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新基建,半导体行业的超级机会

时间:2021-01-26 作者:刘于苇 阅读:
2020年,在疫情、贸易战等因素影响下,半导体产业整体形势不容乐观;2021年,新基建能否带来转机?本期《电子工程专辑》杂志采访了半导体行业内的多位专家,他们针对新基建各大领域对半导体和相关技术的需求发表了自己的看法,也让我们对2021年的半导体刚需市场有了一个展望。
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新基建全称“新型基础设施建设”,2020年4月,在央视报道国家发改委首次明确了新基建的范围后,这一概念受到了广泛关注。

新基建主要包括信息基础建设、融合基础建设、创新基础建设三方面内容,除了此前央视报道中覆盖的7大领域:5G基建、特高压、城际高铁和城际轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网,还将卫星互联网加入。

如果深入这些行业的核心,会发现集成电路产业虽然不是新基建领域之一,但却是新基建基础性和先导性的产业支撑。没有集成电路,就没有现代信息技术,也就无法实现两者融合,新基建背景下蕴含着“芯基建”的无限机遇。

2020年,在疫情、贸易战等因素影响下,半导体产业整体形势不容乐观;2021年,新基建能否带来转机?本期《电子工程专辑》杂志采访了半导体行业内的多位专家,他们针对新基建各大领域对半导体和相关技术的需求发表了自己的看法,也让我们对2021年的半导体刚需市场有了一个展望。

5G基建

自 2019 年工信部 5G 商用启动以来,三大运营商在全国的基站建设脚步不断加快,预计到2024年将建设554万座。此外,终端市场进一步打开后,5G基带芯片和射频芯片等关键元器件的需求将大幅上升。

但是5G技术同样为行业带来了复杂性——频谱扩展、高速度、高频率、宽带宽、低时延和高通道数,还要求降低尺寸、重量、功耗(SWaP)和成本并支持所有当前和新兴的蜂窝标准。举例来说,5G系统的工作频率从低频到100GHz,瞬时带宽从20MHz 到 1GHz,功率放大器的平均输出功率从几瓦到几十瓦。这些改变和要求,让5G关键元件、新的软件模式、网络自优化、故障检测和自我修复等功能、计算与交换功能扩展都成为未来的关注重点。

5G标准影响最大的是射频(RF)领域,需要一系列更高性能的射频器件来支持。Qorvo亚太区市场公关部经理漆惠(Fay Qi)认为,随着5G大规模基础建设的到来,射频前端的各类半导体产品都会出现明显的需求增长,包括功率放大器、滤波器、开关等等。

以RF滤波器这一类器件来举例,作为5G的关键支持组件之一,在需求增长的同时,5G也对RF滤波器也提出了更高的要求。在5G中,它被要求在实现更强整体性能的同时,还要用更少的空间、更高的2级功率(PC2)标准来完成滤波工作。不仅尺寸成为制约因素,5G的高频特性还影响了RFFE设计,需要增加额外频谱。

“这些问题当然是挑战也是机遇,让我们很兴奋。”漆惠说到,具有高Q(品质因数)、低杂散和陡峭带缘等技术特性的体声波(BAW)滤波器产品是5G系统需要的。此外满足5G的2级功率要求还需要优异的热性能,滤波器在宽温范围内工作时不能降低带宽,才能有效利用额外的5G频谱。“Qorvo的BAW具有垂直热通量反射器,可让热量快速有效地从滤波器中消散。”BAW的拓扑结构提供了较低的电阻并防止了谐振器过热,再加上频移很小,这使它更适合因发射功率较高而易于自发热的5G应用。

不仅是滤波器产品,由于能够在5G sub-6GHz的频率实现更高的数据容量、更广的覆盖范围和室内渗透率,5G对于射频前端领域的收发器解决方案、可用于大规模多输入多输出基站的波束成形技术都有更大的需求。

大多数通信设备制造商在压力的驱使下,提高其系统的数据吞吐率和性能,以及添加更多的功能和特性,然而他们也面临着降低系统总功耗和成本的压力。要满足这些需求,就要先了解终端用户设备的功耗,通过恰当设计的数字电源管理系统(DPSM)可以向用户提供功耗数据,帮助做出明智的能源管理决策。

ADI中国区工业市场总监蔡振宇认为,通信设备商需要一个强大的全新解决方案,既能支持新兴宽带应用,又能提供现有应用所需的高性能单一无线电平台。“类似ADI的射频收发器系列,以及一些高集成度的微波上变频器和下变频器。利用好这类新型器件的特性,有助于简化设计并降低成本,加快大规模MIMO的上市时间。”

