sẽ trở thành tâm điểm của cuộc cạnh tranh chip ô tô trong tương lai, vì vai trò điều khiển chính của MCU do việc giảm số lượng ECU trong tương lai là tương đối nhỏ, chẳng hạn như ECU điều khiển khung gầm Tesla, một chiếc chứa 3-4 MCU, nhưng một số chức năng đơn giản của MCU cơ bản sẽ được tích hợp.Nhìn chung, thị trường dành cho MCU ô tô và không gian thay thế trong nước trong những năm tới chắc chắn là rất lớn.
Thời gian đăng: Feb-01-2023