国产替代意义重大，高端突破任重道远。MCU是广泛应用的基础控制芯片，位于电路系统的中枢位置，其性能参数对整个系统具有决定性作用，搭建电路通常需要以其为核心选择元器件，这使得MCU往往具有更高的使用粘性和国产替代意义。2021年缺芯涨价潮中国厂商充分把握历史级别机遇，与各行各业的终端客户建立了深厚合作关系，积攒了较好的口碑和宝贵的客户验证经验，大幅推进了国产替代进程。2021年全球MCU销售额前十的厂商中首次出现中国大陆公司身影，兆易创新位列第八。目前MCU依然由海外龙头占据主要份额，尤其是高端工业、车规等价值量大、工艺壁垒高的领域，内资厂商话语权依然不足。近年来，相当数量的国产厂商已经在工控、汽车等下游应用中深度布局，开始以点带面逐步突破，MCU国产替代2.0时代，高质量产品竞争已然如火如荼地进行中。
　　 200亿美金宽阔赛道，国内需求欣欣向荣。根据ICInsights数据及预测，2021年全球MCU市场规模约196亿美元，同比增长23.4%，预计至2026年将以6.7%的复合增速达到272亿美元；受益于AIOT、工业控制、汽车电子等应用的蓬勃发展，ASP强劲反弹10%达到0.64美元，且将保持高增态势有望于2026年突破0.75美元。国内市场增速高于全球市场，根据IHS数据统计，2021年中国MCU市场约365亿元，同比增长36%，得益于国内物联网和新能源汽车市场在全球具有的高影响力和不俗增长，未来数年MCU发展将迈入一个新的台阶，IHS预测至2026年市场规模或以约7%的CAGR提升至513亿元。
　　汽车/工控/新兴消费驱动，行业进入高质量发展期。汽车：MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一。电动化是汽车产业从燃油车时代走向节能环保时代的基本的要求，可以视为产业转型升级的上半程，近年来已取得不俗进展，而下半程智能化是提升用户体验的核心，随着汽车半导体行业技术演进和需求升级，智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场，接力电动化成为重要驱动力，MCU作为核心算力芯片有望深度受益。工业：工业设备复杂度提升，MCU需求长期量价双升。增加系统节点、提高控制精度、提升通信连接安全性、降低功耗等需求在工业控制领域具有长期可持续性，工业级MCU市场稳步向好。工厂自动化、电机控制、电源能源等是重要的驱动力，受益本土工业设备崛起，国产工控MCU市场迎来春天。消费：新兴应用层出不穷，MCU市场稳中有进。在目前国内的MCU市场中，消费电子仍是最大的下游，MCU凭借其低功耗、高性价比等优势在泛消费电子领域有非常丰富的应用场景。随着IoT技术的不断发展，在万物互联的需求推动下，各类新兴智能终端为MCU提供了成长空间。
　　下行至暗期已过，板块进入筑底期。价格跌幅收窄：各类主流MCU的渠道价格向常态价不断靠近，跌幅收窄，走势逐步企稳。货期有所缩短：进入2022年四季度以来，包括部分汽车芯片在内，MCU货期有所缩短。原厂库存持续消化：盛群在最新法说会披露预期库存将调整到明年第三季，届时有望回到合理水位，考虑到下游需求疲软，2022Q4投片数预计季减45%。同时，松翰亦在法说会中表示受困于需求端低迷，公司投片量已逐步调整，库存有望陆续下降。整体来看，板块库存随着2023年H1库存状况逐步改善，叠加代工厂价格松动带来的成本优化，2023H2 MCU公司毛利率有望回温。
　　投资建议：国内MCU行业已进入快速上升阶段，产业链公司有望充分受益。建议关注兆易创新、中颖电子、国民技术、中微半导、芯海科技、峰岹科技、乐鑫科技、钜泉科技、国芯科技。
　　风险提示：下游需求不及预期、新冠疫情反复、行业技术迭代不及预期

研究报告全文：行业研究证券研究报告半导体2022年12月31日半导体行业深度研究报告推荐维持国产替代进阶国内MCU厂商砥砺前行国产替代意义重大高端突破任重道远MCU是广泛应用的基础控制芯片华创证券研究所位于电路系统的中枢位置其性能参数对整个系统具有决定性作用搭建电路通常需要以其为核心选择元器件这使得MCU往往具有更高的使用粘性和国证券分析师耿琛产替代意义年缺芯涨价潮中国厂商充分把握历史级别机遇与各行各2021电话0755-82755859业的终端客户建立了深厚合作关系积攒了较好的口碑和宝贵的客户验证经邮箱gengchenhcyjscom验大幅推进了国产替代进程年全球销售额前十的厂商中首次出2021MCU执业编号S0360517100004现中国大陆公司身影兆易创新位列第八目前依然由海外龙头占据主MCU要份额尤其是高端工业车规等价值量大工艺壁垒高的领域内资厂商话行业基本数据语权依然不足近年来相当数量的国产厂商已经在工控汽车等下游应用中深度布局开始以点带面逐步突破MCU国产替代20时代高质量产品竞占比股票家数只117002争已然如火如荼地进行中总市值亿元2657919305200亿美金宽阔赛道国内需求欣欣向荣根据ICInsights数据及预测2021流通市值亿元1695363256年全球MCU市场规模约196亿美元同比增长234预计至2026年将以67的复合增速达到272亿美元受益于AIOT工业控制汽车电子等应用相对指数表现的蓬勃发展强劲反弹达到美元且将保持高增态势有望于ASP1006420261M6M12M年突破075美元国内市场增速高于全球市场根据IHS数据统计2021年绝对表现-44-156-344中国MCU市场约365亿元同比增长36得益于国内物联网和新能源汽车相对表现-46-29-134市场在全球具有的高影响力和不俗增长未来数年MCU发展将迈入一个新的台阶IHS预测至2026年市场规模或以约7的CAGR提升至513亿元2021-12-302022-12-290汽车工控新兴消费驱动行业进入高质量发展期汽车MCU是汽车从电-14动化向智能化深度发展的关键元器件之一电动化是汽车产业从燃油车时代211222032205220