وحدة التحكم الدقيقة (MCU)، والمعروفة أيضًا باسم وحدة التحكم الدقيقة أو المتحكم الدقيق. من حيث التطبيق، تُعد وحدة التحكم الدقيقة منتجًا يقلل بشكل مناسب من تردد ومواصفات وحدة المعالجة المركزية (CPU) ويدمج الذاكرة، وUSB، وPLC، وDMA، وغيرها من الواجهات في شريحة واحدة.

بحسب عدد البتات، يمكن تقسيم وحدات التحكم الدقيقة (MCU) إلى وحدات 4 بت، و8 بت، و16 بت، و32 بت، و64 بت. وتشمل تطبيقاتها الرئيسية ما يلي:

Cartography | Yifei.com (the same below)

(للحصول على صور أوضح، أرسل رسالة "local MCU" للحصول على معلومات حول ضغط المنصة ومشاكل أخرى)

بعض تعريفات التطبيقات على موسوعة بايدو قديمة نسبياً. وبالنظر إلى معلومات الترويج من الشركة المصنعة، سيتم استخدام وحدات التحكم الدقيقة 64 بت في مجالات مثل واجهات التفاعل بين الإنسان والآلة عالية الدقة، والرؤية المدمجة، والذكاء الاصطناعي المدمج، والتحكم في الوقت الحقيقي.

بسبب تحديثات المنتجات وتغيرات الطلب، تراجعت وحدات التحكم الدقيقة ذات 4 بت تدريجيًا من السوق. ورغم أن بعض المصنّعين ما زالوا يستخدمونها لاعتقادهم بأن "الرخص هو الميزة الأكبر"، إلا أنها لا تمثل سوى نسبة ضئيلة. وبما أن وحدات التحكم الدقيقة ذات 16 بت تقع في الفجوة بين 8 بت و32 بت، فإن استخدامها يتقلص باستمرار.

بعد مقال الأسبوع الماضي الذي تناول موضوع زيادة أسعار منتجات عالم مارفل السينمائي (يبدو أن نقص وحدات التحكم الدقيقة (MCU) غير قابل للحل، حيث يوجد بالفعل 40 مصنعًا محليًا.)

بعد ذلك، تلقيت بعض التعليقات، وعندما نتحدث عن استبدال وحدات التحكم الدقيقة المحلية، فإننا في الواقع نتحدث أكثر عن وحدات التحكم الدقيقة 8 بت الدائمة، ووحدات التحكم الدقيقة 32 بت الشائعة، ووحدات التحكم الدقيقة 64 بت النجمة المستقبلية.

كلاهما 32 بت، ما الفرق؟

المصدر | الشبكة

According to the data of comprehensive market analysis institutions, since 2010, the market share of 32-bit MCUs has begun to occupy the first place, and in 2015 it reached the combined market share of 4 + 8 + 16 bits. With the improvement of performance and reduction of power consumption, the leading position of 32-bit MCU market has become increasingly obvious, and it is also an area of ​​focus for domestic MCU manufacturers.

في السنوات الأخيرة، حققت وحدات التحكم الدقيقة المحلية تقدماً كبيراً، بل وتم إطلاق منتجات 32 بت في سوق التركيب المسبق للسيارات، والتي تتميز بعتبات عالية ودورات طويلة وأمان قوي.

في نهاية عام 2018، أطلقت شركة جيفا تكنولوجي شريحة AC781X، وهي أول شريحة MCU من فئة السيارات ذات 32 بت مطورة محليًا بشكل مستقل، والتي دخلت مرحلة الإنتاج الضخم. وفي النصف الأول من عام 2020، أطلقت جيفا تكنولوجي مجددًا سلسلة AC7801X من شرائح MCU المخصصة للسيارات، والتي تتميز بوظائف أكثر تخصصًا، ووظائف منتج محسّنة، وتحكم أفضل في التكاليف. حاليًا، تُدمج شرائح MCU من جيفا تكنولوجي، المخصصة للسيارات، في أنظمة سلسلة التوريد الخاصة بالعديد من مصنعي قطع غيار السيارات الإلكترونية.

