物聯網連接晶片發展研究

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，在萬物互聯的大趨勢下，物聯網產業在全球各主要經濟體均呈現高速增長態勢。

信息交換是實現萬物互聯的基礎，近年來，物聯網連接晶片產品的快速發展拓寬了物聯網下游應用產品的適用範圍，提升了下游應用產品的產品豐富度。

現今，物聯網連接晶片產品使用的連接技術有藍牙、Wi-Fi、NB-IoT、LoRa、ZigBee、NFC/RCC、PLC、GNSS、SigFox等十餘種。

伴隨連接技術、晶片設計、製造技術的疊代發展，物聯網連接晶片產品已經可以支持物聯網下游應用產品的多樣化和大規模應用需求。

物聯網連接晶片的定義與分類

物聯網是指通過二維碼識別設備、射頻識別(RFID) 裝置、紅外感應器、全球定位系統和雷射掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與網際網路相連接，進行信息交換和通信，以實現識別、定位、跟蹤、監控和管理智能化的一種網絡。

隨著物聯網產業的快速發展，新型的物聯網SoC連接晶片，逐步淘汰了傳統連接方案，即分立無線通信晶片外掛MCU。

其定義是具備MCU、無線連接和μA/MHz等級的低功耗電源管理技術，融合MCU、RF、電源等數模混合電路，通過採用Wi-Fi、藍牙、NB-IoT、NFC、LoRa等連接方式的SoC晶片。

物聯網無線連接晶片根據技術類別可分為Wi-Fi、藍牙、NFC/RCC、PLC、多模晶片、衛星網絡通信、Zigbee、LoRa、NB-IoT等。

不同的應用場景對連接方式、傳輸速率、傳輸距離、成本要求不同，採用的連接技術也不同。

考慮到藍牙、Wi-Fi是目前物聯網領域使用最為廣泛的兩種連接技術，NB-IoT是廣域低速蜂窩物聯網的代表性連接技術，且中國公司已經在其晶片的研發上取得先導優勢，在NFC/RCC連接技術中，中國的國民技術公司自主開發的適用於近場通信的RCC技術標準已經正式成為國家標準。

所以本文將在「物聯網連接晶片典型產品發展情況分析」章節中從技術、市場等方面著重介紹藍牙、Wi-Fi、NB-IoT、NFC/RCC晶片。

物聯網連接晶片應用市場分析

近年來，全球及中國物聯網市場均保持高速增長態勢。

調研公司Gartner的數據預測顯示，未來，在新一輪技術革命和產業變革的帶動下，預計物聯網產業的發展將保持20%左右的增長速度。

到2020年，全球物聯網產業市場規模將達到2.93萬億美元，市場規模年複合增長率將達到20.3%。

近年來，在建設製造強國戰略等指導下，中國物聯網產業取得迅猛發展。

未來，隨著物聯網技術逐步向智能工業、智能生活、智能城市、智能金融等多應用場景中滲透，中國物聯網產業將保持快速增長勢頭;預計2020年中國物聯網產業規模將達到5539億美元，年複合增長率為25.2%，明顯高於全球總體水平。

物聯網連接晶片市場特點

物聯網市場呈井噴式發展，推動物聯網連接晶片市場高速發展。

在物聯網市場高速發展的背景下，越來越多的設備連接入網。

Gartner的數據顯示，截至2020年，全球範圍內物聯網終端安裝數量預計將達到197.8億個，較2015年的45.8億個增長332%。

由於物聯網終端安裝數量的快速增長，物聯網終端設備所需物聯網連接晶片數量也將按比例快速增長。

未來，即使在物聯網連接晶片單價不斷降低的背景下，高速增長的物聯網連接晶片需求也將推動物聯網連接晶片市場規模實現較大幅度增長。

物聯網連接晶片技術需求差異化顯著，多種物聯網連接技術共存。

在不同物聯網應用場景中，物聯網設備對連接技術需求存在巨大差異。

例如，在數據傳輸速率上，身份識別設備僅有每秒數Kbps的數據使用需求，而視頻監控設備對數據的需求量卻達到每秒Mbps級別，兩者存在數百倍的數據傳輸速率差距。

在信號傳輸距離方面，銀行卡交易使用的近場無線通信技術只能在10厘米內進行無線信號傳輸，而遠程抄表卻需要無線通信信號傳輸距離達到千米級別，兩者的技術需求差距更是相去甚遠。