822102212走向节能环保时代的基本的要求可以视为产业转型升级的上半程近年来已-28取得不俗进展而下半程智能化是提升用户体验的核心随着汽车半导体行业-43技术演进和需求升级智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场接力电动化成为重要驱动力MCU作为核心算力芯片有望深度受益工业工业设备复半导体沪深300杂度提升MCU需求长期量价双升增加系统节点提高控制精度提升通信连接安全性降低功耗等需求在工业控制领域具有长期可持续性工业级相关研究报告MCU市场稳步向好工厂自动化电机控制电源能源等是重要的驱动力半导体行业深度研究报告半导体硬核资产有受益本土工业设备崛起国产工控MCU市场迎来春天消费新兴应用层出望迎来黄金发展期不穷MCU市场稳中有进在目前国内的MCU市场中消费电子仍是最大2021-01-18的下游MCU凭借其低功耗高性价比等优势在泛消费电子领域有非常丰富集成电路行业深度研究报告供需错配带动行业周期上行封测龙头盈利能力有望持续提升的应用场景随着技术的不断发展在万物互联的需求推动下各类新兴IoT2021-01-07智能终端为MCU提供了成长空间功率半导体行业深度研究报告供需错配驱动下行至暗期已过板块进入筑底期价格跌幅收窄各类主流MCU的渠道价行业进入涨价周期国产厂商盈利能力有望持续释放格向常态价不断靠近跌幅收窄走势逐步企稳货期有所缩短进入20222020-12-02年四季度以来包括部分汽车芯片在内MCU货期有所缩短原厂库存持续消化盛群在最新法说会披露预期库存将调整到明年第三季届时有望回到合理水位考虑到下游需求疲软2022Q4投片数预计季减45同时松翰亦在法说会中表示受困于需求端低迷公司投片量已逐步调整库存有望陆续下降整体来看板块库存随着2023年H1库存状况逐步改善叠加代工厂价格松动带来的成本优化2023H2MCU公司毛利率有望回温投资建议国内MCU行业已进入快速上升阶段产业链公司有望充分受益建议关注兆易创新中颖电子国民技术中微半导芯海科技峰岹科技乐鑫科技钜泉科技国芯科技风险提示下游需求不及预期新冠疫情反复行业技术迭代不及预期证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号未经许可禁止转载半导体行业深度研究报告投资主题报告亮点全面论述MCU行业的发展情况和未来趋势本报告主要可分为三个部分第一部分对MCU原理分类现状发展趋势等情况进行了细致的分析重点描述了技术演进趋势层出不穷的新兴需求市场空间以及强者恒强的竞争格局第二部分对下游驱动力进行了深入细致的分析认为汽车和工控市场对下一阶段MCU产业的发展和竞争格局演进具有十分重要的战略意义其中在工业部分着墨较多将工业市场拆解为自动化电源能源电机控制三个细分领域进行重点分析阐述了国产厂商在相关发展进程中具有的重要的有利条件在消费领域MCU实现较好的国产替代后工业领域有望接力第三部分对市场近况进行了分析通过价格库存的数据变化判断行业进入筑底期供需改善可期第四部分对行业内主要企业进行了介绍投资逻辑MCU是电路系统核心控制芯片具有相当高的使用粘性和国产替代意义2021年缺芯涨价潮中国产厂商充分把握历史机遇大幅推进了国产替代进程在消费领域国产芯片已经积累了大量客户群体对海外厂商基本盘形成了全面深入的渗透取得了较好的成绩而在高端工业车规等价值量大工艺壁垒高的领域内资厂商话语权依然不足近年来相当数量的国产厂商已经在工控汽车等下游应用中深度布局开始以点带面逐步突破决战MCU国产替代20时代汽车领域MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一随着汽车半导体行业技术演进和需求升级智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场接力电动化成为重要驱动力MCU作为核心算力芯片有望深度受益工业领域工业设备复杂度提升MCU需求长期量价双升工厂自动化电机控制电源能源等是重要的驱动力受益本土工业设备崛起国产工控MCU市场迎来春天工业和汽车终端市场国产力量正在逐渐抬头在供应链安全考量下预期会有越来越多的国产终端验证国产芯片而作为核心控制芯片的MCU有望持续受益建议关注兆易创新中颖电子国民技术中微半导芯海科技峰岹科技乐鑫科技钜泉科技国芯科技证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号未经许可禁止转载半导体行业深度研究报告目录一MCU应用领域广泛国产替代空间广阔6一MCU是广泛应用的基础控制芯片32位MCU占比逐年提高6二ARMMCU架构方舟8三技术演进需求多元化推动行业不断迈进强者恒强竞争格局相对稳定121技术演进趋势更低的功耗更大的内存更新的工艺是永恒的主题122需求端近年来随着AIOT和汽车电子等的蓬勃发展MCU渐成风潮133供给端强者恒强格局相对稳定14四MCU市场需求旺盛国产替代空间广阔15二汽车工控新兴消费驱动MCU行业进入高质量发展期17一汽车智能化网联化驱动汽车MCU市场加速扩张17二工业设备复杂度提升MCU需求长期量价双升221工厂自动化带来效率品质双提升MCU功不可没232MCU是电机驱动与控制应用中不可或缺的核心器件243能源革命推动MCU不断迭代升级26三新兴应用层出不穷消费市场欣欣向荣28三库存持续消化供需改善可期30四相关标的321兆易创新322中颖电子333国民技术344中微半导345芯海科技356峰岹科技367乐鑫科技378钜泉科技379国芯科技38五风险提示38证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号3半导体行业深度研究报告图表目录图表1典型的MCU芯片架构6图表2信号链运行过程中MCU起到核心运算功能6图表3冯诺依曼结构MCU7图表4哈佛结构MCU7图表52020年中国MCU产品类别市场占比用途7图表62020年