MCU行业

定义：何为MCU？

MCU是芯片级的微型计算机，其在生活中无处不在。MCU（Micro Controller Unit），即主控芯片，又称微控制器或单片机，是一种集成了CPU、存储器（ROM/RAM）、数据转换器（A/D、D/A）、输入/输出接口（I/O）以及计时器等多种功能模块的、微型的、芯片级的计算机。

相比大众所熟知的PC处理器，MCU适度缩减了CPU的规格与频率，从而满足各类计算控制设备对空间、功耗、实时性等方面的苛刻要求，因此广泛应用于汽车电子、消费电子、工业控制等搭载嵌入式系统的场景。

MCU在我们的生产生活中发挥着极为重要的角色，从日常使用的手机、冰箱，汽车，到高精尖的医疗设备、光伏逆变器和航空航天领域，均有MCU的身影，是现代数字经济不可或缺的大脑和运算中枢。

图 1 MCU芯片的基本构成单元

资料来源：瑞萨电子guan网，东海证券研究所

图 2 恩智浦DEVKIT-S12 16位车规级MCU

资料来源：恩智浦guan网，东海证券研究所

MCU的工作原理：衔接物理世界和数字世界

MCU是连接真实世界和数字世界的桥梁。MCU通常配备了各类输入/输出口接口，可与传感器进行连接，真实世界中的温度、光线、压力、电压等物理量可以透过传感器转换为电信号，经由信号放大器的扩大，通过模数转换器（ADC）将模拟信号离散化为计算机能够识别的二进制数字信号，传递给MCU进行算法运算和逻辑决策，生成控制信号，该控制信号再经由数模转换器（DAC）转换为模拟信号，经由功率驱动器的放大传输到外界的执行设备，从而实现对电机、开关、阀门等功能的控制。因此，MCU是衔接物理世界和数字世界进行交互的运算中枢，也是电子产品智能化、智慧化的he心。

图 3 MCU的信号链示意图

资料来源：OFweek，东海证券研究所

图 4 汽车ECU单元中的MCU示例

资料来源：世强硬创，东海证券研究所

MCU发展历程：能不断攀升，指令集架构百花齐放

MCU已有超过50年的历史，高性能、低功耗和指令集架构的变迁是行业发展的主轴。MCU的发展历程zui早可以追溯到上世纪70年代，英特尔推出4位微处理器Intel 4004，自此嵌入式计算时代正式开启，此后MCU按照分别历经了从4位、8位、16位到32位乃至64位的迭代更新，性能得到不断增强。MCU的内核架构也从起初的Intel 8051逐渐拓展到各家自主内核架构(如微芯的PIC和瑞萨的RX)，以及MIPS、PowerPC、ARM 等 RISC指令集，2004年ARM Cortex M3处理器核的成功发布标志着MCU进入32位时代，ARM逐渐成为MCU的主流架构。

而2010年以来逐渐兴起的开源指令集RISC-V因为其开源、mian费、高度可定制等特性也逐渐受到国内外芯片设计厂商的热捧，随着近年来AIoT、智能驾驶和工业自动化等领域的蓬勃发展，嵌入式领域对MCU定制化、模块化的需求不断升高，RISC-V有望对ARM的在MCU领域的ling先地位发起挑战。

图 5 MCU行业的发展历程和重要里程碑

资料来源：公开资料整理，东海证券研究所

汽车电子

1.     车规MCU是汽车电子的he心部件

MCU是汽车电子不可或缺的he心元器件。车规级芯片按功能主要可分为主控芯片（MCU/SoC），功率芯片（IGBT），传感器芯片（CIS）和存储芯片（Memory）四大类，车规芯片广泛应用于汽车的动力系统、智能座舱及自动驾驶系统。在汽车电子中，小到车窗和座椅调节，大至动力总成，车身控制，电池电机控制，整车热管理系统，均有MCU的参与。

图 6 车规MCU应用领域和示例

资料来源：公开资料整理，东海证券研究所

2.新能源汽车是quan球MCU市场主要驱动力

（1）汽车电子是MCUdi一大下游市场。根据前文图23所示数据，在MCU的下游应用领域中，汽车电子占比zui大，2021年市场规模约为86亿美元，市场份额达 39%，且呈现逐年升高态势，是 MCUdi一大下游市场和主要驱动力。随着近年新能源汽车蓬勃发展，汽车电动化、智能化和网联化的趋势使得汽车产业对电子元器件的需求水涨船高，提高了汽车电子在新能源整车制造中的成本比重，因而带动了汽车电子占整车成本的价值量比重近年来不断提高。根据中商情报网预测，预计到2030年，汽车电子将占整车制造成本的近50%。

