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8位MCU的争论永无休止，8位MCU为什么还没被淘汰？
MCU（单片机）按照位数主要划分为4位、8位、16位、32位及64位，位数越多，数据处理能力越来越强，应用场景变得更加复杂。观察整个应用市场，8位和32位是两大主流，16位则处于二者之间，目前只有部分经典产品拥有存量空间。8位MCU至今已经应用了几十年，一直是无数嵌入式应用的主力，尤其是消费产品和医疗器械中的应用。2012年飞思卡尔推出号称“8位MCU终结者“Kinetis L系列，近十年也陆续有业内专家宣称“8位MCU已死”。虽然32位的MCU越做越强，也越做越便宜，但整个市场对于8位市场的应用量从来没有放缓的迹象。为什么直到现在，8位MCU仍未被淘汰，这其中有哪些逻辑，未来又会怎样发展？付斌丨作者 电子工程世界（ID：EEworldbbs）丨出品8位MCU，老兵不死现在的MCU市场，充斥着矛盾。一方面，厂商们对于8位MCU的未来拥有信心：Microchip（微芯）在今年4月宣布一项新的晶圆厂制造计划，耗资8亿美元将其位于美国俄勒冈州的格雷舍姆制造工厂产能提高两倍；Silicon Labs（芯科科技）在本月宣布推出全新8位微控制器（MCU）系列产品BB5系列；瑞萨推出RL78/G15，继续深耕8位MCU，但也布局16位MCU；另一方面，全世界又在加速推出低成本的32位MCU，想要替代8位MCU：ST（意法半导体）推出STM32C0，用于替代8位MCU；灵动微电子推出MM32F00、01系列MCU，目的也是替代8位MCU；沁恒推出5毛的RISC-V单片机，价格极具诱惑力；兆易创推出GD32VF1系列处理器；TI（德州仪器)推出基于ARM Cortex-M0+的MSPM0系列产品，降低了成本、复杂性，并缩短了设计时间，今年首次推出数十款产品以外，德州仪器计划在今年推出100多款MCU；STC明确将2023定义为32位51单片机元年，表示要全面进军32位MCU市场。IC Insights数据显示，2011年~2020年全球MCU产品中，4/8位MCU占比为15%。到2026年，全球4/8位MCU依然有24亿美元的规模。早在十几年前，有人在预测8位MC即将退出市场，不过由于其成本具有明显优势，现在依然在诸多领域大杀四方，甚至跟32位MCU市场份额在长时间里维持一种微妙平衡。在2020年中国通用型MCU市场中，8位市场占比达43%。又便宜，又省电，谁不爱？对很多简单的应用来说，8位MCU已经足够了，完全没必要选择32位，适合的产品才是最佳的选择。8位MCU的功耗、成本、体积一定比32位MCU低。例如，智能停车场中的传感器/指示器、联网路灯、自动化城市园艺和植物监测，这些地方不需要那么高大上的功能，就是做个采集，对这种设备来说，更换电池是一件非常耗费人力物力的事。8位MCU可以做到几十nA的休眠电流，几百nA的看门狗定时器电流和实时时钟/日历电流。再比如，小型设备的优势和价值不仅体现在其降低的功耗方面，更体现在其更小巧的外形上，这使它们非常适合空间受限的便携式电池供电类物联网产品。8位MCU常见封装是20引脚超薄正方扁平无引线封装（VQFN），其尺寸为3x3mm，32位MCU常见封装则是4x4mm的QFN。因为增加更多功能需要更多连接和更大封装，但具有足够功能的8位MCU可以安装在无法使用16位或32位MCU的电路板空间中。又比如，现如市面上8位MCU售价还不到1元，厂商依然能够保持不错的毛利率。但对32位MCU来说，即便厂商能把价格压到1元以下，毛利也会变得非常可怜。专家也曾表示，相对8位MCU，32位还没有表现出足够的性价比。当然，对于8位MCU来说，在硬参数上的优势也并非绝对。比如说，ST推出的STM32C0拥有9种小巧紧凑的封装形式，从最小的SO8N到最大的LQFP48，从8pin到48pin，而普通MCU的引脚数很少能达到20pin以下。工程师爱用，才是硬道理很多工程师已经习惯了使用8位MCU做开发，所以在选择的时候8位自然是首选。一个产品之中，使用芯片和选型的是工程师，对大部分工程师来说，如果使用8位MCU就能满足应用需求，专门换32位MCU，不仅意味着要重新学习一套系统内容，也意味着产品要重新再验证一遍，这其中但凡出了差错，最终影响的都会是整个产品。Silicon Labs也表示，对开发人员来说具有挑战性的是，大多数8位和32位MCU使用的开发工具不同，这使得开发人员很难同时开发这两种MCU。