中国MCU产品类别市场占比指令集7图表7MCU按位数分类8图表8全球MCU市场结构变化按位数8图表92020年中国通用MCU市场结构按位数8图表10ARM处理器架构9图表11Cortex-M3内核MCU9图表12ARM架构芯片下游应用领域9图表13ARM产品发展路线10图表14ArmCortex-M系列MCU内核对比11图表15X86ARMRISC-V架构指标对比11图表16意法半导体超低功耗STM32U系列产品演进12图表17全球主要代工厂和中国大陆主力厂商MCU量产工艺节点13图表18国民技术Z32HUBN32S032系列高性能安全芯片典型应用13图表19瑞萨中国区销售策略14图表20意法半导体MCU构筑了强大的生态15图表212015-2026E全球MCU市场规模15图表222015-2026E中国MCU市场规模16图表232021年全球MCU市场竞争格局销售额16图表242019年中国MCU市场竞争格局销售额16图表252019年全球MCU需求结构17图表262020年中国MCU需求结构17图表27车用电子控制单元工作原理图17图表28汽车MCU分布17图表29车规级MCU较一般通用MCU具有更高的技术壁垒18图表30汽车MCU市场规模32位MCU主导汽车市场18图表312021年信息娱乐系统占汽车MCU销售额的1019图表322021全球汽车MCU市场竞争格局19图表33汽车智能化网联化电动化对多种半导体需求旺盛20证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号4半导体行业深度研究报告图表34NXP汽车MCU产品线20图表35单车平均配置约25颗MCU21图表36汽车电子电气架构技术路线22图表37英飞凌AurixTC系列高性能AIMCU22图表38工控系统三大支柱仪表电机PLC22图表39工控MCU性能要求23图表40工业自动化电源能源电机控制驱动工业MCU市场增长23图表41MCU在工业物联网中的运用24图表42中国PLC市场规模亿美元24图表432017-2022E年中国整体自动化市场规模24图表442017-2021年中国伺服低压变频器传感器市场份额变化24图表45电机控制MCU主要应用场景大类25图表46全球BLDC市场规模25图表47通用BLDC电机驱动系统25图表48集成式电机驱动控制方案性价比更高26图表49MCU在表计行业的应用演进时间节点26图表50我国电能表产品发展历程27图表51智能物联电表招标量呈快速增长趋势27图表52全球光伏逆变器出货量27图表53串型逆变器典型框架图27图表54MCU产品在物联网中的应用28图表55Matter协议支持的设备类型28图表562010-2030IOT相关MCU市场预测亿美元29图表572010-2025全球物联网连接数亿含预测29图表58恩智浦iMXRT500600MCU29图表592020-2028E全球智能手表市场规模亿美元29图表6010月MCU价格上升料号增多30图表61各品牌典型MCU价格走势趋稳30图表6210月MCU渠道库存有所改善30图表63主要MCU厂商产品货期周与价格变化趋势31图表64盛群单月营收同比跌幅已近历史低点32证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号5半导体行业深度研究报告一MCU应用领域广泛国产替代空间广阔一MCU是广泛应用的基础控制芯片32位MCU占比逐年提高MCUMicrocontrollerUnit即微控制器又称单片机是把CPU的规格与频率做适当缩减并将ROMRAMAD转换各式IO接口以及Timer等功能整合在单一芯片上形成芯片级的计算机不同于巨型化计算机在运算速度和处理能力的极限提升我们生产生活中各种仪器设备在计算控制方面的需求相对简易兼具微型化特征和全面功能的MCU应运而生MCU主要由三部分组成1CPU中央处理单元包括运算器控制器和寄存器组由运算部件和控制部件两大部分组成其中运算部件能完成数据的算术逻辑运算位变量处理和数据传送操作而控制部件是按一定时序协调工作用于分析和执行指令2存储器包括ROM和RAM两种其中ROM是程序存储器即用来存放已编的程序存储数据掉电后不消失RAM是数据存储器也被称为主存可在程序运行过程中随时写入或读出数据存储数据在掉电后不能保持ROM和RAM都可分为片内存储器和片外扩展存储器两种3外围功能电路主要包括POP1P2P3等数字IO接口内部电路含端口锁存器输出驱动器和输入缓冲器等电路其中PO为三态双向接口P1P2P3数字IO端口内部驱动器为开路集电极输出电路应用时内部或外部电路接有上拉电阻每个端口均可作为数字信号输入或输出口并具有复用功能除数字IO端口外还有ADC模拟量输入输出端口输入信号经内部AD转换电路变换为数字信号再进行处理对输出模拟量信号则先经DA转换后再输出至外部电路电路系统中枢国产替代价值较高MCU具有高性能低功耗和易扩展的特点可以高效提升系统的可靠性为不同场景提供控制功能同时得益于其优异的性价比应用领域十分广泛遍及消费电子工业控制通信医疗和汽车等市场一个完整信号链的工作原理为传感器输入信号输入处理器放大处理ADC模数转换至数字信号MCU运算处理DAC数模转换至模拟信号功率驱动应用场景中的各项元件MCU位于中枢位置其性能参数对整个系统具有决定性作用搭建电路通常需要以其为核心选择元器件这使得MCU往往具有更高的使用粘性和国产替代价值图表1典型的MCU芯片架构图表2信号链运行过程中MCU起到核心运算功能资料来源中微半导招股说明书华创证券资料来源芯海科技招股说明书华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号6半导体行业深度研究报告MCU分类方式众多较常见的有以下四种按存储器结构哈佛结构和冯诺依曼结构冯诺伊曼结构又称为普林斯顿体系结构最大的特点是将程序存储器和数据存储器合并在一起使用同一个存储器经由