《物联网芯片及其发展难题》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2020-12-11
  • 从中兴事件,一直到中美贸易持续升温,我国芯片行业受制于人的问题已经被大多数人悉知。因此一波造芯热潮来了,但造芯片并不是那么容易的事情,而且对于中国来说,除了手机用的SOC和PC使用的 CPU 之外,还有很多芯片制造能力技不如人。比如存储颗粒也是其中之一,还需要长时间的艰苦奋斗才能追赶上。 在芯片领域除了刚才说的这些之外,其实还有一个新名词,叫做物联网芯片,这个名词之前并不存在,直到近些年Internet of things( IOT 物联网)火爆之后才有这这种说法。

    什么是物联网芯片?

    芯片我们知道有很多种,那么什么是物联网芯片呢?首先得知道什么是物联网,简单点说就是物物相连的互联网,他的核心依然是互联网,但在基础上衍生和拓展,不仅仅是基于人而是打通了物和物之间的连接通道。物联网也被普遍认为是信息产业发展的第三次浪潮,将带动整个世界的变化。

    物联网芯片其实最终还是芯片,只不过作用更加细分化,与传统芯片相比有一定区别,尤其是在商业化方面。因为传统的芯片智能用在特定的需要有计算处理的地方,而物联网芯片更加灵活,主要是基于日常生活的,比如门窗、家电、甚至衣服鞋帽等等,对技术的要求更高,也更注重应用场景的针对性。 当然了,本质上它还是 集成电路 ,只不过更有指向性,需要应用到特定的环境当中,对于企业来说,也提出了更高的需求,因为物联网芯片的用户需要的更多是一套解决方案,往往不仅仅是单一的芯片产品。

    物联网芯片面临的两大难题

    根据数据显示,2015年全球物联网连接大约60亿个左右,预计2020年将增长到270亿个,这还是比较保守的预计数字。而根据工信部发布的数据显示2017年物联网产业规模已经突破万亿,至IJ2020年,仅仅中国的物联网整体规模就会达到1.8万亿,而其中最重要的物联网芯片,将会在2025年之前一致保持高增长和高产业价值。 但是要想站稳物联网芯片的脚跟可不容易,面临这两个非常严重的问题。

    1、针对性

    无论是PC处理器还是手机SOC,对于大公司来说,一款产品或者一系列产品一旦打造完成,通常可以大量出货。比如 高通 公司的骁龙660处理器出货量是几千万片或者上亿片。 华为 麒麟处理器虽然只供给自己家的产品,但手机销量也是以百万台计数的,这就意味着这些SOC的出货量都是百万级起步。而物联网是万物互联,意味着要面临各种各样的产品提出很多种解决方案。这就面临这严重的细分化问题,虽然有些芯片的需求量很大,但总体来说种类散乱,虽然整体规模很大,但摊下来单一产品或者系列产品的需求量可能并不大。

    一次就要求企业需要能够控制成本,及时的推出更有针对性的芯片来解决问题,否则通用型芯片虽然也可以解决问题,但功耗、性能等等很难匹配,并不是长久之计。当企业需求芯片只是几万、几十万片的时候,厂商如何满足他们,并保证自己盈利?现在看的确是个难题。

    2、安全

    物联网时代面临的最大问题首先就是安全,安全其实不仅仅是物联网芯片造成的,而是整个物联网时代是万物互联网,终端越多、链接通路越多,就越容易遭到攻击,尤其是廉价的设备接入其中,很难保证物联网是安全的。

    因此物联网芯片就有了更多要求,至少要保证安全。今年年初的熔断和幽灵两大漏洞让 英特尔 、 AMD 在内的半导体公司歹单精竭虑,至今舆论和恐慌还没有完全消退。物联网芯片将会拥有更广阔的市场,一旦出现问题,影响会更加严重。尤其是刚才提到的,针对用户推出的产品种类更多、但单一产品总出货量降低,这就意味着产品后续可能得不到厂商有效的技术支持和维护,给了恶意者可乘之机。如何解决这一问题,也是当前必须解决的。

    5G 发展带来更多机会

    现如今4G网络已经带来了几十兆甚至上百找兆的贷款速度,高清晰视频在移动过程中都可以完美体验。也正是因为4G网络的普及,才开启了物联网时代。 到了5G时代,速度从量变的积累最终会让我们的生活产生质的变化。原本4G时代,主要是人到终端、互联网到人的通路,而5G网络面对这些游刃有余,还可以物物互联,这就给了物联网以更大的施展空间,物联网芯片也是如此,需要更小的功耗、适应更高速度,保证对应的处理能力。

