我国嵌入式系统IMCU市场与技术发展探析

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  摘要:介绍了我国MCU市场的特点,并探讨了MCU芯片企业的走势,尤其是本土芯片企业的发展之路。
  关键词:MCU;嵌入式;物联网;低功耗;平台化
  
  据赛迪顾问业务群组研究总监宋宇介绍,在2009年我国MCU(微控制器,单片机)市场经历了近年来的首次负增长后,2010年中国MCU市场呈现爆发性恢复增长,无论是销量还是销售额增长都远远超过前几年的平均水平,市场恢复的速度和幅度都明显超出了业界的普遍预期(图1)。
  未来3年,在物联网、新兴医疗电子、新能源等应用快速发展,我国电子整机生产整体持续较快发展等有利因素的影响下,我国MCU市场将继续保持较好的增长态势,市场规模将持续扩大。2012年中国MCU销售额将突破300亿元,其销量和销售额的增长将始终保持在10%以上的较好水平。
  从市场份额来看,2010年占据中国MCU市场主力地位的仍是8位产品,其销售额和销量仍保持着接近60%的较高市场份额(图2);从增长速度来看,32位产品仍是中国MCu市场增长最快的明星产品,销量和销售额均实现超过70%的增长(图3)。
  按照应用分类,2010年我国MCU市场中,汽车电子和消费电子是表现较为突出的两个领域,分别实现了高速增长,成为带动市场增长的主要力量。除上述两个领域外,IC卡市场在银行卡EMVf银行卡组织Europay、Mastercard和Ⅵsa的首个字母组合)迁移、电子支付等有利因素的影响下,也实现了接近30%的较高速增长(如图4)。
  赛迪宋宇认为,绿色节能将成为我国MCU的新增长点。一方面,除了传统的消费电子、工业控制等应用方向外,目前智能家庭、智能建筑、智能工厂、智能电网、LED照明等新兴节能应用对MCU的需求将快速增长;另一方面,传统电子产品的节能化也将带动MCU需求的快速增长,如家电的变频控制、电机智能控制等。此外,新一代MCU自身也将通过弹性IP(知识产权)配置、删减不必要的暂存器或Flash(闪存),并整合多段振荡器线路,使得MCU可在不同工作模式下切换工作频率,从而进一步降低MCU自身的功耗,以适应不断提升的功耗要求。
  从大的方面,互联网/物联网为嵌入式带来了巨大机会。据无锡矽鼎科技董事长兼首席技术宫吴薇博士介绍,摩根士丹利在约2009年的报告称,人类在任何一个危机之后,一定会有一种核心技术,把经济从危机里拉出来。当年该公司预测的核心技术是新能源;但2010年上半年修改为移动互联网,代表产品是iPad、iPhone等移动互联设备和物联网。据悉,移动互联网的市场是传统互联网的10倍,物联网是传统互联网的40倍。因此,我们有幸进入到了一个产业变革的阶段。那么,昔日的无线传感网与今天的物联网的关键区别是:物联网是以半导体技术已经发展到一定阶段为基础的,例如今天的低功耗技术和嵌入式技术。
  


  


  


