BBIN BBIN宝盈集团2022年半导体行业深度研究报告（下）

　　性能稳健、兼容性佳，Cortex-M 垄断 32 位 MCU 内核。ARM 将 ARM11 处理器以后的 处理器核心改用 Cortex 命名，按照应用领域和性能水平分为 A、R、M 三大板块，分别 对应适用于应用型处理器、实时处理器、MCU 的产品。ARM Cortex-M 系列内核具有指 令执行速度更快、寻址方式灵活简单、执行效率高、指令长度固定等特点，在产品兼具 低售价、低能耗、高性能优势的同时做到了对各家 MCU 厂商软件代码层面的良好兼容 性。2004 年后，ARM Cortex 系列产品迅速替代各家的自研 MCU 内核占领市场，开启了 ARM作为微处理器标准化架构的时代。

　　ARM 如今已成为全世界普及率最高的 32 位 MCU架构，占据 32 位嵌入式处理器总市场的 75%。ST、NXP、TI、Infineon 等全球前十 MCU 供应商大部分 32 位产品均使用 ARM Cortex-M 系列内核，仅有瑞萨（80%左右）和 Microchip（50%左右）两家的自研内核使用比例超过 50%。国内也只有少数厂商采用自 研核心，其余绝大多数均外购 ARM 内核。截止 2022 年，ARM 的全球合作伙伴已超过 1000 家，处理器累计出货超过 2250 亿颗。

　　ARM Cortex-M 系列应用广泛、生态完整，性能、功能逐代提升。截止到目前，Arm 共 推出了 11 款 Cortex-M 系列 MCU 内核 IP，布局高、中、低端全系列产品满足下游应用 在功能、性能和成本方面的差异化需求。

　　低端产品：M0、M0+是最基础款也是市场需求量最大的 MCU 内核 IP，可以完成简 单数据处理任务，Dhrystone 跑分 0.84-1.31 DMIPS/Mhz，主要应用于洗衣机、空调、 冰箱等白色家电和小家电领域；M1、M23 系列性能略强于 M0、M0+，主要应用于 智能家居为代表的基础物联网节点。

　　中端产品：M3、M4 为中端内核 IP，相比低端产品在提升数据处理能力的同时增添 了 DSP 功能，Dhrystone 跑分 1.25-1.95 DMIPS/Mhz，在性能和成本端平衡度较好， 主要面向工业控制、汽车市场，下游应用包括汽车车身系统、电机控制、工业自动 化、基础音频处理、中高端传感器等。

　　中高端：M23、M35 定位为中高端内核 IP，相比中端产品增加了浮点云端和 Trustzone 安全扩展功能，性能方面与中端产品基本持平，官方 Dhrystone 跑分 0.98-1.5 DMIPS/Mhz，主要应用于可穿戴设备、手机、平板、机顶盒等高端消费电子产品。

　　高端产品：M7、M55 及最新推出 M85 为高端内核 IP，性能相比中端产品提升明显， 集成 Arm Helium 技术，M7 内核 Dhrystone 跑分达到 2.14-2.55 DMIPS/Mhz，主攻人 工智能、机器学习、医疗设备、高端音视频处理领域。2022 年新上市的 M85 系列产 品可提供 Cortex-M 系列处理器的最高的速度、DSP 和 ML 性能，目前主要应用于 整体物联网解决方案。

　　RISC-V 架构：ARM 的有力挑战者。RISC-V 架构是基于 RISC 指令集建立的开放指令 集架构。RISC-V 完全开源可规避 ARM 授权，采用模块化设计方式，支持针对特定应用 场景进行定制化指令设计，因此采用 RISC-V 指令集设计 MCU 可以让芯片厂商快速完成 低门槛、低成本的芯片设计。并且同时由于没有 x86 和 ARM 指令集背负的兼容性包袱， RISC-V 指令集在提升芯片性能、降低功耗方面更容易。目前 NXP、瑞萨、Microchip 等 国际 MCU 厂商以及兆易创新、中微半导、乐鑫科技等国内 MCU 厂均已推出 RISC-V 架 构 MCU，SiFive、芯来、平头哥、晶心等厂商正在研发 RISC-V 内核。

　　功耗方面，诸如可穿戴设备等物联网终端以及工控场景，都对功耗要求有着非常严苛的 标准。如连续血糖监测仪要求电池续航 14 天以上、智能水表要求电池续航 6 年以上、山 体滑坡监测器要求环境自供电永久续航等等。MCU 系统的功耗包括动态功耗（工作状态， 与处理器主频成正比），以及静态功耗（睡眠状态，大部分是恒定的）。32 位 MCU 通常 主频更高，工作电流更大，单位时间动态功耗稍逊于 8 位 MCU，但其处理速度更快，可 以通过更快地完成处理任务和更快地进入睡眠模式来节省电量。随着低功耗场景越来越 多，如何在特定应用中兼顾到两种模式下的综合效能，成为了 MCU 厂商产品设计中的 重要命题。STM32 的超低功耗型是非常庞大的产品系列，已成为 IoT、工业传感器、可 穿戴设备或家庭自动化等超过 20 亿个应用程序的核心。

　　内存方面，随着总线位数增加，内存长度必然增加。另外在 32 位 MCU 时代，软件 API 调用大幅增加，内存使用相应提升，需要通过提高硬件性能补偿程序效率的相对损失， 更大的内存是基础。

　　工艺方面不断进步，为高性能和低功耗提供硬件基础。前段制造从最初的 0.5μm、0.4 μm 工艺，进步到了主流的 90nm、55nm 工艺，目前主要是 40nm 及以上的成熟制程工 艺节点，先进车规级 MCU 已采用 28nm 制程。近年来全球 MCU 制程升级节奏放缓，主 要系：1）MCU 本身对算力要求有限；2）内置的嵌入式存储自身制程限制整体制程的提 升。

　　2、需求端：近年来随着 AIOT 和汽车电子等的蓬勃发展，MCU+渐成风潮

　　物联网场景下各种终端设备配置的功能呈现井喷之势，如智能手表需要兼具健康测量、 生物识别、移动支付、社交等多项功能，对于传统 MCU 而言，需要添加越来越多的外 设器件才能满足这些新兴需求。传感器的升级提高了模拟信号的处理要求，于是有了 MCU+AFE 的方案，无线应用的普及催生了 MCU+蓝牙/Wifi，MCU+解决方案提升了集 成度，为客户降本增效，同时也提高了技术门槛，利于产业化发展，更加符合当下技术 迭代和需求升级的背景。

　　物联网场景和外购内核驱动 MCU 安全性要求提高。物联网的典型应用，如智能门锁、 智能表计等都有天然的安全性要求，且 AIOT 时代有大量碎片化设备，增加了黑客攻击 的潜在风险。早期 8 位和 16 位 MCU 盛行时，主流公司基本都是采用自研内核，之后随 着计算要求越来越复杂，内核厂商开始出现，ARM Cortex M 系列占据市场主流地位， 各大设计厂商在利用 Arm 内核自身的安全性之余，也会加入非常多自研的安全性设计进 去。

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