同一个总线传输由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取并经同一总线传输无法重叠执行因此影响了数据处理速度的提高哈佛结构与冯诺依曼结构的区别是其将程序指令存储和数据存储分开数据和指令的储存可以同时进行可以使指令和数据有不同的数据宽度并且各自有自己的总线适合于数字信号处理图表3冯诺依曼结构MCU图表4哈佛结构MCU资料来源SEMIEngineering华创证券资料来源Geeksforgeeks华创证券按用途将可开发资源全部提供给用户的通用型MCU按照某种特定用途而设计的专用型MCU超低功耗MCU电机控制MCU等根据芯知汇数据2020年国内市场上通用型MCU占比或达到73本节中市占率口径均为销售额按指令结构CISC复杂指令集类和RISC精简指令集类目前RISC指令架构占据主流市场根据芯知汇数据2020年国内市场上采用RISC架构的MCU占比或76图表52020年中国MCU产品类别市场占比用途图表62020年中国MCU产品类别市场占比指令集158通用MCU24专用MCURISC13超低功耗MCU电机控制CISC7376其他资料来源芯知汇华创证券资料来源芯知汇华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号7半导体行业深度研究报告按总线或数据处理位数可被分为4位8位16位32位甚至64位MCUMCU的位数是指每次CPU处理的二进制数的位数位数越多数据有效数越多精确度越高运算误差越小在CPU运算速度一样的情况下位数越多处理速度越快所以是衡量MCU性能的一个重要指标MCU的性能随着位数的增加而提高适用场景也更加丰富其中8位和16位MCU主要用于一般的控制领域使用场景不涉及操作系统而32位MCU多用于多媒体处理网络操作等复杂场景一般需要使用嵌入式操作系统图表7MCU按位数分类位数特点应用场景无线电话CD播放器计算器车用仪表呼4位低功耗叫器LCD驱动控制器磅秤充电器胎压计温湿度计遥控器等主流规格为1650MHz设计简单低功电表电话录音机马达控制器CRT显示器8位耗低成本变频式冷气机传真机键盘USB等主流规格为24100MHz多为RISC架构移动电话数字相机及摄录相机专用市场汽16位多与DSP协同车音频和专用电机控制等主流规格为100350MHz执行效能更佳GPSPDA调制解调器高性能计算机Hub32位应用类型相当多元成本不断降低成为路由器工作站ISDN电话激光打印机与彩市场主流色传真机安防监控智能家居等高阶工作站多媒体互动系统高级电视游乐64位计算处理性能卓越器及高级终端机等资料来源与非网华创证券32位MCU占比逐年提高得益于低功耗低成本和高稳定性等优势8位MCU依旧在工控消费电子和汽车电子等领域维持着较高的占比随着工艺进步带来的成本下降32位MCU的成本逐渐接近8位MCU并且拥有更高的运算能力份额逐年提高根据ICInsights预测2022年全球MCU市场中32位占比将达到67而16位MCU的运算性能不如32位产品性价比又无法与8位MCU相比市场份额逐步萎缩图表8全球MCU市场结构变化按位数图表92020年中国通用MCU市场结构按位数100804-8-bit60404516-bit205432-bit0201020162022F4-8-bit16-bit32-bit1资料来源ICInsights华创证券资料来源芯知汇华创证券二ARMMCU架构方舟ARM内核32位MCU之心MCU中的中央处理单元通过内置指令集实现规定的操作运算承担着系统中的控制与运算职能直接决定MCU整体性能ARM是32位MCU证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号8半导体行业深度研究报告的主流处理器架构采用RISC指令集由计算逻辑单元ALU寄存器registerbank桶式移位器barrelshifter以及程序状态寄存器CPSR组成MCU厂商取得ARM公司授权后即可在产品中使用ARM架构的中央处理器存储器外设IO以及其它功能块则由MCU厂根据自身需求设计图表10ARM处理器架构图表11Cortex-M3内核MCU资料来源UniversityofCincinnati华创证券资料来源CSDN华创证券从品牌商到卖铲人经营模式转变及MCU产业分工细化促成ARM架构普及1990年ARM在成立伊始将自身定位为CPU设计与生产商但此后与Intel等老玩家竞争时发现公司鲜有优势遂决定转变经营策略不再生产芯片转而以授权的方式将设计方案转卖给其它公司2004年Arm推出了第一款Cortex-M系列处理器M3ST最先采用并基于此内核推出了STM32F1系列32位MCU取得良好市场反馈在MCU计算要求日趋复杂的背景下行业分工进一步细化大势所趋MCU厂商开始外购内核并将主要精力投入到外围电路等其他部分的研发为以ARM为代表的IP提供商打开了市场空间图表12ARM架构芯片下游应用领域资料来源Mistralsolutions性能稳健兼容性佳Cortex-M垄断32位MCU内核ARM将ARM11处理器以后的处理器核心改用Cortex命名按照应用领域和性能水平分为ARM三大板块分别对应适用于应用型处理器实时处理器MCU的产品ARMCortex-M系列内核具有指令执行速度更快寻址方式灵活简单执行效率高指令长度固定等特点在产品兼具低售价低能耗高性能优势的同时做到了对各家MCU厂商软件代码层面的良好兼容性2004年后ARMCortex系列产品迅速替代各家的自研MCU内核占领市场开启了ARM作为微处理器标准化架构的时代ARM如今已成为全世界普及率最高的32位MCU证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号9半导体行业深度研究报告架构占据32位嵌入式处理器总市场的75STNXPTIInfineon等全球前十MCU供应商大部分32位产品均使用ARMCortex