【变频器有用到什么芯片】半导体MCU产业117页深度研究报告：MCU缺货涨价背后的国产化浪潮。

(报告作者/作者：招商证券、山帆、赵辉)

第一，MCU是基本控制芯片，很多产品兼有生态改善。

1、MCU: CPU集成外设的精简版本，成为很多应用主芯片。

微控制器单元(MCU):微控制器(Micro Controller单元)也称为单片机，可以适当减少CPU的频率和规格，包括RAM、ROM、时钟、定时/计数器等外围设备，甚至MCU用软件控制代替了复杂的电子电路控制系统，实现了智能化和轻型控制。

英特尔于1971年推出了世界上第一款MCU产品，20世纪90年代以来，MCU进入了发展快车道。集成电路发明一段时间后，MCU逐渐进入人们的视线。1971年11月，英特尔推出了世界上第一款集成2000个晶体管的4位MCU。代号英特尔4004标志着MCU开始初级发展阶段。此后，MCU经历了低性能阶段、高性能阶段和16位MCU阶段，90年代MCU开启了全面化的旅程，出现了多种通用和专用MCU产品。

MCU是基于CPU开发的主芯片，类似的MPU和SoC是CPU应用于高性能计算领域的产品。

微处理器单元(MPU):一种微处理器设备，通常表示强大的CPU(被解释为增强的CPU)，通常是计算机和高端系统的核心。如果将所有组件小型化为一个或多个集成电路，MCU将集成片上外围设备，MPU没有集成片上外围设备。

System on Chip(SoC):片上系统可以将多个电子系统集成到单个芯片中，以处理数字信号、模拟信号或混合信号，并且常用于嵌入式系统。SoC是系统级芯片，与MCU高度集成，MPU具有出色的计算能力。也就是说，RAM和ROM是内置的，与MPU一样强大。SoC可以存档和执行系统级代码。这意味着可以运行操作系统(基于Linux操作系统)。

MCU芯片可以根据核心数、主频、流程、模拟功能、封装、针脚数、通信接口和存储类型等标准划分为多个产品型号。

2、很多MCU产品型号、位数和指令集是主要选择标准。

MCU产品模型可以按位数、存储结构、指令集和应用程序领域等四个标准进行分类。

根据位数的不同，MCU通常可以分为4位、8位、16位和32位。位数越高，计算性能越高。

根据内存结构，MCU可以分为冯诺依曼结构和哈佛结构。两者的主要区别是程序命令和数据是否存储在同一个存储器上。

根据指令集的不同，MCU可以分为两类：复杂指令集体系结构(CISC)和精简指令集体系结构(RISC)。根据应用领域的不同，MCU可以分为普通型和专用型。

MCU位数是每次MCU处理数据时处理数据的宽度，或总线和数据寄存器的宽度。1971年，英特尔开发了世界上第一个排名第四的MCU——英特尔4004。随着技术的发展和应用方案的多样化，8位、16位、32位甚至64位MCU陆续出现。目前MCU主要用于手机、PC周边、遥控器等消费电子、步进电机、机械手控制等工业控制和汽车电子等领域。

8位MCU市场稳固，32位MCU解决复杂的场景问题。据沈志焕称，2020年中国通用MCU市长/市场规模比重中，第32位占54%，第8位占43%，第4位占2%，第16位占1%。第32位和第8位占市长/市场主流，预计今后32位产品比重将继续提高。MCU的广泛应用源于8位时代，8位MCU具有功耗低、成本低、使用方便等优点，广泛应用于消费、工业控制、家电、汽车等领域，由于产品稳定性和性价比原因，第八位仍然占据重要地位。16位产品的性能比第32位低，性价比比第8位MCU低，因此市长/市场份额有被挤压的趋势。32位MCU的计算能力比16位强，能够满足当前大多数嵌入式方案的需求，目前32位MCU的成本逐渐接近8位MCU，32位MCU的市长/市场份额最高。

根据程序指令和数据是否在同一个存储地址，MCU可以分为冯诺依曼结构和哈佛结构。冯诺依曼结构也称为普林斯顿结构，它将程序指令存储器和数据存储合并在一起，内存与中央处理器分开。哈佛结构将程序指令和数据分开存储。中央处理器首先读取指令存储器中的指令，然后读取数据存储器中的相应数据。程序指令和数据指令可以有不同的数据宽度，通常执行效率很高。

CISC和RISC指令系统目前是两大MCU指令系统。composite instruction command(CISC)的命令格式和命令大小并不固定，每个命令都根据规范设计为最合适的格式和大小，每个命令都在不同的时间执行，以追求更强大的东西。

处理能力。RISC（精简指令集）的指令长度是 固定的，并且采取流水线的概念，将处理过程划分为多个阶段，每个时钟周期可以执行 一条指令，执行部分并行处理。CISC 指令能力强，但 CPU 复杂度较高，RISC 指令较 为固定，优化了编译流程。

MCU 公司按照自身产品应用领域可以分为通用型 MCU 和专用型 MCU 公司。通用型 MCU 是指具有 MCU 的基本组成，但是将 MCU 中可利用的资源（包括 RAM、ROM、 串并行接口等）全部提供给用户，不是为了某种专门用途设计的。专用型 MCU 是指按 照具体用途而专门设计的 MCU，通常会在 MCU 内集成具有特定功能的硬件单元，比 如数字信号处理单元、蓝牙协议栈等。

通用型MCU是不针对特定应用的，用户可根据自身需求进行相应开发来满足特殊需求。 STM32 系列是典型的通用型 MCU 代表，STM32 的 17 个子系列，上千款产品可以满 足各个层级的开发者需求，针对高性能、主流、超低功耗和无线 4 大领域，既可用于先 进的智能神经网络处理、语音音频识别、无线互连等高级场景，也可用于图像用户接口、 电机控制、安全芯片以及 USB Type-C 快充等常见生活场景。广泛应用场景催生了众多 型号的 MCU 产品，通用型 MCU 的出现降低了产品研发和产品选型的难度，有利于快 速研制出符合需求的终端产品类型。

专用型 MCU 秉承“MCU+特定组件”的形式，旨在满足特定场景提出的专有需求。比 如针对电机类 MCU，需要增加数字信号处理单元，将传感器搜集到的外界信号进行梳 理，进而输入相应的指令；对于有无线连接需求的 MCU，会在 MCU 内集成 Wi-Fi 以及 蓝牙模块来满足无线通信需求；对于温度传感装置，通常会在 MCU 内增加对于温度信 号处理的数模转换器等。随着物联网的发展，基于场景化的应用层出不穷，需要 MCU 针对特定应用有更强的应对能力，催生更多专用型 MCU 需求。乐鑫科技的 ESP32 MCU 集成 Wi-Fi 和蓝牙功能，与外部 DSP 结合使用，功能丰富且极具成本效益。

3、ARM 架构提供兼容性体系，打造 32 位 MCU 通用平台

MCU 的芯片架构经历 4 代变迁。早期 Intel 主导的架构称作 MCU 的第一代架构；瑞萨 电子、微芯等公司自研内核的发展史代表了各家自定义架构的第二代 MCU 发展；近 10 年，随着需求侧对性能要求和处理能力的提升，32 位 MCU 逐渐成为市场主流，大部分 厂家 MCU 的内核逐渐被第三代 ARM 架构的内核替代；2014 年，基于现代需求设计的 第四代 RISC-V 架构推出，具有模块化、极简和可拓展的特点，目前主要在可穿戴设备 中应用广泛，但目前暂不具备和 ARM 类似的完善生态系统。

ARM 为目前主流架构，已形成完整的生态系统。ARM 架构实现了标准化，为设计平台 提供了代码兼容性和软件兼容性，促使主要厂商纷纷迁移到 32 位 MCU 产品开发，成 熟的架构迅速替代各家自定义架构，成为目前主流架构，全球前十大 MCU 厂商 32 位 产品均有导入 ARM 架构。同时 ARM 架构设计上更偏重节能、能效方面，在进入 21 世 纪之后，随着手机的快速发展而发展壮大，据软银数据，ARM 处理器逐步占领全球手 机市场，市占率高达 90%以上。

ARM 公司将 Cortex 系列细分为三大类，包括 A 系列、R 系列和 M 系列。在不同应用 领域具体内核不同，A 系列主要用于复杂的电脑应用，比如手机、服务器等；R 系列主 要用于实时系统；最早集成到芯片级的是 Cortex-M 系列，主要面向各类嵌入式应用的 MCU。

MCU 生态系统愈发复杂，已经扩展到芯片设计、软件设计、应用层，完整的生态系统 不仅要有前端，更要有后端的厂商加入才完美。目前 ARM 架构已形成较为完善的生态 系统。

RISC-V 于 2010 年推出，针对现代需求设计，具有模块化、极简和可拓展的特点，并 且不需要为了兼容老性能而做出牺牲。RISC-V 在配备操作系统、开发工具等的生态系 统方面不如 ARM 架构，产业联盟内部对 RISC-V 发展方向一直存在分歧。RISC-V 的 灵活可拓展性及高定制化使其在对生态系统依赖性比较小的新型市场（如嵌入式 IoT、 人工智能等）中拥有更大的潜力。目前，阿里平头哥推出了基于 RISC-V 的开源 MCU 平台，兆易创新等国内企业也相继推出基于 RISC-V 内核的 MCU 产品。

