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1、 1/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 行业研究报告 慧博智能投研 MCU行业深度:行业深度:技术趋势、市场现状、技术趋势、市场现状、产业产业链及相关公司深度梳理链及相关公司深度梳理 MCU 是广泛应用的基础控制芯片,位于电路系统的中枢位置,其性能参数对整个系统具有决定性作用,搭建电路通常需要以其为核心选择元器件。目前 MCU 依然由海外龙头占据主要份额,尤其是高端工业、车规等价值量大、工艺壁垒高的领域,这使得 MCU 往往具有更高的国产替代意义。近年来,相当数量的国产厂商已经在工控、汽车等下游应用中深度布局,开始以点带面逐步突破,高质量产品竞争
2、已然如火如荼地进行中。下面我们将针对 MCU 行业的行业的分类方式、分类方式、发展历程发展历程、行业现状行业现状、市场规模市场规模、产业链及产业链及相关公司相关公司等方向进行梳理,希望对大家了解 MCU 行业有所启发。目录目录 一、行业概述.1 二、行业发展历程.6 三、市场及行业现状.7 四、产业链分析.9 五、技术演进趋势.23 六、国内相关公司.25 七、参考研报.26 一、一、行业概述行业概述 1、概念概念 MCU(Micro controller Unit),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。不同
3、于巨型化计算机在运算速度和处理能力的极限提升,我们生产生活中各种仪器设备在计算控制方面的需求相对简易,兼具微型化特征和全面功能的 MCU 应运而生。1)中央处理器)中央处理器 CPU:包括运算器、控制器和寄存器组。: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。2/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 2)存储器:包括存储器:包括 ROM 和和 R
4、AM 两种。两种。其中,ROM 是程序存储器,即用来存放已编的程序,存储数据掉电后不消失;RAM 是数据存储器,也被称为主存,可在程序运行过程中随时写入或读出数据,存储数据在掉电后不能保持。ROM 和 RAM 都可分为片内存储器和片外(扩展)存储器两种。3)外围功能电路:根据产品需求进行系统软硬件设计,通过外围功能电路: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。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。MC
5、U 中的端口作为数字信号输入或输出口亦具复用功能。2、分类、分类方式方式 MCU 分类方式众多,最为主要的四大分类模式为:存储器结构、位数、用途、指令集架构。(1)存储器结构:冯诺依曼结构和哈佛结构存储器结构:冯诺依曼结构和哈佛结构 根据存储器结构中程序指令和数据是否位于相同的地址,可将 MCU 分为冯诺依曼结构和哈佛结构。冯冯诺伊曼结构:诺伊曼结构:又称为普林斯顿体系结构,特点是将程序存储器和数据存储器合并在一起,使用同一个存储器,经由同一个总线传输。由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取,并经同一总线传输,无法重叠执行,因此影响了数据处理速度的提高。哈佛结构:哈佛结构:与冯诺依曼结构的
6、区别是其将程序指令存储和数据存储分开,数据和指令的储存可以同时进行,可以使指令和数据有不同的数据宽度,并且各自有自己的总线,适合于数字信号处理。MCU 中大部分都是哈佛结构。RYlWtRnPSWkXqUXUvX6M8QaQnPqQoMtQjMqQrQkPqRnM8OrRxOMYpNqOuOmMmR 3/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告(2)位数:位数:8 位市场地位稳固,位市场地位稳固,32 位占比逐渐提升位占比逐渐提升 从从 MCU 位数来看,可分成位数来看,可分成 8 位、位、16 位、位、32 位等。位等。位数是指 MCU 每次处理数据的宽
7、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)。32 位位 MCU 占比逐年提高。占比逐年提高。得益于低功耗、低成本和高稳定性等优势,8 位 MCU 依旧在工控、消费电子和汽车电子等领域维持着较高的占比;随着工艺进步带来的成本下降,32 位 MCU 的成本逐渐接近 8位
