英飛凌、恩智浦等紛紛在MCU中集成AI功能，未來發(fā)展方向是啥？
作為物聯(lián)網(wǎng)設備中必不可少的控制與計算的大腦，MCU的市場規(guī)模也將持續(xù)提升。另外隨著AI、5G技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端設備對MCU也提出了新的要求。
目前，MCU行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀如何？
在MCU中集成AI功能
IoT應用由感知、計算、執(zhí)行、連接和安全幾部分組成。工作流程基本是：首先，由傳感器檢測環(huán)境信息，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳遞給MCU；接著，MCU對這些數(shù)據(jù)進行計算分析和處理，得出決策結(jié)果，傳遞給執(zhí)行層；再接著，執(zhí)行層根據(jù)指令完成相應的動作。在這個過程中，必要的數(shù)據(jù)也會通過無線連接的方式上傳到云端進行云AI運算或存儲。
過去AI運算多在云端，現(xiàn)在逐漸向邊緣端發(fā)展。目前的情況是一般在云端進行機器學習（簡稱ML）訓練，推理除了在云端完成，也可以在設備端進行。在邊緣端進行ML的處理，可以提高本地的設備響應，減少云端上傳的數(shù)據(jù)帶寬，提高本地數(shù)據(jù)的安全性。當前一些企業(yè)會在MCU中添加特定加速器，通過專用算力進行ML的運算，從而釋放CPU的通用算力。
隨著5G技術的發(fā)展，人們對傳統(tǒng)產(chǎn)品的延遲和能耗提出了更高的要求。在MCU中融入人工智能算法，可以將MCU低功耗、低成本、實時性、穩(wěn)定性、開發(fā)周期短、廣闊的市場覆蓋率等特性與人工智能強大的處理能力相結(jié)合，從而更有利于終端智能化。
在應用層面，圖像和語音處理是MCU+AI的重要應用方向，比如圖形識別、語音助手喚醒詞處理以及其他用于各種安全系統(tǒng)的聲音分類等應用。人工智能終將會滲透進人們生活的方方面面，而通過MCU來完成一些AI運算，也是未來的重要趨勢。
越來越多的廠商布局
從目前的情況來看，全球主要幾家MCU廠商都已經(jīng)在該領域有所布局，包括意法半導體、瑞薩、恩智浦、英飛凌等等。
意法半導體從2007年起開始設計基于ARM Cortex-M的STM32 32位MCU系列，目前意法半導體通用MCU銷量已位居全球首位，擁有基于ARM Cortex-M0/M0+/M3/M4/M7/M33，ARM Cortex A7等多個內(nèi)核，超過1200個料號的多系列、多功能覆蓋的全面MCU產(chǎn)品線。
該公司此前表示，近幾年，智能家電的快速發(fā)展，對MCU的性能、互聯(lián)提出了越來越高的要求，基于MCU平臺運行人工智能和機器學習，發(fā)展性能更高、功耗更低的邊緣計算，正在成為行業(yè)熱點。面對這樣的趨勢，意法半導體很早就開始布局智能的MCU。
意法半導體的軟件工具STM32CubeMX中就集成了AI模塊，可以方便客戶將訓練好的AI模型轉(zhuǎn)換為MCU上運行的軟件，使MCU可以方便實現(xiàn)AI功能。
瑞薩電子在MCU領域也有很深的積累。今年6月9日，該公司宣布買下美國從事機器學習模型開發(fā)的新創(chuàng)企業(yè)Reality AI。
Reality AI公司的強項在于聲音和視覺之外的傳感器數(shù)據(jù)解析，例如工廠偵測異音或是汽車的語音辨識等都可應用到相關技術。瑞薩買下Reality AI，將可以結(jié)合自家MCU 產(chǎn)品，以及該公司的開發(fā)環(huán)境和推論軟體等，對外提供支持AI運算的MCU。此前，雖然瑞薩有自行研發(fā)機器控制用途的MCU，但AI相關應用軟件都是向外部合作伙伴購買的。
恩智浦也推出了內(nèi)置NPU的MCU，該公司表示，AI應用最開始是在云端，而現(xiàn)在有一個很明顯的趨勢，從PC到嵌入式端的需求越來越多。人臉/語音識別門鎖、以及包括語音識別、物體識別等在內(nèi)的各種識別裝置，都提出了在本地實現(xiàn)更多推理的需求。