4、生态环境是 MCU 厂商建设重点，助力下游客户产品开发

MCU 芯片需要通过硬件设计和软件设计，最终实现商用化产品开发。MCU 芯片需要下 游厂商二次开发，下游厂商需要根据自身产品特点，进行系统设计，包括硬件和软件设 计。硬件设计指的是选择满足系统要求的 MCU 芯片和其它电子元器件，并进行电路设 计等。对于软件设计：

1）输入源代码，通常是借助 IDE（集成开发环境），用编程语言 编写代码；

2）进行代码编译，确保代码符合语法规则；

3）利用仿真系统调试程序，在 生成实际电路板之前，用仿真软件进行系统仿真，避免资源浪费。在软硬件设计完成后， 根据电路原理图生产 PCB 板，将 MCU 芯片及其它电子器件焊接在电路板上，进行系 统联调，直到最后功能无误。

MCU 厂商所构建的生态为客户提供更完善便捷的使用体验，是提升竞争力的关键。 MCU 的生态包括 IDE 环境、官网资料、基础驱动库、评估板和论坛支持等方面，下游 客户在使用所采购的 MCU 产品后，不仅需要产品本身的品质过硬，还需要与产品相关 的配套服务来支持客户自身的需求。MCU 厂商需要建立尽量完备的生态系统，使下游 用户在开发产品的过程中能便捷开发，同时能及时获取关于产品的相关文档，在遇到问 题时，可以得到有效的解决方案，MCU 厂商的竞争力才能得到提升。

意法半导体建立了行业领先的 MCU 生态系统，包括配套软件、硬件支持以及其它开发支持，主要由九个方面组成。

MCU 生态系统中的大学、联盟或组织、社区和云服务商等紧密相连，互相促进发展。 以大学为例，ST 在国内很早就开始与高校进行合作，兆易创新近几年也赞助了中国研 究生电子设计大赛，学生在校期间就可以接触前沿 MCU 公司的相关技术，学生毕业后 就成为了开发者，可以较快地融入到相应生态环境中进行进一步开发。MCU 标准通过 联盟或者组织之后可以成为行业应用，专业知识在社区内传播可以让更多的用户受益，云服务厂商借助设备可以为广大的 MCU 开发者提供云计算服务，这些都是 MCU 生态 系统的成员，各种角色在生态系统中互相配合，互相发展。

二、MCU 需求端多样化，汽车和物联网引领未来成长

全球 MCU 市场规模约 150-200 亿美元，传统半导体厂商占据 MCU 市场大头。据 IC Insights 数据，2020 年全球 MCU 市场规模约 150 亿美元，2021-2024 年全球 MCU 市 场规模 CAGR 预计约为 6.08%，预计 2024 年市场规模可达 185 亿美元。据英飞凌官 网数据，2020 年全球 MCU 厂商市场份额占比前三位分别是瑞萨电子、恩智浦和英飞 凌，欧美及日韩系厂商在全球 MCU 市场份额占据绝对优势。

MCU 主要应用于汽车电子、工控/医疗、计算机和消费电子四大领域。根据 IC Insights 数据显示，2019 年全球 MCU 主要应用于四大领域，其中汽车电子占比高达 33%，是 MCU 的第一大应用市场，同时，工控、计算机和消费电子占比分别为 25%、23%、11%。

1、汽车：MCU 第一大应用市场，智能化和电动化驱动成长

汽车是全球 MCU 第一大应用市场，平均每辆汽车 MCU 需求量高达上百颗。汽车电子 MCU 应用场景广泛，由于现今汽车逐渐从燃油车向新能源汽车过渡，MCU 在汽车电子 领域的参与越来越多，新能源车在整车热管理系统、照明系统、电机驱动控制系统、充 电逆变系统、电池管理系统和车身控制及车载系统内都需要用到 MCU，车用 MCU 主 要使用 8 位和 32 位产品。

车用 32 位 MCU 主要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统、引擎控制，以及 新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统。

车用 8 位 MCU 主要应用包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、 集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。

座椅调节、车窗升降和反光镜控制等各种低阶控制需要用到 MCU。最早的车窗升降采 用手摇式，座椅调节也采用机械式，在 MCU 运用到汽车电子控制系统后，座椅调节可 借助 MCU 实现更为精准便捷的多方向控制，主驾驶亦可控制前后四个位置的车窗，同 时由于不同驾驶者的身姿体态区别，可借助主驾驶位的按钮实现对于双侧反光镜的精准 调节。其它低阶控制比如雨刷、天窗、空调和风扇等位置通常也各需要 1 颗 MCU 来完 成相应控制。

电子助力方向盘和自动驻车等动力传动系统需要 MCU。汽车机械系统的运行状况直接 影响车辆性能以及驾驶者体验，将 MCU 运用到汽车电子控制装置，将有效的实现“机 电结合”，实现对发动机、底盘、车身的电子控制。具体应用包括电子动力转向、电子 手刹、电子燃油喷射系统、电子控制悬架和电子控制自动变速器等。

高级驾驶辅助系统（ADAS）及先进娱乐影音设备等需要处理能力更强的高阶 MCU。 随着汽车搭载更多类型的传感器，需要运算性能更强的 MCU 进行信息处理，ADAS 包 括前车防撞预警系统、环视泊车辅助系统、车道偏离警告等功能，汽车先进功能的增多 加大了高阶 MCU 的使用量。同时以特斯拉为代表的新造车厂商颠覆传统，将传统包括 众多按键和旋钮的中控台融合到一块大屏幕上，以及融合车内空调控制等功能，同时为 车内人员提供更为畅快的影音视觉体验，液晶仪表盘也逐渐代替传统指针式仪表盘，这 些改进将提升 32 位 MCU 的使用量。

新能源车新增电池管理和电机驱动等系统，对单车 MCU 带来增量需求。在电动汽车应 用中，主要由电池为电机提供动力，为了满足交流电机负载的严苛要求，内部电池组电 压不低于 800V，一种常见的设计方法是采用分布式电池组系统，通过在不同的 PCB 上连接多个高精度电池监控器，支持包含多节电池的电池组，该部分的 MCU 需求量会 随着使用电池模组数目的增多而提升。

新能源车占比未来会逐步提升，有望带来更多的车规级 MCU 需求。一般汽车 MCU 含 量数十颗，根据 IHS 数据，奥迪 Q7 车型 MCU 有 38 颗，随着汽车智能化和电动化的 普及，MCU 含量提升。目前平均来看，新能源汽车智能化和电动化程度均要高于燃油 车，且新能源车在电池管理、电子和电气设备等部分相较于燃油车也有 MCU 增量，新 能源车占比的提升将有助于提升整体汽车市场 MCU 需求。

国际大厂主导全球车用 MCU 市场，单车配置量有望达到上百颗。据英飞凌官网，2020 年全球车用 MCU 市场份额占比前五名分别为瑞萨、恩智浦、英飞凌、德州仪器和微芯， CR5 占比合计达 86.6%，国际大厂主导了全球车用 MCU 的市场格局。传统燃油车的半 导体器件中，MCU 价值量占比最高，约为 1/3，新能源汽车中半导体器件价值量更大， 半导体用量远超过传统燃油车，MCU 价值量仅次于功率半导体。随着汽车智能化和电 动化程度提升，单车 MCU 使用量有望达到上百颗。

2、工控：应用场景相对固定，市场规模庞大长期增速较缓

工控是 MCU 仅次于汽车类的第二大应用市场，下游应用主要为工业自动化控制、驱动 电机、表计类应用等。

工业自动化有众多控制需求产生，MCU 是工控系统的重要部分。恩智浦对于工业自动 化的解决方案，采用了支持 CC-Link IE TSN 协议的 i.MX RT1170 跨界 MCU，可以提 供工业控制领域的实时控制。MCU 所支持的整合数字信号处理功能、更强大的 I/O 控 制、网络通信以及触控功能都可以促进生产过程智能化。

工业上常见的直流电机需要 1 个 MCU 进行控制。电机是工业控制领域常见的构成部分， 很多机械的运作都需要借助电机实现精准控制，据恩智浦官网资料，1 个三相直流无刷 电机需要 1 个 KV1x MCU 进行控制，可以实现闭环速度控制和动态电机电流限制。

全球直流无刷电机市场规模逐年增长，MCU 驱动控制芯片需求潜力巨大。直流无刷电 机（BLDC，Brushless Direct Current Motor）转矩密度高，适用于无人机、机器人吸 尘器等众多产品。据 Grand View Research 预测，全球 BLDC 电机市场规模将从 2020 年的 173 亿美元增长至 2027 年的 272 亿美元，2020-2027 年 CAGR 为 6.7%，据 Frost & Sulivan 预测，2018-2023 年中国 BLDC 电机市场规模 CAGR 为 15%，中国市场超 过全球市场的增长速度。

电表需要配置 1 颗 MCU 主要用于计量，智能水表和燃气表需配备低功耗 MCU。智能 电表的核心是 MCU，该 MCU 通过对用户的供电电压和电流的实时采样，完成计量、 显示、信息保存、交换和控制等功能。智能水表及燃气表也需要 MCU 完成实时计量， 但水表和气表内芯片对功耗要求较高，通常使用低功耗 MCU。

