16位MCU的“出走”

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。

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，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，但是總體來說性能依舊有限。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 銷售額來自 32 位 MCU，預(yù)計(jì)達(dá)到 58.3 億美元左右。

越來越多的 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 年以來已成為中國最大的基于 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。

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，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 迎來衰落。

16 位 MCU 會(huì)逐漸消亡嗎？

以當(dāng)前的主流應(yīng)用來看，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?32 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。

或許在多樣化的市場(chǎng)需求下，「出走」的 16 位 MCU，能夠發(fā)揮自己的光芒。