01MCU行業概覽

1.1.定義：何為MCU？

MCU是芯片級的微型計算機，其在生活中無處不在。MCU（Micro Controller Unit），即主控芯片，又稱微控制器或單片機，是一種集成了CPU、存儲器（ROM/RAM）、數據轉換器（A/D、D/A）、輸入/輸出接口（I/O）以及計時器等多種功能模塊的、微型的、芯片級的計算機。相比大眾所熟知的PC處理器，MCU適度縮減了CPU的規格與頻率，從而滿足各類計算控制設備對空間、功耗、實時性等方面的苛刻要求，因此廣泛應用于汽車電子、消費電子、工業控制等搭載嵌入式系統的場景。MCU在我們的生產生活中發揮著極為重要的角色，從日常使用的手機、冰箱，汽車，到高精尖的醫療設備、光伏逆變器和航空航天領域，均有MCU的身影，是現代數字經濟不可或缺的大腦和運算中樞。

圖 1 MCU芯片的基本構成單元

圖 2 恩智浦DEVKIT-S12 16位車規級MCU

1.2.MCU的工作原理：銜接物理世界和數字世界

MCU是連接真實世界和數字世界的橋梁。MCU通常配備了各類輸入/輸出口接口，可與傳感器進行連接，真實世界中的溫度、光線、壓力、電壓等物理量可以透過傳感器轉換為電信號，經由信號放大器的擴大，通過模數轉換器（ADC）將模擬信號離散化為計算機能夠識別的二進制數字信號，傳遞給MCU進行算法運算和邏輯決策，生成控制信號，該控制信號再經由數模轉換器（DAC）轉換為模擬信號，經由功率驅動器的放大傳輸到外界的執行設備，從而實現對電機、開關、閥門等功能的控制。因此，MCU是銜接物理世界和數字世界進行交互的運算中樞，也是電子產品智能化、智慧化的核心。

圖 3 MCU的信號鏈示意圖

圖 4 汽車ECU單元中的MCU示例

1.3.MCU發展歷程：性能不斷攀升，指令集架構百花齊放

MCU已有超過50年的歷史，高性能、低功耗和指令集架構的變遷是行業發展的主軸。MCU的發展歷程最早可以追溯到上世紀70年代，英特爾推出4位微處理器Intel 4004，自此嵌入式計算時代正式開啟，此后MCU按照分別歷經了從4位、8位、16位到32位乃至64位的迭代更新，性能得到不斷增強。MCU的內核架構也從起初的Intel 8051逐漸拓展到各家自主內核架構(如微芯的PIC和瑞薩的RX)，以及MIPS、PowerPC、ARM 等 RISC指令集，2004年ARM Cortex M3處理器核的成功發布標志著MCU進入32位時代，ARM逐漸成為MCU的主流架構。而2010年以來逐漸興起的開源指令集RISC-V因為其開源、免費、高度可定制等特性也逐漸受到國內外芯片設計廠商的熱捧，隨著近年來AIoT、智能駕駛和工業自動化等領域的蓬勃發展，嵌入式領域對MCU定制化、模塊化的需求不斷升高，RISC-V有望對ARM的在MCU領域的領先地位發起挑戰。

圖 5 MCU行業的發展歷程和重要里程碑

02MCU產業鏈解析

MCU產業鏈是一個較為復雜的全球生態系統。MCU產業鏈涉及環節眾多，包括IP授權、芯片設計、制造、封裝測試、分銷等眾多環節，呈現高度全球分工化的特點。MCU中游為芯片設計原廠，主要由美、歐、日芯片巨頭所把控，中國企業當前市場份額較小但正在奮起直追；上游可分為芯片設計、材料及設備、晶圓代工及封測三大領域，其中：芯片設計所需的EDA軟件和IP核主要由英、美企業提供；半導體材料和設備主要由美歐日企業主導；晶圓制造和封裝測試工廠則主要分布在東亞和東南亞，國產化率相對較高，但制造環節有向歐美回流的態勢。下游主要由汽車電子、工業控制和消費電子三大市場構成，由于MCU產品較為復雜，種類繁多，下游客戶較為分散，因此MCU產品的銷售主要通過經銷商模式向下游終端客戶分銷。