智能表类产品存在更换周期，表计类 MCU 年均消耗可望达上亿颗。中国国家电网的智 能电表在 2019 年开始集中照标，2014-2015 年逐步达到招标量高点，但是智能电表的 使用寿命一般在 10 年左右，早期投入的智能电表陆续进入更换周期，2018 年开始国网 的招标量出现回升。据国家电网数据，2020 年，国网招标量达到 5221.7 万只。考虑到 全球范围内的智能电表、水表和气表的安装更换，表计类产品每年消耗 MCU 有望达到 上亿颗。

变频器是应用广泛的电力控制设备，常用 MCU 作为主控芯片。变频器是应用变频技术 与微电子技术，通过改变电机工作电源频率的方式来控制交流电动机的电力控制设备。 变频器通常会使用 MCU 作为主控芯片，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电 压，同时还有过流、过压、过载保护等功能。变频器的应用包括：

1）变频节能，比如 恒压供水、中央空调和各类风机等；

2）工业自动化，比如电梯的自动控制、玻璃窑搅 拌、汽车生产线等；

3）机械设备控制领域，比如传送、起重、挤压和机床等。

逆变器是把直流转换成交流的变压器，也需要 MCU 作为主控芯片。逆变器是把直流电 能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（比如 220V 交流电）的转换器。 逆变器内的 MCU 控制电压变化，广泛应用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、 缝纫机、洗衣机、抽油烟机、冰箱、风扇等。

工控 MCU 市场需求较为稳定，工业控制市场规模稳步增长。工业控制是指利用电子电 气、机械、软件等组合实现工厂自动化控制，主要是利用计算机技术、微电子器件以及 电气设备，力图使工业生产制造更加自动化、效率化和精确化，并具有可控性和可视性。 据 Prismark 预计，2019-2023 年全球工业控制市场规模将从 2310 亿美元增长至 2599 亿美元，CAGR 为 2.99%。随着工业应用市场对于控制系统提出更多新需求，MCU 等 微电子器件作为智能工控的基础，将得到稳步发展。

3、家电：智能化和变频化带来 MCU 增量市场

家电市场主要分为大家电和小家电，大家电是指以空调、冰箱和洗衣机为主的白色家电， 小家电主要是指以家居和厨卫等应用为目的的家用电器，包括豆浆机、破壁机、电磁炉、 电风扇、电吹风等日用电器。大家电出货量未来增长相对有限，但智能化和变频化趋势 有望提升 MCU 需求；新兴小家电在出货量和智能化方面均有不错的增长空间。

智慧家居带动家电 MCU 升级，32 位 MCU 控制系统助力设备联网及高阶功能。以传统 冰箱为例，过去冰箱大都仅区分为上下两个空间，即冷藏室和冷冻室，MCU 需要完成 的功能仅仅是控制两个储物空间达到预先设定的温度即可。随着人们对生活品质追求的提高以及家电行业制造技术的进步，当下的冰箱已经迈向智能化发展时代，开辟多个储 物空间，并可通过设置实现速冻、保鲜等特殊功能。在家用双开门云冰箱中，运用 32 位 MCU 作为控制主体，通过外接模块或按键，实现温度调节、Wi-Fi 连接、智能显示 等功能。家电应用场景的智能化，以及需求多样化，对家电 MCU 提出更高的要求，也 进一步促进了各类 MCU 在家电领域的应用。

小家电智能化成为标配，功能多样性提升单台设备 MCU 使用量。传统电磁炉 MCU 主 要是需要满足按键控制的功能，锅灶联动式电磁炉具有电磁炉主控 MCU 和锅盖主控 MCU，锅盖 MCU 可借助温度检测和泡沫检测进行智能检测和调整，达到无需看管的目 的。对于空气净化器，可用一个 8 位 MCU 控制出风系统，同时加一个 32 位 MCU 达 到检测外界光线、湿度、粉尘以及机身倾斜等功能。小家电逐步迈向智能化阶段，感知 能力和控制处理能力升级有望带动单台设备 MCU 使用量提升。

家电内置运算性能更强的高阶 MCU，结合多种外设带领家电紧随 IoT 趋势。以意法半 导体的 STM32H7X3 系列为例，该系列为 ARM Cortex-M7 内核，在智能家电显示控制 板的系统架构中，ITCM 和 DTCM 主要放置常用代码；实时控制部分通过 SDMMC 和 传统通讯接口，进行传感器以及马达驱动控制，在执行上实现了真正的零等待过程，同 时外接一个 RGB 显示屏将电饭煲的实时处理过程可视化。

大家电 MCU 市场规模较为稳定，变频化趋势带来 MCU 产品结构升级。据国家统计局 和产业在线数据，2019 年中国空调产量为 2.19 亿台，其中变频空调产量 0.69 亿台， 占比 32%，2013-2019 年中国空调产量 CAGR 为 7.4%。2019 年冰箱和洗衣机销量合 计为 1.44 亿台，其中变频冰箱和洗衣机合计销量 0.46 亿台，占比 32%，2012-2019 年冰箱和洗衣机销量 CAGR 为 1.36%，增速较缓。从变频占比来看，2017-2019 年中 国变频空调产量占比迈上 30%的台阶，变频冰箱和洗衣机占比逐年增大，变频化趋势 下大家电变频 MCU 比例也随之上升。

小家电市场规模稳定增长，叠加智能化趋势带来高性能 MCU 增量空间。据前瞻产业研 究院数据，2021 年中国小家电市场规模预计为 5127 亿元，2012-2023 年中国小家电 市场规模 CAGR 预计为 13%，市场规模稳定增长。微波炉、电饭煲和电风扇等小家电 是较为成熟的市场，传统小家电在智能化升级过程中有望采用更高级的 MCU 来实现更 复杂的功能，传统小家电的 MCU 需求较为稳定。对于榨汁机、豆浆机等新兴小家电， 受人们健康生活理念的影响，新兴小家电出货量有望增长，智能化趋势带来 MCU 增量。

4、泛消费：传统消费相对稳定，消费医疗等带来增量需求

泛消费大类包括消费电子等常见产品，其中消费电子包括手机、电脑、可穿戴设备等电 子产品，一般 MCU 会用于主控、触控和无线连接等功能。

智能手机：NFC、触控等功能需要搭配 MCU。例如，苹果 11 Pro Max 内配备 1 颗意 法半导体 MCU 用于支持 NFC 功能。据集微网信息，iPhone 11 Pro Max 内包含 1 颗意 法半导体 ST33G1M2 MCU，据意法半导体介绍，ST33G1M2 既可集成在 NFC 通用集 成电路卡模块内，处理手机支付以及 SIM 卡应用和用户数据存储任务，又可用作 NFC 智能手机的专用嵌入式安全芯片，表明智能手机内也会配备 MCU 完成一定的辅助功能。 触控和指纹等模组内也会用到 MCU。

据 IDC 统计数据，全球智能手机全年出货量较为稳定，2016-2020 年全球智能手机出 货量 CAGR 为-3.23%，受到 5G 建设的带动，全球智能手机 5G 化普及加快，全球智 能手机年均出货量维持在 13 亿左右，市场规模较为稳定。

电脑键盘鼠标和平板电脑内部也需要 MCU，年均 MCU 需求预计超过 5 亿颗。每台电 脑都会配置相应的键盘和鼠标，键盘和鼠标的控制也需要 MCU 参与。平板电脑与手机 类似，内部也需要 MCU 芯片。据 IDC 数据，2020 年由于疫情的原因，PC 和平板电脑 的出货量较正常年份增幅较大，分别出货 3.03 亿台和 1.64 亿台，按照正常年份的水平 来估计，预计全球电脑相关产品和平板电脑每年消耗的 MCU 将超过 5 亿颗。

TWS：充电盒配备 1 颗 MCU 用做主控芯片，无线耳机里面暂未配备 MCU。根据快科 技网站的拆解图来看，苹果 Airpods 型号的 TWS 耳机充电盒内配备了 1 颗 ST L072Z16D 的 MCU，用来实现管理电池信息、保证充电仓与耳机的通信、耳机配对等 功能，监控锂电池的工作状态和霍尔开关的闭合状态，还需要负责系统中其他 IC 的使 用，控制电源 IC 的输出，实现对 TWS 耳机的充电，目前多数 TWS 的耳机部分暂未配 备 MCU。根据与非网信息，华为 FreeBuds Pro 充电盒内的核心芯片是 1 颗国民技术 的 N32G4FR MCU，该 MCU 不仅可作为通用型 MCU，还支持市场主流半导体指纹和 光学传感器，同时内部集成了多种密码算法硬件加速引擎。

全球 TWS 出货量增速高于 Airpods 系列出货量增速，非苹果系 TWS 占比逐步提升。 据 DIGITIMES 数据，2020 年全球 TWS 耳机出货量为 1.84 亿副，其中 Airpods 系列出 货量为 0.87 亿副，2018-2020 年全球 TWS 耳机出货量 CAGR 为 73.47%，高于 Airpods 系列的 CAGR（47.16%），并且 Airpods 系列出货量占全球 TWS 耳机出货量的比例从 2018 年的 68.95%降为 42.10%，非苹果系 TWS 占比逐步提升。

