MCU（MicrocontrollerUnit），又稱微控制器或微控制器，是把CPU的頻率與規格做適當縮減，並將記憶體（Memory）、計數器（Timer）、USB、A/D轉換、UART、PLC、DMA等周邊介面，甚至LCD驅動電路都整合在單一晶片上，形成晶片級計算機。從而實現終端控制的功能，具有效能高、功耗低、可程式設計、靈活度高等優點。
MCU由Intel率先提出，經過4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已廣泛應用於多種場景。目前市場上以8位和32位MCU為主，未來隨著產品效能要求的不斷提高，32位MCU的市場規模將進一步擴大。而在國內，現階段8位、32位MCU企業居多，未來企業加大研發投入，將進一步實現MCU的國產替代。
MCU晶片在很多領域都有著廣泛的應用，在此次“晶片荒”浪潮中，MCU是受影響最嚴重的晶片。
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MCU簡介
微控制單元（Microcontroller Unit；MCU） 就是我們俗稱的“微控制器”。MCU內部的功能部件主要是CPU、儲存器（程式儲存器和資料儲存器）、I/O埠、序列口、定時器、中斷系統、特殊功能暫存器等八大部分，還有一些諸如時鐘振盪器、匯流排控制器和供電電源等輔助功能部件。
此外，很多增強型微控制器還集成了A/D、D/A、PWM、PCA、WDT等功能部件，以及SPI、I2C、ISP等資料傳輸介面方式，這些使微控制器更具特色、更有市場應用前景。
▲MCU結構
在MCU應用中，真實世界的各種物理量，透過感測器轉換為電訊號，經訊號調理，再透過放大器進行放大，然後透過ADC把模擬訊號轉化為數字訊號，在MCU或CPU或DSP等處理後，再經由DAC還原為模擬訊號，最後透過功率驅動器實現輸出。
▲MCU訊號鏈
MCU由Intel率先提出，經過4位、8位、16位、32位乃至64位MCU迭代更新，已廣泛應用於多種場景。目前市場上以8位和32位MCU為主，未來隨著產品效能要求的不斷提高，32位MCU的市場規模將進一步擴大。而在國內，現階段8位、32位MCU企業居多，未來企業加大研發投入，將進一步實現MCU的國產替代。
目前市場的MCU以8位和32位為主。其中8位MCU憑藉超低成本、設計簡單等優勢，活躍於市場，特別是中國市場。
由於32位MCU出現並持續降價及8位MCU簡單耐用又便宜的低價優勢下，夾在中間的16位MCU市場不斷被擠壓，成為出貨比例中最低的產品。
▲MCU位數及其應用場景
目前市場上主流的MCU中央處理器，包括由Intel開發MCS-51核心、由英國公司ARMHoldinds開發的ARM Cortex-M核心、由Motorola開發的6800核心、由MIPSTechnologies， Inc。開發的MIPS核心、由Atmel公司開發的AVR核心、由MicrochipTechnologies公司開發PIC核心、由加利福尼亞大學伯克利分校開發的RISC-V核心。
▲MCU常見中央處理器
據2020中國通用微控制器市場簡報：市場上MCU，32位佔比54%、8位佔比43%；RISC指令集的MCU佔比76%，CISC指令集的MCU佔比24%；通用型MCU為主，佔比73%；市場上MCU核心型別以ARM Cortex、8051和RISC-V為主，分別佔比52%、22%和2%。
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產業鏈概況
MCU產業鏈上游可分為原材料供應商和代工廠商（與中游Fabless廠商合作），原材料主要為圓晶、以及來自於ARM等的核心授權；代工廠商主要包括臺積電、格羅方德、聯電、中芯國際、華虹半導體等。
2019年頭部的臺積電、格羅方德、聯電、中芯國際等廠商市佔率超過90%，其中臺積電市佔率高達58。6%，由於原材料的不可替代性與代工廠商的高度集中性，上游廠商議價能力較強。