-M系列内核仅有瑞萨80左右和Microchip50左右两家的自研内核使用比例超过50国内也只有少数厂商采用自研核心其余绝大多数均外购ARM内核截止2022年ARM的全球合作伙伴已超过1000家处理器累计出货超过2250亿颗图表13ARM产品发展路线资料来源半导体行业观察ARMCortex-M系列应用广泛生态完整性能功能逐代提升截止到目前Arm共推出了11款Cortex-M系列MCU内核IP布局高中低端全系列产品满足下游应用在功能性能和成本方面的差异化需求低端产品M0M0是最基础款也是市场需求量最大的MCU内核IP可以完成简单数据处理任务Dhrystone跑分084-131DMIPSMhz主要应用于洗衣机空调冰箱等白色家电和小家电领域M1M23系列性能略强于M0M0主要应用于智能家居为代表的基础物联网节点中端产品M3M4为中端内核IP相比低端产品在提升数据处理能力的同时增添了DSP功能Dhrystone跑分125-195DMIPSMhz在性能和成本端平衡度较好主要面向工业控制汽车市场下游应用包括汽车车身系统电机控制工业自动化基础音频处理中高端传感器等中高端M23M35定位为中高端内核IP相比中端产品增加了浮点云端和Trustzone安全扩展功能性能方面与中端产品基本持平官方Dhrystone跑分098-15DMIPSMhz主要应用于可穿戴设备手机平板机顶盒等高端消费电子产品高端产品M7M55及最新推出M85为高端内核IP性能相比中端产品提升明显集成ArmHelium技术M7内核Dhrystone跑分达到214-255DMIPSMhz主攻人工智能机器学习医疗设备高端音视频处理领域2022年新上市的M85系列产品可提供Cortex-M系列处理器的最高的速度DSP和ML性能目前主要应用于整体物联网解决方案证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号10半导体行业深度研究报告图表14ArmCortex-M系列MCU内核对比支持的指令集功能发布年份定位功耗产品特性主要应用场景简单IO任高级数浮点TrustZone务及数据DSP据处理运算安全扩展处理成本敏感和功率受限的最高可运行在50MHz功耗极低能耗效场景中如医疗器械电2009低端超低功耗率高代码密度低适用于C语言编程M0子测量紧凑型电源和马并且被许多编译器支持易于使用达控制等最高可运行在24MHz内置嵌入式Flash小家电电子烟智能门SRAMADCRTC等丰富的外设接口2012低端低功耗锁智能传感器智能家M0具有高整合度高抗干扰高可零性居以及智慧城市等应用功耗低适用电压范围大的特点M12007低端针对FPGA设计优化FPGA安全性高能轻松实现软件隔离功耗物联网节点人工智能M232016低端超低功耗低有三种高度优化的低功耗模式储机器学习生物特征认证存保护单元获得改善等场景的相关应用出色的32位性能和低动态功耗集成软件控制的睡眠模式系统能效高嵌套汽车车身系统工业控制M32004中端低功耗的矢量中断控制器与处理器核心紧密集系统无线网络传感器成实现低延迟的中断处理可配置内智能家居物联网设备等存保护和嵌入式跟踪单元单精度浮点运算加速10倍从而降低功电机控制汽车电源管耗并延长电池寿命集成DSPSIMD和理嵌入式音频工业自M42010中端MAC指令简化了整体系统设计结合动化市场传感器AIArmCSMSIS-NN机器学习库为电池供学习语音交互等等电设备带来了先进的智能超小面积超低功耗性能几乎是汽车工业自动化医疗Cortex-M4的两倍能够进行单精度和选设备高端音频图像和M72014高端择性的双精度操作与以前的32位总线语言处理AI机器学习相比指令和数据总线已经扩大到64位等宽采用有序三阶管线技术系统功耗显著降低具有增加端点处理的特定特性如物联网工业控制机器性能比Cortex-M4提高20安全性高学习可穿戴设备智能M332016中高端可实现软件隔离支持Armv8-M保护内家居以及智慧城市等应存系统架构为内存保护提供可编程支用持防物理篡改处理器核心支付级或电信物联网设备智能卡SIM级的安全认证多层次安全结构架构卡其他安全元件手机M35P2018中高端软件保护与物理保护集成DSPSIMD平板电脑DTV机顶盒和MAC指令选项简化整体系统设计等等采取ARMv81-M内核具有4级有序标量流水线HeliumISA支持引入新的主攻人工智能应用断电M552020高端协处理器接口提供自定义Arm指令支设备的ML产品组合应用持M55的频率比M4高出大约15具有两级存储系统资料来源电子发烧友华创证券RISC-V架构ARM的有力挑战者RISC-V架构是基于RISC指令集建立的开放指令集架构RISC-V完全开源可规避ARM授权采用模块化设计方式支持针对特定应用场景进行定制化指令设计因此采用RISC-V指令集设计MCU可以让芯片厂商快速完成低门槛低成本的芯片设计并且同时由于没有x86和ARM指令集背负的兼容性包袱RISC-V指令集在提升芯片性能降低功耗方面更容易目前NXP瑞萨Microchip等国际MCU厂商以及兆易创新中微半导乐鑫科技等国内MCU厂均已推出RISC-V架构MCUSiFive芯来平头哥晶心等厂商正在研发RISC-V内核图表15X86ARMRISC-V架构指标对比指标X86ARMRISC-V基于复杂指令集计算指基于精简指令集计算但指指令数基本指令集40余条令数繁多令数依旧繁多证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号11半导体行业深度研究报告模块化不支持不支持支持可扩展性硬件设计与编译实现非常硬件实现复杂性高复杂性高简单商业运作封闭授权昂贵开源免费生态环境成熟成熟快速发展中从物联网切入智能穿戴应用市场服务器和桌面PC移动和便携设备可覆盖MCU到超级计算机的全计算领域特性侧重高性能和兼容性侧重节能能耗模块化灵活性高英特尔AMD苹果英特尔AMD苹果三星SiFive恩智浦阿里兆应用厂商三星等等易创