5G通信中,除了大家关注的基带单元之外,还有被称为“远程无线电头(RHH)”的单元,据罗姆半导体(深圳)有限公司技术中心高级经理苏勇锦介绍,这种单元在每个基带单元上都会附有几个,负责转换RF信号等。由于RRH中配备了大量通信用的阵列天线,因此用来放大功率的传感器放大器,以及用来进行高级控制的电流检测用分流电阻器等通用产品的需求日益增长。

电源技术在5G时代同样面临很大挑战,尤其是新一代基站体积越来越小,带宽越来越宽,功率越来越高,让基带单元对先进功率元器件和模拟元器件的需求与日俱增。尽管各国所使用的频段各不相同,但与4G通信相比,5G通信通常是在高频段进行的,因此业内正在研究能够高效率且高频工作的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带半导体功率器件的应用。

另外在基带单元设计中,通过优化电源设计来节能的做法正在增加。这是因为5G通信需要的基站数量比4G多,尤其需要减少基站外围的功耗,一些好的设计方案也能够改善供电。例如,由于拉线成本很高,以太网供电(Power over Ethernet, PoE)通过传输数据的网线来供电能节省大量成本,“PoE供电方案的功率可以从13W直到150W,普通小基站一根网线就能提供数据和电源传输的功能,同时PoE供电加上模块设计,可以让基站电源的设计更简化。”蔡振宇举例道,另外双通道 50A 或单通道 100A 降压型DC/DC 稳压器,也能满足小尺寸、大功率电源需求。

5G的普及,也将成为先进FPGA器件应用的强大驱动力。由于3GPP标准一直在演进,芯片开发的进度一般会滞后标准2年左右。为了在5G通信争夺中保持领先,前期企业都需要在基站主板和外围用到大量灵活的FPGA,以实现功能抢占上市先机,然后在升级中重复编程,规模化以后再用ASIC芯片替代,降低成本和开发风险。

在过去的15年中,FPGA已经成为移动基站的重要支撑技术,5G基站所需的数据处理能力远远高于之前。Achronix半导体公司亚太区总经理罗炜亮 (Eric Law)表示: “Speedster 7t系列FPGA带有二维片上网络(2D-NoC),就像一条高速公路横跨在可编程逻辑架构和其他电路之上,总带宽超过20Tbps。能帮助基站设计人员拥有更多的资源来处理大量的数据,从而实现5G的高速、低延迟和高可靠性等特点。”

5G基站中FPGA的用量相比4G设备超过1倍以上,但是中国目前在通信领域应用的FPGA芯片基本依赖进口。5G通信由于需要处理大量的计算,千万门级高性能FPGA是一个门槛,目前国内仅紫光同创推出了自主产权2000千万门级高性能FPGA。未来无线基带处理、高速传输和交换、承载网和核心网业务处理等高端通信应用场景,还需要5000万门级、乃至亿门级自主产权超高性能FPGA,国产化替代空间巨大的同时,难度也非常大。

特高压

随着国家电网发布《2020年特高压和跨省500千伏及以上交直流项目前期工作计划》,明确了加速“5交5直”特高压工程相关工作,特高压输变电网络建设正在加速落地。不过在全球范围来看,特高压都是新产品,它不仅仅是一条输送线路,还需要很多变电站(针对交流输电)及换流站(针对直流输电)来保证电压等级的变换电力输送的安全可靠,同时对不同类型的终端客户做到按需分配电力及交直流的切换。作为技术上游,如何帮助没有成熟运营经验的中国电力运营商实现特高压商业化,成为了半导体厂商们最关注的课题。

首先,各种设备和控制系统不能少,包括一次设备(直接连接高电压大电流,如变压器、开关和换流器等)和二次设备(用来监测和控制一次设备的智能控制设备)。一次设备更多的是金属和绝缘材料,二次设备则提供了更多的智能选项。

在电力二次设备中,主要由智能感知技术来感知电压电流及外部环境的变化,根据需求和具体的变化,再由控制技术完成对故障的切除及保护、电力运行的测量控制及保护、日常的维护及保养等工作。能够精确地检测到电压电流的变化是整个控制及保护的关键,而对感知数据能及时做出判断、并能快速发出控制指令的智能器件不可或缺。要把各类传感信号和不同设备及电站的信号统一协调起来,对网络及通信的要求也会越来越多,半导体技术在这里扮演了重要角色。

集成电路可以把模拟的电压电流信号转换成数字信号并进行调理,由微控制器(MCU)来完成逻辑判断并发出控制命令,并能将各类收集整理好的信号输送到其它设备中,由多种芯片组成的信号链可以满足智能设备所有的功能要求。

