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物联网连接芯片发展研究

  物联网是新一代信息技术的重要组成部分,在万物互联的大趋势下,物联网产业在全球各主要经济体均呈现高速增长态势。

  信息交换是实现万物互联的基础,近年来,物联网连接芯片产品的快速发展拓宽了物联网下游应用产品的适用范围,提升了下游应用产品的产品丰富度。现今,物联网连接芯片产品使用的连接技术有蓝牙、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、ZigBee、NFC/RCC、PLC、GNSS、SigFox等十余种。伴随连接技术、芯片设计、制造技术的迭代发展,物联网连接芯片产品已经可以支持物联网下游应用产品的多样化和大规模应用需求。

  物联网连接芯片的定义与分类

  物联网是指通过二维码识别设备、射频识别(RFID) 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现识别、定位、跟踪、监控和管理智能化的一种网络。

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  随着物联网产业的快速发展,新型的物联网SoC连接芯片,逐步淘汰了传统连接方案,即分立无线通信芯片外挂MCU。其定义是具备MCU、无线连接和μA/MHz等级的低功耗电源管理技术,融合MCU、RF、电源等数模混合电路,通过采用Wi-Fi、蓝牙、NB-IoT、NFC、LoRa等连接方式的SoC芯片。

  物联网无线连接芯片根据技术类别可分为Wi-Fi、蓝牙、NFC/RCC、PLC、多模芯片、卫星网络通信、Zigbee、LoRa、NB-IoT等。不同的应用场景对连接方式、传输速率、传输距离、成本要求不同,采用的连接技术也不同。

  考虑到蓝牙、Wi-Fi是目前物联网领域使用最为广泛的两种连接技术,NB-IoT是广域低速蜂窝物联网的代表性连接技术,且中国公司已经在其芯片的研发上取得先导优势,在NFC/RCC连接技术中,中国的国民技术公司自主开发的适用于近场通信的RCC技术标准已经正式成为国家标准。所以本文将在“物联网连接芯片典型产品发展情况分析”章节中从技术、市场等方面着重介绍蓝牙、Wi-Fi、NB-IoT、NFC/RCC芯片。

  物联网连接芯片应用市场分析

  近年来,全球及中国物联网市场均保持高速增长态势。调研公司Gartner的数据预测显示,未来,在新一轮技术革命和产业变革的带动下,预计物联网产业的发展将保持20%左右的增长速度。到2020年,全球物联网产业市场规模将达到2.93万亿美元,市场规模年复合增长率将达到20.3%。

  近年来,在建设制造强国战略等指导下,中国物联网产业取得迅猛发展。未来,随着物联网技术逐步向智能工业、智能生活、智能城市、智能金融等多应用场景中渗透,中国物联网产业将保持快速增长势头;预计2020年中国物联网产业规模将达到5539亿美元,年复合增长率为25.2%,明显高于全球总体水平。

  物联网连接芯片市场特点

  物联网市场呈井喷式发展,推动物联网连接芯片市场高速发展。在物联网市场高速发展的背景下,越来越多的设备连接入网。Gartner的数据显示,截至2020年,全球范围内物联网终端安装数量预计将达到197.8亿个,较2015年的45.8亿个增长332%。由于物联网终端安装数量的快速增长,物联网终端设备所需物联网连接芯片数量也将按比例快速增长。未来,即使在物联网连接芯片单价不断降低的背景下,高速增长的物联网连接芯片需求也将推动物联网连接芯片市场规模实现较大幅度增长。

  物联网连接芯片技术需求差异化显著,多种物联网连接技术共存。在不同物联网应用场景中,物联网设备对连接技术需求存在巨大差异。例如,在数据传输速率上,身份识别设备仅有每秒数Kbps的数据使用需求,而视频监控设备对数据的需求量却达到每秒Mbps级别,两者存在数百倍的数据传输速率差距。在信号传输距离方面,银行卡交易使用的近场无线通信技术只能在10厘米内进行无线信号传输,而远程抄表却需要无线通信信号传输距离达到千米级别,两者的技术需求差距更是相去甚远。不同应用场景的技术需求,使得多种物联网连接技术在物联网市场共同存在,且各自拥有合适的市场支持相关连接技术的发展。