8、MCU,并且拥有更高的运算能力,份额逐年提高,根据 IC Insights 预测,2022 年全球 MCU 市场中32 位占比将达到 67%。而 16 位 MCU 的运算性能不如 32 位产品,性价比又无法与 8 位 MCU 相比,市场份额逐步萎缩。(3)用途:通用型用途:通用型 MCU 占据主要市场份额占据主要市场份额 按用途分为将可开发资源全部提供给用户的通用型 MCU、按照某种特定用途而设计的专用型 MCU、超低功耗 MCU、电机控制 MCU 等,根据芯知汇数据,2020 年国内市场上,通用型 MCU 占比或达到 73%(本节中市占率口径均为销售额)。(4)指令集架构:指令集架构:RIS
9、C 类类 MCU 市场份额市场份额 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。4/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 CISC(复杂指令集)的指令格式和指令大小不固定,每条指令按照规范设计为最合适的格式和大小,每条指令执行的时间不一样,以此来追求更强的处理能力。RISC(精简指令集)的指令长度是固定的,并且采取流水线的概念,将处理过程划分为多个阶段,每个时钟周
10、期可以执行一条指令,执行部分并行处理。CISC 指令能力强,但 CPU 复杂度较高,RISC 指令较为固定,优化了编译流程。3、ARM 架构为当前架构为当前 MCU 主流主流 MCU 主要的主要的 ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V 等程序架构均属于等程序架构均属于 RISC 指令集。指令集。1)ARM 内核:是英国内核:是英国 Acorn 公司设计的低功耗、低成本的第一款公司设计的低功耗、低成本的第一款 RISC 微处理器。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
11、 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。5/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 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。: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
12、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。: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。: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。RI
13、SC-V 指令集在提升芯片性能、降低功耗方面更容易。目前 NXP、瑞萨瑞萨、Microchip 等国际 MCU 厂商以及兆易创新兆易创新、中微半导中微半导、乐乐鑫科技鑫科技等国内 MCU 厂均已推出 RISC-V 架构 MCU,SiFive、芯来芯来、平头哥平头哥、晶心晶心等厂商正在研发 RISC-V 内核。6/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 从市场份额看,从市场份额看,ARM 架构为当前架构为当前 MCU 主流。主流。根据芯知汇数据,ARM Cortex-M 内核产品合计占比过半,达到 52%,是市场主流,被广泛应用于手机、平板等智能移动终端
14、;同时,随着汽车智能化发展,ARM 架构的 MCU 芯片也被应用于汽车中控娱乐中,市场潜在空间进一步打开。在中国市场,根据芯知汇报道,ARM Cortex-M0 的占比最高为 20%,其次为 Cortex-M3 市场份额达到 14%,ARM Cortex-M23 虽然性能领先、但市占率仅 1%。除 ARM 架构外,RISC-V 作为新兴的精简指令集架构,2021 年市场份额也达到 1%。二、行业二、行业发展历程发展历程 MCU 从上世纪 70 年代推出,至今已有约 50 年的历史,不同时间段诞生了不同的 MCU 架构,助力了不同的 MCU 大厂先后快速崛起。1970s-1980s:MCU 初露