新华米等资料来源半导体产业纵横华创证券三技术演进需求多元化推动行业不断迈进强者恒强竞争格局相对稳定1技术演进趋势更低的功耗更大的内存更新的工艺是永恒的主题功耗方面诸如可穿戴设备等物联网终端以及工控场景都对功耗要求有着非常严苛的标准如连续血糖监测仪要求电池续航14天以上智能水表要求电池续航6年以上山体滑坡监测器要求环境自供电永久续航等等MCU系统的功耗包括动态功耗工作状态与处理器主频成正比以及静态功耗睡眠状态大部分是恒定的32位MCU通常主频更高工作电流更大单位时间动态功耗稍逊于8位MCU但其处理速度更快可以通过更快地完成处理任务和更快地进入睡眠模式来节省电量随着低功耗场景越来越多如何在特定应用中兼顾到两种模式下的综合效能成为了MCU厂商产品设计中的重要命题STM32的超低功耗型是非常庞大的产品系列已成为IoT工业传感器可穿戴设备或家庭自动化等超过20亿个应用程序的核心图表16意法半导体超低功耗STM32U系列产品演进资料来源意法半导体官网华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号12半导体行业深度研究报告内存方面随着总线位数增加内存长度必然增加另外在32位MCU时代软件API调用大幅增加内存使用相应提升需要通过提高硬件性能补偿程序效率的相对损失更大的内存是基础工艺方面不断进步为高性能和低功耗提供硬件基础前段制造从最初的05m04m工艺进步到了主流的90nm55nm工艺目前主要是40nm及以上的成熟制程工艺节点先进车规级MCU已采用28nm制程近年来全球MCU制程升级节奏放缓主要系1MCU本身对算力要求有限2内置的嵌入式存储自身制程限制整体制程的提升图表17全球主要代工厂和中国大陆主力厂商MCU量产工艺节点MCU厂商22nm28nm40nm5565nm90nm011m013m018m025m035m台积电全球主要MCU代工厂联电格罗方德兆易创新中国大陆主力MCU厂中颖电子商国民技术资料来源各公司公告华创证券2需求端近年来随着AIOT和汽车电子等的蓬勃发展MCU渐成风潮物联网场景下各种终端设备配置的功能呈现井喷之势如智能手表需要兼具健康测量生物识别移动支付社交等多项功能对于传统MCU而言需要添加越来越多的外设器件才能满足这些新兴需求传感器的升级提高了模拟信号的处理要求于是有了MCUAFE的方案无线应用的普及催生了MCU蓝牙WifiMCU解决方案提升了集成度为客户降本增效同时也提高了技术门槛利于产业化发展更加符合当下技术迭代和需求升级的背景物联网场景和外购内核驱动MCU安全性要求提高物联网的典型应用如智能门锁智能表计等都有天然的安全性要求且AIOT时代有大量碎片化设备增加了黑客攻击的潜在风险早期8位和16位MCU盛行时主流公司基本都是采用自研内核之后随着计算要求越来越复杂内核厂商开始出现ARMCortexM系列占据市场主流地位各大设计厂商在利用Arm内核自身的安全性之余也会加入非常多自研的安全性设计进去图表18国民技术Z32HUBN32S032系列高性能安全芯片典型应用资料来源世强硬创平台华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号13半导体行业深度研究报告MCUAI加速器正在变得越来越流行在现行AI运作流程中云端服务器端执行了核心的计算功能高性能算力的GPUCPU及其他特定芯片为主力芯片而在执行端这部分设备或终端所需要的算力并不太高利用MCU嵌入式系统去配合执行AI算法变得行之有效AIOT场景下各种终端在满足低功耗要求以外对无线连接同样具有较高的诉求集成无线连接功能及对各种无线协议蓝牙WiFiZigbee等的支持将是决定MCU芯片在物联网应用市场能否成功的关键3供给端强者恒强格局相对稳定MCU行业本身变化不快制程工艺等要求并不高40nm即可满足主要需求先发厂商凭借产能技术渠道产品生态等的优势产生规模效应不断加固护城河新进入者很少有创新以及弯道超车的机会产能优势至关重要同等条件下下游客户会优先考虑具有稳定产能供给的IDM公司对Fabless公司的交期有较高要求2021年全球MCU前七的厂商均采用IDM模式前十中仅兆易创新和siliconlab为fabless其余均为IDM运营同时巨头之间的兼并收购也是MCU行业的常态NXP2015年收购飞思卡尔英飞凌2020年收购赛普拉斯经销为主同时直销力度加大MCU行业具有客户众多订单少量多样的特点一般厂商多采取经销为主的销售模式尤其对于Fabless运营的中小规模设计企业来说耗费巨大精力培育直销团队经济效益未必划算近年来国际领先厂商对于直销渠道重视程度加大德州仪器强化直销渠道19Q1至21Q1其直销比重由35提升至63效果显著净利率由34提升至约40在中国瑞萨电子的战略客户和大客户占据直销资源超过80龙头厂商大刀阔斧改善销售策略进一步拉开了与中小竞争者的差距图表19瑞萨中国区销售策略资料来源半导体行业观察华创证券产品生态是终端客户的使用习惯需要培养缺货行情之前客户对于国产MCU使用意愿较低的很大一部分原因在于软件易用程度较差一旦出问题费时费力且解决效果不佳客户宁可接受价格更高的STMCU软件能力在产品生态中举足轻重国产厂商大多采取pintopin国外芯片的策略客户软件若不是基于国产厂商的软件开发再转回其他兼容ST产品会比较容易为了提高用户粘性需要厂商提高软件能力促使客户证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号14半导体行业深度研究报告基于自身软件工具进行开发构筑自身软硬件生态就显得尤为重要MCU龙头意法半导体近年来实现口碑与销量双丰收生态系统功不可没其以STM32Cube为核心搭建了涵盖软硬件开发和合作伙伴计划的强大的生态兆易创新在生态发展方面走在了国产前列具有先发优势图表20意法半导体MCU构筑了强大的生态资料来源意法半导体官网华创证券技术方面国产厂商较国际大厂需要具备差异化竞争思路存储是否可以做到足