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  物联网典型应用场景分析

  远程抄表

  现今,由于人工抄表具有高成本、低准确性等明显劣势,人工抄表正在快速被远程抄表所替代。

  图5所示的是远程抄表典型应用场景。现在使用的典型远程抄表技术具有组网方式复杂、ISM频段干扰大、中继设备多且需要供电、网络需要定期维护、有线表需要布线且施工困难等劣势。

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  伴随物联网的发展,物联网技术及理念在远程抄表场景上的应用使远程抄表融入了大数据、云计算等功能。尤其在NB-IoT、LoRa等新兴物联网连接技术的带动下,仪表终端实现了大规模同步组网,这不但避免了传输网络需要中继设备、数据无法集中传输等不足,还可以为水、电、燃气等资源供应公司提供高精度、大规模的动态客户使用数据,方便资源供应公司更加精准高效地实现资源管理与调度,进而提高资源利用率。

  目前,智能抄表市场发展迅速。Gartner预计,全球范围内包括智能电表、智能燃气表、智能水表在内的智能仪表出货量将从2015年的9182万套增长至2020年的1.8584亿套,年复合增长率为15.1%。其中,由于电力行业相比于水和燃气属于垄断行业,大型电网公司一直推动着智能电表的更新换代工作,导致目前智能电表推进工作明显好于智能水表和智能燃气表。

  智慧家庭

  智慧家庭是利用物联网技术,将家庭智能控制、信息交流以及消费服务等居家生活有效地结合起来,其使用物联网的目的是创造高效、舒适、安全、便捷的个性化居家生活。智慧家庭涵盖家庭自动化、家庭安全、人身健康、能源管理和家庭娱乐等多个方面。借助物联网技术在家电产品中的应用,用户可以随时随地同家里的智能设备进行连接和沟通。

  为实现“智慧家庭”,各类传感器、智能设备、手机应用程序和用户网页界面等被广泛使用并组网。通过综合运用物联网、云计算、移动互联网和大数据技术,并结合自动控制技术,家庭电子设备可以实现智能控制、家庭环境感知、家人健康感知、家居安全感知以及信息交流等功能。

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  当前,蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、广域低速网络(LPWA)等共同承担起智慧家庭市场的数据传输、物联等功能。在众多连接方式中,蓝牙与Wi-Fi主导了智慧家庭市场的连接方式。经过多年的发展,两种连接技术在使用成本、数据传输速率、数据传输距离等方面,已经基本满足关键客户需求。其中,蓝牙在低功耗、低成本方面相比于Wi-Fi更具优势,Wi-Fi相比于蓝牙具有更高的数据传输速率和更大的信号覆盖范围。

  近年来,智慧家庭市场规模和终端连接数量增长迅猛。Gartner预测,全球智慧家庭市场规模将从2015年的134.27亿美元增长至2020年的557.11亿美元,年复合增长率(CAGR)为21.86%;全球智慧家庭终端连接数量将从2015年的2.9亿个增长至2020年的47.79亿个,年复合增长率高达75.16%。

  目前,随着智能电视、智能冰箱等智能家电的普及,作为各种智能设备控制中枢的智能蓝牙音箱的加入,以及搭载移动互联网和传感器的智能手机作为控制补充,使得智慧家庭初具雏形。

  物联网连接芯片典型产品发展情况分析

  蓝牙芯片

  蓝牙技术(Bluetooth)是一种低成本、短距离无线传输技术。由于蓝牙技术在功耗、传输距离、传输速率等方面的综合优势,蓝牙技术已经成为使用量极大的物联网连接技术之一。功耗方面,自从蓝牙4.1协议开始,伴随蓝牙技术在低功耗方面的进步,蓝牙芯片已经实现小于1mA的运行功耗。传输距离方面,新的蓝牙5.0技术可实现的最远传输距离为300m,已经与Wi-Fi技术相当。传输速度方面,蓝牙技术已可以实现在低功耗状态下2Mbps的传输速率。近年来,伴随蓝牙技术在2.4GHz ISM频段的逐渐使用,蓝牙技术连接已无需申请许可证。

  2016年,全球蓝牙芯片总出货量超过37亿枚;其中由于中国是全球智能手机、笔记本电脑(包括无线鼠标、键盘)、可穿戴设备等的制造中心,中国制造了全球约80%的蓝牙产品。伴随可穿戴设备、蓝牙音频播放器(包括蓝牙耳机和蓝牙音箱)等产品的快速发展,蓝牙芯片出货量将继续扩大,预计2018年全球蓝牙芯片出货量将达50亿枚。