以前的應用對一款微控制器的要求是，按下按鈕就有很快的反應。現(xiàn)在就不止這些了，人們希望處理器本身具有預知性，這就需要增加人工智能技術。
恩智浦推出了針對MCU現(xiàn)有應用場景進行升級的內(nèi)置NPU的MCX，在傳統(tǒng)控制應用基礎上增加AI元素，在醫(yī)療設備、無人機或者工業(yè)控制中加上智能識別、故障檢測、語音控制等。
基于NPU的MCX可以應用在一些更新的場景中，比如可以識別物體的秤，只需把物體放在秤上就可以直接結(jié)賬；在醫(yī)學檢測中，可以用于檢測含瘧疾的紅細胞；在交通出行中，可以幫助智能車識別障礙，自動做出判斷和處理等等。
國產(chǎn)MCU廠商困難重重
MCU是微控制器的英文簡稱，又稱單片機，是隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一片芯片上，形成的芯片級的計算機。MCU幾乎存在于汽車、工業(yè)控制、消費電子、家用電器、可穿戴設備等各種應用領域中，扮演著控制核心的角色。
MCU產(chǎn)品迭代速度較快，有4位、8位、16位、32位、64位的MCU，目前主流的是8位和32位。其中8位具有低成本、低功耗、易開發(fā)的優(yōu)點，主要用在汽車風扇、空調(diào)、雨刷、天窗、車窗、座椅、門鎖等低階功能控制；而32位主要應用于中高端場景，如智能儀表、多媒體系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、輔助駕駛等高階功能控制。據(jù)IC insights的數(shù)據(jù)，超過四分之三的汽車MCU銷售來自32位的，而全球車用MCU市場將近9成集中在6大廠中，主要是瑞薩、英飛凌、恩智浦、ST、德州儀器、Microchip等占據(jù)。
近幾年在國產(chǎn)替代的大風口之下，國內(nèi)MCU廠商如雨后春筍般出現(xiàn)，據(jù)不完全統(tǒng)計，已經(jīng)有近百余家，他們往往從低端的小家電和消費電子為切入口，出于供應鏈安全考慮，國內(nèi)部分客戶對使用國產(chǎn) MCU 的意愿不斷增強，這幾年逐漸實現(xiàn)了一定的國產(chǎn)替代。
但現(xiàn)在國產(chǎn)MCU廠商面臨的一大難題是庫存堆積。2021年MCU經(jīng)歷了嚴重的缺貨，客戶為了避免受此影響，已做了一定的備貨準備，目前大多數(shù)的消費電子缺貨并不嚴重；再加上現(xiàn)在消費電子市場萎靡不振，客戶砍單新聞頻現(xiàn)報端；這讓本來是當紅炸子雞的MCU承壓，尤其在消費端。
不過業(yè)內(nèi)資深MCU行業(yè)從業(yè)者認為，從供需的角度看，消費電子最近的疲軟，對一些MCU的原廠帶來困惑，迫使有些原廠降價，這是短期行為，但工業(yè)和汽車依然是增量市場，還是供不應求。車規(guī)MCU的交期還跟原來差不多，維持在45-52周之間，32位的車規(guī)MCU相對來說更為緊缺。而且專家估測，隨著疫情封控結(jié)束、海外戰(zhàn)事平穩(wěn)之后，整車廠需求一旦恢復，緊缺 狀況可能又要嚴重。根據(jù)研究公司GlobalData的數(shù)據(jù)，ST即將在第三季度停產(chǎn)的 STM8（8 位）MCU系列將額外漲價25%至30%，并將引導客戶轉(zhuǎn)向替代 STM32（32 位）系列；Microchip也已全面實施了5%至40%的價格上漲幅度，平均漲幅為10%，目前的交貨時間長達 50 周，任何新訂單都必須是不取消、不退貨 (NCNR) 和一年的交貨窗口。
另一方面，上游晶圓廠還在繼續(xù)漲價。臺積電在近期的投資者大會上表示，不會為了短期利潤而魯莽上調(diào)代工價格，也不會輕易降低報價以應對終端市場需求放緩。但如果需要，也不排除戰(zhàn)略性報價上漲的可能。這也說明，晶圓產(chǎn)品在去年價格高漲后，將繼續(xù)在高位徘徊，不降反而有可能繼續(xù)漲。
