半导体：国产化浪潮持续，国内MCU厂商快速发展

首次覆盖，给予行业“增持”评级。短期的供不应求加上技术不断完善，国内MCU行业有望充分受益国产替代浪潮快速发展，实现长期持续成长，给予行业“增持”评级。推荐峰岹科技（688279.SH）、国芯科技（688262.SH）、复旦微电（688385.SH）。 MCU市场 ：百亿美金市场空间 ， 国内需求占比高 。MCU（Microcontroller Unit），又称微控制器、单片机，通过将CPU、存储器、外围功能都整合在单一芯片上，形成具有控制功能的芯片级计算机。2022年全球MCU市场规模有望突破200亿美元，预计未来将以超过6%的年均复合增速保持稳定增长。国内MCU市场2021年达到365亿元，预计未来5年增速超过全球平均。 市场规模驱动力：汽车、工业拉动需求增长。根据IC Insights数据，全球市场而言，汽车电子是最大的应用，市场占比达到33%；其次为工业应用占据25%，剩下的42%分布于计算机与网络、消费电子和家电、物联网，以及智能安全等应用领域，未来汽车智能化以及光伏行业高增长将拉动MCU行业需求提升。 国产替代：本轮缺货恰逢国内技术成熟，产业链机会明显。目前MCU行业格局来看，海外厂商占据垄断地位，国内厂商还有很大的成长空间。2020年，全球前五大MCU厂商（瑞萨、NXP、英飞凌、ST、Microchip）占比约为75.6%。据IC Insights统计，2021年，全球MCU市场CR5提升至82.1%，行业格局进一步集中。 国内厂商的产品技术、配套的代工能力不断完善，目前已经具备国产替代基础：1）从设计能力看，国产MCU的技术参数在部分领域可以比肩国际大厂。随着国内MCU设计经验的不断迭代，在消费电子、工业控制等领域，技术水平已经基本齐平海外厂商，部分参数指标甚至更优；2）从工艺制造看，MCU工艺节点集中在 40nm 及以上的成熟制程，国内代工厂具备相应的制造能力，产业链协作共同推动MCU性能提升。 短期内，海外厂商扩产尚不能完全满足市场需求，国产MCU有望把握机遇凭借前期技术积累切入汽车、工业等供应链，实现长期持续成长。 风险提示：行业周期性波动风险；国际贸易摩擦带来不确定性。 1.MCU：基础介绍 1.1.结构：CPU、内存和外围共同构成的芯片级计算机 MCU（MicrocontrollerUnit），即单片微型计算机，又称微控制器、单片机，通过将CPU、存储、外围功能都整合在单一芯片上，形成具有控制功能的芯片级计算机。对MCU的结构组成而言，MCU主要由CPU（包括运算器、控制器和寄存器组）、存储器（包括ROM和RAM）、输入输出I/O接口、串行口、定时器等构成。 图1：MCU芯片结构（1） 图2：MCU芯片结构（2） 1）中央处理器CPU：包括运算器、控制器和寄存器组。CPU（Central Processing Unit）是MCU内部的核心部件，包括运算器、控制器和寄存器组。运算部件能完成数据的算术逻辑运算、位变量处理和数据传送操作，控制部件则按照一定时序协调工作，分析并执行指令。 图3：Memory存储器类别划分 表1：ROM与RAM对比 2）存储器：主要包括ROM和RAM等。ROM（Read-Only Memory）是程序存储器，信息以非破坏方式读取，存储数据掉电后不消失。ROM在MCU中用来存放编写好的程序（由制造厂家编制和写入），MCU则按照事先编制好的程序循序执行。ROM又分为MCU片内存储器和片外扩展存储器两种。RAM（Random Access Memory）数据存储器（也叫主存），与CPU直接进行数据交换。在程序运行过程中可以随时写入、读出，速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中程序的临时数据存储介质。RAM存储数据在掉电后不能保持。 表2：MCU主要部件及功能 3）外围功能电路：根据产品需求进行系统软硬件设计，通过I/O接口，与外部电路设备相连接。