  针对蓝牙芯片市场竞争格局,高通公司通过收购CSR公司,成为全球第一大蓝牙芯片企业,2016年市场占有率高达44%。市场份额排名前五的公司还有Microchip Technology、Dialog Semiconductor、Nordic Semiconductor和博通公司,2016年前五大蓝牙芯片企业占有全球蓝牙芯片市场88%的市场份额。

  目前,中国蓝牙芯片企业市场竞争力正在逐步增强。其中,珠海杰理、泰凌微电子、锐迪科微电子已经在蓝牙芯片研发与应用方面取得一定突破。

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  Wi-Fi芯片

  Wi-Fi(Wireless Fidelity)技术是目前使用比较广泛的一种短距离无线网络传输技术。近几年,伴随着以智能手机、笔记本电脑、平板电脑为代表的移动设备的兴起,带有Wi-Fi功能的终端设备出货量不断增加,Wi-Fi已经成为现阶段主流的物联网连接方式之一。

  Gartner数据显示,2016年全球Wi-Fi芯片市场规模为25.39亿美元,较2015年有10%的下降。Wi-Fi芯片市场规模的萎缩主要由以下原因引起:一是支持最新802.11ad协议的Wi-Fi设备仍然没有被广泛使用,这使得整体Wi-Fi芯片单价走低。二是以Google Wi-Fi、Linksys Velop等为代表的Wi-Fi Mesh网络尚未获得市场广泛认同,使得Wi-Fi芯片需求量并未获得显著增加。

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  2016年,Wi-Fi芯片市场整体格局没有发生根本改变,原有前五大Wi-Fi芯片企业仍占据市场超过90%的市场份额。其中,博通公司因为2016年7月出售自身部分蓝牙与Wi-Fi业务给Cypress公司,将Wi-Fi芯片市场第一名的位置让与了高通公司。Marvell公司在Wi-Fi芯片上的业绩出现了大幅下降,这主要是由于Marvell公司已决定剥离公司移动芯片部门,导致公司整体移动芯片业务均出现大幅下降。

  现今,Wi-Fi芯片已经经历数代的发展。以博通为例,早期支持802.11a/b/g协议的BCM4312芯片支持2.4/5GHz双频段,最高速率达到54Mbps。之后,支持802.11n协议的BCM4319芯片因为增加了MIMO技术,使得最高速率达到了600Mbps。而现在主流的802.11ac协议使得其BCM43455可以容纳更多的MIMO空间流和更宽的带宽,将速率提升至1000Mbps以上。2017年8月,博通发布了使用第六代Wi-Fi技术的BCM43684芯片,芯片通过搭配最多4条数据链和每条数据链支持最高1.8Gbps传输速率,使得其峰值传输速率达到4.8Gbps。

  尽管Wi-Fi技术已经发展多年,但仍有一些技术上的缺陷难以解决:一是安全性和稳定性较低,尤其是在公共Wi-Fi场合,存在个人信息被窃取的风险。二是组网能力较低,现阶段的Wi-Fi网络规模仅仅能达到十几个设备,这大大限制了Wi-Fi技术的拓展空间。三是功耗高,较高的功耗影响了Wi-Fi技术在诸如智能门锁、各类传感器等产品中的应用。因此,千龙国际,新型的Wi-Fi芯片开始向低功耗、低成本、高集成度的方向发展。

  中国厂商在Wi-Fi芯片研发过程中,虽然相比于国际大厂起步时间较晚,整体市场竞争力较弱,但是中国厂商已经在低功耗Wi-Fi芯片上占据一席之地。针对于物联网市场,海思、新岸线、乐鑫信息、联盛德、瑞芯微电子等中国厂商已经研发出低功耗Wi-Fi芯片产品。其中瑞芯微推出的RKi 6000型号Wi-Fi芯片工作功耗仅为20mA,相较Wi-Fi芯片平均功耗降低85%,工作功耗已经同蓝牙4.0芯片功耗相当。未来,低功耗Wi-Fi芯片将在智能门锁、智能音箱等对功耗有较高要求的智能硬件设备中获得广泛应用。

  NB-IoT芯片

  广域低速蜂窝物联网技术是未来主要的蜂窝物联网连接技术,预计2020年将有60%的蜂窝物联网设备采用广域低速连接技术。目前,GSM和NB-IoT连接技术共同在广域低速蜂窝物联网设备中使用。未来,在“4G/5G全IP网络”中,NB-IoT网络将在低速物联网应用上全面取代GSM网络,成为广域低速蜂窝物联网中重要的连接方式。

