工業(yè)控制涉及很多環(huán)節(jié)。一般來說，主要分為控制層、驅(qū)動(dòng)層和執(zhí)行層，半導(dǎo)體是任何一層都不可缺少的關(guān)鍵器件。就單個(gè)以太網(wǎng)通信模塊而言，它包括MCU、IC芯片、SDRAM芯片等。如果是更復(fù)雜的控制層，就需要CPU、顯卡、BIOS芯片等控制芯片。

變頻器 減產(chǎn)的背后是工控行業(yè)的缺芯之痛

或許是因?yàn)闆]有特斯拉這樣的明星企業(yè)，又或許是距離大眾太遠(yuǎn)，工控領(lǐng)域的“核心病”似乎并沒有引起重視。但實(shí)際上，工控產(chǎn)品核心的缺失已經(jīng)體現(xiàn)在很多層面，包括PLC、DCS、變頻器等產(chǎn)品的短缺。逆變器的交付時(shí)間已從4-6周延長(zhǎng)至16-24周。

變頻器在工業(yè)控制中的作用是通過改變交流電機(jī)電源的頻率和幅值來改變其運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)的周期，從而平滑地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。逆變器通過開啟和關(guān)閉內(nèi)部IGBT來調(diào)節(jié)輸出電源的電壓和頻率，并根據(jù)電機(jī)的實(shí)際需要提供所需的電源電壓，從而達(dá)到節(jié)能調(diào)速的目的。此外，逆變器還具有過流、過壓、過載保護(hù)等多種保護(hù)功能。逆變器中的IGBT和電流傳感器需要單片機(jī)控制。但與汽車行業(yè)相比，一輛車需要幾十上百個(gè)MCU，一個(gè)逆變器一個(gè)MCU的需求微不足道。

除了單機(jī)需求水平的差距，汽車市場(chǎng)和逆變器市場(chǎng)的規(guī)模也存在巨大差距。數(shù)據(jù)顯示，2020年中國(guó)汽車制造業(yè)營(yíng)業(yè)收入將達(dá)到8.16萬億元，而2019年中國(guó)逆變器行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模為495億元。在這樣的規(guī)模差距下，逆變器廠商的議價(jià)能力和訂單優(yōu)先級(jí)無法與汽車廠商相比。

變頻器并不是工控領(lǐng)域唯一缺貨的產(chǎn)品，工控領(lǐng)域的缺芯問題亟待提上日程。

工業(yè)控制單片機(jī)的國(guó)產(chǎn)替代仍然困難

根據(jù)IC Insights數(shù)據(jù)，工業(yè)控制/醫(yī)療保健占全球MCU下游應(yīng)用市場(chǎng)的25%。然而，如此巨大的市場(chǎng)仍然被大多數(shù)外國(guó)制造商占據(jù)。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院數(shù)據(jù)顯示，2019年全球MCU被前五大廠商占據(jù)80%以上；中國(guó)MCU的市場(chǎng)份額也被國(guó)外廠商瓜分了80%以上。

工業(yè)領(lǐng)域難以實(shí)現(xiàn)MCU國(guó)產(chǎn)化替代的主要原因是工業(yè)領(lǐng)域?qū)CU性能的嚴(yán)格要求。以逆變器為例，其內(nèi)部充滿了大功率的電子元器件，因此MCU需要有一定的耐高低溫性能。同時(shí)，變頻器工作的工業(yè)環(huán)境面臨著電磁干擾、腐蝕性氣體、振動(dòng)和沖擊的考驗(yàn)，對(duì)單片機(jī)的穩(wěn)定性提出了要求。

從上表可以看出，工業(yè)級(jí)MCU雖然沒有汽車儀表級(jí)MCU嚴(yán)格，但其門檻仍然比消費(fèi)級(jí)MCU高很多。目前國(guó)內(nèi)MCU企業(yè)大多只能替代消費(fèi)和低端工控領(lǐng)域，無法成為解決工控領(lǐng)域不足的主力軍。

此外，工控市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化程度低也在一定程度上影響了國(guó)產(chǎn)MCU的替代進(jìn)程。數(shù)據(jù)顯示，2019年，工業(yè)控制品牌西門子以13%排名全球第一，前十大品牌中有一半是美國(guó)品牌，包括艾默生和羅克韋爾自動(dòng)化。中國(guó)工控龍頭企業(yè)匯川科技排名第37位，規(guī)模8.84億美元，占全球工控市場(chǎng)的0.4%。外國(guó)企業(yè)占據(jù)了大部分市場(chǎng)份額。這些外資企業(yè)不會(huì)優(yōu)先考慮國(guó)產(chǎn)MCU。國(guó)內(nèi)MCU廠商準(zhǔn)入有限，使得國(guó)產(chǎn)MCU進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域更加困難。

本土化，路在何方？

集成電路產(chǎn)業(yè)與工業(yè)控制領(lǐng)域的關(guān)系實(shí)際上是相輔相成的。集成電路產(chǎn)品是支撐產(chǎn)業(yè)的重要組成部分，產(chǎn)業(yè)水平的提高將直接影響集成電路生產(chǎn)的相關(guān)流程。可以看出，工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)強(qiáng)大的國(guó)家在半導(dǎo)體技術(shù)上也處于領(lǐng)先地位，因此國(guó)產(chǎn)化對(duì)于工業(yè)控制領(lǐng)域和半導(dǎo)體都非常重要。

不過，目前國(guó)內(nèi)幾家MCU廠商已經(jīng)取得了一些突破。

國(guó)民N32G455系列(通用增強(qiáng)版)采用32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，支持浮點(diǎn)運(yùn)算和DSP指令，擁有512KB片內(nèi)FLASH和144KB SRAM，集成多達(dá)17個(gè)高性能模擬器件，18個(gè)數(shù)字通信接口，內(nèi)置10多種密碼算法的硬件加速引擎。它還被應(yīng)用于機(jī)器人、數(shù)字電源、不間斷電源、伺服控制器等領(lǐng)域。

工業(yè)的國(guó)產(chǎn)化不能依靠某一環(huán)節(jié)的力量，只有全產(chǎn)業(yè)鏈的共同突破才能實(shí)現(xiàn)中國(guó)工業(yè)控制的國(guó)產(chǎn)化。