因此开发人员尽管不需要更强的计算能力，但通常会承担额外的开发成本。“能用8位MCU的，为什么要多此一举换成32位MCU。原则是够用就好，不同任务需求不同，满足需求下也必须追求性价比。”工程师表示，体积、功耗、成本，这些都是8位MCU存在的原因。几毛钱的8位MCU怎么都比32位MCU便宜。我们做工程研发的，只要性能够用就可以了，成本节约，用好用尽器件的每项性能才是真正该考虑的。很多8位MCU性能也很强大的，假如一些低端产品用不了那么多性能，就没必要用32位了吧。（原帖地址：http://www.eeworld.com.cn/aPiH4yT）一位工程师预测，8位MCU仍将在今后十年内持续存在，每天都还会有新的8位应用出现。决定集成电路价格的根本在于芯片面积，只要这个规律还在，8位MCU就不会消失，甚至不会退出主流的地位。而对M0来说，16位MCU才是取代的对象。很多人认为，8位MCU使用高级语言编程，会比32位MCU要困难些，主要障碍就是内存地址的不统一。比如8051内核的内存地址就分为CODE、data、sfr、idata和xdata，涉及到banking就更为复杂，还有硬件Stack这样“非主流”设计，但这些障碍都可以通过工具优化来缓解。工程师举例表示，Silicon Labs的8位MCU就是高度集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的CIP-51微控制器内核，指令集与MCS-51完全兼容。8位MCU的争论永无休止当然，即便如此，市场上对于8位MCU的争论永远不会停止。不看好8位MCU未来的人认为，8位MCU的研发已陷入停滞，成本、功耗、面积优势逐渐缩小。首先，8位MCU内核已多年没有更新，目前较多的IP是2015年Silicon Labs的“EFM8”，2014年波兰DCD的PIC16兼容“DRPIC1655X”和MC68HC11K兼容“D68HC11K”，2012年Zilog的Z8051，Atmel的“AVR8”内核等等。其次，过去几块钱的32位MCU对比几毛钱的8位MCU，显得昂贵太多，以至于可以忽略性能的差距。现在，已经有0.08美元的Arm核MCU出现，同时32位方案还能附加一个Arm生态可以扩展开发，一切都要开始变天。2017年，Arm为了干掉8位MCU布局DesignStart项目，该项目取消新客户采用Cortex M0和M3的预授权费，并且降低了M系列内核版权费，500万级出货大概只需要每颗4美分，并且更高出货量还可以拥有更灵活的折扣。此后几年，32位MCU的价格就开始不断下降。他抛出疑问表示，如果需要对旧方案进行升级，那么现实的问题就是，性能3分的3元成本8位方案，对比性能6分的4.5元成本的32位方案，哪个更容易赢得客户的订单？显然，价格已经不再是购买的唯一理由。看好8位MCU未来的人则认为，厂商依然在8位MCU上投入研发，简单的嵌入式应用一定会持续存在，而为简单而生的8位则永远不会淘汰。首先，芯片厂商们并没有停止创新。比如CIP-51内核因为采用了一个时钟周期等同于一个指令周期的设计，瞬间将同频率的8051性能提高了12倍。国内的一些半导体厂商也有基于8051或其他8位内核的创新。其次，如今8位MCU不仅仅局限于数据收集，还支持在大量物联网应用中收集、处理和传输数据，物联网并非一个单独的应用，而是复合的，比如说，它包含大量的传感器节点、执行节点和转换节点，这种节点用低功耗的8位MCU来实现更加适合。最后，嵌入式处理器，升级路径从来都没有那么明确，其实8位和32位产品的外设都很相似，但如果产品形态变化了或者需求本身变化了，就要重新设计。未来谁谁都无法预测，何必考虑那么多没有实际意义的前瞻，用好手头的8位MCU产品就好了。选择什么样的产品，比我们想象中要复杂得多。此前，Arm的工程师曾经这样计算过——假设32位MCU可以比8位MCU更快地完成计算，然后迅速进入睡眠模式，以达到省电的目的。这是可能的，但不是绝对的，实际的设计中，更为复杂。况且，仅仅是省电，也不一定就能让32位完全取代8位。总结起来，就是8位MCU总是比32位MCU设计的功耗要低，成本更低，但这并不总是正确的。选择是复杂的，取决于许多特定于应用程序的需求。在某些情况下，16位MCU甚至是最佳选择。但如果再考虑到任务本身非常简单，唤醒过程功耗也很大，那么这个假设又完全不成立。所以说，针对不同应用场景，不能简单说8位、32位哪个能效比更高。至少在非常简单的应用或者无需CPU干预的任务，8位的能效比都要高很多。总而言之，8位MCU仍然是许多场景的首选，只要有应用需求在，8位MCU就不会被淘汰，特别是一些低端消费产品，仍然会是主流。大部分人都预测表示，8位MCU还将至少存在几十年，同时短期之内仍不会被32位所取代。总而言之，只有当32位甚至是64位成本、功耗、面积做得足够低，未来才有可能挑战8位MCU的霸主地位。
