详情请进入 湖南阳光电子学校 已关注：人 咨询电话：0731-85579057 微信号：yp941688, yp94168
汽车缺芯的现象已经成为全世界都在关注的问题，为了解决汽车缺芯的问题各国政府、汽车厂商和半导体厂商都在协调产能。不主攻汽车半导体的台积电在汽车半导体产品的关键组件 MCU 产量比去年提高了 60%，同时更是有多家国内外汽车大厂宣布要研发芯片以缓解缺芯问题。在各方的努力之下，我们看到一些停工的车企，如丰田、通用下半年的产量开始呈恢复状态。大众汽车的首席财务官表示已经看到芯片的供应趋于稳定。
然而，在各界目光集中在距离生活较近的汽车行业时，那些距离日常生活较远的行业也正在承受着缺芯之痛，而工控行业就是其中之一。11 月 23 日，施耐德电气发布通知函，称由于缺少以太网芯片的供应将在全球范围内暂停相关产品的销售且不接受订单，可见，缺芯已经影响到了工业控制领域的头部企业。如果这一问题不解决，缺芯对工业的影响将更加严重。
工控自动化中涉及的环节有很多，整体概括来说主要分为控制层、驱动层、执行层，而无论在哪一层面半导体都是其中不可缺少的关键器件。单就一个以太网通讯模块来说，其中包含 MCU、IC chip、SDRAM 芯片等。如果是更复杂的控制层，还会需要 CPU、显卡、BIOS 芯片等控制芯片。
变频器缺货背后的工控行业缺芯之痛
或许是因为没有如特斯拉那般的明星企业，又或许是离大众太远，工控领域的 " 芯病 " 似乎并未引起重视。但实际上，工控产品的缺芯已经反映在多个层面，包括 PLC、DCS、变频器等产品的缺货。其中变频器的交货期已经从 4-6 周延长到 16-24 周。
变频器在工控中的作用是通过改变交流电机供电的频率和幅值 , 从而改变其运动磁场的周期，以平滑控制电动机转速。变频器靠内部 IGBT 的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。变频器中的 IGBT、电流传感器都需要 MCU 进行控制。但相对于汽车行业，一台车就需要几十上百的 MCU 需求，一台变频器一颗 MCU 的需求显得微不足道。
除了单台机器需求量级的差距，就汽车市场和变频器市场的规模也存在巨大的差距。数据显示，2020 年中国汽车制造业营业收入达到 8.16 万亿元，而中国变频器行业的 2019 年的市场规模则为 495 亿元。在这样的规模差距之下，变频器厂商的议价能力、订单优先级都无法与汽车制造商相提并论。
而变频器并不是工控领域唯一缺货的产品，工控领域的缺芯问题急需走到台前。
工控 MCU 国产替代仍有难度
根据 IC Insights 数据，工控 / 医疗占全球 MCU 下游应用市场的 25%。但这样巨大的市场，目前仍被被国外厂商占据大部分市场份额。根据前瞻产业研究院数据，2019 年全球 MCU 被前五大厂商占据超 80%；而中国 MCU 市场份额也被国外厂商分走 80% 以上。
MCU 在工业领域难以实现国产替代的原因主要是工业领域对 MCU 性能严格的要求。以变频器为例，其内部都是大功率电子元件，因此 MCU 需要具备一定的耐高温和低温能力。同时，变频器工作的工业环境面临着电磁波干扰、腐蚀气体、震动和冲击等考验，这就需要 MCU 的稳定性。
从上表中可以看出，虽然工业级 MCU 不如车规级 MCU 的要求严格，但与消费级 MCU 相比其门槛还是高出许多。而目前国产 MCU 企业大部分只能实现对消费和中低端工控领域的替代，因此还不能成为解决工控领域缺货的主力。
此外，工控市场国产化程度较低也一定程度上影响了国产 MCU 替代的进程。数据显示，2019 年工控品牌西门子以 13% 排名全球第一，此外前 10 名中有一半是美系品牌，包括艾默生、罗克韦尔自动化等；中国工控龙头企业汇川技术排名 37 位，以 8.84 亿美金的规模占据全球工控市场的 0.4%。国外企业占据了大部分市场份额，这些国外企业不会优先采用国内 MCU，国内 MCU 厂商能进入的空间有限，国产 MCU 想要进入工业领域难上加难。
国产化，路在何方？
集成电路产业与工控领域的关系其实是相辅相成的。集成电路产品是支撑工业的重要组成部分，而工业水平提高能会直接影响集成电路生产环节的相关工艺。可以看到工控行业实力强的国家，在半导体技术上也较为领先，因此国产化对于工控领域和半导体都至关重要。
不过，目前国产 MCU 厂家已经有几家取得了一定突破。
兆易创新发布了基于 Arm Cortex -M33 内核的 GD32W515 系列 Wi-Fi 微控制器。GD32W515 系列 MCU 的最高主频为 180MHz，配备了高达 2048KB 的片上 Flash 和 448KB 的 SRAM，还可支持 32MB 的外置 Flash。供电电压为 1.6-3.6V，I/O 口可承受 5V 电平，工业级温度范围– 40 至 +85 ° C。
国民技术的 N32G455 系列 ( 通用增强型 ) 采用 32-bit ARM Cortex-M4 内核 , 支持浮点运算和 DSP 指令 , 高达 512KB 片内 FLASH，144KB SRAM，集成多达 17 个高性能模拟器件 , 18 个数字通讯接口，内置 10 余种密码算法硬件加速引擎，也已经在机器人、数字电源、UPS（不间断电源）、伺服控制器等领域实现应用。
航顺基于 ARM Cortex-M0 和 Cortex-M3 内核的通用 MCU 家族也已经实现在高端工业中的应用。
在工控领域，汇川技术是国内厂商中的佼佼者。目前，汇川技术已经实现了对工业自动化领域的信息层、控制层、驱动层、执行层和传感层的产品覆盖。汇川的主营收入中，变频器类占比最高；同时在 2017-2019 年之间主营业务收入的同比增长率均超过 20%。汇川技术的一些核心功能部件已经被富士康采用。
(整理：张掖市工控自动化培训学校)
湖南阳光电子学校教学特色