▲2019年MCU代工廠競爭格局
全球MCU供應商以國外廠商為主，行業集中度相對較高：全球MCU廠商主要為瑞薩電子（日本）、恩智浦（荷蘭）、英飛凌（德國）、微芯科技（美國）、意法半導體等，TOP7頭部企業市佔率超過80%。
中國MCU奮起直追，逐步擴大市場份額：國內MCU晶片廠商在中低端市場具備較強競爭力。兆易創新、華大半導體、中穎電子、東軟載波、北京君正、中國臺灣企業新唐科技、極海半導體等市佔率穩步上升。
另外， 國外大廠如意法半導體、瑞薩電子、德州儀器、微芯、英飛凌採用IDM模式，集晶片設計、晶片製造、晶片封裝和測試等多個產業鏈環節於一身；國外個別廠商如恩智浦以及大部分大陸廠商採用Fabless模式，只負責晶片的電路設計與銷售；中國臺灣企業盛群、松翰、新唐以及大陸廠商士蘭微、華大半導體等採用IDM模式。
▲2019年全球MCU競爭格局
▲ 2019年中國MCU競爭格局
國外廠商產品齊全，國內廠商集中在消費電子領域：國外廠商產品種類齊全，覆蓋消費電子、汽車電子、工業控制領域，且產能分佈較為均衡，國內廠商產能主要集中消費電子特別是家電領域，芯旺微、比亞迪等企業擁有車規級MCU產品，其他廠商尚處在研發或認證階段。
國內外廠商產品位數相差不大：國外廠商如意法半導體、恩智浦、微芯科技等主流產品均為32位，部分國內廠商如中穎電子產品以8位為主，目前大部分國內廠商均具備32位產品生產能力，整體差距不大。
核心方面，各家廠商均以ARM核心為主，國內廠商主要使用ARM Cortex-M0/M3核心，國外廠商對更效能更好的M4/M7核心使用率較低。另外部分國外廠商如微芯科技擁有自主開發的核心，國內廠商中芯旺微擁有自研核心。
在應用領域上，
全球汽車電子佔比最高，中國集中在家電領域
。據IC Insights資料，2019年全球MCU下游應用主要分佈在汽車電子（33%）、工控/醫療（25%）、計算機（23%）和消費電子（11%）四大領域。具體到中國，2019年中國MCU市場銷售額集中在消費電子（26%）、計算機網路（19%）領域，而汽車電子（16%）及工業控制（11%）領域的MCU佔比則顯著低於全球水平，中國MCU應用仍主要集中在家電等品類。
▲2019年全球MCU應用分佈
▲ 2020年中國MCU應用領域銷售額分佈
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四大應用領域
1、物聯網
伴隨著物聯網的發展，MCU市場經歷價量齊升的過程。未來物聯網將實現端到端人機互動，幾乎每個裝置每個端都需要一個甚至多個MCU。更多的資料更高的計算要求，推動裝置向32位高階MCU升級。
根據GSMA資料，2018年全球物聯網裝置數量為91億個，2010-2018年複合增長率為20。9%，預計2025年全球物聯網裝置將高達252億個。
中國物聯網整體規模逐年增長，2015年中國物聯網整體規模為7500億元，預計2020年達到18300億元，2015年-2020年複合增長率為19。5%。
▲全球物聯網裝置連線數量及預測情況
▲中國物聯網整體規模及增長率
裝置聯網的關鍵在於組網技術，組網技術有LoRa（遠距離無線電）、Zigbee（短距離低速）、WiFi、NB-IoT（蜂窩網路）、藍芽，需要搭配響應的組網模組才能遙控裝置。
我國物聯網連線數2020年達到35億，2017-2020的複合增長率為34%。主要的組網方式是WiFi和藍芽，2020年WiFi和藍芽組網技術佔比達67。3%，蜂窩網路組網佔比逐年提升，由2017年的3%上升到2020年佔8。75%。
▲中國物聯網連線數（單位：億）
根據Techno Systems Research 2017年2月及2018年2月釋出的各年度研究報告，在物聯網Wi-Fi MCU 晶片領域，樂鑫是與高通、德州儀器、美滿、賽普拉斯、瑞昱、聯發科等同屬於第一梯隊的大陸企業。
目前主流嵌入式WiFi晶片企業包括：高通（美國）、瑞昱（中國臺灣）、樂鑫、博通整合、聯盛德以及博流，國產替代率高。