相对于高电压大电流的一次设备来讲,二次智能设备会有更多的变化及快速的技术演进。例如对于电力设备的电压电流检测,传感器通常采用电压和电流互感器(PT/CT),信号调理从早期的运放加12位ADC,到信号调理集成加多通道同步采样16位ADC,只用了几年的时间,而且还一直在不停的演进中。

“目前ADI有多款ADC用在电力二次智能设备中,具备的多通道同步采样、高输入阻抗及内嵌信号调理、满足单电源供电双极性输入、高转换精度及更高的输入电压容忍度等特性,都是特高压应用最需要的。”蔡振宇说到。

未来随着集成电路精度、集成度、可靠性及兼容性变高,系统设计简化,将促进特高压技术的不断完善,在安全可靠的同时也能更好地满足未来的需求。

其实当前新基建中的新能源汽车充电桩、储能、数据中心、高铁和城市轨道交通等,都需要能源及电力系统强有力的支持,特高压输送的电力将会直接应用在这些领域。而这些领域对于半导体的需求同样强烈,技术演进及安全可靠的要求同样迫切。

在电能的输送过程中,包括特高压和未来的超高压电缆都要翻山越岭,经过许多移动通信网络盲区,因此一些补齐“最后一公里”的广域网技术得到了广泛应用。比如“基于LoRa的故障指示器已经为全球许多地方的电网保驾护航。” Semtech中国区销售副总裁黄旭东说到,“在电能的配送和消费使用中,LoRa也早已用于自动抄表、变压器和充电桩等设备的监测上,包括各种电力资产追踪管理等应用,中外厂商都开发了许多基于LoRa的传感器和控制器。”

城际高速铁路和城市轨道交通

电力牵引传动系统是高铁列车的动力之源,是动车组的“心脏”,其中的核心器件IGBT和MOSFET对技术、可靠性要求极高,也是构成高铁牵引变流器以及辅助电源系统中恒压恒频逆变器的核心部件。

相比于MOSFET,IGBT 在轨交设备中的应用有着更长的历史。早在上世纪80 年代,IGBT就被用于电动列车牵引变流器,以代替原先采用的晶闸管和一般二级晶体管。经过30 多年的发展,IGBT 工作电压已从最初的1200V 左右扩展到了400-6500V 之间的各个层级,且未来都将固定在这一范围之内。

高铁及轨交牵引变流器使用的主要是工作电压在4500V 以上的高端IGBT,技术在国外已经较为成熟。西门子、三菱、英飞凌、富士电机等国外厂商,以及国内的中车时代电气均有能力制造工作电压为6500V的IGBT;地铁及轻轨主要采用3300V的IGBT,上述国外企业以及中国的中车时代电气、比亚迪、嘉兴斯达和南京银茂等企业均有能力供应。

在特高压、城际高速铁路和城市轨道交通这三种电力设施中,都需要3.5kV~6kV的功率元器件。IGBT短期内仍是主流,但即将逼近硅基材料的性能极限,人们对采用SiC来实现节能和小型化寄以厚望。苏勇锦表示:“ROHM目前重点发展的SiC产品适用于1000V级车载和工业设备应用。作为长期生产模拟IC产品的制造商,不仅提供SiC单品,还可以配套提供电源和模拟相结合的解决方案。” 虽然不是主电源,但在上述领域的辅助电源应用中已经开始采用SiC。

关于另一种迅速崛起的宽禁带半导体GaN,ROHM认为在耐压100V~600V左右的范围有望普及。其应用包括耐压600V的车载充电器,耐压100V的48V服务器以及车载电源领域。“ROHM目前正在面向这些领域开发GaN产品。” 苏勇锦说到,GaN的某些性质只有在高频下才会发挥出其优点,因此GaN器件的驱动变得非常重要,“我们在开发用于驱动GaN的驱动器,并且通过将LSI驱动器和GaN配套发布,与仅开发GaN器件的同行业公司相比实现差别化。”

新能源汽车充电桩

随着中国新能源汽车的销量迅速增长,为下游市场带来了大量需求,其中最大需求就是充电桩。直流充电桩一般由通信模块、开关电源模块及控制模块等构成,开关电源模块占充电桩建造成本的50%左右,其中硅基MOSFET和IGBT 是核心器件。近年来随着SiC、GaN等宽禁带半导体功率器件技术成熟、成本降低,下游整车厂商开始大量采用,相信不久也会全面渗透到充电桩市场,在提升输出功率的同时缩小设施体积。