    因此5G的发展将会极大刺激物联网芯片的发展速度,甚至直接影响出货量,预计2020年全球开始逐步向5G网络过渡,而这一时间段也是芯片企业需要关注的关键节点。 虽然国内物联网芯片的发展速度很快,在汽车、手机、智能硬件、家居家电等领域已经有了一些进展,但主要供应商和技术还是靠国外公司,而到2020年时间已经不多了。

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技术/创新:美光在其整个历史中已贡献了近44,000项专利。它创造了世界上最先进的DRAM处理技术,美光的X100 NVMe SSD –最快的NoSQL数据库,可提高AeroSpike的性能。 全球市场:美光科技公司总部位于美国博伊西,在17个国家/地区拥有43个办事处,拥有34,000名员工。 收入:2020财年收入为214.4亿美元。 4、德州仪器公司 德州仪器(TI) 是一家全球半导体公司,致力于为工业,汽车,个人电子产品,通信设备和企业系统等市场设计,制造,测试和销售模拟和嵌入式处理芯片。 产品:TI的主要产品包括放大器,音频,时钟和定时,数据转换器,管芯和晶片服务,DLP产品,接口,隔离,逻辑,微控制器(MCU)和处理器,电机驱动器,电源管理,射频和微波,传感器,空间和高可靠性,开关和多路复用器,无线连接以及计算器和教育技术。 技术/创新:公司在全球拥有45,000项专利。他们正在与Cobots和Machine Learning一起为电动汽车的无线电池管理系统创建新的解决方案。 应用:它们在工业领域(航空航天和国防,网格基础设施,医疗,照明等),汽车,通信设备,企业系统,个人电子产品,安全性和物联网等领域具有应用程序。 全球市场:TI在全球拥有14个生产基地,拥有10个晶圆厂,7个组装和测试工厂,以及多个凸块和探针工厂,拥有30,000名员工。该公司总部位于美国达拉斯。 收入:德州仪器(TI)2020财年的收入为144.61亿美元。 5、英伟达公司 Nvidia Corporation是一家技术公司,主要为游戏行业设计和制造图形处理单元(GPU)而闻名。 产品:Nvidia提供的产品包括图形卡,笔记本电脑,G-sync显示器和GEFORCE NOW云计算游戏。 应用:公司开发了基于GPU的深度学习,以使用人工智能解决诸如癌症检测,天气预报,自动驾驶汽车,竞争性游戏,专业可视化,深度学习,加速分析和加密货币挖掘等问题。 创新/技术:Nvidia拥有7,300项专利资产。它已经成功开发了诸如企业与开发人员(CUDA,IndeX,Iray,MDL),游戏(GameWorks,G-syncBattery Boost),架构(Ampere,Volta,Turing)和行业技术(AI计算,深度学习,ML)的技术。它正在研究3D深度学习,应用研究,人工智能和机器学习,计算机图形学,电子竞技,医学,网络等。 全球市场:NVIDIA总部位于美国圣塔克拉拉,在28个国家/地区拥有57个办事处,拥有9,100名员工。 收入:2020财年收入为109.2亿美元。 6、AMD AMD ( Advanced Micro Devices)是一家全球半导体公司,致力于开发高性能计算和可视化产品,以解决世界上一些最棘手和最有趣的挑战。 产品:台式机和移动处理器,业务系统处理器,服务器处理器,图形卡,Pro Graphics,服务器加速器,嵌入式图形,嵌入式图形和嵌入式合作伙伴目录。 应用:AMD专注于本能和身临其境的计算,以及该技术如何释放机器学习和其他高性能计算应用程序的能力,以应对重要的全球性挑战,包括医疗,教育,制造,科学研究和安全性。 技术/创新:它在全球拥有8000项已发布的专利。它正在研究高性能计算(HPC),高级内存技术,低功耗和机器智能等领域。 全球市场:AMD总部位于美国圣塔克拉拉,在23个国家/地区设有38个办事处,在全球拥有11,400多名员工。 收入:该公司2020财年的收入为97.6亿美元。 