智能手表、智能手环：通常也都配备 1 颗低功耗 MCU 用于通信、传感等。目前智能手 环和智能手表主要采用“MCU+低功耗蓝牙通信方案+惯性传感器产品+电源”的方案， 其基本原理主要是通过 MCU 来控制蓝牙、传感器、LED 和振动器。从小米手环 3 的拆 解图可以看到，其将蓝牙和 MCU 整合在一起，而小米智能手表则采用一颗意法半导体 的高性能超低功耗 MCU，对其他器件进行控制。

智能穿戴设备的普及率不断提高，市场规模逐步扩大带动低功耗 MCU 使用量提升。随 着硬件创新，功能日益增加，智能手表正逐步走向成熟，与智能手机形成更加完整的生 态圈。通过定位运动、健康、移动支付等领域，行业将持续发展，据 Gartner 数据，预 计 2022 年全球智能手表终端用户支出将达到 313.4 亿美元，2019-2022 年 CAGR 为 19.2%。对于智能手环，由于其价格低廉，与智能手表有明显的价格差距，主要应用场 景简单，预期未来仍将保持稳定增长，据 IDC 数据，2020 年中国智能手表出货量约为 4000 万块，二者将一起推动 MCU 市场规模进一步扩大。

云台相机以及手机云台内也会配备 MCU。云台是指安装或固定摄像机的支撑设备，也 可安装到无人机上，可随时拍摄高精度的稳定画面。当前随着短视频、直播以及 Vlog 等记录生活动态的各种方式兴起，云台相机以及手机云台的市场规模逐步扩大，云台相 机是指本身就自带摄像头的相机，可以不借助其他设备就能拍摄照片或视频；手机云台 用以将手机固定在云台上，达到防止抖动以及拍摄特定角度的需求。云台自身是一个电 子设备，也需要 MCU 协助进行控制。

医疗电子也是MCU用量较大的领域，家用医疗产品的普及以及更多医疗设备的智能化， MCU 将在医疗电子领域占据更多的市场份额。

在医疗领域，常见的额温枪、血压计、雾化器和血氧仪等医疗仪器设备中都会用到 MCU。 以 MCU 在额温枪中的应用为例，中微半导体的高精度 ADC 额温枪解决方案，采用了 8051 MCU 进行设计，有效简化了外围电路，且可达到较高的测量精度。

5、IoT：长期成长空间巨大，通信协议+MCU 集成是主要趋势

IoT 市场规模大且增速快，是未来 MCU 用量增长的重要领域。随着智能家居的普及，众多新兴电子产品的销量提升，以及众多传统产品接入网络，对于 MCU 的需求将会得 到大幅提升。

扫地机器人除了主控 SoC 外，一般配至少两颗 MCU，一颗用于电机驱动，一颗用于传 感器控制。技术进步让更多的家务可以通过机器来完成，消费升级的背景下大部分人群 有意接受更为智能的家居产品。扫地机器人是近些年来的家电爆品之一，具有吸尘、清 扫、擦地等功能。目前全球已有较多知名企业切入扫地机器人领域，国外有 iRobot 和 戴森等，国内有科沃斯、小米、美的、海尔等。根据快科技网站拆解，米家扫地机器人 内有 2 个 MCU（德州仪器与意法半导体各 1 个），TI MCU 用于 LDS 激光测距传感器， 还有 1 个 ARM Cortex-M3 架构的 ST MCU。根据奥维云网数据，2020 年中国扫地机 器人销量达到 654 万台。

未来家居产品芯片含量增大，智能家居渗透率提升带来新增长动力。据 Statista 预测， 全球智能家居市场出货量将由 2019 年的 8.33 亿台增长至 2023 年的 15.57 亿台，4 年 CAGR 为 16.9%；据 IDC 数据，中国智能家居出货量将由 2018 年的 1.56 亿台增长至 2023 年的 4.53 亿台，5 年 CAGR 为 21.5%。智能家居融合物联网、云计算和大数据 等技术，对 MCU 芯片产品性能和数量需求迅速上升，预计未来家居产品中 MCU 含量 将大幅提升。

通信协议+MCU集成是未来物联网设备发展的主要趋势。目前通信方案主要有两种，

1） 单芯片集成协议 MCU，主要用于智能灯泡、智能插座等比较简单的控制电路，例如小 米智能插座使用 Marvell 的 EZ-Connect 无线物联网平台芯片解决方案，主控采用 88MC200-NAP2 高集成度低功耗 MCU。

2）双芯 MCU+通信模块，双芯片方案主要用 于智能摄像头、智能音箱等运算要求高的电路，但其结构会增加设计和生产过程中的复 杂性和安全风险。未来集成传感器+MCU+无线模块的方案是各 MCU 厂商的方向。

无人机：通常会配备多颗 MCU 完成电机控制等功能。据集微网拆机信息，大疆 Mavic Mini 无人机内包括 2 颗 MCU，包括 1 颗恩智浦 i.MX RT 系列的跨界 MCU。据恩智浦 官网介绍，恩智浦 MCU 用在无人机里可以用来控制 4 个机翼的电机。大疆 Mavic Mini 无人机内另一个是国产的华大半导体 MCU，预计随着无人机的功能愈加多样化，1 台 无人机至少会配备 2 颗及以上 MCU。

2020 年全球企业级及零售领域无人机销量合计约 50 余万台。据 Gartner 预测，2020 年全球物联网（IoT）企业级无人机（无人飞行器）的总出货量将达到 52.6 万台，同比 增长 50%，预计 2020-2023 年企业级无人机出货量 CAGR 为 34.25%；2020 年零售领 域的无人机出货量约为 2.5 万台，预计 2023 年零售领域无人机出货量将为 12.2 万台， 2023 年企业级和零售领域无人机出货量合计将达到约 140 万台。

全球物联网设备连接数量逐年增长，将会带动 MCU 出货量上升。根据 GSMA 统计数 据显示，2010-2020 年全球物联网设备数量高速增长，复合增长率达 19%，2020 年， 全球物联网设备连接数量高达 126 亿个。GSMA 同时预测，2025 年全球物联网设备联 网数量将达到约 246 亿个。万物互联成为全球网络未来发展的重要方向。几乎所有物联 网设备内部的控制系统都会采用 MCU，物联网设备的不断增多将会为 MCU 市场带来 增量因素。

电动两轮车以及共享单车需要利用 MCU 作为控制芯片。电动两轮车以及自行车作为对 汽车出行的补充，是中短途通勤的便捷交通工具。电动两轮车现在的智能化趋势也愈加 明显，在仪表盘、电机控制等部分需要 MCU 进行控制。近年来随着共享单车的兴起， MCU 也在共享单车的电池管理中承担重要作用。

中国电动二轮车每年销量约 5000 万台，每年消耗上亿颗 MCU。据前瞻产业研究院数 据，2021 年中国电动两轮车销量预计达到 5000 万台，全球其他国家还有销量贡献， 若以平均每台电动两轮车消耗 10 颗 MCU 计算的话，全球每年电动两轮车消耗的 MCU 数量将高达约 5 亿颗。

6、预计未来全球 MCU 出货量稳步增长，平均价格相对稳定

根据 IC Insights 数据，2020 年全球 MCU 出货量预计约 240 亿颗。根据我们从众多公 司官网以及拆机类网站搜集的信息，对各大领域做出如下预估：

1）汽车：传统燃油汽车的整车热管理系统、照明系统、车身控制、车载影音娱乐系统 需要 MCU，新能源车相较传统燃油车新增加了电机驱动控制、充电逆变、电池管 理等系统，对 MCU 带来增量需求。预期未来汽车电动化和智能化进一步普及，单 车 MCU 的用量将会持续增加；

2）工控：MCU在工控领域的应用较为广泛，部分领域的MCU消耗量不便于统计预估， 同时由于通常将家电类 MCU 归于工控类，则全球工控类 MCU 年均出货量预计达 到几十亿颗。工业领域的增速为低个位数增长，主要受益于工业自动化程度提高带 来的 MCU 用量提升；

3）家电：智能化和变频化带来 MCU 需求提升，产品智能化带来更多的控制需求，变 频产品比例提升，以及新兴家电带来 MCU 的消耗量提升；

4）泛消费类：手机、电脑和平板电脑等主要电子产品每年出货量较为稳定；以 TWS 为代表的可穿戴设备近年来逐步兴起，预期每年消耗 MCU 达 4 亿颗左右，未来随 着可穿戴设备渗透率的提升，MCU 还有增长空间；电脑产品及周边、平板电脑等 市场需求较为平稳；

5）IoT：物联网整体出货量仍有较大提升空间，以扫地机器人和无人机为例，扫地机 器人每年出货约 1000 万-2000 万台，无人机每年出货达千万量级，IoT 设备或新兴 应用的出货量仍有很大的上升空间，IoT 有望成为未来 MCU 出货量的重要驱动领域。

从价格端来看，全球 MCU ASP 在 2018 年降幅较大，主要系：

1）2018 年全球 MCU 出货量达到相对高点，全球 MCU 营收增幅小于全球 MCU 出货量增幅，2018 年后 MCU 市场相对低迷；

2）自 2017 年 6 起，ARM Cortex-M0 和 M3 处理器内核取消预付授权 或者评估费用，改以产品成功量产出货后才收取版税的模式运作，降低开发风险，厂商 利用 M0 及 M3 内核设计 MCU 产品的成本得到降低，授权及版权费用开销得到缓解。 2018 年全球 MCU ASP 相对较低，之后的年份 ASP 逐渐趋稳。