  微软windows Embedded也看好专用计算设备(注:微软把复杂的嵌入式设备称为专用计算设备)的机遇,中国区总监李涛介绍道,据VDc市场研究机构和IDc分析,专用设备是上百亿台的市场,相当于手机市场数+亿台规模的十倍,个人电脑数亿台规模的百倍。为何专用计算设备/嵌入式设备在IT(信息技术)领域越来越重要?其中一个重要原因是互联网的推动。互联网已经进入到第三四阶段。
  纵观互联网的历史,第一阶段是大型机接入网络时代;随后是PC接入互联网:第三阶段是我们正在体验的手机接入互联网;正在兴起的第四阶段称为专用设备互联,以感知互联网的信息,做互联网的应用和服务,这从某种意义上讲,可以说是物联网的时代。
  在第四阶段,仅有设备还不够,设备还要成为整个互联网/物联网/云的一部分。
  因此,专用设备要跟rrI拘基础架构和服务连接到一起,有机地成为其中一部分,这就是对这些专用设备的构建。
  当前,很多MCU企业有意淡化8、16和32位处理器或采用的是ARM还是MIPS核架构,而刻意向用户介绍其平台如何易于使用。参加过Microchip PIC32大师(Master)培训的嵌入式系统专家何小庆称,他很难分辨出基于MIPS架构的PIC32系列单片机与Microchip的8、16单片机和其它公司的ARM架构单片机有何区别。
  在这个融合的时代,价格战和产业整合不可避免。以ARM单片机为例,赛迪宋宇称,由于32{~MCU产品中,大多数MCU企业都将ARM作为32位MCU产品的重要方向,这将带来高度同质化竞争的市场,从产品性能到编译器的效率都很难做到彻底的差异化,因而市场就不需要那么多的MCU厂商。从未来的市场发展来看,同质化竞争带来的残酷的价格战和产业整合将不可避免,并将持续加剧。
  因此,企业整合进程在加快。近两年受产品价格持续下降与竞争压力不断加剧的影响,MCU企业间的整合不断出现,如Microchip收购SST、瑞萨与NEC的合并等。未来,随着MCU市场竞争激烈程度进一步加剧,这一发展趋势将更加明显,企业整合的进程也将不断加快。
  笔者补充认为,嵌入式企业与半导体业其他类型公司的整合或合作也将频繁发生。因为一方面MCU的趋势是加入更多的模拟、存储等元素、甚至SoC(系统芯片)化的趋向,例如电表芯片;另一方面,嵌入式、模拟、存储、逻辑等是电子产品不可或缺的关键元素,从客户角度,欢迎一揽子解决方案。嵌入式与模拟企业整合的典型事例是今年4月,TI斥资65亿美元收购高性能模拟公司一一NS(美国国家半导体),尽管很多业内人士认为嵌入式芯片利润越来越薄,但TI仍坚持把模拟+嵌入式处理器作为其核心业务。TI总裁兼首席执行官Rich Templeton解释说,从TI角度看,其实模拟和EP(嵌入式处理器,注:TI把其微控制器和DSP等统称为EP)的相似度非常高:首先这两个市场都比较大:其次供应商都非常分散,没有一家独大的状况;在利润率方面,二者在半导体大的分类里都比较靠前。第二个原因是从效率角度来看,我们现在看到的所谓行业/产业进入到个人通讯及消费时代,在这个时代里主要的电器设备会有一些嵌入式应用的器件,只要有嵌入式应用就肯定会有模拟,至少会有个电源,可能还会有一些输入/输出的装置。反过来也是,你去拜访一个客户时,看到一个电源装置时,很多情况下还会看到EP的身影,比如MCU或ARM的机会。TI现在把这两个业务合并在一起,这样每次去拜访客户时,单次的回报率很高,以促进Tr陕速成长。
  一位不愿透露身份的MCu高级FAE(现场应用工程师)经理称,国内很 多嵌人式芯片工程师的共识是,欧美系MCU所有资料都可以在网上找;如果使用日系MCU,网上的data sheet(数据表)较少:我国台系的data sheet更少。但日系和台系MCU在我国的市占率却很高。不过问问广大工程师,很少人用台系MCU。因此台系供应商可能没有花太大的精力在生态系统建设上,而是看准一个市场,做出一颗有竞争力的芯片,然后一个客户一个客户地去支持。很多时候台系芯片是以价钱做砝码。这也是一种成功的模式,因为不需要去维护一个很庞大的生态系统,只把自己有限的财力和精力放在最直接有效的地方——客户那里。
  欧美系比较注重生态系统的建立。例如,Microchip的应用部门非常强大,可以用自己的人力去支持整个生态系统。TI的MSP430系列会依托强大的第三方,让第三方去构建整个生态系统,包括教材、论坛的维护、开发工具和样片的支持等。
  这也可以解释为何很多新进入的MCU玩家愿意用ARM核,因为可以借助ARM的生态系统,节省整个生态系统的构建成本。
  通用道路的典范一一Microchip的先进处理器产品经理于涛补充道,专,虽然不需要构建生态系统,但意味着成功的风险加大,因为你的客户面窄了。通用产品系列自然需要通过构建富有吸引力的生态系统,包括对一系列产品的广告宣传和参考设计、应用笔记、开发板等,因此投入很大,但好处是不可能一颗也卖不出去,因为至少会有相当数量的客户,只是说你最终能够卖出多少、划不划算的问题了。
