32位MCU“大展身手”，16位MCU會(huì)逐漸消亡嗎？

1971年，MCU誕生。MCU中文名稱為微控制單元，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)。由于MCU的靈活性，其廣泛用于消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車電子和通信領(lǐng)域。隨著MCU的不斷發(fā)展，從曾經(jīng)的1位、4位、8位、16位，發(fā)展到現(xiàn)在的32位甚至64位。在眾多MCU的種類中，8位、32位MCU逐漸成為目前的市場(chǎng)主流，而夾在其中的16位MCU似乎不上不下。

01、優(yōu)秀的8位和32位MCU

在討論8位、16位、32位MCU的變化時(shí)，先來(lái)了解一下什么是“位”。這里的“位”是指MCU的“字長(zhǎng)”，也就是一次運(yùn)算中參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。按照一般理論上看，位數(shù)越大，運(yùn)算效率越高，性能越強(qiáng)。但這是理論上的結(jié)果，在實(shí)際的選擇MCU中，需要考慮的因素還包括頻率、功耗、價(jià)格等。

8位MCU的“倔強(qiáng)”

四十年前，英特爾推出了一款功能有限的8位MCU，即MCS-51，這就是當(dāng)前大名鼎鼎的“51單片機(jī)”的祖先。在推出后的短短幾年內(nèi)，8051設(shè)計(jì)引領(lǐng)嵌入式市場(chǎng)，多家制造商推出了自己的8051版本。MCS-51系列單片機(jī)因其性能可靠、簡(jiǎn)單實(shí)用、性價(jià)比高深受歡迎，被譽(yù)為“最經(jīng)典的單片機(jī)”。隨著更多設(shè)計(jì)的增加，這種架構(gòu)的增長(zhǎng)也在增加眾多終端產(chǎn)品。Atmel 8051也成為8位Intel MCS-51的最暢銷產(chǎn)品之一。后來(lái)，MCU的位數(shù)逐漸增長(zhǎng)，市場(chǎng)出現(xiàn)了16位和32位MCU，因此很多人認(rèn)為8位MCU將會(huì)隨著時(shí)間的流逝逐漸消失。

時(shí)間拉回到十年前，業(yè)內(nèi)已經(jīng)有專家表示：“8位MCU已死”。飛思卡爾推出Kinetis L系列時(shí)也曾打出“8位MCU終結(jié)者”的說(shuō)法，揚(yáng)言會(huì)先吃掉16位MCU市場(chǎng)，然后再擠掉8位MCU份額。但是，十年時(shí)間又過去了，現(xiàn)實(shí)情況似乎不如與預(yù)料，8位MCU依舊在市場(chǎng)中占據(jù)一席之地，從行業(yè)分銷商的官網(wǎng)可以看到，目前全球約有近50000種不同的MCU可用。其中，可用的8位MCU數(shù)量最多，占比最大。是什么讓8位MCU依舊保持活力？一方面，8位MCU最突出的是低功耗和低成本的特性。整體功耗上，盡管32位MCU的運(yùn)行速度可以提高四倍，但是速度較慢的8位MCU功耗始終優(yōu)于速度較快的32位MCU。

在許多嵌入式設(shè)計(jì)上，8位MCU比32位擁有更容易設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，依循8位架構(gòu)的軟件和硬件比起32位更為簡(jiǎn)易。并且在價(jià)格上，隨著開發(fā)成本壓力大增，嵌入式系統(tǒng)品牌商對(duì)于整體物料清單（BOM）成本將更錙銖必較，價(jià)格低廉的8位價(jià)格仍存在市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。因此，某些情況下一個(gè)8位MCU就足夠了。憑借這超低成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，8位MCU活躍于市場(chǎng)，尤其是中國(guó)市場(chǎng)。另一方面，廠商對(duì)8位MCU的開發(fā)力度也并沒有縮減。為滿足對(duì)8位微控制器（MCU）的需求，Microchip推出了5個(gè)新系列、超過60款器件、8位PIC和AVR微控制器；比亞迪進(jìn)一步擴(kuò)大了車規(guī)級(jí)8位通用MCU系列產(chǎn)品陣容，全新推出車規(guī)級(jí)8位MCU BS9000AMXX系列等。這也就是為什么8位MCU經(jīng)歷多年依舊歷久彌新。