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以太网交换芯片发展历程及行业分类
目前以太网交换芯片主要有商用和自研两种。以太网交换芯片行业是一个典型的科技密集型行业，行业进入壁垒较高，研发周期长，前期投入巨大，回报周期较长，由于受到政策利好等外界宏观政策影响，行业潜在进入者较多，但是行业集中度较高，呈现垄断寡头现象。1、以太网交换芯片行业定义以太网交换芯片为以太网交换机最核心部件，是一款微小的控制器，它将以太网媒体接入控制器(MAC)和物理接口收发器(PHY)整合进同一芯片，实现二者的功能适配。以太网交换芯片主要用于交换处理大量数据及报文转发，是针对网络应用优化的专用集成电路，其内部的逻辑通路由数百个特性集合组成，芯片体积较小可以有效减小引脚数、缩小芯片面积，在协同工作的同时保持极高的数据处理能力，因此其架构实现具有复杂性。2、以太网交换芯片行业分类目前以太网交换芯片主要有商用和自研两种，自用厂商以思科、华为等为主，商用厂商主要包括博通、美满、瑞昱、英伟达、英特尔、盛科通信等。3、以太网交换芯片行业特征以太网交换芯片行业是一个典型的科技密集型行业，需要高度的技术积累和研发实力，行业存在进入壁垒较高，研发周期长，前期投入巨大，回报周期较长，技术壁垒较高等现象，因此企业需要长期投入资金进行产品研发和市场推广和技术积累，以保持持续竞争力。此外随着市场需求和外界宏观政策影响，中国以太网交换芯片市场参与者虽然增加，但主要行业份额集中于龙头企业，市场集中度不断提高。例如思科为中国自用芯片的市场占有率过半，而商用芯片市场上博通占有率达到70%。并且中国以太网交换芯片行业的商业模式多样化，主要以客户定制和标准化产品销售模式进行销售，需要公司根据自身的特点和市场需求来选择适合自己的模式。中国以太网交换芯片市场的主要商业模式有两种：1.客户定制模式：该模式需要公司具备强大的技术实力和经验，能够根据不同客户的需求进行快速定制。该模式的优点在于能够满足客户的特定需求，提高产品的可靠性和稳定性，同时也能够带来更高的利润。例如，盛科通信在商业模式上着力关注面向客户及应用的贴牌定制，并充分整合公司自研软件系统，充分挖掘和展示公司芯片独有亮点，实现具有创新力和竞争力的整体解决方案。2.标准化产品销售模式：为了扩大市场份额和提高销售额，许多公司采取销售标准化的产品。例如，思科的交换机产品线包括Web-Enabled Network(WEN)系列、Enterprise-class Core(EC)系列、Agile-class Data Center(ADC)系列等。除此之外，一些以太网交换芯片公司也会采用技术转让、技术许可、技术咨询等商业模式，这些模式主要涉及知识产权的转让和使用权的授权等。这些模式可以帮助公司获取更多的收入，并拓展业务范围。总的来说，中国以太网交换芯片行业的商业模式多样化，需要公司根据自身的特点和市场需求来选择适合自己的模式。4、以太网交换芯片发展历程以太网交换芯片与以太网发展息息相关，随着以太网技术发展，市场应用范围不断扩大，以太网交换芯片需求呈现不断上升趋势。其发展可总结为三个关键阶段：萌芽期（1970-1990），启动期（1990-2010），高速发展阶段（2010-至今）。5、以太网交换芯片产业链分析以太网交换芯片产业链构成：上游主要参与者是原材料供应商，包括半导体材料供应商、半导体设备供应商以及设计服务供应商等。上游企业的技术水平以及供给价格对整个产业链的生产和成本有着重要影响。中游主要参与者芯片制造商，主要进行芯片设计和制造、测试和验证以及芯片制造和封装等工作。中游企业作为承上启下的环节，对于产品的质量和性能具有至关重要的影响。下游主要参与者为网络设备制造商和服务器制造商，包括数据中心、计算机网络、通信设备等领域，这些领域对以太网交换芯片的需求量较大。下游环节需求结构变化对整个产业链的协同发展和进步起到关键影响。产业链上游（1）由于硅价格的上涨导致芯片行业原材料价格上涨，从而影响芯片产业的产能释放。