三、短期供需错配价格提升，长期供需结构相对健康

1、MCU 缺货状态持续，海内外厂家货期延长价格上升

20Q3 以来全球 MCU 进入供不应求状态，涨价缺货状态持续至今，除了原厂和渠道商 价格上涨外，交货周期也呈现出延长局面。从 MCU 原厂及渠道商提价趋势、MCU 整 体交货周期及海外巨头展望多个维度整体展现本轮 MCU 缺货涨价情况。

从 MCU 原厂来看，MCU 厂商均多次上调 MCU 价格。国际巨头 ST 在 2020 年底和 2021 年 5 月两发涨价函，宣布调涨逻辑 IC 价格；瑞萨也于 2021 年 1 月调涨部分逻辑 IC 价 格；国内 MCU 龙头厂商兆易创新在 2021 年 1 月/4 月两次上调 MCU 价格；另外，中国台湾 MCU 大厂盛群于 2021 年 4 月宣布暂停 2022 年订单并预计近期将涨价 15%-30%，新唐等在此前也纷纷调涨 MCU 价格。

受本轮 MCU 涨价影响，自 2020 年下半年起，中国台湾 MCU 厂商营收同比大幅增长， 新唐、盛群、松翰月度营收同比增速自 2020 年 4 月以来均保持在 10%以上。盛群 21Q1 营收同比增长 42%，毛利同比增长 46%，并且 2021 年盛群订单全满，交货期长达 6 个月，相较以往 3-4 个月延长；凌通业绩大幅改善，2021 年 1 月扭亏为盈，21Q1 营收 同比大幅上升 825%。

从经销渠道价格来看，多款 MCU 型号价格上涨 6-10 倍。根据正能量电子网的数据， 在本轮涨价潮之前，STM32 及 GD32 通用 MCU 渠道价格维持在 5-10 元区间，在 20Q3 起，STM32 通用 MCU 部分型号渠道价格上涨至 55-70 元，兆易创新 GD32 部分型号 渠道价格上涨至 25-30 元，有的甚至飙涨至 60-70 元。

从货期来看，根据富昌电子的数据，2020 年以来，8 位和 32 位 MCU 货期延长至超过 16 周，普遍在 24 周，Microchip 的个别型号货期甚至达到了 55 周。

全球 MCU 厂商对未来 MCU 景气度展望乐观。根据意法半导体展望，本轮 MCU 缺货 仍将至少持续 6 个月至 2021 年底；受新冠疫情影响，恩智浦表示面临产品严重紧缺和 原料成本增加的双重影响，决定全线调涨产品价格；中国台湾盛群、松翰等厂商也表示， 面对 MCU 缺货行情，未来有望继续调涨产品价格。

2、MCU 缺货起源于汽车芯片商后市指引和真实需求的错配

从需求侧情况看，本轮缺货起源于汽车整车厂紧急备货导致上游芯片厂应对不足。 MCU 为汽车 ECU（电子控制系统）的主控芯片，ECU 主要应用在汽车 ESP（电子稳 定程序）和 ECO（智能发动机控制）系统中。在 2020 年上半年，疫情由中国蔓延至全 球，全球汽车销量骤降，全球汽车芯片厂商纷纷对未来后市持悲观预期，降低汽车芯片 库存的同时也下修了代工厂的订单。20Q3 以来，全球汽车需求复苏，出货量远超预期，整车厂商临时加单，汽车 MCU 厂商自身芯片库存较低叠加新增产能短期无法释放，加 剧了汽车 MCU 芯片的缺货程度。根据台积电 Q1 法说会，汽车供应链漫长而复杂，从 芯片到整车厂要经过几级供应商，生产、测试到交付整个周期需要至少 6 个月，汽车 MCU 的紧缺也逐步蔓延至消费和工控 MCU 领域。

从供给侧情况看，汽车 MCU 产能集中，全产业链缺芯情况下汽车 MCU 扩产不及时。

汽车 MCU 制程主要集中在 28nm-40/45nm 和 65nm，属于成熟制程。根据 IHS 数据， 国外大厂均将 MCU 部分或全部外包给台积电等 1-2 家晶圆厂进行生产。

由于各 MCU 厂商一般采用不同的架构，产品覆盖范围不同，面向特定客户，所以产业 链中 MCU 厂商拿到的订单一般较为固定，晶圆厂按计划分配产能。在下游需求扩张的 情况下，如台积电等上游扩产可能并不及时，造成晶圆短缺，MCU 原材料价格上涨。

MCU 特有的经销模式放大了供需缺口。这一轮 MCU 缺货本质上是汽车和 IoT 带来的 MCU 增量市场，同时下游 MCU 产能释放非常有限，形成了供需缺口。由于 MCU 产品 型号众多且下游为长尾市场，MCU 厂商均采用分销商+贸易商的销售模式，在缺货行情 下，经销商会出现结构性的囤货或者炒货情况，也加剧了下游客户对缺货的恐慌程度， 于是纷纷加大对 MCU 备货，放大了供需缺口，渠道端出现价格暴涨的情况。

疫情、火灾、大雪等不可抗因素也加剧了 MCU 产能受限，因此 ST、NXP 等 MCU 厂 商多次发布产品涨价函。从全球 MCU 厂商季度财务数据来看，产能普遍受限情况下库 存占滚动 12 个月营收比例持续下滑。

意法半导体：罢工和疫情影响自有 IDM 产能，库存持续下滑，产品多次涨价。 意法半导体部分产能外包给台积电生产而不受自己支配，而意法半导体部分自有 MCU 产能位于法国 Crolles 和 Rousset，在 2020 年 11 月也因工人罢工而受到影响；意法半 导体另有一座位于马来西亚的封测厂部分产能用于 MCU 生产，2021 年 5 月 12 日至 6 月 7 日期间，受疫情恶化影响，马来西亚实施全国封锁，进一步影响意法 MCU 生产。

产能受限叠加下游订单旺盛，ST 库存占滚动 12 个月营收比例自 20Q2 以来持续下滑， 同时 2020 年至 2021 年 5 月 ST 三发涨价函，其 MDG（微控制器和数字 IC）部门营收 自 20Q1 以来持续上升，主要系缺货带来的产品涨价所致。

恩智浦：德州大雪影响 MCU 8 英寸产线产能，产能紧缺带来产品全线涨价。

恩智浦的 MCU 主要外包给联电和台积电生产，由于晶圆厂扩产及产能分配不及时，恩 智浦 MCU 产能受限；自有产能方面，恩智浦有 2 座主要用于生产 MCU、MPU 等的 8 寸晶圆厂位于美国德州，因受德州大雪影响，于 2021 年 2 月 16 日开始停产，目前虽 复工复产，但产能此前也受到影响。

产能不足的情况下，恩智浦库存在 20Q3 出现大幅下滑局面，存货占滚动 12 个月营收 比例也逐季下降至历史低位，因此 NXP 在 2020 年底宣布产品全线涨价。在高景气度 下，恩智浦汽车业务 2020 年全年营收 38.3 亿美元，在进入 20Q2 以来，汽车业务营 收持续上升。

瑞萨电子：火灾影响自有产能，存货水平逐步下滑同时营收稳步恢复。

瑞萨自 2012 年裁员起，就将部分 MCU 产能外包给台积电生产，而今年瑞萨或将继续 转移产能。自有产能方面，2021 年 3 月 19 日，瑞萨位于日本茨城县常陆那珂市的一座 12 寸 N3 厂发生火灾，该厂主要生产用于汽车、空调系统等的 MCU。火灾烧毁面积约 600 ㎡，约占 N3 楼一楼 12000 ㎡洁净室面积的 5%，烧毁设备为 11 台，约占 N3 楼制 造设备的 2%，受火灾影响设备共计 23 台。2021 年 4 月 17 日，N3 大楼重新开始生产， 产能恢复到不足火灾前 10%；5 月底，产能恢复到火灾前的 88%；截至 6 月 25 日， N3 楼产能全部恢复，但是瑞萨出货量的恢复预计要到 7 月第三周才能完全恢复。

在 20 年上半年由于疫情，瑞萨存货出现积压，而汽车销量下滑更加剧了其库存上升趋 势。在 20Q3 以来，产能受限同时车企订单逐渐增多时，瑞萨库存水平明显下滑。

受本轮 MCU 缺货潮影响，瑞萨于 2021 年 1 月起调涨部分逻辑 IC 和电源产品价格。缺 货涨价带来瑞萨营收稳步上升，瑞萨 2020 年实现营收 7157 亿日元（按 20 年汇率折合 为 67.5 亿美元），其中汽车业务占比 47.6%，实现营收 3410 亿日元（按 20 年汇率折 合为 32.2 亿美元），同比增长 10.4%。

3、MCU 产能释放相对有限，长期供需态势表现健康

我们在第二章对 MCU 下游需求进行了详细拆分，发现 MCU 长期需求持续旺盛，主要 体现在以下几个方面：

1）汽车智能化和电动化带动单车 MCU 需求量提升，同时新能 源汽车智能化和电动化程度均要高于燃油车，且新能源车在电池管理等方面更为先进， 相较传统燃油车单车 MCU 颗数更多；

