华大半导体如何为本土工业级MCU立标杆？

文︱王树一

各种家电设备,通常至少会用到一颗MCU,而一部汽车或一台复杂的工业设备中,则可能会用到几十到上百颗MCU,作为实现设备/模块控制功能的关键元器件,微控制器(MCU)用途极广,稍微复杂一点的设备几乎都能见到MCU的身影。MCU是一个大市场,根据行业研究机构IC Insights的统计,近年来全球MCU出货量在200亿颗以上;而根据市场研究机构Omdia的数据,2020年全球MCU市场规模不到180亿美元,其中中国MCU市场达到了57亿美元。

作为全球制造业基地,中国MCU用量约占全球MCU产出的三分之一。但长期以来,我国MCU市场被国外厂商主导,全球主要MCU厂商的产品,都可以在中国制造的设备中找到。随着国产MCU崛起,国外厂商正逐渐退出消费电子等应用的中低端市场,但在汽车电子与工业控制领域——这两个市场均位列MCU应用细分市场规模前三——国外厂商并未退缩,反而加强投入,以期进一步拉大与本土厂商在该领域的差距,强化相对竞争优势,延续其在高端MCU市场的统治力。

伴随Arm架构生态成熟,32位MCU开发难度大幅下降,国内如雨后春笋般涌现出一大批MCU厂商。企查查检索MCU,全国共有800多家企业涉及该关键词,将行业范围限定于信息技术产业,也有124家。但百家MCU厂商,在国内MCU市场份额占比合计不超过10%,这与本土厂商技术积累少、市场竞争力不强直接相关,也与部分厂商市场定位有关,不少本土厂商只想走捷径,主要思路就是瞄准国内市场卖得好的国外MCU来定义产品,管脚全兼容,甚至寄存器也全兼容,主打的口号是零替换成本。据不完全统计,欧洲厂商意法半导体的一款型号为xxF103的32位MCU,国内仿制产品已超过20款。

“寄存器级别”仿制,打入市场赚快钱容易,但终究难以进入良性发展轨道。由于没有独有竞争优势,所以只能靠价格取胜,低价毛利率自然低,毛利率低就难以保证研发投入,最终只能停留在仿制层面上。这还没有考虑“寄存器级别”仿制所隐含的侵犯他人知识产权的风险。

而在开发者眼里,这样的厂商只是市场领导者的小跟班,其产品是除了价格没有其他优势的备选品(Second Source)——更何况有些备选品有一二十种选择之多,在这种情况下,价格战成为唯一生存手段,于是乎带动MCU市场进入残酷的价格战循环中。

激烈的价格战导致MCU价格不断走低,结果是大家都不赚钱。根据IC Insights于2019年的估计,MCU平均单价将在2020年低于0．6美元,得益于2020年下半年开始的大缺货,MCU平均单价不降反升,但这并不代表所有品类都获得市场溢价。

从2020年下半年开始的芯片供应紧张,让我国在高端MCU市场上竞争力不足的问题暴露得更加明显。大批整车厂因为芯片供应不足而减产,甚至不得不暂停生产以等待芯片供应恢复,一些往年售价为十几元人民币的车载或工控MCU,在销售渠道被炒到数百元以上。供应不足,价格暴涨,这本是国产MCU厂商最佳导入时机,但以仿制品为主的本土品牌,就由于其产品可靠性和质量稳定性未获得市场认可,还只能在消费电子领域拼价格,无法抓住白色家电、工业控制和汽车电子市场的历史性机遇。

不过,也有像华大半导体这样的佼佼者,在帮助客户解决“缺芯”危机的同时,自己也跨入发展快车道。这家从成立之初就将工控和车载作为主攻方向的本土MCU厂商,从不将兼容性和价格解读为竞争优势,在产品定义阶段,充分与国内客户交流,真正深入挖掘客户需求,以客户需求为导向定义产品,而不是简单的拿来主义,并在一开始就注重生态建设,为本土客户量身打造一体化开发环境(IDE)、实时操作系统(RTOS)和中间件,也提供从开发板、烧写器到基础固件库的一揽子解决方案,让客户买得到用得好。厚积薄发的华大半导体MCU,迎来高光时刻。

近日,华大半导体携“静”、“动”、“智”、“车”四大系列产品,和超两百款采用华大半导体MCU的热门应用方案,亮相第十届深圳国际嵌入式系统展。在本次展会上,华大MCU推出明星产品HC32F4A0,这是继HC32F460之后,华大高性能MCU的第二款量产芯片。据了解,HC32F4A0已经导入多个客户项目,在这次展会上,华大半导体带来了多个基于HC32F4A0应用的展品:糖化血红蛋白分析仪、3D打印机、短波治疗仪、机器人、工业变频器等。

据了解,某款月销量持续名列前茅的“国民神车”,就用到了华大半导体的HC32A460芯片,同一款芯片也用在了我国目前正当红的造车新势力之一的旗舰量产车型上。该系列MCU在工业领域应用就更广泛了,从用量大的扫地机器人、3D打印机和仿生机器人,到高端工业变频器和大型工业伺服系统都有应用,甚至还被用到国家重点水利水电工程和航空航天基地设备中。

既然MCU在工控与车载市场的发展空间大,毛利率也好,为何本土厂商难以真正进入该市场?在笔者看来,工控市场与车载市场MCU与消费级MCU的主要区别有四点。

1

高可靠性

工业级(或车载)MCU与消费级MCU最大的区别之一是可靠性要求不同。通常做工业/车载MCU的厂商,也有对应的消费级产品,反之则不然,这是因为工业与车载应用环境对产品可靠性要求极高,需要更高的抗静电能力,更高的抗浪涌电压与浪涌电流能力,更宽的工作温度范围,以及更长的寿命。