2.1.上游：寡頭壟斷市場，整體議價能力較強

（1）MCU產業鏈上游主要可分為芯片設計及IP、材料及設備、晶圓代工及封測三大領域，上游領域整體呈現技術密集和寡頭壟斷的特征，整體議價能力較強。芯片設計及IP供應商主要是EDA軟件和 IP核授權商，是芯片設計的底層基礎，主要由歐美企業壟斷。EDA軟件是芯片設計的核心工具，其主要由新思科技（美國）、楷登電子（美國）和西門子EDA（德國）三家壟斷全球近80%的市場份額，國內方面華大九天、華為等企業也在該領域積極布局。CPU IP核決定了MCU芯片的底層架構和計算機指令規范，這一領域主要由英國的ARM公司主導，全球超過50%的MCU基于 ARM 的內核架構設計；絕大多數8位MCU則基于Intel 8051設計；以 RISC-V為代表的開源指令集由于其免費、靈活、指令集簡潔等優勢，近年增長迅猛，有望對ARM的地位形成一定挑戰。

圖 7 2022年全球IP授權收入市占構成（%）

圖 8 2022年全球IP版稅收入市占構成（%）

（2）材料及設備供應商主要提供芯片制造環節所需的材料和設備，主要適用于采用IDM模式的MCU廠商，主要被美日荷巨頭主導。半導體材料主要包括硅片、光刻膠、電子特氣、濺射靶材、拋光材料等，主要由美日企業主導。半導體設備主要包括光刻機、刻蝕機、清洗設備、封測設備等，其中光刻機主要是由ASML（荷蘭）壟斷超全球80%的市場，日本的佳能和尼康則分食剩余的市場份額。刻蝕、拋光、清洗等設備則主要由Applied Materials（美國）、LAM Research（美國）、東京電子（日本）等美日巨頭主導。

（3）晶圓代工及封測廠主要提供芯片的制造和封測環節，對于采用Fabless模式的MCU廠商至關重要。其中：晶圓代工廠主要負責芯片制造，2023Q2的CR6為臺積電（56.4%）、三星（11.7%）、格芯（6.7%）、聯電（6.6%）、中芯國際（5.6%）、華虹集團（3.0%），CR6合計市場份額為90%，行業集中度較高，上游議價能力較強。封測廠主要負責將代工廠生產的成品晶圓封裝成最終的成品器件，并進行可靠性的測試，這一環節相對于晶圓代工門檻相對更低，國產化率更高，除了美國的安靠（Amkor）外，主要集中于中國大陸和中國臺灣。

表 1 2023Q2全球前十大晶圓代工廠營收和市場份額排名（百萬美元）

2.2.中游：美歐日芯片巨頭主導，國產替代空間廣闊

（1）MCU產業鏈的中游主要是MCU原廠，按照商業模式可分為 IDM和Fabless模式，前者主要以外資大廠為主，國內企業則多采用Fabless模式，更依賴晶圓代工廠支持。全球MCU原廠以美歐日芯片巨頭為主，CR6高達83.4%。2022年全球MCU市場主要由美歐日芯片巨頭主導，Omdia數據顯示2022年全球前六大 MCU 廠商（意法半導體、瑞薩電子、恩智浦、微芯科技、英飛凌、德州儀器）市場占有率高達 83.4%。與之相對，2021年國內 MCU（含消費級）市場85%被外資把持（2019年為94%），MCU總國產化率不足15%，且多集中于消費級產品；而作為最大下游市場的車規級MCU國產化率則不足5%，仍有極大國產替代空間。