雖然消費電子需求疲軟，但車用電子、新能源等的快速發(fā)展，晶圓廠產(chǎn)能依舊利用率很高，即使各大廠商擴產(chǎn)還是遠達不到供需平衡，新建產(chǎn)能最快也要到2023 年才能陸續(xù)釋放。這也給一眾Fabless MCU企業(yè)帶來了很大的產(chǎn)能供應挑戰(zhàn)。這對于那些規(guī)模大的MCU企業(yè)可以將制造成本轉(zhuǎn)嫁給客戶，而那些規(guī)模不大、議價能力較弱的Fabless MCU企業(yè)，下游客戶不僅不接受成本分攤還希望降價，企業(yè)維持毛利率將越來越困難。
無論是降價去庫存還是晶圓廠漲價，這些都讓國產(chǎn)MCU廠商難上加難。國產(chǎn)MCU廠商們已經(jīng)意識到，在低端消費電子領域已經(jīng)不具競爭優(yōu)勢，超高性能MCU將成為全球MCU市場中重要的發(fā)展藍海和增量市場。
未來MCU設計的方向是什么？
伴隨著社會技術的不斷進步，市場對產(chǎn)品的技術水平要求也在逐步提高， MCU產(chǎn)品正處在技術不斷突破、性能改進、功耗降低、體積增大的階段。近幾年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和其他領域的興起，為使 MCU能提供足夠的性能支持，微處理器（MCU）的設計也變得更為復雜，同時也引導了 MCU產(chǎn)業(yè)未來的產(chǎn)品市場結(jié)構。
在未來，MCU設計的方向又是什么呢？
1、智能化方向
從2017年起，一些主要的 MCU廠商就開始嘗試在 MCU中增加智能 ai功能。首先是 ST的 Project Orlando項目作為 MCU超低功耗AI加速器單元的實驗，接下來，瑞薩在2018年發(fā)布了 MCU可編程協(xié)處理器 DRP。直到三年后的今天，要想提高 MCU在 ai方向上的運算能力，通常使用專用的 ai加速器比提升處理器性能更有效率。所以，將 ai加速器引入單片機 MCU已成為主流。可以預見，這一方向在未來也將不變。
2、高性能方向
長期以來，不斷提高計算和處理性能是MCU設計工程師和開發(fā)商的目標。從最初的4位MCU、8位MCU到32位MCU和64位MCU，不斷增加的位數(shù)也是為了提高MCU的計算和處理性能。如今，各大MCU制造商開始專注于改變MCU核心，提高MCU處理器的性能，并在制造過程中取得升級和突破。總之無論采用何種方法，MCU設計的未來方向都是提高性能。
3、低功耗方向
消費性電子產(chǎn)品、可穿戴設備以及其他以電池為動力的物聯(lián)網(wǎng)終端對低功耗有著嚴格的要求。在 IoT設備中，系統(tǒng)功耗是需要考慮的一個重要因素，在許多應用場景中， IoT設備需要電池供電，并且需要持續(xù)使用十年以上，這對 MCU有著非常嚴格的低功耗要求，為了滿足用戶的低功耗要求，各大 MCU廠商也是紛紛推出了低功耗 MCU，以滿足用戶低功耗的需求。
4、支持無線連接
近年來，無線傳感器、智能電表、智能家居、可穿戴設備等物聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)設備和無線連接產(chǎn)品發(fā)生了爆炸性增長。傳感器和處理器等電子設備的成本逐漸降低。同時，無線連接功能和人工智能性能的支持使許多產(chǎn)品更加智能，無須人工干預即可相互通信。無線MCU將成為未來時代的標準處理器 芯片。
5、更小尺寸
為了滿足物聯(lián)網(wǎng)應用程序的需求，MCU開發(fā)人員需要平衡性能、功耗和尺寸。與許多可穿戴設備的設計一樣，體積小、重量輕是客戶認可的關鍵因素。在小型MCU的發(fā)展歷史上，2004年microchip推出的世界上最小
小結(jié)
整體而言，隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)設備中必不可少的計算大腦的MCU，也迎來了很好的市場增長機會。同時隨著AI、5G技術發(fā)展，一些新興應用場景也給MCU提出了新的要求，需要具備一定的AI功能。因此過去幾年越來越多的廠商在MCU中集成AI功能。