  因此,到底是通用还是专用,需要结合每家MCU供应商的目标和策略。一般来说,公司够大,有一定的知名度,就会想打一个很大的方向,可以算是通用路线,比如侧重于低功耗,而不是一个很具体的产品应用。
  台湾新唐科技股份公司黄瑞明副总经理介绍道,新唐专用化的策略是会针对某个应用或外设做加强。
  如今,从芯片的使用者角度看,很多MCU供应商都在推广平台化战略,平台化和通用是一个概念吗?北京航空航天大学的何立民教授推测,过去我们谈论的单片机(MCU)、嵌入式系统,可能更多地是讲通用模式,而现在专用模式比较多,以此现象推断,未来专用产品可能更多。现在出现的平台化,应该既不是专门为某一个应用搞,但也不是像805胡B么通用。例如联发科技(MTK)的功能手机平台。因此通用化和专用化可能是过去的理解,现在平台化可能更合适。而且从嵌入式系统的软硬件可塑性角度来看,更适合平台化。
  那么平台化时代,企业该如何创新?新唐黄瑞明的经验是应该多强调在某些应用上的知识产权。而非面面俱到。以苹果公司为例,知识产权集中在某种应用上面,而不是在整个平台化、整个产业领域的知识产权。
  在我国浩瀚的嵌入式芯片市场上,本土芯片厂商正扮演越来越重要的角色。十一五以来,我国CPU和嵌入式芯片的研制与应用已经在通用与嵌入式领域结出了一批硕果,龙芯、国芯、众志、君正、新岸线、瑞芯微、时代民芯等芯片或企业涌现。
  中国芯代表之一一一北京时代民芯科技有限公司总经理赵元富博士认为现在正是本土芯片公司崛起的难得机会,本土芯片企业需要根据自身的特点找准市场定位。
  赵元富分析道,随着移动互联网、物联网等新兴信息产业的迅速发展和个人移动信息终端的普及,应用已经成为CPU(注:据笔者理解,时代民芯称其CPU~]MCU等产品为CPU)产业发展的主要方向,单纯提升CPU的速度_眭能已不再是首要诉求。这使得CPu的发展显现新的特点:
  1.CPU从提升速度转向如下重点方向:并行处理技术;低功耗技术;低成本、高集成方向。
  2.众多国际领先的cPu生产厂商均做出了“应用为王“的产业发展战略。
  3.因为适应了“应用为王”,授权嵌入式商业模式受到市场追捧,得到迅速发展,例如ARM的开放式授权模式帮助其在移动应用类CPU市场上获得了巨大成功,在未来移动互联网及物联网迅速发展时期,这种模式将成为CPU发展的主流。
  4.嵌入式行业的分散化、多元化特点有利于本土企业进入。国家集成电路和软件发展促进中心(CSIP)集成电路处处长孙加兴博士补充道,当前国际主流嵌入式cPU核以ARM和MIPS为典型代表。在芯片领域,由于嵌入式CPU应用领域的终端产品大多采用开放式架构,即芯片和OS(操作系统)都有多家供应商在竞争,尚未出现PC业的Wintel绑定所形成的单一垄断局面。因此从竞争形势看,嵌入式CPU市场给我国本土芯片企业留有更多的发展空间。
  本土芯片如何找到自己的市场定位?时代民芯赵元富介绍经验道,该公司确定了军用CPU与民用CPUgX线发展、逐步结合的模式,其中军用是自主可控的风格,CPU+SoC;民用是市场导向方针,主要做SoC。并且搭建了三个CPU开发与应用平台:SPARC系列军用32位/64位处理器设计平台:基于ARM的32位处理器应用开发平台:基于自主8/16~MCU应用开发平台。
  英飞凌:定位高性能,高可靠性和丰富外设
  在Mcu中集成一定的模拟是MCU的一大挑战。因为随着工艺技术的发展,MCU的数字组件的尺寸(面积)日益缩小,但模拟组件的体积((面积)并未随着工艺的进步而缩小。如何在同一工艺中融合高性能模拟和数字组件,将成为新一代MCU面临的一大挑战。由于英飞凌是混合信号和功率电子半导体器件制造商,因此有实力迎接这种挑战。
  公司专注于设计和生产高性能、高可靠性MCU。此外,英飞凌MCU配备丰富的高级外设,切实满足目标应用的需求。今年3月,英飞凌推出了搭载12位ADCglPWM(脉宽调制)控制功能的全新16位实时MCU。引脚数量更少的全新XEl66系列MCU,具备实时控制功能、出色的可靠性和很高的性价比,它们主要面向工业、马达,汽车和能效应用。
  对于中国市场,中国的工业企业正逐步转向价值更高的产品和服务。太阳能逆变器、风电、变频电机控制、高速列车的市场份额逐步上升。作为一家走在尖端技术前沿的德国企业,英飞凌生产的MCU具备出色的实时性、可靠性和鲁棒性,适用于那些对长期稳定性和可靠性要求苛刻,并且承担关键任务的应用,譬如太阳能逆变器、风电、工业控制、电机控制和汽车电子等。此外,英飞凌还提供免费的工具链和工具库,帮助缩短客户项目的开发时间。
  可再生能源、电机控制等高能效应用、太阳能逆变器、升举设备、机器人、汽车、大功率照明、电动汽车等是英飞凌在华重点开拓领域。
  