圖 9 2022年全球MCU市場競爭格局，CR6雄踞83.4%

（2）MCU廠商依據是否自建晶圓生產線或者封裝測試生產線分為 IDM模式和Fabless模式，外資大廠均采用IDM模式，國內 MCU 企業則以Fabless為主。IDM模式又稱全棧模式，即企業將產業鏈垂直整合，從MCU的設計、制造、封裝測試到銷售都一手包辦。該模式對企業的技術能力、資金實力、管理組織水平以及市場影響力等方面都有極高的要求，上述外資MCU龍頭均采用IDM模式，但部分90nm以上較高制程MCU受原廠產能限制一般也會外包給臺積電等專業代工廠。Fabless模式即無晶圓廠模式，與IDM不同，Fabless下原廠僅專注于MCU的研發、設計和銷售，而將重資產的晶圓制造、封裝測試等環節外包給臺積電、日月光等專業的代工和封測廠商。Fabless模式下，企業無需大規模的資本開支，資金門檻和運營風險也相對較低，因此全球絕大部分MCU企業采用Fabless模式，國內僅士蘭微、華大半導體以及臺灣的新唐科技采用IDM模式。

圖 10 IDM模式下MCU廠商運作流程和優勢分析

圖 11 MCU廠商Fabless模式下的采購及生產流程

2.3.下游：汽車電子為最大下游市場，國內集中在消費電子

（1）MCU的下游應用極為廣泛，主要覆蓋汽車電子、工業控制、消費電子、計算與存儲、網絡通信六大下游市場，從全球來看，MCU下游市場中汽車電子占比最高。根據IC Insights，汽車電子為全球MCU最大下游市場，2021年市場份額占比達39%，且呈現逐年升高的態勢，這與新能源汽車革命對汽車電子的需求和性能要求的提高密不可分。2020年以來的汽車“缺芯”也一定程度推高了MCU的ASP；其次為工業控制類應用，占據全球25%的市場份額，近年來占比相對穩定，工業自動化和機器人技術的發展是其主要驅動力。剩下的36%依次是計算與存儲（14%），消費電子（14%）以及網絡通信（8%）。

圖 12 2019-2021全球MCU下游應用市場規模構成

（2）從國內市場來看，MCU下游市場主要集中在消費電子領域。根據IC Insights，2020年國內MCU市場最大下游應用是消費電子，占比26%，而汽車電子僅占16%。國內下游構成和全球相比差別較大，這主要是由于 1）我國為世界工廠，PC、手機、IoT、家用電器等消費電子組裝和制造環節高度集中，因此國內消費電子相關的MCU需求量相對占比更高；2）汽車電子MCU約95%的市場份額由美歐日IDM芯片巨頭把持，下游的整車品牌也常年由發達國家主導，因此國內車規MCU自給率一直以來較低，本土 MCU 企業較難打入。但步入新能源汽車時代，國產電動車品牌強勢崛起，多家國內MCU企業紛紛布局車規業務，疊加2020-2022汽車電子缺芯所帶來的機會窗口，國內車規MCU的市場規模占比有望逐步獲得提高。

圖 13 2020全球MCU應用領域占比：汽車電子最高

圖 14 2020中國MCU應用領域占比：消費電子最高

03汽車電子

3.1.車規MCU是汽車電子的核心部件

MCU是汽車電子不可或缺的核心元器件。車規級芯片按功能主要可分為主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），傳感器芯片（CIS）和存儲芯片（Memory）四大類，車規芯片廣泛應用于汽車的動力系統、智能座艙及自動駕駛系統。在汽車電子中，小到車窗和座椅調節，大至動力總成，車身控制，電池電機控制，整車熱管理系統，均有MCU的參與。

3.2.新能源汽車是全球MCU市場主要驅動力

（1）汽車電子是MCU第一大下游市場。根據前文圖23所示數據，在MCU的下游應用領域中，汽車電子占比最大，2021年市場規模約為86億美元，市場份額達 39%，且呈現逐年升高態勢，是 MCU第一大下游市場和主要驅動力。隨著近年新能源汽車蓬勃發展，汽車電動化、智能化和網聯化的趨勢使得汽車產業對電子元器件的需求水漲船高，提高了汽車電子在新能源整車制造中的成本比重，因而帶動了汽車電子占整車成本的價值量比重近年來不斷提高。根據中商情報網預測，預計到2030年，汽車電子將占整車制造成本的近50%。