7、ADI ADI公司在设计,制造和营销几乎所有类型的电子设备中使用的高性能模拟,混合信号和数字信号处理(DSP)集成电路(IC)方面处于世界领先地位。 产品:ADI公司提供广泛的产品组合,包括放大器,模拟功能,A / D转换器(ADC),音频和视频产品,时钟和定时,D / A转换器(DAC),高速逻辑和数据路径管理,工业以太网,接口与隔离,功率监控,控制与保护,光通信与传感,电源管理,处理器与微控制器,射频与微波,传感器与MEMS以及开关与多路复用器。 应用范围:ADI公司按航空航天与国防,汽车,建筑技术,通信,消费者,数据中心,能源,医疗保健,工业自动化,测量仪器和测量以及安全与监视等细分市场提供相关技术和解决方案。 技术/创新:它在全球拥有超过47,000项专利。它一直在研究3D飞行时间(ToF),5G,A 2 B音频总线,网络安全,GaN(氮化镓),物联网(IoT),探测器(LIDAR)解决方案,MEMS开关,OtoSense,雷达系统, RadioVerse,RF领导者,传感器接口和SmartMesh。 全球市场:总部位于美国诺伍德,在30多个国家/地区拥有15,900名员工。 收入:ADI 2020财年收入为56亿美元。 8、安森美半导体 安森美半导体是基于半导体的解决方案的领先供应商,提供全面的产品组合,包括节能连接,传感,电源管理,模拟,逻辑,定时,分立和定制设备。 产品:存储器,音频/视频ASSP,接口,标准逻辑,微控制器,离散和驱动器电源管理,定时和信号调理,隔离和保护设备,放大器和比较器,传感器,宽带隙电源模块,连接性,光电,定制代工服务,SoC,SiP和定制产品。 应用范围:用于航空航天和国防,汽车,工业和云电力,物联网,医疗和个人电子产品。 技术/创新:安森美半导体正在从事汽车,物联网(IoT),创新以及工业和云电源领域的研究。 全球市场:总部位于美国亚利桑那州,在24个国家/地区拥有74个办事处,拥有34,000名员工。 收入:安森美半导体2020财年的收入为53亿美元。 9、微芯科技 Microchip Technology是工业,汽车,消费,航空航天和国防,通信和计算市场上智能,连接和安全的嵌入式控制解决方案的领先提供商。 产品:微控制器和微处理器,模拟,航空航天和国防,放大器和线性,时钟和定时,数据转换器,嵌入式控制器和超级I / O,铸造服务,FPGA和PLD,高速网络和视频,接口和连接性,LED驱动程序和背光,内存,电源管理,以太网供电,安全IC,传感器,智能能源/计量,存储,同步和计时系统,触摸和手势以及无线连接。 应用范围:它们用于医疗,航空航天与国防,音频与语音,汽车,电池管理,CAN,显示器,计算,以太网,物联网,照明,计量,USB,无线与网络,家用电器等领域。 技术/创新:他们一直致力于汽车应用的高端电流检测放大器,汽车以太网音频视频桥接(AVB)的第一个全集成解决方案,以太网交换机,机器学习和超大规模计算基础设施以及三模式存储控制器。 全球市场:Microchip总部位于美国钱德勒,在28个国家/地区拥有67个办事处,拥有18,000多名员工。 收入:Microchip 2020财年的收入为53亿美元。 10、Xilinx公司 Xilinx Inc.是一家技术公司,主要是可编程逻辑器件的供应商。该公司发明了现场可编程门阵列。正是半导体公司创造了第一个无晶圆厂制造模型。 产品:设备(ACAP,FPGA和3D IC,SoC,MPSoC和RFSoC),评估板和套件(评估板,SoM),加速器(数据中心加速器卡,计算存储,SmartNIC和Telco),以太网适配器(8000系列)以太网,X2系列以太网),软件开发工具(Vitis软件平台,Vitis AI),硬件开发,嵌入式开发,核心技术(3D IC,配置解决方案,连接性,设计安全性,DSP,以太网,ML,内存,RF采样)和加速的应用程序。 应用范围:航空航天与国防,汽车,广播与Pro A / V,消费电子,数据中心,仿真与原型设计,工业,医疗保健/医疗,测试与测量,有线与无线通信。 技术/创新:它拥有4400项专利,主要针对高端现场可编程门阵列(FPGA)。