充电桩的主要发展趋势包括大功率和双向充电。

得益于半导体技术的进步,让功率器件开关频率得到提升,从而让充电桩能够以更大功率充电。举例来说,“IGBT从过去的20kHz左右提升到现在40-50kkHz,而GaN和SiC MOSFET器件可以达到更高的开关频率。” 蔡振宇说到。

驱动方式是这些开关器件达到所需频率的关键,而开关频率决定着系统设计成本、尺寸与效率之间的最佳平衡。更高开关频率对栅极驱动器的要求越来越高,传输延迟、死区时间、共模瞬变抗扰度(CMTI)等指标对提升充电桩功率和效率有着关键的影响。

直流充电桩往往需要能够在30分钟内充电至80%的高功率转换器,而且为了操作MOSFET/IGBT,通常须将一个电压施加于栅极,使用专门驱动器向功率器件的栅极施加电压并提供驱动电流。蔡振宇认为,隔离式栅极驱动器的隔离性能、共模瞬变抗扰度、总传播传输延迟等指标将决定直流模块的整体功率、效率和系统尺寸。

另外在大功率趋势方面,通过将充电桩的功率从以往的120kW提高到300kW,可以大大缩短充电时间。但相应地,控制用的功率元器件也需要具有更高的耐压能力,比如从以往的400V提到1000V。目前主流的充电桩模块,依然是以硅基MOSFET和IGBT为主,但为了提高功率元器件的耐压,更多新充电桩方案已经开始使用SiC或Si超级结MOSFET进行替代。

SiC成本虽高,但考虑到充电桩应用最广的城市场景中,选址一般在地价或租金昂贵的繁华地段,对设备体积有很高要求,SiC的优势便能抵消成本上的劣势。苏勇锦提到了ROHM正在开发中的第四代SiC MOSFET,耐压能力在1000V以上,特性变化受温度影响较小,并且损耗更低,因此有助于提高充电桩的效率并进一步节能。

在双向充电趋势方面,作为智能电网的一部分,V2H(Vehicle to Home,由车辆向家庭供电)和V2G(Vehicle to Grid,由车辆向电网供电)等双向充电桩开始普及。在双向充电的情况下,要求功率元器件要在比当前主流的单向充电方式更高的频率范围工作。“上述第四代SiC MOSFET能够高速开关,因此不仅可以在高频范围工作,而且还有助于线圈的小型化,是双向充电桩的理想选择。” 苏勇锦说到。

在车辆处于停放或未使用状态时,V2G允许能量从电池流向电网,以保持电网的稳定性。德州仪器(TI)深圳总经理梁建雄表示,这要求两个功率级都可以双向工作,且需要一个高效转换器来提供电源隔离供电。除电源管理外,“多核实时控制MCU,能够提供快速的计算密集型实时处理功能,帮助确保系统在几微秒内做出反应,并防止对充电桩或电动汽车造成任何损害。一些更高级的MCU集成了高性能的模数转换器,这对于有效监控控制环路至关重要。”

梁建雄表示,诸如具有用于SiC或IGBT的12V欠压锁定(UVLO)的隔离式栅极驱动器,以及用于MOSFET的具有8V UVLO的新型电源管理产品,可支持不同的电压等级以及基于SiC或IGBT设计的电源拓扑。也可采用GaN架构,以实现更高的功率密度和系统效率。功率密度的增加,能帮助实现更小的尺寸,降低总体系统成本的同时减少组件上的热应力。“我们的三电平三相SiC交流/直流转换器参考设计,能创建一个可实现50kHz开关频率的高功率密度系统,从而缩小磁性器件的尺寸。”  

此外,“正确选择充电桩的隔离解决方案非常关键,”蔡振宇解释道,“传统光耦合隔离的方式传输延时时间长(例如150—200纳秒),而iCoupler栅极驱动器传输延时在50—60个纳秒左右,提高开关频率和效率的同时,最新款甚至可实现150 kV/µs的共模瞬变抗扰度,以数百kHz的开关频率驱动SiC MOSFET,加上去饱和保护等快速故障管理功能,设计人员可以正确驱动高达1200V的单个或并联SiC MOSFET。”可以确保充电桩在不牺牲效率的情况下,在功率变换器中实现超高的功率密度。

隔离栅极驱动器的死区时间也是关键特性之一,更低的死区时间将有效降低损耗。对于大规模部署的充电桩来说,即使零点几个百分点效率提升都具有很大经济和社会效益。

最后从功能安全和用户人生和财产安全来说,良好的隔离性能也非常关键。充电桩的充电机功能电路中,隔离式栅极驱动器发挥的隔离功能非常关键,可以实现充电模块中功能电路之间的电气分离,使得它们之间不存在直接导通路径,从而提升安全性能。