32位MCU“大展身手”

除去8位MCU，目前市場(chǎng)占比最高的是32位MCU。根據(jù)IC Insights預(yù)測(cè)，2022年全球MCU市場(chǎng)中32位占比將達(dá)到67%。實(shí)際上，32位MCU能夠達(dá)到如此占比是在情理之中的，盡管8位MCU應(yīng)用廣泛且成本低，但是總體來(lái)說(shuō)性能依舊有限。在高端、復(fù)雜的場(chǎng)景中往往需要是性能更高的32位MCU。例如，在汽車電子中，32位MCU主要用于整車控制、智能儀表、多媒體信息系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、輔助駕駛等高端功能控制。并且汽車智能化大幅提振了32位MCU的需求，根據(jù)McClean報(bào)告，2021年超過四分之三的汽車MCU銷售額來(lái)自32位MCU，預(yù)計(jì)達(dá)到58.3億美元左右。

越來(lái)越多的MCU公司都計(jì)劃將重點(diǎn)放在開發(fā)中高端32位產(chǎn)品上，MCU公司包括新唐科技、盛群半導(dǎo)體、凌通科技和偉詮電子等都認(rèn)為必須提高中高端32位產(chǎn)品的比例才能保持競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)際上，目前國(guó)內(nèi)以兆易創(chuàng)新、中穎電子、航順芯片、東軟載波為代表的企業(yè)也在積極布局高端MCU市場(chǎng)。兆易創(chuàng)新自2013年以來(lái)已成為中國(guó)最大的基于ARMCortex－M的MCU供應(yīng)商。2017年兆易創(chuàng)新的GD32MCU年總出貨量達(dá)到1億片，2021年已升至10億片以上。

此外，隨著高效和先進(jìn)制程工藝的應(yīng)用，32 位MCU的成本得到有效縮減，以2015年突破了1美元關(guān)口作為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，32位MCU價(jià)格持續(xù)逼近傳統(tǒng)16位MCU以及高端8 位MCU的價(jià)格。價(jià)格下降加上性能提升，兩相結(jié)合使得32位MCU產(chǎn)生一種不可抗拒的吸引力，在許多傳統(tǒng)看不到32位的產(chǎn)品上，現(xiàn)在都紛紛可見到32位MCU的身影，例如手表或者家電（如冰箱）等。

02、16位MCU因何存在？

在32位MCU持續(xù)降價(jià)加上8位MUC簡(jiǎn)單耐用的進(jìn)攻下，16位MCU市場(chǎng)城池失守、節(jié)節(jié)敗退，成為了出貨比例最低的產(chǎn)品，甚至有很多企業(yè)在規(guī)劃中直接去除了16位MCU的產(chǎn)品規(guī)劃。實(shí)際上，現(xiàn)在“爹不疼娘不愛”的16位MCU也曾經(jīng)有過一段輝煌的時(shí)刻。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間，業(yè)內(nèi)對(duì)單片機(jī)的長(zhǎng)久以來(lái)的期望偏低，8位機(jī)已經(jīng)足夠使用，認(rèn)為16位、32位是性能過剩。后來(lái)，8位MUC的功能逐漸強(qiáng)大，但是由于處理能力和可尋址存儲(chǔ)器有限，性能上存在固有限制，以至于高性能應(yīng)用通常不會(huì)選用8位微控制器。而基于32位內(nèi)核的系統(tǒng)對(duì)于這些應(yīng)用往往又稍顯過火，尤其是導(dǎo)致不必要的功耗過大時(shí)。