主要包括P0/P1/P2/P3等数字I/O接口，内部电路含端口锁存器、输出驱动器和输入缓冲器等电路，其中P0为三态双向接口，P1/P2/P3数字I/O端口。MCU中的端口作为数字信号输入或输出口亦具复用功能。 1.2.功能：MCU用于实现信号处理和控制 MCU与CPU、MPU、SoC之间的关系可以理解为：CPU是运算控制的核心。MPU可以理解为增强版的CPU。MCU除包含CPU外还包含了RAM或ROM等，是芯片级芯片。SoC是系统级芯片（综合了MCU和MPU的优点，可存放并运行系统级代码）。 图4：CPU结构及工作原理 图5：MPU与MCU架构差异大 1）CPU是计算机的运算控制核心，是取址、译码、执行的对象。一般程序是CPU从存储器或高速缓冲存储器中一条一条取出指令，放入指令寄存器，并对指令进行译码，最后执行指令。CPU的构成包括运算器、控制器和寄存器及相应的总线。计算机的可编程性其实就是指对CPU的编程。 2）MPU（Micro Processor Unit），微处理器通常是指增强型CPU。 3）MCU：主要用于实现信号处理和控制，是智能控制系统的核心。如前所述，MCU是CPU和RAM、ROM、定时器、I/O引脚集成在一个芯片上，通过直接添加电容、电阻等简单器件就能构成最小系统，从而运行代码。以意法半导体的STM32和ARM Cortex-M内核为例，意法半导体等MCU厂商在获得ARM内核使用授权后，通过添加存储器等外围设计，就能搭建出相应的MCU芯片。 图6：STM32芯片结构 图7：Cortex-M3模块结构 根据芯海科技招股说明书，通常在信号链中，MCU对ADC转化形成的数字信号进行处理、计算，输出信号经由DAC再次转换为模拟信号实现系统控制。MCU在信号链中起核心处理作用，而信号链是连接真实世界和数字世界的桥梁，是电子产品智能化的基础。 图8：MCU功能主要为信号处理和控制，也会在信号链中发挥关键作用 表3：MCU、MPU、SoC特点对比 4）SoC（System on Chip），片上系统。MCU只是芯片级的芯片，而SoC是系统级芯片，它集成了MCU和MPU的优点。SoC可以理解为MPU加上其他外设电路，可存放并运行系统级别的代码，运行Linux等操作系统。 1.3.产品分类标准较多，主要以位数和指令集区分 MCU芯片可根据内核、主频、工艺、模拟功能、封装、引脚数、通信接口和存储类型等标准分为诸多种类。其中，目前最为主要的四大分类模式为：用途、位数、指令集内核和存储器架构。 图9：MCU的多种细分品类及发展趋势 图10：MCU四大分类方法 1.3.1.用途：通用型MCU占据主要市场份额 从产品应用领域来看，可以划分为通用型MCU和专用型MCU，其中通用型MCU市场份额更高。根据芯知汇数据，2020年国内MCU市场73%的份额为通用微控制器，专用MCU产品市场占比13%。另外，超低功耗MCU占比5%。意法半导体的STM32系列是典型的通用型MCU，拥有多个子系列以及上千款产品，满足用户不同需求。 图11：2020年国内通用MCU占比高 图12：STM32产品矩阵丰富 1.3.2.位数：8位市场地位稳固，32位占比逐渐提升 从MCU位数来看，可分成8位、16位、32位等。位数是指MCU每次处理数据的宽度，位数越高，MCU数据处理能力越强。其中，8位MCU成本低、便于开发，性能可以满足大部分场景需要，被广泛应用于消费、工业控制、家电和汽车（比如汽车风扇、雨刷天窗等）等下游领域。由于其良好的产品稳定性及高性价比，8位至今仍占据市场重要地位。而对于32位MCU来说，其运算能力更强，能满足高速处理的需求，多用于解决复杂场景问题（比如汽车智能座舱、车身控制等）。 表4：不同位数MCU应用场景 尽管全球市场和国内市场均以32位MCU为主，但份额占比差距较大。 根据IC Insights统计，2011-2020年全球MCU产品中，32位MCU产品市场占有率稳步上升，4/8位MCU产品占比呈下降趋势，其中2020年32位MCU占比为62%，而4/8位MCU占比为15%。