Also making breakthroughs in automotive-grade MCUs is Xinwang Micro. On November 26, 2020, Xinwang's micro-car grade 32-bit MCU KF32A15X won the "5th Lingxuan Award Forward-looking Integrated Circuit Excellence Award". The jury was composed of 22 purchasing leaders from mainstream Chinese automobile companies, including Mercedes-Benz, BMW, Audi, Volkswagen, General Motors, Toyota, Honda, Nissan, FAW, SAIC, Changan, Geely, Great Wall, and Chery. At present, the KF32A15X series MCU has been initially introduced to domestic automobile manufacturers.

هل توجد فجوة كبيرة بين وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) المحلية المستخدمة في صناعة السيارات والتي بدأت بالظهور مؤخراً وتلك التي تنتجها الشركات العالمية؟ دعونا نلقي نظرة على الصور ونتحدث:

يتضح أن الشركات المصنعة المحلية لا تُقصر في استخدام معالج Arm Cortex-M0+، وأن تردد التشغيل الرئيسي وتكوين ذاكرة الفلاش مناسبان. أما بالنسبة لشركة Xinwang Micro، فإن معالجها KF32 المُطور ذاتيًا يُقدم أداءً جيدًا، ويتمتع بموارد وفيرة من منافذ الإدخال/الإخراج والواجهات الطرفية. فأين تكمن الفجوة في هذا الصدد؟ بالنظر إلى الموقع الرسمي لشركة NXP، فإن الفجوة الأكبر تكمن في الثقة، الثقة في استقرار المنتج وموثوقيته على المدى الطويل. تُشير NXP إلى أن التوريد طويل الأمد لا يقل عن 15 عامًا. في حين أن معظم الشركات المصنعة المحلية لوحدات التحكم الدقيقة (MCUs) لم تصل إلى 15 عامًا بعد. تأسست شركة Xinwang Micro في عام 2012، وشركة Jiefa Technology في عام 2013.

في الوقت نفسه، لاحظنا أن الشركات المصنعة المحلية لا تزال في مراحلها الأولى فيما يتعلق بوحدات التحكم الدقيقة (MCUs) المستخدمة في صناعة السيارات. ولا يزال استخدام معالجات Arm Cortex-M4 قيد البحث والتطوير، ولا تتوفر أي منتجات من خلال المواقع الإلكترونية الرسمية للشركات المصنعة.

Under the current international situation, automotive grade MCU is a difficult problem that we must overcome. Of course, there are also good opportunities. According to data from statistical agencies, automotive electronics accounted for 33% of global MCU downstream applications (calculated in terms of sales) in 2019. MCUs also account for about 30% of all semiconductor devices equipped in a car. On average, more than 70 MCU chips are used in each vehicle. In the future, with the upgrade of intelligence and networking, this number will be even more. Today, as domestic automobiles are gradually improving, domestic MCU manufacturers have a window period to take advantage of the momentum and take off.

بحسب الغرض من وحدات التحكم الدقيقة (MCU)، يمكن تقسيمها عمومًا إلى فئات تجارية، وصناعية، وسيارات، وعسكرية. إلى جانب دورها المحوري في قطاع السيارات، تُعدّ وحدات التحكم الدقيقة 32 بت ضرورية أيضًا في المجالات الثلاثة الأخرى. ووفقًا لبيانات IC Insights، بلغ حجم شحنات وحدات التحكم الدقيقة عالميًا 36.065 مليار وحدة في عام 2020، كما ارتفع سعر الوحدة من 0.72 دولار أمريكي في عام 2015 إلى 0.78 دولار أمريكي في عام 2020. وقد كان للتحكم الآلي، الذي تتطلبه الثورة الصناعية الرابعة، دورٌ محوري في هذا النمو. واستحوذت تطبيقات التحكم الصناعي/الطبي على 25% من سوق وحدات التحكم الدقيقة في عام 2019، استنادًا إلى إحصاءات المبيعات.

