多样性微控制器发展历程 一个永远追求创新的旅程

  • 洪千惠
MCU供应商2016营收与全球市占率

DIGITIMES企划

微控制器(Micro Control Unit)经常扮演著各种电子系统的核心角色,这个简称为MCU的芯片广泛应用于消费性电子、工业控制、汽车电子和通信系统等领域,由于使用范畴非常多元,从传统的家电产业一直到红遍半边天的物联网应用,几乎随处都可以看到MCU所扮演的控制系统的角色。

诚如IC Insights的MCU最新产业分析报告所展现,从2015年全球MCU销售额166亿美元,预估到2018年市场规模将可超过200亿美元,以芯片出货数量来看,2016年已经达到224亿颗。

MCU市场的2016年各大厂排名,购并效应彰显业绩的价值

IC Insights在2017年4月份所做的统计,从营业额的沉潜,看到排名上的起伏,由于强劲窜升的物联网(IoT)的趋势,带动全球MCU的业绩成长,NXP因为购并Freescale之后,以营业额的相加乘效应,超越去年的龙头Renesas,取得第一的宝座。

排名跃进的前几大的MCU厂商,拜购并而获得营业额突飞猛进之赐,包括NXP、Microchip、Cypress Semiconductor名次都扶摇直上,其余的厂商多半维持个位数字的成长率,毕竟MCU的市场仍属于成熟与稳定的发展,若无大的市场应用面的大规模嬗替,变化并不大。

分析几个较具发展动力的应用领域,包括物联网、汽车电子、机器人、嵌入式系统与几个新兴的应用,MCU的厂商们仍持续增加更多各自的产品组合,以满足新兴成长的应用所需,但是有时为了快速挤身进入原本不熟悉的市场与应用领域时,购并竞争对手的策略往往容易得到立竿见影的效益。

无论是NXP与Freescale,或是Microchip和Atmel,还有Cypress与Spansion,都是相类似的策略与目标,发生的时间都在2015年与2016年中,业界多半还是会关注Renesas的近况,其2015年的营收下降了19%,而2016年又连续再下降4%,整体以营收为主的市占率来看,Renesas从2011年的33%,下滑到2016年的16%,分析师认为是因为日本的经济状况持续低迷与弱势的日圆使然。

而美商Microchip在2016年买下Atmel,将原本以MIPS核心为主的产品线,扩张到ARM的32位元的核心,在产品在线扩增之下,成长的速度令人惊艳,产业变动的巨轮仍持续运转,名次的起伏势所难免,新的应用崛起是否加速改变的契机,则仍待后续的观察。

新旧应用各有擅场,32位元MCU主导产业发展的动能

早期从8位元的微处理器如8051的核心,一直到今天广泛使用32位元ARM的Cortex-M核心,MCU应用是产业升级与新科技开发息息相关。8位元的MCU使用精简的汇编语言来产品设计,由于长期的时光淬链与累绩,软件维护与芯片的成本皆低,其持续成功的关键在于集成的新功能仍能持续推出,符合客户的需求,况且并非所有应用都需要具备图形显示或者需要大量资料的传输,所以对于成本、芯片封装格式和功率消耗锱铢必较的高省电的应用来说,8位元的MCU仍有一片江山,即使芯片厂商不断在价格策略上让32位元与8位元在价格上逼近,但是8位元的MCU始终热潮不退,所以全球的主要MCU供应商都维持32位元与8位元的产品线并列,唯有16位元MCU的地位尴尬,退潮似乎是大家的共识。

随著新的应用与技术的不断的改进升级,举台湾ICT产业为例,在电源控制上的应用从早期使用电源管理芯片(Power Management IC)独挑大梁,现在需要使用MCU来因应不同电源使用情境而弹性调整输出功率,尤其是使用电池为主的装置,电源效率挂帅之下,为了达到超过95%的使用效率,软件工程师需要在C语言等高阶的程序语言上驾驭更复杂的使用情境,才能发挥超高省电效能与应用,所以长远的发展当然以32位元的MCU应用较占上风。