大数据中心

大数据、人工智能等新基建核心模块离不开数据中心的支持,其技术进步也在推动电信网特别是核心网云化转型。现在无论互联网公司、电信运营商还是系统设备公司都在部署自己的云及数据中心,将加大对服务器、存储设备、网络设备、安全设备、光模块等产品的需求。

数据中心对带宽的需求一直走在有线、无线接入网的前面,现在200Gbps、400Gbps的光连接已经在国外大批量部署,800Gbps及更高速率的连接也在积极开发或试产之中。据黄旭东介绍,国内数据中心对于带宽速率的需求比国外要晚一两年,但发展很快,“Semtech针对数据中心的光模块电芯片实现了从NRZ到PAM4,从SR、DR、FR、LR到ER,从TIA,LDD到CDR的全覆盖。同时专利Tri-edge技术使模拟CDR代替昂贵、高功耗的DSP成为可能。”

稳定可靠的电源供应能力,也是数据中心建设中的一大痛点。特别是在狭小空间内,实现像ASIC、CPU、FPGA等各类处理器低至0.6-0.8V 的核心电压与50-800A 超高电流高稳定性供电系统设计,极具挑战性,需要高可靠性电源的和高效DC/DC转换解决方案来实现。

如同5G基站为了进行协议处理,会用X86处理器;数据转换的辅助计算,需要用到高端FPGA 一样,MPS北中国区副总经理卢平表示,数据中心里服务器需要同时用到X86处理器和FPGA,外加交换机里的多核处理器、连通交换机之间高速光模块里的DSP等等。各类处理器对电流的需求量远远超过其他芯片,“这是因为高端工艺降低了处理器芯片的供电电压,但供电电流却在不断提高;而且为了实现并行计算采用的多核设计,将电流成倍增加。”

目前最先进的处理器的内核供电峰值电流超过1000A,卢平认为这对电源方案的挑战主要有三个方面:

1.如何在受限的面积提供更大的电流输出?

2.如何解决处理器大动态负载跳变带来的电源轨稳定性问题?

3.能源降功耗的需求。

如何解决?或许需要一种完整的系统级封装(SiP)解决方案,在紧凑的表面贴装型 BGA 或 LGA 封装中内置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器。可最大限度缩短设计时间,并解决常见的电路板空间和安装密度问题。蔡振宇表示,比如ADI的微型模块产品系列将组件选择、优化和布局的设计负担从设计师转移到了器件身上,从而缩短了总体设计时间和系统故障排除过程,并最终加快产品上市速度。

在提升功率密度和缩小产品体积上,TI也在其新一代600V GaN FET上做了努力。与现有解决方案相比,快速切换的2.2MHz集成栅极驱动器可帮助工程师实现功率密度翻倍,“达到99%的效率并将功率磁性器件尺寸缩小59%。”,梁建雄表示,“新器件可在注重低损耗和减小电路板空间的AC/DC供电应用中,实现更高的效率和功率密度,如超大规模的企业计算平台以及5G电信整流器等。”

人工智能

人工智能在应用上和大数据密不可分,需要专用芯片提供大量的算力在云端进行训练,同时需要在边缘端布局更多的推理型AI芯片。如今,AI已经广泛应用到我们生活的方方面面,但CPU、GPU等传统芯片对于AI模型的加速能力非常有限。瑞萨电子认为,兼具传统CPU的通用功能以外,同时能够对AI模型进行加速的这类复合型芯片必将成为未来的一大热门。因为这类芯片无需外挂AI加速器,极大地缩减了BoM成本和硬件复杂度。

满足新基建需求的人工智能专用芯片应该具有芯片集成度高、易于开发、异构计算结构、计算性能强等特点。华夏芯(北京)通用处理器技术有限公司董事长李科奕认为,应该同时包括CPU和GPU这些通用计算处理器,以及FPGA和深度学习(神经网络)计算单元,假如是面对嵌入式AI或者通信市场,还需要加上DSP的异构融合芯片,才能发挥最重要的作用。