We also select several domestic MCUs and products from international manufacturers for comparison. This time, let’s take a look at the company’s own introduction:

وحدة تحكم دقيقة للأغراض العامة من شركة GigaDevice Innovations، 32 بت، تعتمد على نواة Arm® Cortex®-M4

وحدة تحكم دقيقة عالمية من نوع كونغ فو كور 32 بت من الدرجة الصناعية من شينوانغ مايكرو

وحدة المعالجة الدقيقة الذكية هي وحدة تحكم دقيقة للأغراض العامة 32 بت تعتمد على نواة Arm® Cortex®-M3

وحدة تحكم دقيقة عالمية من نوع Microchip 32 بت

لقد أوضحت العروض التقديمية الجزئية للمنتجات المشكلة بالفعل. لا يزال مصنّعو وحدات التحكم الدقيقة المحليون يتبعون هذا النهج. تتوفر بالفعل خيارات منتجات غنية لاستخدام أنوية Arm Cortex. يقتصر التغطية الإعلامية لمعالجات Arm Cortex-M23 أو Arm Cortex-M33 على أخبار شركتي GigaDevice وNuvoton Technology.

دعونا نلقي نظرة شاملة على مقارنة العديد من وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) القائمة على معالج Arm Cortex-M3:

على الموقع الرسمي لشركة NXP، يُعدّ LPC1812JBD144 أحد أفضل وحدات التحكم الدقيقة أداءً، والمبنية على معالج Arm® Cortex®-M3. ويتضح من ذلك أنه على الرغم من وجود فجوة في أعلى تردد بين وحدات التحكم الدقيقة المحلية، إلا أن منتجات Lingdong Micro قريبة جدًا من هذا المستوى.

Today, with the rapid development of the Internet of Things, power consumption and chip size are also important criteria for selecting MCUs, which are closely related to the process. Let’s talk about power consumption first. For different applications, the working conditions of MCUs vary greatly. Current consumption, state retention, wake-up time and wake-up source are all factors that affect power consumption. The availability of peripheral devices also affects power consumption. Therefore, in this regard, benevolent people have different opinions. But there is one thing we must face the gap. In the ultra-low-power MCU product camp provided by ST, there are many cores used. Arm? Cortex?-M0, Arm? Cortex?-M0+, Arm? Cortex?-M3, Arm? Cortex?-M0 and Arm? Cortex?-M0+, this is undoubtedly a gap.

لنلقِ نظرة على حجم الشريحة. يرتبط هذا الأمر في الواقع ببداية إنتاج وحدات التحكم الدقيقة المحلية. سنجد أن حجم الشريحة قريب جدًا من منتجات الشركات المصنعة العالمية. بالطبع، هذه استراتيجية تطوير.

دعونا نلقي نظرة على بعض الأمثلة الأخرى التي تعتمد على معالج Arm؟ Cortex؟-M4:

من حيث التردد الرئيسي وحده، فقد تنافست منتجات شركة Huada Semiconductor بالفعل على وحدات التحكم الدقيقة المحلية.

في المجالات غير المتعلقة بالسيارات، استحوذ مجال الحواسيب على 23% من إيرادات التسويق (عام 2019)، بينما استحوذ مجال الإلكترونيات الاستهلاكية على 11% (عام 2019)، وهي نسب مشابهة تقريبًا لقطاعي التحكم الصناعي والطبي. أما في مجال وحدات التحكم الدقيقة للأغراض العامة، فستظل هناك دائمًا بعض وحدات التحكم الدقيقة المحلية القادرة على منافسة وحدات التحكم الدقيقة من الشركات المصنعة العالمية، والتي تعتمد على معالجات مثل Arm Cortex-M0/M0/M3/M4/M23/M33، وقد حققت بالفعل نتائج جيدة في بعض المجالات.