其需要确保提供高质量、可靠且经济实惠的原材料和核心技术，以便中游制造商能够顺利地进行芯片设计和制造。近年来，发生的“芯片慌”在一定程度上与原材料硅价格上涨有关，例如2021年硅料的价格疯狂上涨，6月已涨至每吨20.6万元，是2020年底的2.4倍，价格创2012年2月份以来的新高。（2）随着云计算、大数据和人工智能等技术的广泛应用，以太网交换芯片需要具备更高的性能和更快的速度，以满足这些应用场景的需求。目前以太网交换芯片需要具备安全、节能、智能管理等功能，充分满足下游产业的多样化需求。虽然台积电和三星都具备了量产5nm芯片的能力，但企业产量受限。同时由于生产7nm和5nm芯片的光刻机，只有荷兰的ASML公司能生产，但ASML生产光刻机数量有限，使芯片的产量受到影响。因此，上游企业必须密切关注下游领域的需求变化和技术发展趋势，及时调整自己的技术创新和研发方向，以适应市场的变化和用户的需求。产业链中游（1）中游主要参与者芯片制造商，主要进行芯片设计和制造、测试和验证以及芯片制造和封装等工作。中游环节是以太网交换芯片行业产业链中承上启下的关键环节，对于产品的质量和性能具有至关重要的影响。此外，以太网交换机设备的核心组成部分是交换芯片，它占据了交换机成本的32%，其他组成部分包括CPU、PHY、PCB、光器件、插接件、阻容器件以及壳体。（2）目前国产替代浪潮不断推进，中国厂商累积多年经验逐步破局海外垄断。（3）由于外界宏观政策影响中国自研开发芯片发展受阻。近年来，美国商务部多次将若干中国公司列入“实体名单”，并修订直接产品规则，进一步限制部分中国公司获取半导体技术和服务的范围。产业链下游下游主要参与者为网络设备制造商和服务器制造商，包括数据中心、计算机网络、通信设备等领域，这些领域对以太网交换芯片的需求量较大。下游环节在以太网交换芯片行业的产业链中起着重要的需求拉动和技术推动作用，对整个产业链的协同发展和进步具有关键影响。(1) 下游的应用领域如企业网络、数据中心网络、运营商网络和工业网络等，是以太网交换芯片的主要需求方。这些领域对以太网交换芯片的需求量巨大，其发展对整个产业链起着重要的拉动作用。(2) 下游应用领域的需求和技术发展，往往推动着上游和中游环节进行技术创新和产品升级。6、以太网交换芯片行业规模以太网交换设备市场仍处于快速发展阶段，市场规模与成熟市场仍然存在一定差距。2022年全球以太网交换芯片行业规模达到398亿元，由于受到外界宏观环境影响2019-2020年行业规模出现较大幅度下降，并在2021年回归稳定，预计2027年将达到461.39亿元，保持约3%的增长速度增长。未来中国互联网电视发展驱动因素：（1）随着交换机市场的逐步恢复，未来以太网交换机芯片市场规模将逐步扩大。交换芯片是用于处理大量数据及报文转发的专用芯片，是交换机的核心部件。交换机方面，2022年全球交换机市场逆势上扬，2022年中国商用交换机市场规模超510亿元。交换机市场的逐步恢复将会带动以太网交换芯片市场规模在未来进一步扩张。（2）由于技术不断进步，数字经济政策不断优化，运营商+云推进基建，场景出新共驱，未来行业将景气上行。目前政府不断推出相关高新产业扶持政策，对于以太网交换机芯片产业链起到促进发展的作用，同时随着企业数字化转型的不断加快，未来以太网交换机芯片行业将逐渐回暖。7、以太网交换芯片竞争格局以太网交换芯片为以太网交换机最核心部件，目前交换机芯片主要有商用和自研两种，其中商用交换芯片主要生产厂家通博通、美满、瑞昱、Barefoot、Innovium、盛科通信等企业，其中博通为商用交换芯片的龙头企业，市场份额比重超70%，美满和瑞昱市场规模占比分别为第二、第三，盛科通信仅占全球市场的1.6%。自研交换芯片主要生产厂家为思科（Cisco）、Juniper以及华为交换芯片为自研400G交换芯片，思科为自研交换芯片龙头企业，华为全球市占率排名第二，二者合计占据了99.0%的市场份额。由于以太网交换芯片技术门槛较高，全球以太网交换芯片领域集中度较高，少量参与者掌握了大部分的市场份额，呈现寡头垄断的市场格局，中国以太网交换芯片市场主要由华为海思、紫光展中兴微电子以及新华三企业为主导。（1）由于行业技术壁垒过高，技术更新迭代速度较快，且受到外界宏观不利因素影响，中国国内芯片厂商呈现减少趋势。（2）中国企业技术不断实现突破，产品性能和质量成为企业竞争力重要保障。
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