目前,它正在研究高级设计流程,异构多核体系结构,网络处理,信号处理以及嵌入式系统和FPGA中的高级应用程序。 全球市场:Xilinx总部位于美国圣何塞,在8个国家/地区拥有12个办公地点,拥有5000多名员工。 收入:2020财年的收入为31.6亿美元。 美国的优势与劣势 全球销售市场份额的领先地位还使美国半导体产业能够从良性循环的创新中受益。销售领导地位使美国工业界可以对研发投入更多,这反过来又有助于确保美国继续保持销售领导地位。只要美国半导体行业在全球市场份额中保持领先地位,它将继续从这一良性创新循环中受益。 美国半导体公司在商业模式和子产品方面是市场领导者,但是对于某些商业模式细分市场,美国产业落后于其亚洲竞争对手。美国半导体行业在逻辑和模拟半导体的销售方面保持着市场份额的领导地位。但是,对于存储器和分立半导体,其他国家的行业处于领先地位。 同样,就商业模式而言,美国在某些领域领先,但并非全部。 例如,亚洲继续主导着半导体生产的外包方面。近80%的半导体晶圆厂和组装/测试业务集中在亚洲。尽管全球供应链为该行业带来了价值和效率的提升,但它们也突显了美国需要考虑在这一领域进行战略投资的必要性。 美国技术竞争力:美国半导体行业是先进半导体芯片设计领域无可争议的技术领导者。这包括AI所需的平台技术,在微处理器,图形芯片和可编程逻辑处理器中占有主要市场份额。当今用于前沿逻辑应用的最先进的IC使用10纳米(nm)技术,并在芯片上封装了超过200亿个晶体管,尺寸约为四分之一。美国在5G相关半导体的关键设计中也处于有利地位,在支持无线通信,网络管理和数据存储的芯片中处于领先地位。最后,美国公司正在领导努力开发用于自动驾驶汽车的新芯片,包括先进的图像传感器,数据处理器和车载雷达。 美国半导体行业的研发支出一直很高,反映出美国市场份额领先地位与持续创新之间的内在联系:从1999年到2019年,美国半导体行业的研发支出以大约6.6%的复合年增长率增长。无论年销售额的周期如何,它始终保持较高的水平,这反映了对半导体生产进行研发投资的重要性。2019年,美国半导体行业在研发上的总投资总额为398亿美元。 美国半导体制造商在美国的制造基地保持最多,比其他任何国家都多:2019年,总部位于美国的公司的前端半导体晶圆产能中约有44%位于美国。美国总部位于美国的前端半导体晶圆厂产能的其他领先地点是新加坡,中国台湾,欧洲和日本。值得注意的是,与其他主要市场相比,中国大陆在前端制造方面吸引的美国投资更少。不幸的是,在过去十年中,海外芯片制造业的平均增长率是美国的五倍。这主要是由于各国实施了强有力的激励计划以吸引半导体制造业。 美国半导体创新政策格局 为了确保美国在全球半导体行业中继续保持领导地位,美国必须采取雄心勃勃的竞争力和创新议程。 研究: 美国对联邦科学机构在半导体特定研究方面的投资增加了三倍,从每年约15亿美元增加到50亿美元,以推进将极大提高芯片性能的新材料,设计和架构。 美国在联邦科学机构对半导体相关领域(例如材料科学,计算机科学,工程学和应用数学)的研究投资增加了一倍,以推动半导体技术的飞跃式创新,这些创新将驱动未来的关键技术。 国内制造业: 建立新的制造业资助计划,以刺激美国新的陆上先进半导体制造设施的建设,其中包括领先的逻辑代工厂,先进的存储器和模拟晶圆厂,以提供国防,关键基础设施和更广泛的基本商业需求。 提供半导体制造税收优惠政策,例如购买新的半导体制造设备可退还的投资税收抵免。 员工人数: 改革高技能的移民制度,使美国高等院校的合格STEM毕业生以及世界各地的STEM毕业生可以工作,创新并为美国在半导体行业的领导地位做出贡献,并促进我们的经济发展。 将美国对STEM教育的投资增加50%,并实施一项全国STEM教育计划,到2029年使美国STEM毕业生的数量增加一倍。 贸易与知识产权: 批准自由贸易协定并使之现代化,包括《美国墨西哥-加拿大协定》,以消除市场障碍,保护知识产权并促进公平竞争。 为执法和情报机构增加资源,以防止和起诉包括盗用商业秘密在内的半导体知识产权盗窃案。