2）在工控领域，光伏电站等新能源逐渐普及拉 动逆变器、整流器等需求，带动 MCU 需求上升；

3）在家电领域，智能化变频化等智 能家居需求同样拉动 MCU 增长。

4）在疫情得到控制之后，消费电子等产品出货量也 有望逐步恢复。

综合来看，我们认为 MCU 未来几年将呈现较为明确的成长趋势。

从制程节点看，全球 MCU 制造目前主要是 40nm 及以上的成熟制程工艺节点，先进车 用 MCU 已采用 28nm 制程。目前 MCU 主要集中于成熟制程，一方面系 MCU 本身对 算力要求有限，暂不需要 14nm 及以下制程，另一方面，MCU 内置的嵌入式存储自身 制程也限制 MCU 制程的提升。

嵌入式闪存（eFlash）是 MCU 中必不可少的组成部分，它不仅需要用来存储代码，而 且需要用来存储使用过程中产生的数据，当前制造 MCU 能达到的制程节点很大一部分 原因是受限于 eFlash 制程工艺。制造 MCU 时，其存储模块的解决方案有两种：嵌入 式存储器（eNVM）和系统级封装 （片外存储器-SiP）。

eNVM 工艺：是在逻辑工艺平台基础上开发的特殊工艺，通过这种工艺生产出带有非挥 发存储器模块的芯片。对于不同的 eNVM 工艺，需要增加不同层数的光罩，因此它的 工艺成本相比于逻辑工艺有一定增加。

SiP 解决方案：通过 SiP 方式把一颗 NOR 闪存芯片和逻辑芯片封装在一起，代码和数 据存储在独立、外挂的 NOR 闪存芯片上。例如兆易多个产品系列均使用 SiP 封装模式。

目前，世界多数 MCU 厂商主要使用 eNVM 方案，但 SiP 方案对于新进入的公司很有吸 引力，因为这种设计简单，设计周期短，从而使厂商降低设计成本，加快上市速度。然而，SiP 解决方案无法满足特定应用场景的所有要求，综合考虑到成本、功耗、速度、 安全性、稳定性和可靠性要求，很多应用场景下，使用 eNVM 是更好的解决方案。

从意法半导体的各产品系列来看，大部分产品还是集中在 180/130nm、90nm 和 40nm 等成熟制程范围。180/130nm 主要是主流型系列（Mainstream），包括 STM32F0/F1/F3 以及 8 位产品 STM8 系列；110nm 产品包括超低功耗的 STM32L0/L1；90nm 制程覆盖 的产品系列较广，涵盖了高性能、主流、超低功耗和无线四大类；最先进的 40nm 制程 主要是最近几年推出的产品，包括 2019 年推出的 STM32MP1（MPU）和高性能 H7， 以及 2021 年推出的超低功耗 STM32U5。公司 40nm 制程主要是 2019 年推出的 H7 系 列以及 2021 年推出的 U5 系列，产品型号数量合计占比约 10%，表明 ST 目前 MCU 主要还是以 90nm 及以上制程为主。

恩智浦和瑞萨是全球主要的汽车 MCU 供应商，它们最先进的车用 MCU 已经采用了 28nm 制程。中颖电子、复旦微等国产 MCU 公司制程主要集中在 90nm 及以上微米级 别，兆易创新、乐鑫科技、东软载波等最先进制程 MCU 已经达到 40nm，兆易创新的 GD32E507/GD32E505 高性能微控制器，采用台积电低功耗 40nm 嵌入式闪存制程。

全球 MCU 龙头均为 IDM 厂商，90nm 及以上更成熟的制程主要使用自身的 8 英寸产线 进行制造，但部分先进制程会外包给技术领先的晶圆代工厂。以 ST 为例，ST 共有 13 个生产基地，其中全球共有 3 个工厂用于生产 MCU，主要位于新加坡和法国，包括 8 英寸和 12 英寸产线，由 2020 年年报信息，ST 所有芯片产品中约 24%是由代工厂生产 的，ST 的总产能达到了约当 8 英寸 12 万片/周；恩智浦收购飞思卡尔后，位于美国的 工厂成为了生产 MCU 的主力；微芯有 3 个 Fab 用于生产 MCU，均位于美国，由 2020 年年报可知，微芯 2020 年有 61%的半导体产品由外包工厂生产。当 MCU 步入 90nm/55nm/40nm/28nm 工艺时，自身 8 英寸在技术上很难满足生产制造，因此传统 MCU IDM 厂商逐步将 MCU 外包给 TSMC、UMC、格芯等代工厂进行代工制造。

全球 MCU 代工厂主要集中在台积电、联电、格芯、中芯国际和华虹等，ST、NXP、 瑞萨主要给 TSMC/UMC 代工，国内兆易创新等厂商主要在华虹代工，SMIC 给兆易创 新和芯海科技等代工，国内厂商也在 TSMC/UMC 等代工。

对于全球主要的 MCU 代工厂，台积电的 eFlash 制程范围最广，为 22nm-0.5um，联 电最先进的 eFlash 技术可达到 40nm，格芯最先进的 eFlash 技术可达到 40nm，同时 格芯已掌握 22nm eMRAM 技术。

台积电：全球技术最先进的芯片代工厂，2018 年 eFlash 晶圆出货量位列全球第一，同 时 2018 年推出了用于汽车的 40nm eFlash 技术量产，当前已经代工汽车领域的 28nm MCU，截至 2019 年年报，台积电已具备了 22nm-0.5um 的 eFlash 技术。

联电：2017 年推出 40nm eFlash 技术，也是公司目前能达到的最先进 MCU 制程，联 电用于制造 MCU 的制程都是 40nm 及以上成熟制程，目前 28nm 和 22nm eFlash 技术 正在开发中。

格芯（Global Foundries）：最先进的 eFlash 制程为 40nm，据官网信息，由于 eFlash 发展到 28nm 以后，在制造工艺上会遇到一定的限制，且 eMRAM（另一种非易失性存 储器，磁性随机读取存储器）有望达到比 eFlash 更好的性能，格芯已于 2020 年投产 22nm eMRAM。格芯在全球拥有 5 家 8 英寸晶圆厂和 5 家 12 英寸晶圆厂，近期格芯宣 布将在新加坡新建 12 英寸晶圆厂，预计 2023 年完工，当下新加坡晶圆厂的制程为 40nm-180nm，届时年产能将增加 45 万片，整体新加坡厂区年产能上升至 150 万片， 以此支援终端市场高速增长的需求。

台积电营业收入以 14nm 及以下先进制程为主，多用于智能手机及 HPC 等高性能应用。 据台积电公告，公司 21Q1 营收中，28nm 及以下制程合计占比高达 74%，是公司营收 的主要来源，90nm 及以上制程合计占比仅 14%。按平台划分营收，智能手机和 HPC 合计占比达 80%，IoT 和自动驾驶占比分别为 9%和 4%。

台积电 2018 年后 40nm-90nm 制程范围保持相对平稳趋势。21Q1 台积电 40nm-90nm 三种制程合计营收为 16.92 亿美元，三种制程合计营收逐季变化幅度较小，表明该制程 范围扩产有限。21Q1 台积电自动驾驶和 IoT 业务合计营收为 17.77 亿美元，同/环比分 别+25%/32%，2020 年自动驾驶和 IoT 分季度合计营收处于 12.5 亿-13.5 亿美元区间， 21Q1 增幅较大。

联电的营收主要由成熟制程提供，通信、消费和计算机等为主要营收领域。据公司公告， 联电 21Q1 营收中没有 14nm 及以下制程的产品，22/28nm、40nm、65nm 占比都将近 20%，90nm-0.35um 之间的各制程占比接近。按应用领域分类，通信占比达 46%，是 第一大领域，计算机以及消费占比分别为 16%和 27%。

从制程拆分数据来看，联电 40/65/90nm 三种制程合计营收在 19Q1 达到相对低点，此 后逐步上升，21Q1 40/65/90nm 三种制程合计营收为 7.5 亿美元，而后一直保持在 7-8 亿美元营收区间，表明自 19Q4 以来联电并未在 40/65/90nm 制程范围有任何扩产。

目前，国内 MCU 代工厂产能较小，具有 eFlash 技术的 MCU 代工厂有华虹宏力、中 芯国际、上海华力等。从制程上看，华虹宏力拥有的 eFlash 制程范围最广，为 90nm-0.25um。中芯国际目前已拥有 0.162 eFlash 技术，与华虹宏力的 55nm 均在验证中。上海华力拥有 55nm eFlash 技术，40nm eFlash 技术正在开发中。

华虹宏力的 eNVM 销售收入占比较高，MCU 代工是公司主要营收来源之一。华虹宏力 是华虹集团的子公司，是中国大陆地区的重要芯片代工企业，据公司公告，2021Q1 华 虹宏力的 eNVM 销售收入占比高达 31%，仅次于分立器件的销售收入占比，eNVM 是 制造 MCU 的核心技术，根据公司官网，华虹宏力目前拥有 90nm-0.25um eFlash 技术。 据公司 21Q1 按工艺技术节点的销售占比拆分，55nm-0.18um 总营收占比约为 52%。 按技术平台的销售占比划分，eNVM 占比为 31%，eNVM 主要包括 MCU 和智能卡芯片 两大类产品，是公司的主要营收来源之一。