15、萌芽,初露萌芽,Intel 架构主导。架构主导。MCU 起源于 1971 年,率先由 Intel 设计出集成度为 2000 只晶体管/片的 4 位微处理器 Intel4004,而后又推出了 8 位微处理器 Intel8008;在 1981 年,Intel 推出 8051MCU,从此 MCU 逐渐成为主流产品,主要应用于小型计算机、航空航天等领域。从上世纪 70 年代到 90 年代初,市场主流 MCU 采用 Intel 架构,架构具有很强的稳定性,支持 8 位 MCU蓬勃发展。在当时,飞利浦的逻辑 IC 事业部(后于 2006 年成立 NXP)等老牌 MCU 厂商都是 Intel 架构的受益者。
16、1990s-21 世纪初:各家架构百花齐放。世纪初:各家架构百花齐放。进入上世纪 90 年代之后,基于哈佛架构的 AVR 单片机开发成功,主要应用于计算及外部设备、工业控制、仪表、家电、通讯设备等,AVR 单片机最先得到 Atmel支持,AVR 单片机具有创新的系统架构、更高的集成度、同时搭配 Atmel 自有的 Flash 工艺,在性能和功耗上相较于之前的冯 诺依曼架构产品均有较好表现。与此同时,各家积极开发自有的架构及内核,成立于 2003 年的瑞萨采用自有的瑞萨内核,此外还有微芯的 PIC 系列、前 Atmel 的 AVR 系列、前飞思卡尔的 HC05 和 HC08 系列、Motorol
17、a 的 MC68HC 系列、TI 的 MSP430 系列等。2007 至今:至今:ARM 架构异军突起,迅速占领架构异军突起,迅速占领 32 位位 MCU 市场。市场。应用侧对性能处理要求逐步提升,传统 8 位和 16 位 MCU 已经不能满足市场需求,32 位 MCU 渐成主流。最初,各家基于自身架构开发 32位 MCU,但之后由于标准化的 ARM 架构推出,ARM 架构各种内核间具有代码兼容性和软件兼容性,用户能够轻易在使用 ARM 架构的厂商间切换,因此大部分自研 32 位架构均被 ARM 架构取代。7/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 三
18、三、市场及行业现状、市场及行业现状 1、MCU 市场需求旺盛市场需求旺盛 市场需求持续向好。市场需求持续向好。受益于 AIOT、工业控制、汽车电子等应用的蓬勃发展,全球 MCU 市场规模和出货量触底反弹。在行业高景气度的 2021 年,全球 MCU 出货量同比增长 12%达到了近 309 亿颗的历史最高水平,同时受产能限制等因素影响,ASP 强劲反弹 10%达到 0.64 美元,且将保持高增态势有望于2026 年突破 0.75 美元。根据 IC Insights 数据及预测,2021 年全球 MCU 市场规模约 196 亿美元,同比增长 23.4%,预计至 2026 年将以 6.7%的复合增速
19、达到 272 亿美元;2021 年全球 MCU 的出货量约为 309 亿颗,至 2026 年预计将达到 358 亿颗。2、国内市场增速高于全球市场国内市场增速高于全球市场 根据 IHS 数据统计,2015-2020 年中国 MCU 市场 CAGR 为 8.4%,同期全球市场几乎没有增长,同时该机构预计 2021 年中国 MCU 市场增长 36%(高于全球市场增速的 23.4%)至 365 亿元。得益于国内物联网和新能源汽车市场在全球具有的高影响力和不俗增长,未来数年 MCU 发展将迈入一个新的台阶,IHS 预测至 2026 年中国 MCU 市场规模或以约 7%的 CAGR 提升至 513 亿元
20、。8/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 3、海外企业占据绝对领先地位,国产替代空间广阔海外企业占据绝对领先地位,国产替代空间广阔 根据 Omdia 数据,全球竞争格局来看,MCU 龙头厂商保持了较高的市占率,行业集中度相对较高。根据 Omdia 统计,2021 年全球前 5 大 MCU 生产厂商分别为 NXP(17.3%)、瑞萨电子瑞萨电子(16.8%)、意意法半导体法半导体(15.4%)、英飞凌英飞凌(13.9%)以及微芯科技微芯科技(12.6%),CR5 约 76%。我国 MCU 市场大部分份额同样被海外巨头占据。根据 CSIA 数据,201
21、9 年中国前 5 大 MCU 生产厂商分别为意法半导体(20.9%)、NXP(20.2%)、微芯科技(14.2%)、瑞萨电子(13.0%)以及英飞凌英飞凌(6.2%),CR5约 74%,国内厂商主要在消费和中低端工控领域竞争,汽车、高端工控等市场国产化率较低,兆易创新兆易创新等企业已开始突破。9/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 四四、产业链分析、产业链分析 从 MCU 产业链来看,原厂位于中游位置,上游主要有原材料厂商、设备厂商等,Fabless 型相比 IDM型额外需要晶圆代工厂商支持,下游通过经销商向终端应用分散,包括汽车、工控、消费、通信