  目前,中国厂商在NB-IoT芯片研发过程中,因为研发过程的先发优势,已经在研发与生产过程中取得业界领先地位。华为公司曾经主导NB-IoT技术标准制定过程,在NB-IoT标准化工作中,通过的447项提案中有184项提案由华为提出,占通过总提案数的41%。2017年2月,华为海思半导体量产全球第一款支持NB-IoT网络的芯片—Boudica 120。2017年6月底,华为宣布Boudica 120芯片出货量达到100万片/月,成为全球第一款实现大规模出货的NB-IoT单模芯片。

  作为未来运营商在物联网领域的重要增值服务之一,NB-IoT网络建设工作获得了国内三大运营商的重视,目前三大运营商在NB-IoT基站方面的建设进度快于工信部规划,2017年底实际建成基站数量将多于40万个的规划目标。可以预期,在政府、运营商、芯片厂商等多方面促进下,NB-IoT连接技术将被广泛使用在公共服务(智能抄表、智能停车、环境监测等)、个人生活(智慧家居、可穿戴设备、健康监测、资产追踪等)、工业制造(智能制造、物流运输、智慧农业等)等细分领域中,也必将为NB-IoT芯片带来每年数亿级的需求量。

  NFC芯片

  近场通信技术(NFC)是射频识别技术(RFID)的演进技术。其通信距离在20厘米之内,通信方式可主动或被动,具有连接时间短(<0.1秒)、带宽高、能耗低、安全性好等优点。目前NFC设备主要由NFC芯片和NFC天线构成。其中NFC芯片中包含通信和计算功能模块、加密逻辑电路、加密/解密模块等,NFC天线由耦合线圈搭配磁性薄膜构成。

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  支持NFC的设备通常拥有主动或被动两种传输数据模式。主动模式下,NFC设备发出信号,对其他NFC设备中信息进行读取或写入。被动模式下,NFC设备退化成一张信息卡,被其它NFC设备读取并写入。根据上述NFC芯片工作模式,其数据操作方式可被分为模拟卡(标签)、读卡器、点对点三种。NFC设备作为模拟卡时,通常与SE安全模块绑定,形成了加密通信,千龙国际,可以用于支付,一卡通,门禁,身份证明等。NFC设备作为读卡器时,可用于标签防伪,信息写入等。NFC设备作为点对点应用时,可用于电器控制,可穿戴设备互联,替代U盘实现信息转移等。

  根据调研公司ABI Research的数据,目前,NFC芯片被广泛使用在手机、计算机、除手机外的其他移动设备、网络、电子标签、医疗健康、工业等领域。其中,手机一直是NFC芯片的最大用户,2017年手机应用占比为73.2%。2017年,全球含NFC芯片的智能手机出货量为13.63亿、占智能手机总出货量的65%。但是伴随智能手机出货量增速的下降、NFC其他应用设备的兴起,手机应用占NFC总体应用的比例逐年下降。在其他NFC应用设备中,NFC功能近年来在计算机中的普及率不断加大,这促使计算机已经稳居NFC第二大应用种类。因为可穿戴设备开始支持移动支付、身份识别等功能,所以可穿戴设备对NFC芯片的大量需求成为除手机外的其他移动设备对NFC需求的重要组成部分。

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  NFC技术最先由飞利浦、诺基亚和索尼公司共同主推。2003年,三家公司共同建立了NFC技术的NFCIP-1技术协议,协议对NFC设备使用、数据传输等进行了详细规定。此后,为使得NFC设备可以兼容非接触式智能卡,2004年的NFC论坛对拥有的NFC协议进行补充,推出了NFCIP-2技术协议。

  目前,全球NFC芯片市场被NXP、三星电子和博通三家公司垄断。Gartner数据显示,2015年、2016年三家公司完全占据全球NFC芯片市场。其中2016年NXP公司占有86%的市场份额,是包括Apple在内的主流智能手机厂商NFC芯片的主要供应商;另外,NXP公司的NFC芯片产品还被大量使用在可穿戴设备、智能汽车和智能家庭等市场。2016年,三星电子在自家手机中实现自产NFC芯片替代,这直接导致了2016年三星电子NFC芯片产品营业收入大幅增加。