根据中金公司的调研报告,随着社会经济的发展,人均算力随之水涨船高,算力与各国人均GDP之间具有高度相关性。未来5年,计算芯片的国产化空间超过500亿美金;异构计算快速发展,计算芯片进口替代空间进一步打开。先进计算领域的一个热点就是以深度学习(神经网络)为代表的AI计算,那么这类专用(计算)芯片会不会替代CPU或GPU这些通用(计算)芯片呢?李科奕表示:“深度学习只是AI众多应用中的一个功能,它的优势在于细分市场的某些应用场景,和已经实现相同功能的通用芯片厂商在主流市场上进行芯片集成度、异构计算性能的比拼,就不是专用(计算)芯片厂商所擅长的了。”

2020年,英伟达的市值一度超过英特尔,高居全球芯片行业市值第一。“这反映了一个不争的事实,在人工智能等先进计算的应用场景,GPU将比CPU承担更多的计算任务。”李科奕指出,但对于任何计算芯片,CPU仍然是必要条件,因为只有CPU才能实现强大的控制功能,运行操作系统。“这一点从英伟达收购Arm便可看出,CPU与GPU的异构融合发源自AMD的Fusion Core,英伟达与Arm的结合可能将构建一个全新的异构生态。”

此前,英特尔和AMD都有自己的GPU,Arm和之前的Imagination也尝试在嵌入式领域提供CPU+GPU的平台。今天全球几乎所有的CPU公司,都在设计自己的GPU,包括苹果、高通,以及中国的龙芯和华夏芯。“未来只有CPU或GPU单一产品的公司,都很难打入主流市场。”李科奕说到。

其实AI和数据中心这两大新基建领域,对数据加速的性能要求是相似的。多年来,FPGA技术在这些应用中已被越来越多地用于硬件加速。罗炜亮表示,带有2D-NoC的FPGA和具有革命性的机器学习处理器(MLP)在这些应用中提供了最佳的加速性能。与5G领域不同的是,大型云服务、数据中心和人工智能领域的运营商拥有更多选择,诸如加速卡和集成eFPGA IP的定制SoC。因此,Achronix预测到2021年,新基建中的这些领域将使FPGA架构的应用更加多样化。

除了云端需求,边缘设备对AI性能的需求也与日俱增。瑞萨电子认为,其内嵌DRP-AI加速单元的RZ/V2M处理器,可对目前主流的Tensorflow、caffe等多种AI框架进行加速,模块运行过程无需CPU参与,“如何帮助边缘端的用户降低使用难度?是芯片厂商未来努力的方向。”

工业互联网

工业互联网也可称之为工业物联网或工业4.0,是物联网在工业领域的垂直应用。当中的工业数据采集、传输、本地及云分析和处理,分别对应于智能化终端、专网通信、云计算和大数据。基于数据价值挖掘的服务与商业模式创新,成为国内外共同追逐热点,如数据增值服务、平台经济等商业模式探索不断涌现。瑞萨电子认为,现阶段中国企业既关注生产数字化能力普及,如MES的低成本快速部署,同时也基于制造资源大范围连接探索优化配置模式,开展分布式制造、大规模定制等应用。

瑞萨电子表示,新技术应用价值不断涌现,AI、大数据应用在工业互联网中的渗透率已接近20%,成为资产设备管理与生产深度优化的主要驱动;同时数字孪生、边缘计算应用初具规模,渗透率接近6%,推动数字化设计等能力提升。整体来看,工业互联网应用进一步释放赋能潜力,应用聚焦基于设备物联的数据价值挖掘和特定场景深度优化,这为传统工业基础架构带来众多创新的同时,也带来了更多设计挑战。

工业互联网产业链较长,包括网络通信、传感器、控制器和AI芯片等。其一大优势,就是能够充分利用传感器采集不断增加的数据,做出更好的决策,而在整个工业自动化系统中,能否及时获取和传输数据取决于网络连接。工业以太网在这里发挥着越来越重要的作用,另外芯片供应商还需要帮助工程师在控制器、通信地面感应等应用领域开发智能系统。

首先是网络/通信方面,许多现代系统目前都具有通信接口,以增强设计的整体连通性,但几十年的发展历程导致工业以太网协议和拓扑形式众多,越来越多的工业自动化技术供应商和制造商都希望能获得独立的开放式通信平台,给设计工程师带来新挑战。因此,“未来的工业物联网应用必须支持各种常见的网络拓扑,如PROFINET、EtherNet/IP®、EtherCAT®、POWERLINK®等常用工业以太网协议,以及线状和环状拓扑和星形拓扑。” 蔡振宇说到。

哪类芯片产品可以胜任?可以是具有两个以太网端口的实时以太网、多协议(REM)交换芯片,是可编程的 IEEE 802.3 10/100 Mbps 以太网互联网协议版本6 (IPv6) 和互联网协议版本4(IPv4) 交换机,可虚拟支持任意 2 层或 3 层协议。蔡振宇表示:“此外,可以连接任何主机处理器,让开发人员可以使用自己的处理器和他们首选的开发环境很重要,并且还要支持时间敏感型网络(TSN)。”