今年以来,市场传闻有的厂商因“缺芯”而用消费级MCU替换车规产品,这种做法为最终产品埋下了严重的安全隐患。两款功能一致、管脚相同的MCU,并不能直接用消费级产品替换车规或工业级产品,因为工业级或车规级MCU,在出厂之前专门针对严苛应用环境做了针对性设计与筛查,从而达到工业设备或汽车对于元器件高可靠与低缺陷的要求。

以工作温度为例,车规级要求MCU可承受工作温度范围为-40℃至105℃或更高,一般工业级为-40℃至85℃,而消费级只要保证0℃至70℃能正常工作即可过关,因此消费级产品在常温时工作状态与工业级/车规产品差异不大,但在高低温时,则容易出现问题,严重的可能会导致整个系统停机。

抗静电干扰能力是另一个例子,为了应对工业/车载等复杂应用环境,华大半导体将MCU的抗静电能力设计成行业标准最高等级。

其中,人体放电模式(ESD HBM)通过了正负8KV测试,机器放电模式(ESD MM)通过了正负500V测试,元件充电模式(ESD CDM)通过了正负2KV测试,而电气瞬态测试(EFT)也通过正负4KV。

2

高实时性与强任务处理能力

工业设备与汽车常被称作任务关键型系统,此类应用对实时性、本地处理能力与功能安全要求都很高,需要MCU对实时性做出优化。

通过多重总线架构、高效外设互连和复杂协议数据的高效搬运等技术,华大半导体HC32F4A0/HC32F460系列MCU大幅提升了实时性与多任务处理能力。

与国内竞品相比,该系列的一大特色是集成了超大容量嵌入式闪存(Embedded Flash)。出于成本考虑,本土竞品多采用内置小块存储与外挂串行SPI接口闪存的方式,四线制SPI接口闪存最大访问性能不超过54MB/s,与嵌入式闪存相比,访问性能有十倍差异,因而HC32F4A0/HC32F460性能十分强悍。

除此之外,HC32F4A0/HC32F460系列还提供了丰富的加速器资源,用户可以根据应用选择相应资源来提升任务处理的实时性。

3

丰富的专有功能支持

由于脉冲宽度调制(PWM)技术在工业/车载当中应用广泛,华大半导体HC32F4A0/HC32F460系列为实现PWM功能做了多重优化,尤其内置了多个面向电机驱动应用的专有优化功能。

此外,还集成了频率连续可调脉冲串输出(PTO)和三相采样保持功能等,方便开发者快速开发高性能PWM调控系统和高性能伺服系统等应用。

4

严格的质量管控体系

华大半导体MCU事业部市场部总监梁少峰表示,工业级/汽车级MCU之所以难,就是因为在功能和性能满足应用要求的前提下,还对产品的一致性、可靠性和缺陷率都提出了高要求,要达到这样的高要求,只有采取严格的质量管控体系。

以车规级MCU为例,在设计环节,华大半导体于 2018 年 1 月 1 日通过 GB/T 19001 - 2016 / ISO9001 : 2015 质量体系,华大半导体MCU事业部在新产品开发中导入16949体系。

在制造环节,华大旗下积塔半导体拥有完整的质量管理体系,还通过了全套车规级元器件生成质量认证,已获认证的质量体系包括ISO 9001质量管理体系、IATF16949/VDA 6．3(Grade A) 汽车管理体系、ISO 14001环境管理体系和ISO 27001信息安全体系。此外,积塔半导体还通过了大陆汽车、福特、索尼和诺基亚等世界顶级厂商的质量供应商体系认证。

更严格的质量体系,意味着增加了更多成本,华大半导体MCU事业部从成立伊始,就立志成为工业和汽车芯片核心供应商,迄今已经推出“静、动、智、车”四大系列上百款MCU,华大半导体对这上百款MCU产品均执行了严格的质量管控体系。

例如,空调中用到的变频控制器,对可靠性和失效率要求极高,当前全球只有三家MCU厂商在变频空调控制器中有批量出货,华大半导体就是其中之一,其应用于变频空调的HC32F4A0/HC32F460系列,年出货量接近1000万颗。

写在最后(One More Thing)

除了上述优势,华大半导体MCU的另一特色——低功耗,也值得开发者重点关注。虽然低功耗不是工业/车载应用的专属要求,但伴随我国全力推进“碳达峰”、“碳中和”工作,市场对MCU低功耗的要求势必会越来越高,这对华大半导体MCU而言无疑是利好,因为低功耗已经是华大MCU的核心优势,华大超低功耗MCU产品的节能效果达到国际同类产品领先水平,在超低功耗物联网应用中已被用户广泛认可。

而HC32F4A0/HC32F460系列在精细化功耗管理上也异常出色。采用40纳米制程的这一系列产品,借助制程优势就已经显著降低动态功耗,而且HC32F4A0/HC32F460支持多种低功耗工作模式,不同模式与各类低功耗应用匹配起来得心应手。

梁少峰表示,功耗优化是系统工程,不能只看单一指标。部分本土厂商在宣传是只突出静态功耗,而忽略唤醒时间和动态功耗,这种宣传手法很容易误导开发者,采用此类MCU开发出的终端产品,要么动态功耗难以满足省电需求,要么唤醒慢、使用体验差。

华大MCU则针对实际应用对功耗做了全场景优化,在静态电流、唤醒时间和工作模式电流等多个维度指标上都能满足省电与性能需求。以智能水表为例,在不换电池的情况下,华大MCU解决方案支持水表7*24小时不间断工作6年以上,由于功耗表现出色,华大MCU在水表市场已经占据40%市场份额。

在向“碳达峰”、“碳中和”前进之路上,华大MCU已经抢得先机。