位于8位和32位內(nèi)核中間的16位MCU既像簡(jiǎn)單的單電源8位MCU一樣功耗較低，又具有32位內(nèi)核的部分性能和存儲(chǔ)器優(yōu)勢(shì)。并且，如果應(yīng)用不要求很多線程同時(shí)處理，存儲(chǔ)器要求也不太高，那么16位MCU可以提供適當(dāng)?shù)男阅芩讲⒛茱@著節(jié)能。因此，對(duì)于許多低功耗、中等性能的電池供電嵌入式應(yīng)用而言，當(dāng)時(shí)的開發(fā)人員更愿意選擇合適的16位MCU，而非32位內(nèi)核。1996年，德州儀器推向市場(chǎng)的一種16位超低功耗的混合信號(hào)處理器——MSP430系列單片機(jī)，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供“單片”解決方案。因其低功耗，速度快，指令少，匯編語(yǔ)言靈活等特性，頗受業(yè)內(nèi)好評(píng)。

2005 年時(shí)，Microchip宣布把16位MCU作為今后的發(fā)展重點(diǎn)之一，PIC24系列中的PIC24F、PIC24H，以及第二個(gè)帶有DSP控制功能的dsPIC33F系列，共有49款不同型號(hào)的16位MCU。16位MCU在2011年首次超過8位MCU，成為出貨量第一的產(chǎn)品；2011年出貨量增長(zhǎng)23%，而2012年又繼續(xù)增長(zhǎng)11%；到了2013年，16位MCU出貨量繼續(xù)增長(zhǎng)6%至67億片。直到2015年，全球32位MCU出貨量超過4/8位MCU與16位MCU出貨量的總和，16位MCU迎來(lái)衰落。

03、16位MCU會(huì)逐漸消亡嗎？

以當(dāng)前的主流應(yīng)用來(lái)看，4位與16位MCU幾乎消失，基本由8位與32位MCU瓜分整個(gè)應(yīng)用市場(chǎng)。64位MCU市場(chǎng)還在萌芽階段，大部分應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)及高級(jí)終端機(jī)等領(lǐng)域。哪怕在目前熱門的汽車領(lǐng)域，主要用于下車身，如引擎、電子剎車、懸吊系統(tǒng)等動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)的16位MCU，也在8位MCU的性能和內(nèi)存容量不斷增長(zhǎng)和32位MCU數(shù)量不斷增長(zhǎng)中丟盔棄甲。不過，在一些動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵應(yīng)用，16位MCU仍有用武之地。但是，16位MCU或許不必如此消。

比8位有更高的性能、比32位更快的響應(yīng)時(shí)間，如果能夠在價(jià)格上努力與8位產(chǎn)品抗?fàn)?，在性能方面逼?2位，那么16位MCU也將走出獨(dú)特的發(fā)展之路。例如，瑞薩就推出了RL78/G15，RL78是一款16位、主頻為16MHz的單片機(jī)，明確指出這款MCU希望搶占8位MCU的市場(chǎng)，用于“替代”8位MCU。RL78/G23可兼容瑞薩當(dāng)前通用RL78 MCU（如RL78/G13），同時(shí)改善功耗性能，滿足電池供電應(yīng)用的需求。

此外，為應(yīng)對(duì)市場(chǎng)需求，片上閃存容量增加至768KB，并大幅擴(kuò)展片上外設(shè)功能，從而在增加功能的同時(shí)提升安全性并降低物料清單（BOM）成本。憑借以上功能，全新RL78/G23非常適用于需要兼顧功耗和成本的各類應(yīng)用，包括家居電子設(shè)備、遙控器和傳感器等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。此外，羅姆半導(dǎo)體也在不斷升級(jí)16位MCU在技術(shù)，以應(yīng)對(duì)家電市場(chǎng)對(duì)MCU需求的多樣化。羅姆的16位MCU是在8位MCU的基礎(chǔ)上研發(fā)出來(lái)的，包括兩個(gè)型號(hào)ML620100和ML620500，前者主打抗干擾，后者主打低功耗?；蛟S在多樣化的市場(chǎng)需求下，“出走”的16位MCU，能夠發(fā)揮自己的光芒。

編輯：黃飛