支持从串行接口(IO-Link、CAN、RS-485)到工业以太网,以及诸如TSN和单对以太网(SPE)等新且广泛的工业通信标准,也是工业物联网应用中的刚需,这种支持满足了工程师对更高连通性和可扩展性的需求。梁建雄表示,要帮助简化向智能生产系统的过渡,需要能用于PROFIBUS、多协议工业以太网、IO-Link主站和未来千兆位TSN的产品,而“Sitara处理器系列直接将这些协议集成,可简化设计过程。”

快速的节点互连和信息交换可实现具有快速、精确的执行单元或驱动程序的分散系统。从低速现场总线到PROFINET、EtherCAT、IO-Link等10/100 Mbps工业以太网的发展都展现了这一趋势。它们逐渐成为每个执行节点上的标准,“处理器提供了适用于主要工业以太网协议的单个硬件平台系统,具有内置EtherCAT堆栈的实时控制MCU则有助于实现分散式多轴驱动系统。 ” 梁建雄说到。

控制器方面,用于工业设备中数据处理和设备控制的MCU,以及用于数据安全存储和加密传输的安全芯片,是工业互联网应用中必不可少的器件。不同于消费电子,工业领域对国产芯片的应用需求提出了更高的要求和挑战。国民技术市场部技术专家表示,目前正在工业领域通过低功耗金融级安全芯片与国民安全云平台相结合,构建工业互联网安全整体解决方案。

国民技术认为,一款安全的工业互联型MCU除了在性能上要过硬,还需要内置多种密码算法硬件加速引擎,支持内置Flash存储加密、Flash分区保护,以及支持安全启动等多种安全特性。这样才能防止应用程序系统在未经授权的情况下被复制及篡改,并支持对真实设备的身份验证,“例如我们推出的工业互联领域首颗集成国际及中国商用密码双算法的通用MCU,可广泛应用于工业小型网关、DTU、小型PLC、工业风机等工业互联应用领域。”

另外工业应用场景相比消费应用场景,对MCU材料和工艺有着更加严苛的要求,首先必须满足工业级温度范围;其次对算力和稳定性也有更高的标准,雅特力科技(重庆)有限公司产品市场经理林金海表示:“将针对工业互联网推出基于Arm Cortex-M4最高主频288MHz的MCU,集成兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太网口控制器,能够助推工业互联网智能硬件端的发展。”

边缘计算是工业互联网的核心目标,也是云计算的重要补充,它的一个显著特点是大大提高了处理近端数据的时效性,可实时分析和处理物联网节点收集的大量数据,减少云计算的时延和流量,对MCU的数据处理能力和网络连接能力有更高的要求。

最后在感应方面,智能工厂自动化和无人化管理需要精确、强大的感应技术,来感知和采集产品、设备和工业环境的各种状态信息。传感器将向智能化、微型化、多功能、低功耗、高精度等方向发展,提高工业互联网底层神经末梢的感知灵敏度。“基于在汽车雷达系统方面的经验,TI基于CMOS的SoC解决方案可以轻松开发雷达技术。” 梁建雄说到,最新的雷达感应技术可帮助智能工厂设计人员部署智能机器人手臂、协作式的机器人系统和无人化工厂管理。

新基建下工业互联网最大的价值便是工业应用的落地,其中包括激增的高质量传感器、可靠连接和数据分析,不断提高的智能节点自动化程度对传感器进行精密数据捕捉与位置跟踪要求也与日俱增。蔡振宇表示,近些年越来越多被提及的设备状态监测CBM则引入了以振动监测为核心的技术,把旋转设备的振动状态采集分析以进行产品性能、生产效率与附加值的进一步提升,这是最具现实经济意义也最容易落地的应用。

卫星互联网

卫星在导航定位、数据图像传输以及物联网方面有非常好的应用或者前途。当前随着技术进步,卫星发射的投入成本明显下降,各国纷纷将卫星互联网建设上升为国家的战略之一,卫星通信发展迎来新风口。

当前国外有不少卫星行业用户将网关放在低空卫星上,使用低功耗广域网进行物联网覆盖。黄旭东表示:“LoRa具有高灵敏度、传输距离长的特点,可以从卫星上通过LoRa技术接受地面网关的无线信号进行广域覆盖。”在森林、草原防火、地质灾害防护等方面,卫星加LoRa技术有其天然的组合优势,因为在那些地方往往没有电信网络。

