三月_車用MCU專題｜全球MCU市場發展趨勢剖析（上）
MCU發展演進與市場規模
MCU(Microcontroller Unit)可稱為「微控制器」或「單晶片微電腦」，是將中央處理器(CPU)、記憶體、輸出入介面(I/O)等不同功能元件整合至單一晶片上。早期MCU僅是由中央處理器和記憶體組成，數十年來經由Intel、Motorola、Microchip、Atmel等晶片商不斷將技術推陳出新下才讓MCU架構日趨複雜，其組成框架包括中央處理器(CPU)、唯讀記憶體(ROM)、靜態隨機存取記憶體(SRAM)、功率控制器(Power Control)、時鐘/方波計數器(Timer/PWM)、類比介面(Analog Interface)、時鐘控制器(Clock Control)、連接介面(Connectivity)、通用型輸出入介面(GPIO)。其中唯讀記憶體可使用以光罩製作的Mask ROM與一次燒錄的OTPROM，或是可重複讀寫的紫外線抹除式EPROM、電子抹除式EEPROM與Flash ROM。應用端之系統程式設計師利用MCU廠商提供的整合式開發環境(IDE)工具撰寫韌體，開發完成且經過驗證後再透過燒錄器將韌體儲存至唯讀記憶體內，最後此MCU將在電子組裝廠被焊接到主機板上以控制產品運作。根據市場研究機構IC Insights發布資料指出，由於產品供不應求讓平均銷售價格躍升10%，使得2021年全球MCU市場規模達196億美元，年增23%，預計2022年將再增長10%而至215億美元。2021至2026年全球市場規模與出貨量的年複合成長率分別為6.7%、3.0%，而售價部分則為3.5%。
圖1、2019~2026年全球MCU市場規模與平均單價變化
資料來源 : IC Insights
MCU種類與終端產品應用
目前MCU擁有多種分類方式，依照工作用途分為通用型與專用型MCU，前者是將可開發的資源全部提供給使用者，後者是硬體及指令按照特定用途而設計；依據處理器結構分為馮紐曼結構(Von Neumann Architecture)和哈佛結構(Harvard Architecture)，前者中央處理器和儲存裝置分開，且程式和資料儲存在相同的唯讀記憶體中，指令和資料不能同時存取。而後者的程式和資料則分開存放在不同的唯讀記憶體中，且各自有匯流排進行儲存，可同時運行而處理速度較快；依照指令集家族分為複雜指令集(CISC)和精簡指令集(RISC)，前者主要代表有Intel 8051、Atmel AVR、Microchip PIC、Motorola 6800，後者常見則有Arm Cortex-M、RISC-V，因為具有指令工作週期短及省電優勢，因此精簡指令集MCU已逐漸取代複雜指令集產品。因為低功耗效果超越其他處理器架構，使得ARM架構已成為市場主流並形成完整的生態系統，可為設計平台提供良好的代碼和軟體相容性，並適用於各類移動產品，目前許多MCU大廠都取得Cortex-M的IP授權而推出ARM系列產品，依照市場需求區隔成M0~M4與M7，Cortex-M0主打初階的8/16位元應用，Cortex-M3主打中階的16/32位元應用，Cortex-M4主打高階的32位元與數位信號控制應用，Cortex-M7主攻最高階的自動化生產與物聯網應用。較晚推出的RISC-V具有模組化、精簡和不需授權費等優點，且預留客製指令擴充空間，可依需求做出相對應設計，在物聯網、AI等高度客製化應用擁有較大發展潛力；根據指令寬度分為4、8、16、32位元等四類。部份廠商採用混合指令寬度，如Arm Cortex-M使用Thumb-1(16位元)和Thumb-2(32位元)。
MCU用途廣泛，在我們生活周遭無所不在，涵蓋資通訊、家電、汽車、工業、醫療、國防等領域，最大應用為汽車和工業。市場研究機構Yole Développement發布報告指出，2021年全球MCU市場占比前兩大應用依序是34%的汽車、24%的工業，合計比重超過50%。預估2026年兩者的市場占比將各增加至39%、26%，合計比重提高至65%。重要的MCU應用說明如下 :
- 汽車:目前一般車型的功能運作受電子控制單元(ECU)操控，每件通常只負責一種功能且配備一顆MCU，若安全性或複雜運作功能則使用兩顆以上MCU。隨著智慧化與電動化發展，促使車輛功能持續增加而需裝配更多MCU，目前一般燃油車裝配約70顆MCU，而電動車提高至約100顆MCU。正因為每輛車配置的MCU數量很多且持續增加，使其成為市場占比最大的應用。
- 工業:MCU主要用於自動化、儀表、變流器、變頻器，每項裝置約配備1~2顆MCU。自動化已成為製造業發展目標，於是生產設備需要更多MCU以用於網路通訊、邊緣運算、即時反應和馬達控制等功能。傳統機械儀表正逐步被電子儀表取代，它倚靠MCU執行數據蒐集、處理、顯示、儲存、輸出等功能，其中水表與瓦斯表須採用低功耗MCU。變流與變頻器主要使用在工廠的電力控制設備，常以MCU為控制晶片，還用於發電機、家電、電動工具等領域。
- 3C產品:MCU主要用於電腦鍵盤、滑鼠、智慧手機和平板電腦，需求成長較快則是智慧手環、智慧手表、真無線藍牙耳機等穿戴式裝置，它們須採用低功耗MCU。通常每件商品約配備1~2顆MCU。
- 家電:MCU主要用於空調、冰箱和洗衣機等大家電，需求成長較快則是電子鍋、空氣清淨機、除濕機等小家電。智慧化與變頻功能持續帶動家電用MCU需求量，目前智慧聯網家電已採用32位元MCU，用於網路連接、溫溼度調節、按鍵操控、資訊顯示等功能。通常每件商品約配備1~2顆MCU。