الهدف.

يوجد حاليًا عشرات الشركات المصنعة لوحدات التحكم الدقيقة (MCUs) في الصين، وتتميز منتجاتها بتجانس كبير في جوهرها. ورغم أن كل شركة تركز على اتجاهات تطوير تكنولوجية مختلفة، إلا أن الاختلافات الدقيقة قد تُغفل بسهولة عند شراء واختيار المواد. في المقابل، عند النظر إلى منتجات الشركات العالمية، يُعدّ الشمول أمرًا بالغ الأهمية، بما في ذلك النواة والمنتجات والمجالات. على سبيل المثال، جميعها منتجات تعتمد على نواة Arm® Cortex®-M4، لكن سلسلة NXP LPC54000 تأتي مع معالج مساعد Cortex®-M0+ اختياري، مما يُثري بلا شك نطاق استخدامات المنتج.

كما ذكرنا مراراً وتكراراً أعلاه، فيما يتعلق بتصميم وحدات التحكم الدقيقة عالية الأداء، فإن وحدات التحكم الدقيقة المحلية لم تبدأ بعد، والسوق بالكامل في أيدي الشركات المصنعة الدولية.

بعد الاطلاع على المنتج، تأتي الخطوة التالية وهي البرمجيات والبيئة.

على مستوى البرمجيات، بعد تصفح سريع لمواقع شركتي هوادا سيميكوندكتور وإن إكس بي، ستجد أن أدوات التطوير المذكورة من قبل إن إكس بي متوفرة أيضاً على موقع هوادا سيميكوندكتور. أما إذا أردنا تحديد أوجه القصور، فربما يعود ذلك إلى أن هوادا سيميكوندكتور لا تقدم شرحاً وافياً للوحات التطوير على موقعها، كما أن تشكيلة لوحات التطوير المتوفرة لديها ليست غنية كتشكيلة إن إكس بي.

ينقسم النظام البيئي إلى مستويين. الأول يتعلق باكتمال الربط بين التصميم واختبار الإنتاج. ورغم أن عملية التصنيع قد تتأخر، إلا أن وحدات التحكم الدقيقة المحلية متصلة بهذا الربط. أما المستوى الثاني فهو النظام البيئي الخارجي. ومن الواضح أن وحدات التحكم الدقيقة المحلية تعاني من نقص في عدد الشركاء، ووفرة موارد الشبكة، وسمعة الصناعة، ودعم حركة البيانات.

لذا، باختصار، تشمل النقاط التي تحتاج شركات تصنيع وحدات التحكم الدقيقة المحلية حاليًا إلى تطويرها وتحسينها الجوانب التالية: أولًا، بناء سمعة طويلة الأمد من خلال استقرار المنتج؛ ثانيًا، مواصلة البحث عن منتجات عالية الأداء؛ ثالثًا، التحسين المستمر للبنية البيئية. وبالنظر إلى قانون تطور أشباه الموصلات، هناك نقطة رابعة لتحسين أداء شركات تصنيع وحدات التحكم الدقيقة المحلية، وهي التكامل، وتجميع الموارد، ومعالجة أوجه القصور، واستخدام الموارد المحدودة حيث تشتد الحاجة إليها.

يمثل نظام 8 بت فرصة تجارية جيدة، بينما يمثل RISC-V نقطة تحول.

أدى التطور المستمر لإنترنت الأشياء إلى إثراء تطبيقات وحدات التحكم الدقيقة، ليس فقط لوحدات التحكم الدقيقة السائدة حاليًا ذات 32 بت، بل أيضًا لوحدات التحكم الدقيقة ذات 8 بت. ولا تزال وحدات التحكم الدقيقة ذات 8 بت، وخاصة في مجال الإلكترونيات الاستهلاكية، تسيطر على السوق.