22、等不同领域。1、中游、中游 MCU 行业本身变化不快,制程工艺等要求并不高(40nm 即可满足主要需求),先发厂商凭借产能、技术、渠道、产品生态等的优势产生规模效应,不断加固护城河,新进入者很少有创新以及弯道超车的机会。产能优势至关重要。产能优势至关重要。同等条件下,下游客户会优先考虑具有稳定产能供给的 IDM 公司,对 Fabless 公司的交期有较高要求,2021 年全球 MCU 前七的厂商均采用 IDM 模式,前十中仅兆易创新兆易创新和 siliconlab为 fabless,其余均为 IDM 运营。同时,巨头之间的兼并收购也是 MCU 行业的常态,NXP 2015 年收购飞思卡尔飞思卡
23、尔、英飞凌英飞凌 2020 年收购赛普拉斯赛普拉斯。经销为主,同时直销力度加大。经销为主,同时直销力度加大。MCU 行业具有客户众多、订单少量多样的特点,一般厂商多采取经销为主的销售模式,尤其对于 Fabless 运营的中小规模设计企业来说,耗费巨大精力培育直销团队经济效益未必划算。近年来国际领先厂商对于直销渠道重视程度加大,龙头厂商大力改善销售策略,进一步拉开了与中小竞争者的差距。货期有所缩短。货期有所缩短。进入 2022 年四季度以来,多数产品的货期缩短到两年以来新低,MCU 的货期也有所缩短,但仍处于较高水平。根据数据,在 2022Q4 最新的 MCU 货期统计中,仅有英飞凌英飞凌的汽车
24、芯片仍呈“配货”状态,瑞萨瑞萨、意法半导体意法半导体、恩智浦恩智浦等汽车芯片跳转至“紧缺”状态,供货环比有所缓解。MCU 紧缺与否与芯片整体行情强相关,通用、消费类及低端工业类 MCU 原厂价格趋于稳定,汽车、高端工控相关的 MCU 仍然存在紧缺情况。在当前 MCU 市场缺货行情持续的情况下,本土 MCU 产业链有望加速产品的市场拓展,提升产品的价值量或出货量,从而充分受益于 MCU 市场高涨的应用需求,国内企业包括中颖电子中颖电子、兆易创新兆易创新、华润华润微微、芯海科技芯海科技、士兰微士兰微、乐鑫科技乐鑫科技、东软载波东软载波、上海贝岭上海贝岭等。10/27 2023 年年 1 月月 10
25、 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 产品生态是终端客户的使用习惯,需要培养。产品生态是终端客户的使用习惯,需要培养。缺货行情之前,客户对于国产 MCU 使用意愿较低的很大一部分原因在于软件易用程度较差,客户宁可接受价格更高的 ST MCU。软件能力在产品生态中举足轻重,国产厂商大多采取 pin to pin 国外芯片的策略,客户软件若不是基于国产厂商的软件开发,再转回其他兼容 ST 产品会比较容易。为了提高用户粘性,需要厂商提高软件能力,促使客户基于自身软件工具进行开发,构筑自身软硬件生态就显得尤为重要。MCU 龙头意法半导体意法半导体近年来实现口碑与销量双丰收,生态系统功不可没,其
26、以 STM32Cube 为核心,搭建了涵盖软硬件开发和合作伙伴计划的强大的生态,兆易创新兆易创新在生态发展方面走在了国产前列,具有先发优势。2、下游、下游 MCU 下游应用广泛,主要覆盖六大下游市场。根据 IC Insights 最新数据,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%的市场份额,剩下的 42%分布于计算机与 11/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 网络(23%)、消费电子和家电、物联网,以及智能安全等应用领域。而国内市场主要集中在消费电子领域,2020 年国内 MCU 下游中,消费电子占比达
27、到 25.7%,国内汽车电子的市场份额仅 14.9%。(1)汽车电子:全球汽车电子:全球 MCU 市场增长主要驱动力市场增长主要驱动力 随着新能源汽车智能化程度及边界的不断拓展,车规级 MCU 芯片在汽车电子中的应用场景也不断丰富,涵盖逆变器控制、发动机和电池管理、变速箱控制、安全控制、ADAS、主动悬架、LED 照明、传感器融合等几十个次系统中。每一个功能的实现背后都需要复杂的电子控制单元 ECU 支撑,MCU 均起到了重要作用。同时,汽车不断向电气化、电子化、智能化转变,MCU 产品需求日趋旺盛,单车价值量不断扩大。1)车规级车规级MCU较一般通用较一般通用MCU具有更高具有更高的技术壁垒