够大以及ADC的精度和速度能否符合要求是否能做特殊的通信接口应用和服务是否足够好易于设计这些都将成为国产替代浪潮中的加分项四MCU市场需求旺盛国产替代空间广阔市场需求持续向好受益于AIOT工业控制汽车电子等应用的蓬勃发展全球MCU市场规模和出货量触底反弹在行业高景气度的2021年全球MCU出货量同比增长12达到了近309亿颗的历史最高水平同时受产能限制等因素影响ASP强劲反弹10达到064美元且将保持高增态势有望于2026年突破075美元根据ICInsights数据及预测2021年全球MCU市场规模约196亿美元同比增长234预计至2026年将以67的复合增速达到272亿美元2021年全球MCU的出货量约为309亿颗至2026年预计将达到358亿颗图表212015-2026E全球MCU市场规模40035808035030907530027207025019620006515006010005550005020152016201720182019202020212026E全球MCU市场规模亿美元全球MCU出货量亿颗ASP美元资料来源ICInsights华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号15半导体行业深度研究报告国内市场增速高于全球市场根据IHS数据统计2015-2020年中国MCU市场CAGR为84同期全球市场几乎没有增长同时该机构预计2021年中国MCU市场增长36高于全球市场增速的234至365亿元得益于国内物联网和新能源汽车市场在全球具有的高影响力和不俗增长未来数年MCU发展将迈入一个新的台阶IHS预测至2026年中国MCU市场规模或以约7的CAGR提升至513亿元图表222015-2026E中国MCU市场规模5505134834554204503903653502562688250210213422318015050-502015201620172018201920202021E2022E2023E2024E2025E2026E中国MCU市场规模亿元资料来源IHS转引自兆易创新微信公众号华创证券海外企业占据绝对领先地位国产替代空间广阔根据Omdia数据全球竞争格局来看MCU龙头厂商保持了较高的市占率行业集中度相对较高根据Omdia统计2021年全球前5大MCU生产厂商分别为NXP173瑞萨电子168意法半导体154英飞凌139以及微芯科技126CR5约76我国MCU市场大部分份额同样被海外巨头占据根据CSIA数据2019年中国前5大MCU生产厂商分别为意法半导体209NXP202微芯科技142瑞萨电子130以及英飞凌62CR5约74国内厂商主要在消费和中低端工控领域竞争汽车高端工控等市场国产化率较低兆易创新等企业已开始突破图表232021年全球MCU市场竞争格局销售额图表242019年中国MCU市场竞争格局销售额120186意法半导体NXP12NXP113瑞萨20996614173231微芯科技意法半导体208720241瑞萨电子英飞凌308英飞凌微芯69德州仪器TI417168赛普拉斯新唐科技6161262023芯科科技兆易创新中颖电子三星兆易创新SiliconLabs13154新唐科技139其他1416其他资料来源Omdia转引自英飞凌华创证券资料来源CSIA转引自立鼎产业研究华创证券汽车是全球MCU市场最大的下游应用领域2019年全球MCU下游应用主要分布在汽车电子33工控医疗25计算机网络23和消费电子11四大领域2020证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号16半导体行业深度研究报告年中国MCU市场销售额前五大领域依次为消费电子26计算机网络19汽车电子15IC卡15和工控10随着中国汽车和工业市场的快速发展相关领域的MCU芯片需求将显著增长需求结构进一步向全球靠拢图表252019年全球MCU需求结构图表262020年中国MCU需求结构8汽车电子15消费电子2611计算机网络33工控医疗10汽车电子计算机网络IC卡23消费电子1519工控其他其他2515资料来源ASPENCOR华创证券资料来源ICInsights华创证券二汽车工控新兴消费驱动MCU行业进入高质量发展期一汽车智能化网联化驱动汽车MCU市场加速扩张MCU是执行ECU运算和处理的大脑随着新能源汽车智能化程度及边界的不断拓展车规级MCU芯片在汽车电子中的应用场景也不断丰富涵盖逆变器控制发动机和电池管理变速箱控制安全控制ADAS主动悬架LED照明传感器融合等几十个次系统中ECUElectronicControlUnit电子控制单元是汽车EE架构的基本单位每个ECU负责不同的功能ECU一般由MCU扩展内存扩展IO口CANLIN总线收发控制器等设备组成当传感器输入信号输入处理器对信号进行模数转换放大等处理后传递给MCU进行运算处理然后输出处理器对信号进行功率放大数模转换等使其驱动如电池阀电动机开关等被控元件工作图表27车用电子控制单元工作原理图图表28汽车MCU分布资料来源BYD半导招股书华创证券资料来源ARM华创证券车规级电子设备的技术要求要远高于一般性电子产品具有显著的工艺技术和客户认证壁垒车规级半导体对产品的可靠性一致性安全性稳定性和长效性要求较高产品整体研发周期长投资规模大企业需要较长时间的技术积累和经验沉淀实现技术突证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号17半导体行业深度研究报告破形成了较高的行业壁垒车规级半导体对汽车的安全性和功能性起到至关重要的作用认证周期和供货周期较长因此车企与芯片厂商在形成稳定的合作关系后就很难在原有车型上再次更换供应商图表29车规级MCU较一般通用MCU具有更高的技术壁垒技术要求详细描述使用寿命较长工作环境复杂极冷极热频繁启停粉尘涉及到使用人的安全性可靠性生命安全因此对芯片的安全性可靠性以及产品的不良率的要求较高1