大陆竞争对手挟本地市场的优势,积极追赶

MCU广泛的市场需求,创造一年将近200亿美元的市场规模,市场需求毋庸置疑,但随著MCU厂商不断的增加——尤其是大陆的MCU厂商。大陆这几年更是倾国家之力,全力打造大陆的半导体产业,虽然他们起步较晚,但是每年成长幅度傲人,推出同类产品亦不断增多,造成MCU产品同质化竞争以及价格战越演越烈,尤其在通用型的MCU市场竞争更是雪上加霜,芯片本身的差异化越来越小,厂家极力在软件、解决方案和应用面上创造产品新价值,以避免陷入价格战的泥沼之中。

大陆的MCU厂商仍以通用型的产品线为主,而且尽可能在功能与规格上趋近于国际一线大厂的产品,有时连开发环境就直接使用国际大厂的软件,但是整体上来说,区域性新兴的应用如去年流行在大陆的电动平衡车(Hoverboard)、或是空拍机,以及今年的扫地机器人与共享单车等应用,大陆的MCU厂商快速攫取市场,但是有时就是一阵热潮似的大起大落,而质量与功能仍有待市场的验证。

反观MCU国际大厂的产品策略,就是竭尽所能将每一个市场区隔都塞满不同的MCU产品线,所以一线品牌的MCU动则超过六百、一千个型号的产品组合,而且仍持续每年继续增长,并且坚信鸡蛋不应只放在一个篮子里,不断寻求成长新亮点的应用,广布合作的契机,一旦有市场起飞,还得兼顾产能与交期的搭配,透过半导体制造的生态系统的掌握,才有胜算。

这当中发现台积电(TSMC)几乎是每一家国际MCU大厂的好朋友,弹性的产能规划能力与客户需求的掌控,都考验著每一个MCU厂商的应变能力,全球MCU产业版图正追随著整个半导体产业所酝酿的新的转变。

资安风险的考量,不断升高的竞争

由于海峡两岸的POS产业都是MCU厂商的必争之地,拜大陆市场的POS与支付宝等行动支付市场快速普及之赐,传统的MCU产品大多使用硬件加、解密功能,支持包括DES、3DES加密标准和AES 128、192或256位元的加密技术,同时使用数码签章的MD5的SHA-1、SHA-224、SHA-256硬件杂凑校验,这些完全遵循银行等产业标准的需要。

但是资安的疑虑仍甚嚣尘上,尤其是工业控制与智能家庭的场域中,资安的问题显然没有受到类似于银行产业被强烈的要求,但是当你用App开灯时,总是不希望反而隔壁邻居的灯关了;所以每颗MCU的独立ID的设计,配合云端服务器主机的资安防护,以及使用者手机的认证等三道程序进行资安防护措施,但是这些过程在安装与设定的步骤,容易产生软件使用接口与反复重新设定等影响使用者体验的冲击,甚至一旦大量开始集成生物辨识的功能时,使用者难免担心自己的指纹资料,是否有被完整的保护。

ARM的Cortex-M系列是目前32位元MCU的主要核心架构,所以为了强化物联网终端装置的安全机制,其TrustZone技术自然而然的成为各方所期待的新解决方案。TrustZone使用硬件执行的隔离机制,为程序码、存储器、I/O提供硬件存取的控制机制,分隔每个元件中信任与非信任资源,并使用到两个独立的实体处理器以确保受信任与非信任资源之间做好确实的隔离,以满足包括装置辨识管理、韧体保护、软件认证、以及安全开机等方面的需求。

这些新的架构将在ARM的Cortex-M23与Cortex-M33核心所设计的新一代处理器所使用,一线大厂虽然表示已经开始启动合作的计画,但多半仍处鸭子滑水阶段,资安防护会成为物联网与智能家庭应用中的关键议题,消费者是否愿意买单,将取决于资安防护能否让人高枕无忧。

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