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    芯片难关不破,物联网难以真正爆发

    2022-04-24 22:40:49

    来源:智哪儿   作者:智哪儿

    阅读:7311

    评论:0

    作者|布斯

    编辑|小沐

    出品|智哪儿 zhinaer.cn


    芯片是一个既熟悉又陌生的概念。我们知道它无处不在,却又鲜有清晰的认知。作为AIoT行业媒体,「智哪儿」长期关注芯片产业的现状和走势,试图从物联网角度抽象出一些核心观点。本文,我们就从智能家居的角度,来深入聊聊芯片。


    2021年以来,芯片短缺已经较大程度影响了国内电子工业的正常运行。除了广为人知的汽车行业受到影响外,以智能家居为代表的物联网行业,也面临着不同程度的芯片困境。可以说,芯片就是物联网的基础设施,物联网的真正爆发,离不开芯片产业的稳定与繁荣。

    没有芯片,寸步难行,这么说一点也不为过。作为一项高精尖技术,芯片从设计到生产,都是由少数企业掌控的。对于这样一个典型的金字塔结构的业态,上游的一丝波动,便会制造出一串大大的涟漪,直接波及终端消费者。

    那么,为什么说芯片难关不破,物联网难以真正爆发?


    1.

    无处不在的芯片


    以智能家居为代表的物联网,要想实现互联互通,是离不开芯片的。我们知道手机、平板、电脑等终端设备,都有CPU这种芯片(目前多以SoC的形式存在)。其实,我们日常生活中无处不在的各种电器、硬件和智能终端,都是靠芯片实现基础功能的。计算器、各种仪表、CD机甚至儿童玩具中,都有芯片的存在。

    这些我们赖以生存的芯片,叫做MCU,也就是微控制器。你周围的任何一个电子设备中,包括汽车、遥控器、打印机等看似没有智能属性的东西,都存在很多MCU。汽车中的MCU甚至有数百上千之多。

    MCU是具备计算能力的,只是它跟我们认知的CPU不太一样,可以简单认为是一个精简版的CPU。MCU跟CPU一样,也存在一个叫做指令集的东西,也需要借助C语言或汇编语言开发。跟CPU行业一样,MCU中的运算核心,也是掌握在英特尔和ARM两家公司手中。

    英特尔开发的8051指令集和ARM的Cortex-M0指令集系统,至今都主导着MCU的开发工作。前者是CISC复杂指令集,后者是RISC精简指令集。为什么这个行业是高度垄断的呢?

    这是因为,CPU作为一个处理器,它本身是大量晶体管以及其他电子元器件组成的硬件载体。要用它来实现运算,需要让设备认识到这个处理器的存在,并能在其上面运行操作系统或者软件。我们以较为通俗的电脑CPU为例说明。

    首先你要知道,软件的开发者,是需要面向CPU开发的。因为CPU是提供运算的,你的软件要想调用CPU的算力,必须让CPU能够理解你。所以,软件在封装的时候,都会编译成机器语言,即0和1,这是CPU唯一认识的语言。而每个CPU的语言体系是不一样的。

    那么问题来了,CPU的架构那么多,制造商那么多,我难道要针对每个CPU做一个版本吗?显然是不用的。你只需要针对指令集做开发即可。比如在电脑CPU中,X86和X64就是两种指令集,它们的区别在于一个是32位一个是64位。所以像是Windows系统,或者一些应用软件,都会区分X86或X64两种版本。那么在移动端,就开发面向ARM指令集的软件。

    由此可见,指令集是一个非常关键的环节。它作为处理器的虚拟层,可以提供通用的开发环境,让一个软件,可以运行在采用该指令集的成千上万台不同类型的设备上。

    而在物联网这一端,我们面对的就是英特尔的8051和ARM的Cortex-M0。这两种指令集系统已经有近半个世纪的历史,演化出了各种版本,但归根结底,我们做芯片,都绕不开这两个东西,而且需要很高的授权费。

    那么有没有替代方案呢?有,RISC-V,一个开放的指令集,不要任何授权,且不受发达国家的进出口管制(芯片成品会有管制)。所以国内很多企业,华为、中兴、紫光、阿里等,都开始聚焦RISC-V处理器的研发,比如阿里平头哥的玄铁处理器,就是基于RISC-V的。

    然而,RISC-V并没有解决所有问题。


    2.
    芯片短缺是谁的问题?