  TI诞生首款FRAM微控制器
  
  近日,TI(德州仪器)推出业界首款超低功耗FRAM微控制器(MCU)。MSP430FR57xx系列可为开发人员 带来高达1 00倍的写入速度增幅及250倍的功耗降幅。
  此外,这种片上的FRAM还可在所有的电源模式中提供数据保存功能、支持超过100万亿次的写入次数(表1)、并为开发人员提供了一个全新的灵活度(允许其通过软件变更来完成数据内存与程序内存的分区)。
  据悉,TI的FRAM技术来源于Ramtron公司授权。TIMSP430中国区业务拓展经理刁勇称,Ramtron是FRAM存储器的专业厂家,但其产品是在TI生产的,因此十年来两家有密切的合作。TI也发现了FRAM很多优点,对超低功耗传感存储器网络应用具有非常大的价值,例如用于无电池的智能型能量收集开关、地震监测系统等应用。
  
   徽软优化瘦客户机操作系统
  
  瘦客户机——专用设备中崛起的新星
  上百亿台的专用设备市场中,约有几百种专用设备,其中一大类是瘦客户机。据IDC预测,2010-2015年,世界瘦客户机的年均增长率超过20%,速度超过个人电脑。中国惠普集团商用解决方案事业部的经理勒玉罡介绍,目前全球瘦客户机市场是1300-1400万台,中国目前大约是在S0-100万。而在六七年前,中国瘦客户机的供应商有四五家,三年前约七八家,今年至少有17家瘦客户机厂家。尤其最近中国电信业和证券业采用瘦客户机的速度迅猛。例如截至今年4月,已有两三成电信、联通和移动柜面已经切换解决方案了,而半年前惠普还没有预料到中国的虚拟桌面变化如此神速,而且很多企业都在大批量试点(大批量的含义是挑1/4、1/5的装机容量进行试点)。
  
  虚拟化和云计算是动力
  
  第一,近些年来,瘦客户机的硬件、设备的形态越来越多样化,例如可把瘦客户机集成到键盘、显示器里,也可能是一小块电路板。第二,IT行业带动了瘦客户机的需求,尤其是虚拟化和云计算的驱动。随着云计算的发展,虚拟化可以大大提高数据中心的效率。据微软WindowsEmbedded中国区总监李涛介绍,传统的数据中心的使用率一般低于20%。使用虚拟化之后,数据中心的应用率可从20%提高到50%。而未来云计算的模式,可能会从50%提高到80%,甚至90%。
  瘦客户机主要应用在以下三大方面:1.知识型工作者,如股票交易员;2.无桌面工作者,例如医院的护士工作站、重症监护室等:3.任务型工作者,这类目前是中国应用市场的主流,大多体现在窗口服务行业,如银行窗口柜员、电信营业厅、政府公共服务部门等。
  典型的瘦客户机有本地的运算功能和操作系统,但没有本地的操作程序和存储一这些都是放在服务器端,或者数据中心。一款瘦客户机上面跑的应用很有限。靳玉罡称应用数量的多少由行业决定,一般来说,在任何一款瘦客户机/嵌入系统里面,应用不会超过三个。此次微软发布的针对瘦客户机优化的嵌入式操作系统有两类产品:Windows Embedded Standard 7和Compact 7。其中Standard 7支持X86架构:Compact 7支持ARM架构。靳玉罡理解:Windows Embedded Compact解决了两个问题:多媒体交互和外设的纯对象,两个跑到后端其实就是一+windows 7的虚拟机。
  “瘦”不是低成本的代名词
  瘦客户机的特点是体积小、功耗低,硬件的配置不像个人电脑那么复杂,它会为特定的功能设计,并且一定要跟网络连接。但瘦客户机不是一种低成本电脑,也不是简单的电脑或落后的设备的代名词,它是为特定用户定制的专用设备。
  瘦客户机是云计算和IT业发展的产物,而不是以成本为中心的产物。李涛坦言,从成本来看,整个虚拟桌面的部署未必会降低多少,也许硬件终端的投入会刚氐,但是整个系统的投资未必会降低,因为后台存储,包括服务器、硬件软件需要很多新技术。但是为什么企业还要做这件事?最主要是可控、可管理、安全性,还有整个IT架构的使用效率,运行效率。
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