بحسب المعلومات الصادرة عن وكالة الأمن السيبراني وأمن البنية التحتية (CISA)، استحوذت رقائق وحدات التحكم الدقيقة 8 بت و32 بت على 40% و45% من السوق الصينية على التوالي في عام 2019. ولعلّ فكرة شركة مايكروشيب تُسهم في توجيه الابتكار في مجال وحدات التحكم الدقيقة 8 بت. وتؤمن الشركة بأنّ مجال الابتكار في هذا المجال واسعٌ للغاية، حيث يتجه الجيل الجديد من هذه الوحدات نحو تطوير المحاكاة الذكية والأجهزة الطرفية المبتكرة. كما يُعدّ قطاع الإضاءة سوقًا جديرًا بالاهتمام.

مع تطور العلوم والتكنولوجيا وتقدم تقنيات الإنتاج، من المتوقع أن تتوسع حصة وحدات التحكم الدقيقة 32 بت في السوق، مما سيؤدي إلى تقليص حصة منتجات وحدات التحكم الدقيقة الأخرى. ومع ذلك، وبفضل مزاياها من حيث التكلفة المنخفضة واستهلاك الطاقة المنخفض، ستظل وحدات التحكم الدقيقة 8 بت مصدرًا رئيسيًا للربح لفترة طويلة.

In terms of domestic 8-bit MCUs, China Micro Semiconductor has been persisting for more than 10 years. As can be seen from the figure below, China Micro Semiconductor currently has a wealth of 8-bit MCU products.

تُعدّ شركة Nuvoton Technology رائدةً في مجال وحدات التحكم الدقيقة 8051 منذ سنوات عديدة، وتُستخدم منتجاتها في تطبيقات صناعية واستهلاكية متنوعة. كما تُقدّم العديد من الشركات المصنّعة، مثل Chipsea Technology وShengsi Microelectronics وXinwang Microelectronics وNeusoft Carrier Microelectronics، منتجات وحدات تحكم دقيقة 8 بت، مما يُتيح خيارات واسعة للاستبدال المحلي.

الهدف.

تعرضت وحدات التحكم الدقيقة المحلية ذات 8 بت و32 بت لانتقادات بسبب تجانسها الشديد. في سوق الأجهزة الطرفية المتنامي والمتطور اليوم، يُعد التنافس المتمايز أو النجاح المحدود أكثر فائدة لتطوير الصناعة ككل، ويمكنه تعزيز قيمة هذا السوق المستقر بشكل أفضل.

باختصار، في مجال وحدات التحكم الدقيقة التقليدية، حققت وحدات التحكم الدقيقة المحلية نتائج معينة، ويمكنها أن تحل محل المنتجات في بعض المجالات، لكن الفجوة لا تزال قائمة، وستظل تلعب دورًا ثانويًا في هذا الجانب لفترة طويلة قادمة. أما فيما يتعلق ببناء وحدات تحكم دقيقة تعتمد على أنوية RISC-V، فإن للمصنعين المحليين تأثيرًا أكبر.

على الرغم من أن مجموعة تعليمات RISC-V ليست أول مجموعة تعليمات مفتوحة المصدر، إلا أنها مناسبة لأجهزة الحوسبة المعاصرة، ما يجعلها ذات أهمية بالغة. وقد علّق ني غوانغنان، الأكاديمي في الأكاديمية الصينية للهندسة، على RISC-V قائلاً: "تعتمد RISC-V على ترخيص BSD القياسي المرن. ويمكن استخدامها بحرية لتصميم وحدات المعالجة المركزية، وتطوير وإضافة مجموعات تعليمات موسعة خاصة بها، واختيار ما إذا كان سيتم إصدارها للجمهور، أو بيعها تجارياً، أو استبدال اتفاقيات الترخيص الأخرى، أو استخدامها كمصدر مغلق بالكامل."