不同應用場景的技術需求，使得多種物聯網連接技術在物聯網市場共同存在，且各自擁有合適的市場支持相關連接技術的發展。

物聯網典型應用場景分析

遠程抄表

現今，由於人工抄表具有高成本、低準確性等明顯劣勢，人工抄表正在快速被遠程抄表所替代。

圖5所示的是遠程抄表典型應用場景。

現在使用的典型遠程抄表技術具有組網方式複雜、ISM頻段干擾大、中繼設備多且需要供電、網絡需要定期維護、有線表需要布線且施工困難等劣勢。

伴隨物聯網的發展，物聯網技術及理念在遠程抄表場景上的應用使遠程抄表融入了大數據、雲計算等功能。

尤其在NB-IoT、LoRa等新興物聯網連接技術的帶動下，儀表終端實現了大規模同步組網，這不但避免了傳輸網絡需要中繼設備、數據無法集中傳輸等不足，還可以為水、電、燃氣等資源供應公司提供高精度、大規模的動態客戶使用數據，方便資源供應公司更加精準高效地實現資源管理與調度，進而提高資源利用率。

目前，智能抄表市場發展迅速。

Gartner預計，全球範圍內包括智能電錶、智能燃氣表、智能水錶在內的智能儀表出貨量將從2015年的9182萬套增長至2020年的1.8584億套，年複合增長率為15.1%。

其中，由於電力行業相比於水和燃氣屬於壟斷行業，大型電網公司一直推動著智能電錶的更新換代工作，導致目前智能電錶推進工作明顯好於智能水錶和智能燃氣表。

智慧家庭

智慧家庭是利用物聯網技術，將家庭智能控制、信息交流以及消費服務等居家生活有效地結合起來，其使用物聯網的目的是創造高效、舒適、安全、便捷的個性化居家生活。

智慧家庭涵蓋家庭自動化、家庭安全、人身健康、能源管理和家庭娛樂等多個方面。

藉助物聯網技術在家電產品中的應用，用戶可以隨時隨地同家裡的智能設備進行連接和溝通。

為實現「智慧家庭」，各類傳感器、智能設備、手機應用程式和用戶網頁介面等被廣泛使用並組網。

通過綜合運用物聯網、雲計算、移動網際網路和大數據技術，並結合自動控制技術，家庭電子設備可以實現智能控制、家庭環境感知、家人健康感知、家居安全感知以及信息交流等功能。

當前，藍牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、廣域低速網絡(LPWA)等共同承擔起智慧家庭市場的數據傳輸、物聯等功能。

在眾多連接方式中，藍牙與Wi-Fi主導了智慧家庭市場的連接方式。

經過多年的發展，兩種連接技術在使用成本、數據傳輸速率、數據傳輸距離等方面，已經基本滿足關鍵客戶需求。

其中，藍牙在低功耗、低成本方面相比於Wi-Fi更具優勢，Wi-Fi相比於藍牙具有更高的數據傳輸速率和更大的信號覆蓋範圍。

近年來，智慧家庭市場規模和終端連接數量增長迅猛。

Gartner預測，全球智慧家庭市場規模將從2015年的134.27億美元增長至2020年的557.11億美元，年複合增長率(CAGR)為21.86%;全球智慧家庭終端連接數量將從2015年的2.9億個增長至2020年的47.79億個，年複合增長率高達75.16%。

目前，隨著智能電視、智能冰箱等智能家電的普及，作為各種智能設備控制中樞的智能藍牙音箱的加入，以及搭載移動網際網路和傳感器的智慧型手機作為控制補充，使得智慧家庭初具雛形。

物聯網連接晶片典型產品發展情況分析

藍牙晶片

藍牙技術(Bluetooth)是一種低成本、短距離無線傳輸技術。

由於藍牙技術在功耗、傳輸距離、傳輸速率等方面的綜合優勢，藍牙技術已經成為使用量極大的物聯網連接技術之一。

功耗方面，自從藍牙4.1協議開始，伴隨藍牙技術在低功耗方面的進步，藍牙晶片已經實現小於1mA的運行功耗。

傳輸距離方面，新的藍牙5.0技術可實現的最遠傳輸距離為300m，已經與Wi-Fi技術相當。

傳輸速度方面，藍牙技術已可以實現在低功耗狀態下2Mbps的傳輸速率。

近年來，伴隨藍牙技術在2.4GHz ISM頻段的逐漸使用，藍牙技術連接已無需申請許可證。

2016年，全球藍牙晶片總出貨量超過37億枚;其中由於中國是全球智慧型手機、筆記本電腦(包括無線滑鼠、鍵盤)、可穿戴設備等的製造中心，中國製造了全球約80%的藍牙產品。

伴隨可穿戴設備、藍牙音頻播放器(包括藍牙耳機和藍牙音箱)等產品的快速發展，藍牙晶片出貨量將繼續擴大，預計2018年全球藍牙晶片出貨量將達50億枚。

針對藍牙晶片市場競爭格局，高通公司通過收購CSR公司，成為全球第一大藍牙晶片企業，2016年市場占有率高達44%。

市場份額排名前五的公司還有Microchip Technology、Dialog Semiconductor、Nordic Semiconductor和博通公司，2016年前五大藍牙晶片企業占有全球藍牙晶片市場88%的市場份額。