  目前,中国企业在近场通信芯片领域通过另辟蹊径、自主研发RCC通信技术,相关芯片产品已被大量使用在IC卡、智能手机中。

  我国发展物联网连接芯片的机遇与挑战

  我国物联网芯片厂商已在部分领域实现技术突破。目前,我国部分物联网芯片厂商经过在物联网连接芯片领域多年的耕耘,已经在部分连接芯片市场获得一定市场竞争力。

  在成熟的连接芯片市场,我国厂商同国外主流厂商进行差异化竞争,已经在低功率Wi-Fi芯片市场取得一定成功,推出的低功率Wi-Fi芯片产品已经被批量使用在智慧家庭等应用场景中。在新兴连接芯片市场,我国厂商通过深度参与NB-IoT技术标准制定,实现在该领域的提前布局,并在NB-IoT芯片市场取得市场领先地位。

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  巨大的物联网下游应用市场为我国芯片厂商带来市场机遇。我国拥有巨大且快速发展的物联网应用市场,2016年我国物联网市场规模已经达到9300亿元,市场规模已连续多年实现超过20%的年增长率。这为我国物联网下游应用企业快速发展提供了保障。通过利用本土企业合作优势,我国物联网连接芯片企业可以同物联网下游应用企业进行有效合作,进而更有利地占领我国物联网连接芯片市场。另外,本土企业可以更好地利用本土市场差异化需求,利用产品差异化特点快速占领相关市场。

  物联网连接标准尚未统一,为我国芯片厂商进入物联网市场赢得时间。目前,不同物联网连接方式之间的竞争有愈演愈烈之势。例如,伴随蓝牙和Wi-Fi的发展,两种连接技术在功能方面越来越趋同化,进而加剧了二者之间的竞争。但是现今蓝牙相比Wi-Fi在功耗、成本方面更具优势,而Wi-Fi对比于蓝牙可以实现更快的传输速度和更远的传输距离。这种情况一定程度上反映了现今物联网连接技术并不成熟的特点。

  现今,中国厂商可以利用物联网连接技术仍在不断发展、演进而带来的时间机遇,通过积极参与物联网连接标准的制定、申请更多相关专利、结成技术联盟等方式努力布局物联网连接芯片市场,在未来实现技术与市场的双突破。

  发展物联网连接芯片产业将为我国集成电路制造厂商提供代工机会。目前,低成本、低功耗是物联网连接芯片的主要设计需求。这导致物联网连接芯片的制造工艺集中在55~40nm工艺制程。现今,我国集成电路制造厂商已在相应制造工艺上具备成熟的芯片制造能力。伴随物联网市场规模的爆发,大量新增物联网连接设备将对物联网连接芯片有海量的需求。由此,发展物联网连接芯片代工将为我国芯片制造厂商带来业务拓展机遇。

  我国设计厂商芯片开发经验有待积累。为开发出能够被市场广泛认可的物联网连接芯片,芯片设计厂商需要具有足够的芯片设计经验和市场分析经验。例如,在芯片设计经验方面,信号隔离是开发多模芯片时的重点及难点。富有芯片开发经验的工程师可以帮助解决好信号隔离问题,通过更少的流片次数缩短多模芯片的开发周期、减少芯片研发支出。在芯片市场分析经验方面,芯片厂商对于芯片不同的市场定位和使用场景定位将为芯片的开发带来不同的技术需求,进而引导芯片开发的方向;由此正确的芯片市场分析可在很大程度上促使芯片的成功。现今,聚集经验丰富的芯片设计工程师和芯片市场研究员等人才,将助力中国物联网连接芯片厂商实现加速发展。

  国外厂商的专利垄断增大了我国芯片厂商技术应用成本。目前,由于国外半导体大厂在物联网连接技术方面的长期持续投入,以建立专利池的方式形成对竞争对手的专利壁垒。另外,标准组主导着各连接技术的制定与演进方向。由于标准组成员通常由具有行业主导能力的厂商组成,所以标准组内的厂商会出于自身利益考虑,在下一代连接技术标准制定前,提前申请涉及下一代连接技术的专利;然后通过自身标准组成员的身份,影响下一代连接技术同自家专利技术重合,进而不断强化自身的专利壁垒。由于物联网连接芯片具有低价格特点,所以对于行业内中小厂家,专利使用费在芯片成本里占有较高比重。由此,专利垄断将成为影响行业后来者发展的重要阻碍。