图 7 2000-2030E汽车电子占整车制造成本比重

资料来源：中商情报网，东海证券研究所

（1）汽车“三化”革命重塑整车产业链，MCU迎来新机遇。在碳中和和汽车“三化”的大背景下，quan球各个主要国家均已对燃油车的禁售时间表做出了承诺，电动车对燃油车的替代已不可逆转。新能源车带来的对汽车能源体系的革命，已经颠覆和重塑了燃油车的整车供应链，传统燃油车时代的“三大件”（发动机、底盘、变速箱）如今已逐渐被高度电气化的电池、电机和电控系统所取代，而MCU 作为新能源汽车的重要元器件，也有望在汽车智能化趋势的大背景下获得价值重估。

图 8 各个国家燃油车禁售时间表

资料来源：TechXplore，东海证券研究所

（3）新能源汽车高速发展给车规MCU带来强劲驱动力。根据中汽协，2022年我国新能源汽车产销分别完成705.8万辆和688.7 万辆，同比增长 96.9%和 93.4%，产销量已连续8年位居quan球di一；截至2023年7月，我国新能源车市场渗透率达35.7%(同比提升11.2pct)，未来替代空间仍非常广阔。根据中国市场协会，传统普通燃油车携带ECU（由MCU、存储器、传感器、输入/输出接口等集成电路组成的电子控制单元）约为70个，豪华燃油车ECU 约为150个，而智能汽车由于智能座舱和gao级别辅助驾驶等高算力需求，其携带ECU数量会激增至约300个，为普通燃油车4.3倍，而每个ECU单元里至少需要使用一颗MCU芯片。因此，随着汽车智能化程度加深，MCU的需求量也随之增多，这也佐证了汽车电子在quan球MCU下游构成占比逐年升高至近40%的原因。

图 9 2013-2022年中国新能源汽车销量以及增长率

资料来源：中汽协，东海证券研究所

图 10 智能车ECU搭载数量是传统燃油车的4.3倍

资料来源：中国市场协会，东海证券研究所

消费电子

1.  消费电子为我国MCU市场di一大下游应用

（1）消费电子是国内MCUdi一大下游市场，应用领域极为广泛。我国作为quan球消费电子产业大国，PC、手机、家电、可穿戴设备等消费电子产品的制造和组装环节高度集中，对于消费级MCU的需求量较大，因此消费电子目前仍为国内MCUzui大的下游市场。消费级MCU凭借其低功耗、高性价比，低延时等优势，广泛应用于智能手机、智能家居、可穿戴设备等应用场景。

表 1 MCU在消费电子领域的作用示例

资料来源：公开资料整理，东海证券研究所

（2）消费级MCU需求持续增长，有望成为百亿级市场。根据前瞻产业研究院，我国消费电子产业对MCU的需求规模自2015年以来一直呈现稳步上升态势。随着5G的普及，AI和IoT等新兴技术的赋能，消费电子产品智能化和网联化程度将不断提高，从而带动消费级MCU蓬勃发展，预计到2026年，我国消费电子MCU需求规模将有望达97亿元。

图 11 2015-2026E 中国消费电子 MCU 需求规模及预测(亿元)

资料来源：前瞻产业研究院，东海证券研究所

2.万物互联时代，MCU是IoT实现智能化操作的he心

（1）MCU是IoT实现智能化操作的he心元器件。IoT（Internet of Things）即物联网，是一种技术概念，其he心是指将物理世界中的各类设备（如家电、汽车等）连接到互联网，以实现数据的采集、交换、通信、运算和远程控制，从而实现设备的互联互通和智能化应用。IoT技术的实现在硬件层面主要依赖传感器（感知层）、无线通讯模组（网络层）和MCU（应用层）三大he心模块所构成的嵌入式系统，其中MCU作为嵌入式系统的“大脑”，主要负责对传感器输入的温度、距离等数据进行采集分析、逻辑运算，并zui终达成各类控制功能的实现，因此MCU是IoT实现智能化操作的he心元器件。