▲主流WiFi MCU效能對比
2、消費電子
家電智慧化趨勢：機械按鍵交互向觸控語音互動轉變、數碼管顯示向液晶顯示轉變、單頻向變頻轉變等。計算能力和抗干擾能力要求增大，需求向更高階的MCU轉移。
2020年，中國智慧家庭產品出貨總量達到2。8億臺，到2025年出貨總量將增長至8。1億臺，年複合增長率可達23。7%。
家庭影片視訊裝置（電視機、機頂盒）和智慧安防產品（攝像頭、門鎖）佔比最高，分別達到39。2%和19。6%；智慧白電（冰箱、空調、洗衣機）佔比接近兩成，達到17。1%。
▲中國智慧家庭出貨量及預測（單位：百萬臺）
全國家用電器工業資訊中心資料顯示，2019年國內市場家電零售額規模8032億元，同比增長率為-2。2%。
根據《IDC中國智慧家居裝置市場季度跟蹤報告》，2019年上半年中國智慧大家電市場出貨量約為2838萬臺，同比增長22。8%。
家電市場整體表現平穩，智慧家電市場的銷售保持穩步增長態勢。傳統家電智慧化轉型迫在眉睫。
▲2016-2019年中國家電行業零售額
▲八大家電企業自給率高，紛紛加速智慧化轉型，加速家電晶片國產替代程序
一般家電晶片包括MCU主控晶片、電源管理晶片、通訊晶片、驅動晶片和影象處理晶片，目前家電企業的造芯程序中，幾乎所有晶片都已佈局。八大家電企業造芯佈局中，MCU的佔比最高，達到34%
家電MCU國產替代程度高，中穎電子在中國小家電MCU中處於領先地位，據中國產業資訊統計資料，2017年中穎電子在中國家電MCU中的佔比為19。8%，排名第三，與排名前二的MCU廠家盛群半導體（22。6%）和盛群電子（21。2%）的差距不大，預計未來小家電領域MCU國產替代率會進一步提升。
▲八大家電佈局晶片型別佔比
▲ 2017年中國小家電MCU競爭格局
2016年蘋果釋出第一代Air Pods，開創真無線耳機（TWS）時代，iPhone 12系列取消標配耳機，再次引發TWS耳機銷量暴增。
傳統有線耳機線路簡單，無需配置MCU主控晶片。
TWS產業鏈主要包括ODM廠商，無線耳機和充電盒元器件廠商，其包括主控晶片、儲存晶片、FPC、語音加速感應器、MEMS、過流保護IC、電池等。
據Counterpoint預計，TWS耳機市場會有十年前智慧手機一樣的增長趨勢，智慧手機市場2009-2012年CAGR為80%，預計TWS市場2019-2022年CAGR為80%。
在Air Pods引爆市場後，各手機廠商如華為、OPPO、vivo、小米以及傳統音訊廠商Sony、BOSE、1MORE、漫步者紛紛跟進推出相關產品，蘋果市場份額雖仍是第一，其他品牌耳機也在加速搶佔，使得蘋果市場份額逐年減少，據Statista資料，蘋果TWS耳機市場佔有率從2018年Q4的60%下降到2019年Q3的45%。
▲TWS耳機市場競爭格局
高階手錶處理的任務多，需要用內嵌作業系統的SoC，而手環只需要時鐘、記步、統計熱量小號、測血壓等簡單的功能，使用MCU即可。
隨著智慧手錶效能和功能的加強，使用帶系統的SoC+MCU會是的趨勢，其中WiFi模組中集成了MCU，另外需要多一顆MCU來連結眾多的感測器，輔助SoC採集資料。
▲小米手環3拆解
得益於硬體創新，智慧手錶逐步成熟，與智慧手機組成的應用生態日趨完善。透過定位聚焦於運動、健康、移動支付領域，行業持續加速發展，預計2021年智慧手錶的支出將達到273。88億美元。
智慧手環相比智慧手錶，效能較低、功能單一、只支援蘋果或安卓單一作業系統。t4ai預測未來整個智慧手環市場將持續萎縮。
小米智慧手環市場佔有率高，預計未來市場集中度進一步提升。
▲全球智慧手錶消費趨勢
未來，智慧手錶行業將更進一步地向頭部集中。蘋果、三星、華為、Garmin將佔據超過75%的市場份額。
參考智慧手機市場的發展，未來蘋果TWS耳機的市場份額會進一步下降，而國內廠商諸如小米、華為、OPPO、vivo等手機廠商會快速崛起，為晶片國產替代提供條件。目前充電盒國產主控MCU方案成熟，如芯海科技、昇生微、微源半導體等均有成熟的方案且被各大TWS品牌商採用。