圖 16 2000-2030E汽車電子占整車制造成本比重

（2）汽車“三化”革命重塑整車產業鏈，MCU迎來新機遇。在碳中和和汽車“三化”的大背景下，全球各個主要國家均已對燃油車的禁售時間表做出了承諾，電動車對燃油車的替代已不可逆轉。新能源車帶來的對汽車能源體系的革命，已經顛覆和重塑了燃油車的整車供應鏈，傳統燃油車時代的“三大件”（發動機、底盤、變速箱）如今已逐漸被高度電氣化的電池、電機和電控系統所取代，而MCU 作為新能源汽車的重要元器件，也有望在汽車智能化趨勢的大背景下獲得價值重估。

圖 17各個國家燃油車禁售時間表

（3）新能源汽車高速發展給車規MCU帶來強勁驅動力。根據中汽協，2022年我國新能源汽車產銷分別完成705.8萬輛和688.7 萬輛，同比增長 96.9%和 93.4%，產銷量已連續8年位居全球第一；截至2023年7月，我國新能源車市場滲透率達35.7%(同比提升11.2pct)，未來替代空間仍非常廣闊。根據中國市場協會，傳統普通燃油車攜帶ECU（由MCU、存儲器、傳感器、輸入/輸出接口等集成電路組成的電子控制單元）約為70個，豪華燃油車ECU 約為150個，而智能汽車由于智能座艙和高級別輔助駕駛等高算力需求，其攜帶ECU數量會激增至約300個，為普通燃油車4.3倍，而每個ECU單元里至少需要使用一顆MCU芯片。因此，隨著汽車智能化程度加深，MCU的需求量也隨之增多，這也佐證了汽車電子在全球MCU下游構成占比逐年升高至近40%的原因。

圖 18 2013-2022年中國新能源汽車銷量以及增長率

圖 19智能車ECU搭載數量是傳統燃油車的4.3倍

3.3.車規MCU認證標準嚴苛，進入壁壘較高

（1）車規級芯片工藝標準嚴苛，質量要求極高。汽車芯片工作環境復雜，一旦失靈就意味著嚴重后果，因此車規MCU對于安全性和穩定性要求極高。與消費和工業級MCU相比，車規級芯片工作環境復雜多變，具有高振動、多粉塵、多電磁干擾、溫度范圍廣等特點，對溫度耐受性要求一般在-40-155℃，同時還要具備耐振動沖擊、高低溫交變、防水、防曬、抗干擾能力。同時，由于汽車生命周期較長，產品工作壽命要求為15-20年，供貨周期要求也在 15年以上，因而對產品不良率和可靠性也提出了極為嚴苛的標準。

表 2車規芯片與消費級和工業級芯片要求對比

（2）車規芯片認證的標準嚴格，流程漫長，門檻較高，但產品生命周期也較長。汽車芯片在進入整車供應鏈前，須同時滿足AEC-Q100、IATF16949和ISO26262的三大車規標準：在設計階段，必須嚴格遵循ISO26262的功能安全標準；在流片和封裝階段，AECQ和IATF16949則是必須滿足的標準；而在測試階段，需遵循AEC-Q100/Q104進行測試。

圖 20車規芯片認證體系

（3）由于車規MCU廠商多采用Fabless模式，因此主要適用于 AEC-Q系列和ISO26262兩項認證。其中：AEC-Q系列主要對元器件進行可靠性測試，涵蓋Grade 0至3四個等級，其中Grade 0 級的工作溫度范圍達到了-40至150度，是進入汽車前裝市場的準入“門票”。ISO26262標準覆蓋了從概念設計、產品開發、批量生產到報廢的全生命周期所需的失效防治技術和管理流程，以確保芯片符合汽車安全完整性等級（ASIL）。根據危險事件嚴重度、暴露率和可控性等指標，ASIL被分為A到D四等，其中ASIL-D為最高等級，對功能安全要求最為嚴格，QM則表示不具有功能安全風險。綜上，車規級芯片認證過程困難重重，周期較長，從流片到量產出貨，往往需要2到3年的時間。然而一旦成功打入整車供應鏈，就能享受至少10年以上的供貨周期，從而和下游車廠建立深度綁定。