28、的技术壁垒 车规级电子设备的技术要求要远高于一般性电子产品,具有显著的工艺技术和客户认证壁垒。车规级半导体对产品的可靠性、一致性、安全性、稳定性和长效性要求较高,产品整体研发周期长、投资规模大,企业需要较长时间的技术积累和经验沉淀实现技术突破,形成了较高的行业壁垒;车规级半导体对汽车的安全性和功能性起到至关重要的作用,认证周期和供货周期较长,因此车企与芯片厂商在形成稳定的合作关系后,就很难在原有车型上再次更换供应商。12/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 2)车用车用MCU以以32位芯片为主位芯片为主 车载 MCU 位数越多对应结构越复杂,处理能
29、力越强,可实现的功能越多。8 位 MCU 主要用于简单车身控制,如空调、雨刷、门窗、座椅、低端仪表盘等;16 位 MCU 主要用于中端的底盘和低端发动机控制,如制动、转向、悬架、刹车等;32 位 MCU 主要用于高端的发动机和车身控制,如高端仪表盘、高端发动机、多媒体信息系统、安全系统等。随着汽车架构集成度、功能复杂度提升,对 MCU 的运算能力也将提出更高的要求,未来 32 位车规级 MCU 需求将进一步提升。2020 年,32 位车用 MCU 占比超62%,成为应用最广的 MCU 类型。3)汽车汽车MCU市场具备较高的市场集中度市场具备较高的市场集中度 从全球市场竞争格局来看,国际厂商在车
30、规级半导体领域中占据领先地位,根据英飞凌数据,2021 年全球 MCU 市场 TOP5 瑞萨电子瑞萨电子、恩智浦恩智浦、英飞凌英飞凌(包含赛普拉斯赛普拉斯)、德州仪器德州仪器、微芯科技微芯科技市占率超过90%。国内车规级 MCU 起步较晚,目前市场份额尚低,兆易创新兆易创新、复旦微复旦微、芯海科技芯海科技、中颖电子中颖电子、国国 13/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 芯科技芯科技、杰发科技杰发科技、芯旺微芯旺微、比亚迪半导体比亚迪半导体等厂商均在发力车规级 MCU 产品并已陆续通过 AEC-Q100认证,领先厂商已量产或即将推出车规级 MCU
31、产品,国产厂商有望逐步取得突破。4)MCU是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一是汽车从电动化向智能化深度发展的关键元器件之一 电动化、智能化、网联化是汽车产业转型升级的重要方向。汽车电动化对执行层中动力、制动、转向、变速等系统的影响更为直接,其对功率半导体、执行器的需求相比传统燃油车增长明显。汽车的智能化、网联化带来的新型器件需求主要在感知层和决策层,包括摄像头、雷达、IMU/GPS、V2X、ECU 等,直接拉动各类传感器芯片和计算芯片的增长。电动化是汽车产业从燃油车时代走向节能环保时代的基本的要求,可以视为产业转型升级的上半程,近年来已取得不俗进展,而下半程智能化是提升用户体验的核
32、心,随着汽车半导体行业技术演进和需求升级,智能化将逐步成为相关厂商竞争的主战场,接力电动化成为重要驱动力,MCU 作为核心算力芯片有望深度受益。5)单车单车MCU价值量提升核心逻辑价值量提升核心逻辑 单车 MCU 价值量提升核心逻辑:1)配置区域增加,应用领域由传统底盘延伸至整车,随着汽车电子化发展,ECU 逐渐占领整个汽车,遍布车身控制、座舱、动力总成、底盘安全、新能源三电、ADAS 智能驾驶等域;2)芯片算力和集成度提升,高性能 MCU 占比提高,产品升级驱动 ASP 增长。新能源汽车新能源汽车 MCU 用量更多。用量更多。与燃油车相比,新能源汽车以电机替代了汽油发动机并增加了动力电池,电
33、池管理系统和整车控制器应用的增加将驱动 MCU 用量的增长。根据 Gartner 和国际汽车制造商协会数据,平均单车配置约 25 颗 MCU。而电动车型唐的 MCU 数量增加到了 55 颗,用量大幅增加。14/27 2023 年年 1 月月 10 日日 行业行业|深度深度|研究报告研究报告 6)汽车电子电气架构(汽车电子电气架构(E/E)重构下)重构下MCU ASP有望稳步上行有望稳步上行 传统汽车使用的分布式 ECU 架构大多基于成熟工艺的 MCU 芯片,靠增加 ECU 的数量或针对单个 ECU进行 MCU 芯片的替代来提升汽车性能。为了突破 ECU 的性能瓶颈,博世在 2015 年描绘出了
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