华虹集团的 MCU 技术位居大陆代工企业前列，华虹宏力最先进 eFlash 技术达 90nm。 华虹集团下属多个子公司，包括华虹宏力、上海华力、华虹无锡等，目前华虹宏力和华 虹无锡最先进的 eFlash 技术节点已达 90nm。

华虹 MCU 产能主要集中在 8 英寸产线，8 英寸产线产能利用率持续保持高位。据公司 公告，华虹一厂、二厂和三厂是 8 英寸晶圆厂，MCU 主要使用 8 英寸晶圆生产，从 19Q4 开始，三条 8 英寸产线合计产能达到 17.8 万片/月后就再也没有增加，从 20Q2 开始， 8 英寸产线的产能利用率一直高于 100%，且未来 8 英寸产线没有大幅扩产规划，因此 8 英寸 MCU 产能增长相对有限。

华虹无锡 12 英寸线的产能释放预计会带来 MCU 增量产能。

1）8 英寸产线上的智能卡产能转移至 12 英寸产线，留出 8 英寸 MCU 增量空间。公司 2020 年已将具有 90nm eFlash 技术相关的智能卡产品顺利转移至 12 英寸产线。

2）12 英寸产线 MCU 技术平台逐步完善，预计 21Q3-Q4 逐步输出 MCU 产能。

中芯国际是目前大陆最先进的芯片代工厂，最先进的 eFlash 制程为 0.18。 据公司公告，中芯国际最先进的工艺制程已达 14/28nm，是大陆芯片代工厂里技术最先 进的，但是中芯国际 eFlash 技术目前能达到的最高制程仅为 0.18，并且 0.11um eFlash 技术还在研发当中，后续随着中芯国际在成熟制程领域的发力，我们认 为 0.11um、90nm、40nm 等 eFlash 工艺平台将逐渐成熟，预计 2022 年后将逐步输出 产能。

上海华力最先进的 eFlash 制程已达 55nm。据官网信息上海华力最先进的 eFlash 技术 节点已达 55nm，公司的 55nm 2.5V 和 5V 两个版本均可用于生产 MCU，40nm eFlash 技术正在开发中。上海华力下有华虹五厂和华虹六厂两个 12 英寸晶圆厂，其中华虹五 厂工艺水平覆盖 65/55nm、40nm 和 28nm 技术节点，设计产能为 3.5 万片/月，华虹六 厂主要覆盖 28/22nm 和 14nm 技术节点。

全球主要代工厂均在 2021 年大幅开启资本支出进行产能扩张，但对 40nm 及以上主流 MCU 制程产能扩张相对有限。

1）TSMC：上修 2021 年资本支出为 300 亿美元，其中 80%用于先进制程 （3nm/5nm/7nm），10%用于特殊工艺，10%用于封装及大规模生产。

2）UMC：全年资本支出从 15 亿美元上修至 23 亿美元，主要用于扩产 22/28nm 产品 线。年初确定的 15 亿美元资本支出大部分将用于扩产南科 12A P5 厂，以 28nm 及 以下制程为主，2021 年南科 12A P5 厂产能预计增加 1 万片/月。南科 12A P6 厂计 划未来三年扩建，总资本支出约 1000 亿新台币。另外，厦门 12X 厂（28/40/65nm） 产能目前已扩产至约 2.5 万片/月。

3）格芯：扩产主要集中在 12-90nm 制程，位于新加坡的晶圆厂预计 2023 年投产，每 月增加 3.75 万片产能，总产能增至 12.5 万片/月。

4）中芯国际：2021 年资本支出为 43 亿美元，其中大部分用于扩产成熟工艺，小部分 用于先进工艺、北京合资项目土建及其他。8 寸在 2021H2 有望增加 4.5 万片/月， 目前已建设 1/3 产能。12 寸方面，2021 年 3 月中芯国际在深圳项目上签署合作协 议，计划建设一条 4 万片/月的成熟制程产线。另外在 2021 年底，12 寸线有望增加 1 万片/月产能。

5）华虹：2021 年资本支出为 13 亿美元，华虹无锡 12 英寸产线当前月产能 4 万片（功率分立 1.8 万片+CIS 1 万片+嵌入式和 BCD 工艺 1 万片等），制程以 90nm 为主， 预计年底达到 6.5 万片，后续增加产能以 55nm 为主，新增产能主要分配给 CIS、 MCU 等 eFlash 产品。

四、全球 MCU 市场高度集中在海外 Top5 厂商，多因素共振加速国产替代

1、全球 MCU CR5 市占率高达 75%，内生外延完善产品布局

全球 MCU 竞争格局稳定，CR5 市场占有率超 75%。MCU 在海外是一个很成熟的行业， 已经形成非常稳定的竞争格局，全球前五大 MCU 厂商市占率合计超 75%，目前巨头均 形成比较有特色的布局。瑞萨的汽车业务占比较高，收购 IDT 和 Dialog 布局 IoT；NXP 是老牌 MCU 龙头，收购飞思卡尔和 Marvell 业务强化汽车和无线 MCU 业务；英飞凌 收购 Cypress 完善汽车和工控 MCU 品类；ST 是 32 位 ARM 架构 MCU 龙头，主营消 费和工控领域；微芯主要聚焦在 8 位 MCU 等低成本、稳定性高产品上，收购 Atmel 拓 展 32 位 ARM 平台。

根据全球 MCU 巨头官网信息，我们按照产品线、产品系列和产品型号对各公司产品进 行分类统计。

1）产品线：根据产品主要应用领域，分为高性能、低功耗、通用主流型 和无线等；

2）产品系列：每个产品线下的细分系列数，分类标准包括内核、主频、应 用领域等，比如 ST 的 STM32F0、STM32F1 等，瑞萨的 RA 2/4/6/8、RL78 D/F/G/I/L 等，恩智浦的 LPC800、KE/KV 等；

3）产品型号：每个产品系列下的各种产品型号， 针对每个系列产品 Flash、SRAM、接口和封装类型等参数差异进行具体型号分类。

2、8 位 MCU 自研架构百花齐放，ST 借助 32 位 ARM 架构后来居上

综合来看，MCU 当前竞争格局的形成主要是架构变化+并购整合带来的。MCU 从上世 纪 70 年代推出，至今已有约 50 年的历史，不同时间段诞生了不同的 MCU 架构，助力 了不同的 MCU 大厂先后快速崛起。在 MCU 的发展过程中，也有部分厂家因为没有把 握住发展方向或者因为经营不善等原因被其他厂家并购。如今，伴随着并购整合、下游 应用拓宽及产品品类不断丰富，采用不同 MCU 架构的厂家分别形成了自己的竞争优势。

MCU架构从8051发展到AVR再到各家自定义架构，直至如今广泛用于32位通用MCU 的 ARM 架构，每个阶段中，把握主流架构的 MCU 厂家都能快速抢占市场份额。

1970s-1980s，MCU 初露萌芽，Intel 架构主导。MCU 起源于 1971 年，率先由 Intel 设计出集成度为 2000 只晶体管/片的 4 位微处理器 Intel 4004，而后又推出了 8 位微处 理器 Intel 8008；在 1981 年，Intel 推出 8051 MCU，从此 MCU 逐渐成为主流产品， 主要应用于小型计算机、航空航天等领域。从上世纪 70 年代到 90 年代初，市场主流 MCU 采用 Intel 架构，架构具有很强的稳定性，支持 8 位 MCU 蓬勃发展。在当时，飞 利浦的逻辑 IC 事业部（后于 2006 年成立 NXP）等老牌 MCU 厂商都是 Intel 架构的受 益者。

1990s-21 世纪初，各家架构百花齐放。进入上世纪 90 年代之后，基于哈佛架构的 AVR 单片机开发成功，主要应用于计算及外部设备、工业控制、仪表、家电、通讯设备等，AVR 单片机最先得到 Atmel 支持，AVR 单片机具有创新的系统架构、更高的集成度、 同时搭配 Atmel 自有的 Flash 工艺，在性能和功耗上相较于之前的冯·诺依曼架构产品 均有较好表现。

与此同时，各家积极开发自有的架构及内核，成立于 2003 年的瑞萨采用自有的瑞萨内 核，此外还有微芯的 PIC 系列、前 Atmel 的 AVR 系列、前飞思卡尔的 HC05 和 HC08 系列、Motorola 的 MC68HC 系列、TI 的 MSP430 系列等。

2007 至今，ARM 架构异军突起，迅速占领 32 位 MCU 市场。应用侧对性能处理要求 逐步提升，传统 8 位和 16 位 MCU 已经不能满足市场需求，32 位 MCU 渐成主流。最 初，各家基于自身架构开发 32 位 MCU，但之后由于标准化的 ARM 架构推出，ARM 架构各种内核间具有代码兼容性和软件兼容性，用户能够轻易在使用 ARM 架构的厂商 间切换，因此大部分自研 32 位架构均被 ARM 架构取代。