表 2 MCU在物联网中的应用

资料来源：公开资料整理，东海证券研究所

（3）quan球IoT市场空间广阔，设备连接数量不断增加，有望带动 MCU 需求上升。根据Statista，2022年quan球IoT市场规模约为 9700 亿美元，同比增长 25.4%，计2028 年有望突破2万亿美元，未来5年CAGR 达13.6%。从设备连接数量来看，2022年quan球IoT设备连接数约为131亿台，预计到2030年将达到接近300亿台，未来5年CAGR达9.0%。我们认为随着5G网络的普及、AI 技术的赋能以及万物互联需求的催化，消费电子产品智能化、网联化、集成化的趋势愈加明确，而MCU作为实现数据采集分析、远程智能控制、互联通信和执行输出的重要硬件，其需求量和价值量都有望得到显著带动。

图 12 2019-2030Equan球IoT设备连接数（十亿台）

资料来源：Statista，东海证券研究所

工业控制

1.工业4.0时代，工业控制和自动化市场前景广阔

工业4.0时代，工业自动化市场增长空间广阔。工业4.0是 2013 年由德国首先提出，其本质是将计算机、物联网、大数据、人工智能等先进技术融入传统制造业，将制造业从生产要素驱动向数据驱动、智能化、高度自动化的方向转型，被称为人类第四次工业革命。工业自动化是工业4.0的he心，其本质是指机器设备或生产过程在无人工干预前提下，按预期目标实现测量、操纵等信息处理和过程控制的统称，是涉及机械、微电子、计算机、机器视觉等领域的一门综合性技术。根据Statista，2022年quan球工控及自动化市场规模达2343 亿美元，预计2026年将达到3396亿美元，未来 4 年CAGR达9.7%。随着我国人口红利趋缓、劳动力成本上升，老龄化程度提高，工业自动化已成为我国在制造业重点发力的领域，也是我国实现制造业转型和升级的重要手段。根据中国工控网，2021年我国工业自动化市场规模达2530亿元，预计2023 年我国工业自动化市场规模将增长至3115亿元，增速高于quan球，未来前景广阔。

图 13 2020-2026Equan球工控和自动化市场规模（亿美元）

资料来源：Statista，艾媒智库，东海证券研究所

图 14 2017-2023E中国工业自动化市场规模（亿元）

资料来源：中国工控网，中商产业研究院，东海证券研究所

2.MCU是实现工业自动化的he心部件

（1）工业控制系统的三大支柱是PLC控制器、仪表和电机/变频器，MCU是其中的he心。一个典型的工业控制系统通常由监视层、控制层和现场层三大架构组成，其中：1）监视层主要由ERP 软件、报警系统和数据存储系统构成，负责监视生产过程，对设备、数据进行实时监测，从而确保生产稳定性和安全性；2）控制层主要由PLC控制器、DCS控制系统、通信设备和控制软件组成，负责将监视层的指令转化为实际的参数调整、设备启停等控制操作；3）现场层主要由传感器、仪表、电机/变频器构成，负责接收控制层发来的指令并实际执行工业过程，实时监测参数并将数据传递给控制层和监视层，确保工控系统的稳定运行。在工控系统中，位于控制层的PLC控制器、现场层的电机/变频器通常被认为是三大he心支柱，决定着工控系统的整体性能，而MCU作为这些设备的he心控制器，可用于处理各类信号的输入输出、读取和分析各类参数，控制电机转速和功率等，是实现工业控制自动化和智能化的关键部件之一。

图 15 典型工业控制系统的架构组成

资料来源：《新工业、智物联》半导体智能制造研讨会，华大半导体，东海证券研究所

（3）quan球PLC市场稳步增长，国产替代大有可为。根据亿渡数据，202 年quan球PLC市场规模为112亿美元，预计到2026年有望达到131亿美元，未来四年CAGR约为3.37%。2021年中国 PLC 市场规模约为154亿元，预计2026年有望达到193亿元，未来4 年CAGR达4.65%，高于quan球增速。从市场份额来看，当前我国 PLC市场仍由国外long头企业主导，西门子、三菱、欧姆龙、罗克韦尔总共占据70%的市场份额，台达、汇川技术、信捷电气等国产 PLC 企业尽管仍有差距，但在小型 PLC市场已逐渐展现竞争力，随着未来国产PLC企业市占率逐渐升高，有望加快国产MCU/嵌入式 CPU 企业在工控领域的导入。

图 16 2017-2026E中国PLC市场规模及预测（亿元）

资料来源：亿渡数据，东海证券研究所