目前，中國藍牙晶片企業市場競爭力正在逐步增強。

其中，珠海傑理、泰凌微電子、銳迪科微電子已經在藍牙晶片研發與應用方面取得一定突破。

Wi-Fi晶片

Wi-Fi(Wireless Fidelity)技術是目前使用比較廣泛的一種短距離無線網絡傳輸技術。

近幾年，伴隨著以智慧型手機、筆記本電腦、平板電腦為代表的移動設備的興起，帶有Wi-Fi功能的終端設備出貨量不斷增加，Wi-Fi已經成為現階段主流的物聯網連接方式之一。

Gartner數據顯示，2016年全球Wi-Fi晶片市場規模為25.39億美元，較2015年有10%的下降。

Wi-Fi晶片市場規模的萎縮主要由以下原因引起：一是支持最新802.11ad協議的Wi-Fi設備仍然沒有被廣泛使用，這使得整體Wi-Fi晶片單價走低。

二是以Google Wi-Fi、Linksys Velop等為代表的Wi-Fi Mesh網絡尚未獲得市場廣泛認同，使得Wi-Fi晶片需求量並未獲得顯著增加。

2016年，Wi-Fi晶片市場整體格局沒有發生根本改變，原有前五大Wi-Fi晶片企業仍占據市場超過90%的市場份額。

其中，博通公司因為2016年7月出售自身部分藍牙與Wi-Fi業務給Cypress公司，將Wi-Fi晶片市場第一名的位置讓與了高通公司。

Marvell公司在Wi-Fi晶片上的業績出現了大幅下降，這主要是由於Marvell公司已決定剝離公司移動晶片部門，導致公司整體移動晶片業務均出現大幅下降。

現今，Wi-Fi晶片已經經歷數代的發展。

以博通為例，早期支持802.11a/b/g協議的BCM4312晶片支持2.4/5GHz雙頻段，最高速率達到54Mbps。

之後，支持802.11n協議的BCM4319晶片因為增加了MIMO技術，使得最高速率達到了600Mbps。

而現在主流的802.11ac協議使得其BCM43455可以容納更多的MIMO空間流和更寬的帶寬，將速率提升至1000Mbps以上。

2017年8月，博通發布了使用第六代Wi-Fi技術的BCM43684晶片，晶片通過搭配最多4條數據鏈和每條數據鏈支持最高1.8Gbps傳輸速率，使得其峰值傳輸速率達到4.8Gbps。

儘管Wi-Fi技術已經發展多年，但仍有一些技術上的缺陷難以解決：一是安全性和穩定性較低，尤其是在公共Wi-Fi場合，存在個人信息被竊取的風險。

二是組網能力較低，現階段的Wi-Fi網絡規模僅僅能達到十幾個設備，這大大限制了Wi-Fi技術的拓展空間。

三是功耗高，較高的功耗影響了Wi-Fi技術在諸如智能門鎖、各類傳感器等產品中的應用。

因此，新型的Wi-Fi晶片開始向低功耗、低成本、高集成度的方向發展。

中國廠商在Wi-Fi晶片研發過程中，雖然相比於國際大廠起步時間較晚，整體市場競爭力較弱，但是中國廠商已經在低功耗Wi-Fi晶片上占據一席之地。

針對於物聯網市場，海思、新岸線、樂鑫信息、聯盛德、瑞芯微電子等中國廠商已經研發出低功耗Wi-Fi晶片產品。

其中瑞芯微推出的RKi 6000型號Wi-Fi晶片工作功耗僅為20mA，相較Wi-Fi晶片平均功耗降低85%，工作功耗已經同藍牙4.0晶片功耗相當。

未來，低功耗Wi-Fi晶片將在智能門鎖、智能音箱等對功耗有較高要求的智能硬體設備中獲得廣泛應用。

NB-IoT晶片

廣域低速蜂窩物聯網技術是未來主要的蜂窩物聯網連接技術，預計2020年將有60%的蜂窩物聯網設備採用廣域低速連接技術。

目前，GSM和NB-IoT連接技術共同在廣域低速蜂窩物聯網設備中使用。

未來，在「4G/5G全IP網絡」中，NB-IoT網絡將在低速物聯網應用上全面取代GSM網絡，成為廣域低速蜂窩物聯網中重要的連接方式。

目前，中國廠商在NB-IoT晶片研發過程中，因為研發過程的先發優勢，已經在研發與生產過程中取得業界領先地位。

華為公司曾經主導NB-IoT技術標準制定過程，在NB-IoT標準化工作中，通過的447項提案中有184項提案由華為提出，占通過總提案數的41%。

2017年2月，華為海思半導體量產全球第一款支持NB-IoT網絡的晶片—Boudica 120。

2017年6月底，華為宣布Boudica 120晶片出貨量達到100萬片/月，成為全球第一款實現大規模出貨的NB-IoT單模晶片。

作為未來運營商在物聯網領域的重要增值服務之一，NB-IoT網絡建設工作獲得了國內三大運營商的重視，目前三大運營商在NB-IoT基站方面的建設進度快於工信部規劃，2017年底實際建成基站數量將多於40萬個的規劃目標。