    我们再来谈当前的芯片短缺问题。芯片为什么会短缺,简单来说是三方面的原因:

    第一,由于当前国际形势的影响,芯片关联产业的产能上不来。这是直接原因。这导致了下游的大厂疯狂囤积芯片,进一步加剧了芯片供应的吃紧。

    第二,代工厂,或者说晶圆厂,为了追求高利润,把产能向高端处理器倾斜。比如从8寸晶圆向12寸晶圆倾斜,而前者通常是用来制造28nm及以上制程的中低端芯片的基材,比如各种MCU。占据芯片采购40%份额的汽车产业,以及一些低端消费电子产品、各类电器设备,都依赖于8寸晶圆产线。

    第三,整个芯片产业链的全球布局是失衡的,虽然很多国家都可以设计芯片,但芯片的生产设备和生产基地,存在于局部地区。比如中国台湾、马来西亚、菲律宾等地是芯片代工重镇,近年来因自然灾害导致了一定程度减产。

    由此可见,芯片短缺既有不可抗力,也有市场化的因素存在。而为了应对芯片短缺,很多下游的大厂加大了芯片代工的订单,做好战略储备。为什么芯片短缺影响了汽车行业,但手机、平板和电脑的影响却不是特别大,就是因为MCU芯片受到了更大的影响。据光刻机制造商ASML的CEO透露,目前有的公司甚至采购大量洗衣机拆解其中的芯片用于自己的产品。而洗衣机中就有若干MCU

    长期来看,随着产能的缓和和市场的自我调节,芯片短缺是可以得到有效解决的。目前很多行业,比如智能家电行业也展开了自救:通过OpenCPU技术的运用,减少算力冗余,让一个芯片模组承担更多的职能,从而减少对芯片数量的依赖。

    这种方法,是通过软件的形式应对芯片短缺的问题。它具备一定的适用性,但也无法彻底解决问题。但长期来看,OpenCPU这类技术对于降本增效,还是有显著作用的。这次芯片短缺,可能会让更多的下游厂商重新思考PCB的设计,尽可能让少量芯片发挥更多的价值。

    而随着边缘计算的兴起,很多用户场景要求电器设备具有更强的本地化运算能力。这将推动MCU往高位数(比如32位)、集成化角度发展。电器、智能硬件等将搭载集通信、数据处理和逻辑运算等多元一体的芯片载体。

    这对于晶圆厂来说是有利的。


    3.
    物联网的终局竞争是芯片


    前文的铺垫,让我们意识到一个问题,那就是看似普通的芯片,其实制约着整个物联网的发展。核心技术都掌握在少数企业手里,而未来物联网要全面建成,需要的芯片数量是以万亿计算的。

    设想一下,仅仅是一个普通的智能家居系统,就需要数百个MCU的支持。如果不克服短板,那么我们的物联网本质上是被牵着鼻子走。而一个行业的繁荣,离不开底层技术的多元化发展。

    指令集方面,开放的RISC-V已经成为当前的主流替代方案,可以让很多企业绕开英特尔和ARM的垄断。而中国企业在RISC-V的研究与完善上,也扮演了非常重要的角色。RISC-V产业联盟中,数量最多的是中国企业,19家高级会员企业中有12家来自中国(包括中国台湾的企业)。

    芯片是中国大陆第一大进口商品。根据中国半导体行业协会公开的数据显示,国内芯片的自给率只有26.6%,其中汽车芯片的自给率更是低至5%。2021年,中国大陆进口芯片4325.54亿美元(约2.8万亿)左右,同比增长23.59%;而进口芯片个数达到了6354.8亿个,同比增长16.92%。

    这说明,无处不在的芯片,其国产化率还非常低,依然依赖进口。而对于RISC-V的探索,能在一定程度上帮我们缓解进口压力,发展出相对独立的芯片研发路线。尤其是对于物联网领域,RISC-V将发挥不可估量的商业价值。

    由于物联网采用的MCU相比电脑和手机的CPU,其对位数、制程和频率的要求低了很多,所以是芯片国产化的中流砥柱。MCU产业的高度成熟和国产化,是物联网进步的必要条件;而反过来看,物联网的高需求量,也能在很大程度上带动MCU产业的发展。

    与汽车零部件一样,国产率提升带来的直接好处是,成本的降低和利润空间的增加。物联网也是一样的道理。作为物联网的基础设施,MCU的国产化率,也直接影响了成本和利润。而MCU性能的提升,能耗的降低,则是产品层面制约企业发展潜力的核心因素。

    在RISC-V推行后,国内企业有机会摆脱英特尔和ARM的技术限制,在开发层面拥有了更大的自由度。通用型的芯片,有望快速向专用型芯片转化。

    物联网的终局是计算,而终局的竞争就是芯片的竞争。对于芯片设计厂家、生产厂家、模组厂家来说,如何让MCU发挥更大的效能,提供更强的计算能力,同时有效降低成本,是一个非常现实且有意义的课题。

    可以说,谁能吃透芯片,谁就能主导物联网。



    结语


    最后再讲一点:在CPU领域,除了光刻机外,其实芯片的设计流程也需要进一步国产化。这就是设计芯片的EDA软件。

    EDA软件市场基本被Cadence、Synopsys、Mentor这三家美国公司所垄断。这三家公司在中国大陆的市场份额占到了95%以上。所以,芯片的真正自给自足,除了指令集和生产线,芯片的设计端也需要进一步掌握在自己手中。

    由此可见,任重而道远。



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