حالياً، تتصدر الشركات المصنعة المحلية مجال بناء وحدات التحكم الدقيقة (MCUs) القائمة على معالجات RISC-V. في 22 أغسطس 2019، أطلقت شركة GigaDevice رسمياً أول منتجاتها في العالم من سلسلة GD32V، وهي وحدات تحكم دقيقة للأغراض العامة 32 بت تعتمد على معالج RISC-V، وقدمت دعماً شاملاً لسلسلة الأدوات، بدءاً من الرقائق الإلكترونية وصولاً إلى مكتبات أكواد البرامج، ومجموعات التطوير، وحلول التصميم، واستمرت في بناء منظومة تطوير متكاملة لمعالجات RISC-V.

أعلنت شركة هانغشون مؤخرًا أنها ستشرع قريبًا في الإنتاج الضخم لأول وحدة تحكم دقيقة متعددة النوى غير متجانسة بتقنية الذكاء الاصطناعي وإنترنت الأشياء (AIoT) في الصين، حيث تتولى النواة الكبيرة Arm Cortex-M3 مسؤولية الحوسبة الرئيسية، بينما تتولى النواة الصغيرة Xinlai N203 RISC-V مسؤولية الاتصالات والتحكم البسيطين. ويُعد هذا ابتكارًا في تصميم المنتج.

تمتلك الصين نظامًا بيئيًا أكثر نشاطًا وتوسعًا لمطوري RISC-V، والذي يمكن أن يساعد في حل نقاط الضعف في وحدات التحكم الدقيقة المحلية والرقائق المحلية الأخرى في الملكية الفكرية الأساسية وبنية مجموعة التعليمات، وذلك لتجاوز سرعة الصين في هذا المسار الجديد.

اكتب في النهاية

Set up a good stage and sing a good show

بحسب إحصاءات IHS، بلغ متوسط ​​معدل النمو السنوي المركب لسوق وحدات التحكم الدقيقة في الصين 7.2% خلال السنوات الخمس الماضية، أي أربعة أضعاف معدل نمو السوق العالمي خلال الفترة نفسها. وفي ظل جائحة كورونا والنزاع التجاري الصيني الأمريكي، لم يعد استبدال المنتجات المحلية مجرد شعار، بل أصبح واقعًا ملموسًا. بالنسبة للمستخدمين، يمكن اختيار وحدات التحكم الدقيقة حسب الطلب، وتتوفر فرصٌ واعدة إذا كان الأداء مناسبًا.

لا شك أن سوق وحدات التحكم الدقيقة المحلية يتمتع ببيئة خصبة للنمو، ولكن في هذه المرحلة، يتطلب تطويرها تفكيرًا واضحًا ونظرة طويلة الأمد. ففي الظروف الاستثنائية، يُمكن للجميع تحقيق أرباح سريعة، ولكن بعد انقضاء هذه الفترة الذهبية، يصبح من المستحيل على وحدات التحكم الدقيقة المحلية الانتشار عالميًا. فالاحتكاكات الداخلية والانغلاق ليسا من سمات الصناعة الناجحة.

المسرحية الجيدة تتطلب مسرحاً جيداً، والأهم من ذلك، أشخاصاً يجيدون غناء المسرحية.

- نهاية -

تنويه: هذه المقالة مُعاد نشرها من موقع "eefocus". وهي لا تُمثل سوى وجهة نظر الكاتب الشخصية، ولا تُعبر عن آراء شركة ساكو مايكرو أو قطاع الصناعة. يُسمح بإعادة نشرها ومشاركتها فقط، وذلك دعمًا لحماية حقوق الملكية الفكرية. يُرجى ذكر المصدر الأصلي واسم الكاتب عند إعادة النشر. في حال وجود أي انتهاك، يُرجى التواصل معنا لحذفها.