表 3車規芯片三大認證體系

04消費電子

4.1.消費電子為我國MCU市場第一大下游應用

（1）消費電子是國內MCU第一大下游市場，應用領域極為廣泛。我國作為全球消費電子產業大國，PC、手機、家電、可穿戴設備等消費電子產品的制造和組裝環節高度集中，對于消費級MCU的需求量較大，因此消費電子目前仍為國內MCU最大的下游市場。消費級MCU憑借其低功耗、高性價比，低延時等優勢，廣泛應用于智能手機、智能家居、可穿戴設備等應用場景。

表 4 MCU在消費電子領域的作用示例

（2）消費級MCU需求持續增長，有望成為百億級市場。根據前瞻產業研究院，我國消費電子產業對MCU的需求規模自2015年以來一直呈現穩步上升態勢。隨著5G的普及，AI和IoT等新興技術的賦能，消費電子產品智能化和網聯化程度將不斷提高，從而帶動消費級MCU蓬勃發展，預計到2026年，我國消費電子MCU需求規模將有望達97億元。

圖 21 2015-2026E 中國消費電子 MCU 需求規模及預測(億元)

4.2.萬物互聯時代，MCU是IoT實現智能化操作的核心

（1）MCU是IoT實現智能化操作的核心元器件。IoT（Internet of Things）即物聯網，是一種技術概念，其核心是指將物理世界中的各類設備（如家電、汽車等）連接到互聯網，以實現數據的采集、交換、通信、運算和遠程控制，從而實現設備的互聯互通和智能化應用。IoT技術的實現在硬件層面主要依賴傳感器（感知層）、無線通訊模組（網絡層）和MCU（應用層）三大核心模塊所構成的嵌入式系統，其中MCU作為嵌入式系統的“大腦”，主要負責對傳感器輸入的溫度、距離等數據進行采集分析、邏輯運算，并最終達成各類控制功能的實現，因此MCU是IoT實現智能化操作的核心元器件。

表 5 MCU在物聯網中的應用

（2）全球IoT市場空間廣闊，設備連接數量不斷增加，有望帶動 MCU 需求上升。根據Statista，2022年全球IoT市場規模約為 9700 億美元，同比增長 25.4%，預計2028 年有望突破2萬億美元，未來5年CAGR 達13.6%。從設備連接數量來看，2022年全球IoT設備連接數約為131億臺，預計到2030年將達到接近300億臺，未來5年CAGR達9.0%。我們認為隨著5G網絡的普及、AI 技術的賦能以及萬物互聯需求的催化，消費電子產品智能化、網聯化、集成化的趨勢愈加明確，而MCU作為實現數據采集分析、遠程智能控制、互聯通信和執行輸出的重要硬件，其需求量和價值量都有望得到顯著帶動。

圖 22 2019-2030E全球IoT設備連接數（十億臺）

4.3.智能家居增長空間廣闊，為MCU產業注入新動能

（1）智能家居有望顛覆傳統白電產業，是IoT在消費電子領域的主要驅動力。智能家居（Smart Home）是指將家中常用的各類設備，如照明、音響、冰箱、彩電等硬件，通過嵌入式的IoT系統連接網絡，以實現家居設備的互聯互通、自動控制、遠程控制、語音控制等智能化操作，從而提高人們居住舒適度、便捷度的一種智能硬件解決方案。與傳統家電相比，智能家居智能化、網聯化、集成化特點顯著，其融合了IoT、云計算、人工智能等技術，對傳統產品有著顛覆性的功能和體驗，因此其對處理器芯片、傳感器芯片、通信連接芯片的性能和數量需求有著顯著的提升，這意味著 MCU所承載的功能愈加復雜，所需的外設接口更加豐富，主頻、Flash、RAM等性能規格的要求也將不斷提高。

（2）MCU在智能家居設備中應用廣泛，帶動消費級MCU需求提升。MCU智能家居設備中主要運用于諸如電容式觸摸感應接口、觸摸屏接口、攝像頭接口、不同模擬傳感器輸入檢測、USB接口以及電池充電與監控等眾多功能的實現，可廣泛適用于智能家居的各類場景隨著物聯網、云計算和AI等技術的推動，智能家居的滲透率有望持續提升，從而驅動消費級MCU需求和價值量隨之提升。