ARM 起初参股投资 Luminary 公司，由其设计开发并在 2006 年推出基于 Cortex-M3 内 核的 ARM-Stellaris 系列 MCU。由于当时市场上多应用 x86 架构及自有架构的 MCU， 而 ARM 架构为通用 MCU 设计，厂商不愿轻易更换架构加上 ARM 架构未经市场检验， 32 位 ARM 内核产品初推时反响平平，合作厂商难以寻找。但手机市场的快速发展给了 ARM 处理器验证的机会，ARM 具有开放的商业模式，能快速导入手机 MCU 中。

在此背景下，ST 于 2007 年 6 月 11 日在中国北京率先推出基于 ARM Cortex-M3 内核 的 STM32F1 产品。ST 选择合作基于 M3 内核优秀的性能，相较之前的 ARM7 TDMI 内核，Cortex-M3 拥有更小的基础内核，使其速度更快、价格更低，采用 M3 内核的通 用 MCU 开发时间更短。

同样注重 ARM 架构的还有 NXP 等厂商，NXP 在 ARM 架构不同内核首款产品发布上 与 ST 你追我赶，在 2007 年 ST 率先推出基于 M3 内核的 STM32F1 系列后，2009 年 3 月，NXP率先推出基于 M0 内核的 LPC1100系列；2010 年 8 月，飞思卡尔半导体（2015 年被 NXP 并购）率先推出基于 M4 内核的 K 系列；2012 年 11 月，NXP 率先推出第一 款基于 M0+内核的 LPC800 系列；2014 年 9 月，ST 率先推出第一款基于 M7 内核的 STM32 F7 系列。

MCU 架构的发展带来产业格局的深刻变化，没能成功赶上主流架构发展浪潮的企业逐 渐退出竞争，被其他厂家并购。

NXP 在实现 ARM 架构布局同时，也积极拓展下游应用领域。NXP 于 2015 年收购飞思 卡尔，开始立足于汽车 MCU 业务；2019 年收购 Marvell 的无线连接业务，补充公司在 Wi-Fi 和蓝牙等无线领域的技术实力。

自 2016 年起，微芯科技在通用 MCU 市场份额一直保持第一位。目前，微芯深耕 8 位MCU，在产品稳定性与成本管控上尤其出色，同时微芯于 2016 年通过并购 Atmel 加大 32 位 MCU 产品布局。

英飞凌于 2019 年并购赛普拉斯，进一步完善汽车及消费 MCU 业务。

新唐科技于 2020 年收购松下子公司，极大丰富了新唐的 MCU 产品组合。

瑞萨于 2019 年完成对 IDT 的收购，增强了模拟芯片、传感器与 MCU 的组合，同时目 前正计划并购 Dialog，增强无线连接的实力；通过两次并购，瑞萨希望加速进军工业及 IoT 等领域。

ST 在 MCU 业务上没有进行并购，而是通过完善自身生态，着力于中国区业务使通用 MCU 快速发展。

3、MCU 国产化率不足 15%，缺货涨价等多因素加速替代进程

中国 MCU 市场规模约 250-300 亿元，国内 MCU 厂商市场份额较低。根据 IHS 数据， 2020 年中国 MCU 市场规模预计达到 268.8 亿元，2020-2022 年中国 MCU 市场规模 CAGR 为 8.99%，中国 MCU 市场规模增速高于全球 MCU 市场规模增速。据 CSIA 数 据，2019 年瑞萨电子、恩智浦和微芯是中国 MCU 市场份额占比前三位的厂商，国内 MCU 厂商在中国的市场份额较低，国产化率有待提升。

从下游厂商来看，我国有 100 多家 MCU 公司，但营收体量过亿的不足 15%，合计市 占率亦不足 15%，总体呈现散而弱的局面。从下游应用领域来看，当前国产 MCU 主要 集中在中低端消费领域，初步进入工业级，汽车级 MCU 国产化率较低。

消费级 MCU 是较好的切入口，目前国内 MCU 厂商仍以中低端市场产品为主。消费级 MCU 技术门槛较低，是 MCU 厂商产品切入的理想起点。全球消费电子 MCU 市场主要 被巨头占据，对于国内市场，国产 MCU 厂商占有一席之地，但是目前国内厂商生产的 MCU 主要还是以中低端为主，高端市场应用率还需提高。

工业级 MCU 应用场景广泛，国产厂商可逐步切入更多领域。MCU 是工业控制系统的 核心，工业电子产品同样有着严格的要求。目前全球主要的工控 MCU 供应商是国外的 微芯、德州仪器、意法半导体、恩智浦等国外厂商。国内 MCU 厂商的产品初步进入工 业控制中，但是仍未占据较大市场份额。

汽车级 MCU 要求严格，目前主要由国外 MCU 厂商垄断，国产化率较低。安全是汽车 的第一要义，汽车级 MCU 需要满足严苛的要求，国际汽车电子协会制定了车规级 MCU 的三种标准规范：AEC-Q100 可靠性标准、IATF 16949 规范和 ISO26262 标准。按照 英飞凌官网的数据，2020 年全球 MCU 前六大国外厂商占据的市场份额达 96%，国内 MCU 厂商若想要进入车规级领域，需要过硬的产品品质以及较长的验证时间，车厂一 旦采用某个厂商的产品，一般不会轻易更换。

我国 MCU 国产化率较低，主要原因系：

1）MCU 在终端整机成本占比非常低，且 MCU 又是嵌入式设备的核心，整个系统都是 围绕 MCU 进行配置，因此客户在选择上极为谨慎，不会因为小幅的成本价格优势 切换 MCU 厂商；

2）海外 MCU 厂商产品历史悠久，终端厂商已经适应海外巨头 MCU 产品及其生态， 切换国内 MCU 厂商意愿较低；

3）国内 MCU 厂商数量多，但是营收体量过亿元的非常少，而终端厂商会优先选择产 品线齐全、生态完备的厂商，国内 MCU 小厂商优势不明显；

4）MCU 需要客户二次开发，产品导入周期长，新产品上量慢。

全球 MCU 市场空间超过 150 亿美金，且预计到 2025 年将超过 200 亿美金。当前国产 化率较低，存在巨大的国产替代缺口，20Q3 以来海外 MCU 厂商的缺货涨价有望加速 MCU 的国产替代。

1）ST 采取多级代理模式，交期普遍延长，且今年缺货涨价已经威 胁到国内很多客户供应链安全，下游客户纷纷将 MCU 平台切换至国内厂商；

2）全球 MCU 涨价潮导致成本上升，更具性价比的国内产品具有吸引力；

3）国内多数 MCU 厂 商可以直接对接终端客户，交期相较海外厂商大幅缩短，且技术支持也非常满足本土化 客户需求。

经过十多年的发展，国内 MCU 厂商基本具备国产替代的基本条件。

1）中国具有广泛 的 MCU 下游市场，消费、工控等领域具有较强的产品定义权；

2）MCU 人才在过去十 余年得到了培养和积累，中国 MCU 企业能为国内公司提供更为便捷的服务，可逐步搭建更为完善的产品生态，为各个领域的用户提供更多定制化产品。3）国产 MCU 厂商 了解国内产品生态，更易满足客户的定制化需求，同时产品兼顾性价比优势，逐步展示 出竞争力。

从下游应用领域来看，国内 MCU 厂商拥有多条做大做强的路径。

1）消费级：物联网兴起产生更多需求，借助中国独具优势的消费领域迅速崛起。虽然 国产低端 MCU 竞争加剧，消费行业赛道拥挤，但是国内 MCU 公司可以借助中国 是消费品制造大国的优势，充分发掘国内市场需求，掌握产品定义权，利用特定应 用定制化提供差异化竞争。同时利用消费产品生命周期短的特点，实现 MCU 产品 的快速迭代开发，用原位替换的手段，缩短应用周期，在 AIoT 等新兴领域迅速抢 占市场；

2）工业级：针对关键节点的产品，积极投资工业级高品质 MCU 产品线。工业级 MCU 有鲜明的技术特点，对特定技术指标要求有突出的性能表现，包括超高可靠性与质 量保证、超长工作年限等要求。当前市场上工业级 MCU 还是欧美以及日系拥有技 术优势和产品特色，工控 MCU 品类繁多，国产 MCU 应用进入门槛高，但是当前 对于部分“卡脖子”的关键节点，高端需求逐步释放，国内 MCU 厂商可通过加大 研发投入，强化产品质量控制，打造出可靠耐用的MCU产品进一步切入工业级MCU 应用。

3）汽车级：积极响应国家政策，针对车企需求逐步切入汽车级 MCU 供应链。尽管全 球汽车级 MCU 主要由巨头垄断，同时国内汽车级 MCU 产业基础仍较为薄弱，汽 车电子技术要求高，研发周期长，投入大，对于大部分 MCU 公司来说难以承担失 败的风险。但是目前中国是全球最大的汽车市场，现在国家高度重视汽车产业链发展，国内车企主动拓展国内供应链，有技术实力的 MCU 公司应该在工业级 MCU 的基础上进一步开发汽车级 MCU，对接车企需求，优先开发车企需求对口的产品型号，逐步切入汽车供应链。

国内拥有上百家 MCU 公司，产品主要集中在消费及工控领域。今日半导体统计了中国 62 家 MCU 公司及主要的应用领域。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库官网】。