据ICInsights预测，未来五年32位MCU的销售额将以9.4%的复合年增长率增长，2026年预计达到200亿美元。同时，预计4/8位MCU的销售额在未来五年内不会出现显著增长，预计2026年市场规模在24亿美元左右。 图13：2011-2020年全球MCU产品结构，32位占比提升 中国通用型MCU市场基本被8位、32位平分，预计32位产品占比将进一步提升。据芯知汇统计，2020年中国通用型MCU市场中，32位和8位占据市场主流，32位略高于8位MCU产品。其中，32位市场份额54%，8位市场占比43%。随着32位MCU的综合成本逐渐降低，预计未来32位产品的市场份额仍将不断提高。 图14：中国通用MCU产品结构，32位占比高 图15：32位MCU应用场景丰富 1.3.3.指令集架构：RISC类MCU市场份额76% MCU的另一主流分类标准为指令系统，即CISC（复杂指令集）或RISC（精简指令集）。根据芯知汇统计，CISC和RISC指令集MCU市场占比分别约为24%和76%，其中RISC指令集产品市场份额占比较高。 表5：CISC和RISC体系对比 CISC（复杂指令集，Complex Instruction Set Computing），其指令格式和指令大小均不固定，指令按照顺序串行执行。CISC每条指令按照规范设计为最合适的格式和大小，各条指令按顺序串行执行、每条指令中的各个操作也按顺序串行执行，因此每条指令执行的时间也不一致。顺序执行的优点是控制简单、能力强，但复杂度较高，计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。CISC以Intel x86为代表，主要用于笔记本、台式机。 RISC（精简指令集，Reduced Instruction Set Computer），其指令长度固定，采用多级指令流水线结构。所谓精简，即指令集长度一致，指令数不超过128条、寻址方式不超过4种、指令格式不超过4种。所谓流水线结构，即以流水线的模式将处理过程划分为离散的多个周期，每个周期执行一条指令，执行部分并行处理。RISC优点在于保持成本较低的同时能很好地提高速度，但同时编译后指令长度较长、需要较大内存。 图16：CISC与RISC指令集的差异 图17：RISC固定长度的指令也会导致架构优化变复杂 MCU主要的ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V等程序架构均属于RISC指令集。 1）ARM内核：是英国Acorn公司设计的低功耗、低成本的第一款RISC微处理器。ARM生态建设比较完善，促使主要厂商纷纷迁移到32位MCU产品开发，成为目前主流架构。全球前十大MCU厂商32位产品均有导入ARM架构。ARM Cortex包括三大类，分别为A系列、R系列和M系列。在不同应用领域具体内核不同，A系列主打算力，比如手机、服务器等；R系列主要用于实时系统（比如汽车底盘和控制系统）；最早集成到芯片级的是Cortex-M系列，主要面向各类嵌入式MCU。 表6：ARMCortex-M各系列 2）MIPS：即无内部互锁流水级的微处理器，其原理是尽可能利用软件手段避免流水线中的数据问题。MIPS是最早一批实现商业化的RISC架构之一，被广泛应用于RISC CPU，例如Sony和Nintendo的游戏机、Cisco路由器和SGI超级计算机等。 3）PowerPC：具有较好的嵌入式表现。PowerPC是1991年由Apple、IBM、Motorola组成的AIM联盟所发展出的微处理器架构。性能优异、能量损耗低，基于PowerPC的处理器嵌入式表现十分出色。 4）RISC-V：是基于精简指令集的的开源指令集架构。RISC-V最大的特点就是开源，RISC-V指令集可以自由地被应用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。 图18：中国市场不同内核MCU占比