▲2020上半年全球主要智慧手錶企業
3、 汽車電子
ECU（Engine Control Unit），即發動機控制單元，特指電噴發動機的電子控制系統。但是隨著汽車電子的迅速發展，ECU的定義也發生了巨大的變化，變成了electronic control unit即電子控制單元，泛指汽車上所有電子控制系統。而原來的發動機ECU有很多的公司稱之為EMS（Engine Management System）。
常見的ECU有導航ECU、安全氣囊ECU、引擎ECU、電動車窗ECU、懸吊系統ECU。
ECU由MCU、儲存器、輸入/輸出介面、模數轉換器以及驅動等積體電路組成。其中MCU是ECU真正起到控制作用的關鍵。
▲汽車ECU
汽車電子應用已經佔據超過1/3的MCU市場，汽車向智慧化過程中，對安全、環保要求越來越高，因此對MCU的需求增長迅猛。據IC Insights預測，車用MCU銷售額將在2020年接近65億美元，並在2023年達到81億美元。
據Strategy Analytics統計，傳統燃油車中MCU佔整車半導體價值的23%，純電動汽車MCU佔整車半導體價值的11%，2018年傳統燃油車單車半導體價值量為338美元，新能源汽車單車半導體價值量為704美元，MCU價值量在傳統燃油車和新能源車中相當，均為78美元左右。
▲燃油和電動汽車半導體佔比
據Strategy Analysis資料，全球以及國內車載MCU市場主要由恩智浦、瑞薩、英飛凌、德州儀器、微芯科技佔領，共佔約85%市場份額。
汽車級MCU產品品質嚴苛，認證過程很複雜，投入大，短期內難有盈利。目前國內汽車級MCU已量產的公司有：傑發科技、上海芯旺微電子、賽騰微電子、中微半導體等公司。
國內車載MCU起步晚，較少公司涉及該領域業務，未來國產替代潛力巨大。
4、工業控制
MCU是實現工業自動化的核心部件，如步進馬達、機器手臂、儀器儀表、工業電機等。以工控的主要應用場景——工業機器人為例，為了實現工業機器人所需的複雜運動，需要對電機的位置、方向、速度和扭矩進行高精度控制，而MCU則可以執行電機控制所需的複雜、高速運算。
工業4。0時代下工業控制市場前景廣闊，催漲MCU需求。根據Prismark統計，2019年全球工業控制的市場規模為2310億美元，預計至2023年全球工業控制的市場規模將達到2600億美元，年複合增長率約為3%。根據賽迪智庫的資料，2020年中國工業控制市場規模達到2321億元，同比增長13。1%。2021年市場規模有望達到2600億元。
▲全球工業控制市場規模及其增速
▲中國工業控制市場規模及其增速
MCU市場現被國外廠商主導，國內廠商雖百花齊放，但佔比較低，國產替代空間巨大。根據前瞻產業研究院，2019年全球MCU市場主要被微芯、意法半導體、瑞薩、德州儀器、恩智浦等廠商佔據，前五大廠商合計市場份額達72。8%。中國MCU市場主要被意法半導體、恩智浦、微芯、瑞薩、英飛凌等廠商佔據，前五大廠商合計市場份額達74。42%。
近期MCU市場缺貨行情持續，本土MCU產業鏈有望加速產品的市場拓展，提升產品的價值量或出貨量，從而充分受益於MCU市場高漲的應用需求。另一方面，高效能MCU的價量齊升，帶來可觀的毛利率，驅使更多國內優秀企業進軍MCU領域，加快實現國產替代。
國內廠商在工業控制MCU產品方面，銷售收入及其佔比逐年上升，產品出貨量增長顯著，國產替代指日可待。
智東西認為，隨著我國電動汽車如火如荼的快速發展，在汽車電子上的應用使得MCU晶片未來註定在我國的晶片行業中扮演者一個十分重要的角色。但是，現階端國產MCU主要還是集中在家電等行業低端應用行業。好訊息是，雖然32位MCU是現在的主流，但國內廠商有優勢的8位晶片仍然在物聯網等行業中有著廣泛的應用，在國外巨頭的統治下，國產MCU仍然有著不差的生長土壤，假以時日大規模的國產替代也不是不可能。