表 6 MCU在不同智能家居設備中的應用和典型產品示例

（3）我國智能家居滲透率尚不足20%，對比歐美發達國家30%以上的滲透率仍有較大追趕空間。從國家來看，Statista統計 2022 年全球智能家居滲透率在30%以上的國家主要以歐美發達國家為主，中國智能家居滲透率尚不足20%，東南亞只有馬來西亞、泰國和印度尼西亞超10%，非洲各國滲透率均低于10%，非歐美國家總體仍有較大的追趕空間。我們認為隨著未來智能家居的體驗不斷升級，消費者對萬物互聯的需求不斷提高，疊加米家、華為等科技廠商在IoT和智能家居領域的積極布局和用戶培育，我國智能家居滲透率將有望持續提高，從而不斷為消費級MCU注入新的驅動力。

圖 24 2022年全球各國智能家居滲透率對比（>10%）

05工業控制

5.1.工業4.0時代，工業控制和自動化市場前景廣闊

工業4.0時代，工業自動化市場增長空間廣闊。工業4.0是 2013 年由德國首先提出，其本質是將計算機、物聯網、大數據、人工智能等先進技術融入傳統制造業，將制造業從生產要素驅動向數據驅動、智能化、高度自動化的方向轉型，被稱為人類第四次工業革命。工業自動化是工業4.0的核心，其本質是指機器設備或生產過程在無人工干預前提下，按預期目標實現測量、操縱等信息處理和過程控制的統稱，是涉及機械、微電子、計算機、機器視覺等領域的一門綜合性技術。根據Statista，2022年全球工控及自動化市場規模達2343 億美元，預計2026年將達到3396億美元，未來 4 年CAGR達9.7%。隨著我國人口紅利趨緩、勞動力成本上升，老齡化程度提高，工業自動化已成為我國在制造業重點發力的領域，也是我國實現制造業轉型和升級的重要手段。根據中國工控網，2021年我國工業自動化市場規模達2530億元，預計2023 年我國工業自動化市場規模將增長至3115億元，增速高于全球，未來前景廣闊。

圖 25 2020-2026E全球工控和自動化市場規模（億美元）

圖 26 2017-2023E中國工業自動化市場規模（億元）

5.2.MCU是實現工業自動化的核心部件

（1）工業控制系統的三大支柱是PLC控制器、儀表和電機/變頻器，MCU是其中的核心。一個典型的工業控制系統通常由監視層、控制層和現場層三大架構組成，其中：1）監視層主要由ERP 軟件、報警系統和數據存儲系統構成，負責監視生產過程，對設備、數據進行實時監測，從而確保生產穩定性和安全性；2）控制層主要由PLC控制器、DCS控制系統、通信設備和控制軟件組成，負責將監視層的指令轉化為實際的參數調整、設備啟停等控制操作；3）現場層主要由傳感器、儀表、電機/變頻器構成，負責接收控制層發來的指令并實際執行工業過程，實時監測參數并將數據傳遞給控制層和監視層，確保工控系統的穩定運行。在工控系統中，位于控制層的PLC控制器、現場層的電機/變頻器通常被認為是三大核心支柱，決定著工控系統的整體性能，而MCU作為這些設備的核心控制器，可用于處理各類信號的輸入輸出、讀取和分析各類參數，控制電機轉速和功率等，是實現工業控制自動化和智能化的關鍵部件之一。

圖 27典型工業控制系統的架構組成

（2）全球PLC市場穩步增長，國產替代大有可為。根據億渡數據，202 年全球PLC市場規模為112億美元，預計到2026年有望達到131億美元，未來四年CAGR約為3.37%。2021年中國 PLC 市場規模約為154億元，預計2026年有望達到193億元，未來4 年CAGR達4.65%，高于全球增速。從市場份額來看，當前我國 PLC市場仍由國外龍頭企業主導，西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾總共占據70%的市場份額，臺達、匯川技術、信捷電氣等國產 PLC 企業盡管仍有差距，但在小型 PLC市場已逐漸展現競爭力，隨著未來國產PLC企業市占率逐漸升高，有望加快國產MCU/嵌入式 CPU 企業在工控領域的導入。

圖 28 2017-2026E中國PLC市場規模及預測（億元）

來源:馭勢資本

審核編輯：湯梓紅