卫星的制造、发射、通信、导航,都需要关键的芯片技术参与。与传统卫星不同,商用卫星更强调商用性,追求更低廉的发射成本、更小的尺寸以及更容易制造,这些特性有助于提高潜在运行的经济性。所以商用卫星在选择芯片时,更希望是体积更小、质量更好、成本又较优的芯片。

“高性能信号链产品广泛用于全球航空航天市场,对于商用卫星也发挥着至关重要的作用。” 蔡振宇表示,此外高频收发器平台技术在卫星通信频段中可以实现更高的选择率,利用其小尺寸和低功耗的特性,可将收发器的整体尺寸收小到一个数量级,为解决下一代卫星通信的难题提供解决方案和实例。

行业内能够提供符合航空航天标准产品和技术解决方案的公司不多,“ADI有40多年的经验,帮助一些创新商业卫星公司快速进入低地球轨道(LEO)和地球静止轨道(GEO)。”比如商用现货(COTS)塑料组件,可以帮助卫星系统方案厂商更快地进行原型制作,并保持相同的飞行板设计,耐辐射的同时节省板空间和重量,降低发射成本。蔡振宇表示,芯片厂商要做到这些,传统航空航天产品方面的经验以及端到端信号链设计能力缺一不可,拥有经QML-V认证的设施则是一个加分项,这是对宇航电子元器件的最高等级认证。

以新基建为契机,展望2021

半导体构筑了新基建的基石,新基建则给半导体行业带来了另一个超级机会。

二十年前,国家谈基建,谈的是铁路、公路、桥梁;而今天新基建的七个主要方向中有四个与信息直接相关:工业互联网、5G、数据中心和人工智能。5G和工业互联网解决的是信息渠道的问题,数据中心则是存储数据,人工智能则是怎么利用海量的数据。

随着信息容量的不断增大,数据不论是在传输,转换,存储和计算都需要用到越来越复杂的芯片,高速处理器用越来越多的场合。卢平认为:“大家往往只关注到这些处理器需要用最先进的工艺支撑,在单位面积内集成了更多的晶体管,也降低了处理器的功耗。其实还有一个很重要的需求,在于电源芯片的支持。数字电源、非线性控制、新的功率器件、新封装技术是解决未来处理器供电的创新点。”

梁建雄认为,纵观新基建所覆盖的多个领域中,半导体是新基建基础性和先导性的产业支撑。作为新基建的关键核心技术支撑,半导体行业将会继续主导新基建技术发展方向并加速项目的落地速度。同时为半导体行业的复苏带来转机,为半导体行业注入更多发展动力,给国内外的半导体企业带来新的增长机遇。

展望2021年,新基建建设的逐步展开将为半导体行业带来更多发展新机遇,“我们相信市场将逐步回暖,也会给半导体行业带来更多的增长空间。” 梁建雄说到,世界在变,TI的初心不变,“从1986年建立第一间办公室,我们在中国市场耕耘了近35年,TI也将持续投资中国市场,继续贴近中国客户的需求。”据悉,TI在2013年公布了成都制造基地的长期战略,未来15年内在成都投资100亿人民币,目前已经建成晶圆厂、封装测试厂、凸点加工厂和晶圆测试厂,形成了TI全球唯一一个一站式的制造中心。

林金海表示,5G和人工智能将迎来一个快速增长时期,新基建将带动国产芯片技术和生态链全面升级。应用终端产品的升级和迭代将对芯片算力、可靠性、安全性、传输带宽、存储能力等提出更高要求,促使国产芯片迎合新基建需求进行升级换代,并有望在众多领域中实现更高比例的国产化。

当前由先进计算推动的“第四次工业革命”,将再一次改变世界历史的发展轨迹——算力、算法、大数据成为新的生产力,人工智能成为先进计算的落地场景。从先知先觉的资本市场可以发现,全球市值排名前10名的公司,有7家是从事计算科技的公司。李科奕认为,2021年新基建中,半导体行业将围绕高性能的先进计算进行更加激烈的竞争,在云计算、边缘计算领域,CPU、GPU这些通用计算处理器开始和FPGA以及深度学习(神经网络)计算单元,或其他通讯领域的专用加速器异构融合。这种通用和专用计算单元之间的高效协同计算,就称之为异构计算,“可以肯定地说,异构计算已经成为先进计算中的主流架构”,CPU和GPU大厂在异构计算领域将通过收购或战略合作,补齐短板,构筑异构融合芯片的新赛道、创造新物种、搭建新生态。

责编:Amy Guan

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