车规级MCU工作温度范围一般要求在-40至125之间商业级0至70工业级-40至852通过AEC-Q100认证或ISO26262达到ASIL-B级3集成数据加密模块并具有全局存储器保护功能技术指标4专用的PWM比较捕获单元及定时器5灵活的端口功能配置6时钟控制电路的备份和鲁棒性严谨的时序约束7模拟模块的宽温度范围的指标控制自校准技术指标的控制等设计上需要更加严谨的设计验证以及可靠性测试并对质量控制的方法学进行技术路径重大改进包括冗错设计自主监测自动校准可测性设计等制造工艺上汽车芯片封装技术材料选择也需要使用更严苛的标准资料来源芯海科技可转债募集说明书2022华创证券汽车MCU市场欣欣向荣根据ICInsights数据汽车MCU市场规模在经历了20182020年的低迷之后在2021年迎来了23的爆发式上涨销售额达到76亿美元该机构预计2022和2023年仍然会保持16的年复合增长率车用MCU以32位芯片为主车载MCU位数越多对应结构越复杂处理能力越强可实现的功能越多8位MCU主要用于简单车身控制如空调雨刷门窗座椅低端仪表盘等16位MCU主要用于中端的底盘和低端发动机控制如制动转向悬架刹车等32位MCU主要用于高端的发动机和车身控制如高端仪表盘高端发动机多媒体信息系统安全系统等在76亿美元的全球市场销售额中超过34是由32位MCU贡献的达到了58亿美元16位MCU的收入为13亿美元8位MCU的收入为441亿美元未来预计32位MCU还会继续蚕食16位和8位MCU市场份额图表30汽车MCU市场规模32位MCU主导汽车市场资料来源ICInsights华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号18半导体行业深度研究报告信息娱乐系统占汽车MCU销售额的10根据ICInsights预测汽车信息娱乐娱乐和信息系统如检索数字地图识别位置以及从互联网和卫星传输访问数据的系统预计将占2021年汽车MCU销售额的10而用于车辆的其他部分发动机控制动力系统刹车转向电动车窗电池管理安全功能ESDADAS等预计将占全年销售额的90图表312021年信息娱乐系统占汽车MCU销售额的1010汽车信息娱乐车辆的其他部分90资料来源ICInsights华创证券汽车MCU市场具备较高的市场集中度从全球市场竞争格局来看国际厂商在车规级半导体领域中占据领先地位根据英飞凌数据2021年全球MCU市场TOP5瑞萨电子恩智浦英飞凌包含赛普拉斯德州仪器微芯科技市占率超过90国内车规级MCU起步较晚目前市场份额尚低兆易创新复旦微芯海科技中颖电子国芯科技杰发科技芯旺微比亚迪半导体等厂商均在发力车规级MCU产品并已陆续通过AEC-Q100认证领先厂商已量产或即将推出车规级MCU产品国产厂商有望逐步取得突破图表322021全球汽车MCU市场竞争格局972982225瑞萨NXP英飞凌含赛普拉斯TI微芯科技其他资料来源英飞凌华创证券MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一电动化智能化网联化是汽车产业转型升级的重要方向汽车电动化对执行层中动力制动转向变速等系统的影响更为直接其对功率半导体执行器的需求相比传统燃油车增长明显汽车的证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号19半导体行业深度研究报告智能化网联化带来的新型器件需求主要在感知层和决策层包括摄像头雷达IMUGPSV2XECU等直接拉动各类传感器芯片和计算芯片的增长电动化是汽车产业从燃油车时代走向节能环保时代的基本的要求可以视为产业转型升级的上半程近年来已取得不俗进展而下半程智能化是提升用户体验的核心随着汽车半导体行业技术演进和需求升级智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场接力电动化成为重要驱动力MCU作为核心算力芯片有望深度受益图表33汽车智能化网联化电动化对多种半导体需求旺盛资料来源BYD半导招股说明书华创证券单车MCU价值量提升核心逻辑1配置区域增加应用领域由传统底盘延伸至整车随着汽车电子化发展ECU逐渐占领整个汽车遍布车身控制座舱动力总成底盘安全新能源三电ADAS智能驾驶等域2芯片算力和集成度提升高性能MCU占比提高产品升级驱动ASP增长图表34NXP汽车MCU产品线汽车MCU产品线汽车域典型应用总线位数内核主打功能汽车雨刮控制器后视镜折叠控制门窗控制车灯控制等小节点和车身控制模块BCM中816bitCISC小封装低功耗和低车身控制低端网关MidLow-EndGateway以及T-BOX32bitRISCe200Z0h通用与集成解决方案成本及针对专门应座舱和其他控制系统比如中控娱乐导航系统自ARMCortex-M0用的高集成度动驾驶控制器的伴随网络管理功能安全低Cortex-M4F功耗IO控制的辅助功能的MCU节点ECUEMS-发动机控制器和TCU-变速箱控制动力总成器等32bitRISCEPS--电子助力转向ESP--车身电子稳定系统汽车动力与底盘安全底盘安全e200Z0Z3Z4Z6Z7锁步安全ECU应用和Airbag--安全气囊等Lockstep9055nm工艺新能源汽车三BMS-电池管理VCUHCU-车辆控制器和电控制器MCUInverter--动力电机控制器网络通信互联和硬中高端车身控制模块BCMBCM和汽车中央汽车互联与信息安全车身控制座舱32bitRISCe200Z0Z4件信息安全加密引网关CentralGateway擎汽车雷达Radar传感器和视觉图像识别处理32bitRISCe200Z0Z4高性能和针对专一汽车辅助驾驶智能驾驶Vision传感器ARMCortex-A52应用的高集成度S32汽车MCU平台旨在解决当前和未来的连接和安全挑战资料来源汽车电子expert成长之路公众号华创证券证监会审核华创证券投资咨询业务资格批文号证监许可20091210号20