可以預期，在政府、運營商、晶片廠商等多方面促進下，NB-IoT連接技術將被廣泛使用在公共服務(智能抄表、智能停車、環境監測等)、個人生活(智慧家居、可穿戴設備、健康監測、資產追蹤等)、工業製造(智能製造、物流運輸、智慧農業等)等細分領域中，也必將為NB-IoT晶片帶來每年數億級的需求量。

NFC晶片

近場通信技術(NFC)是射頻識別技術(RFID)的演進技術。

其通信距離在20厘米之內，通信方式可主動或被動，具有連接時間短(

支持NFC的設備通常擁有主動或被動兩種傳輸數據模式。

主動模式下，NFC設備發出信號，對其他NFC設備中信息進行讀取或寫入。

被動模式下，NFC設備退化成一張信息卡，被其它NFC設備讀取並寫入。

根據上述NFC晶片工作模式，其數據操作方式可被分為模擬卡(標籤)、讀卡器、點對點三種。

NFC設備作為模擬卡時，通常與SE安全模塊綁定，形成了加密通信，可以用於支付，一卡通，門禁，身份證明等。

NFC設備作為讀卡器時，可用於標籤防偽，信息寫入等。

NFC設備作為點對點應用時，可用於電器控制，可穿戴設備互聯，替代U盤實現信息轉移等。

根據調研公司ABI Research的數據，目前，NFC晶片被廣泛使用在手機、計算機、除手機外的其他移動設備、網絡、電子標籤、醫療健康、工業等領域。

其中，手機一直是NFC晶片的最大用戶，2017年手機應用占比為73.2%。

2017年，全球含NFC晶片的智慧型手機出貨量為13.63億、占智慧型手機總出貨量的65%。

但是伴隨智慧型手機出貨量增速的下降、NFC其他應用設備的興起，手機應用占NFC總體應用的比例逐年下降。

在其他NFC應用設備中，NFC功能近年來在計算機中的普及率不斷加大，這促使計算機已經穩居NFC第二大應用種類。

因為可穿戴設備開始支持移動支付、身份識別等功能，所以可穿戴設備對NFC晶片的大量需求成為除手機外的其他移動設備對NFC需求的重要組成部分。

NFC技術最先由飛利浦、諾基亞和索尼公司共同主推。

2003年，三家公司共同建立了NFC技術的NFCIP-1技術協議，協議對NFC設備使用、數據傳輸等進行了詳細規定。

此後，為使得NFC設備可以兼容非接觸式智慧卡，2004年的NFC論壇對擁有的NFC協議進行補充，推出了NFCIP-2技術協議。

目前，全球NFC晶片市場被NXP、三星電子和博通三家公司壟斷。

Gartner數據顯示，2015年、2016年三家公司完全占據全球NFC晶片市場。

其中2016年NXP公司占有86%的市場份額，是包括Apple在內的主流智慧型手機廠商NFC晶片的主要供應商;另外，NXP公司的NFC晶片產品還被大量使用在可穿戴設備、智能汽車和智能家庭等市場。

2016年，三星電子在自家手機中實現自產NFC晶片替代，這直接導致了2016年三星電子NFC晶片產品營業收入大幅增加。

目前，中國企業在近場通信晶片領域通過另闢蹊徑、自主研發RCC通信技術，相關晶片產品已被大量使用在IC卡、智慧型手機中。

我國發展物聯網連接晶片的機遇與挑戰

我國物聯網晶片廠商已在部分領域實現技術突破。

目前，我國部分物聯網晶片廠商經過在物聯網連接晶片領域多年的耕耘，已經在部分連接晶片市場獲得一定市場競爭力。

在成熟的連接晶片市場，我國廠商同國外主流廠商進行差異化競爭，已經在低功率Wi-Fi晶片市場取得一定成功，推出的低功率Wi-Fi晶片產品已經被批量使用在智慧家庭等應用場景中。

在新興連接晶片市場，我國廠商通過深度參與NB-IoT技術標準制定，實現在該領域的提前布局，並在NB-IoT晶片市場取得市場領先地位。

巨大的物聯網下游應用市場為我國晶片廠商帶來市場機遇。

我國擁有巨大且快速發展的物聯網應用市場，2016年我國物聯網市場規模已經達到9300億元，市場規模已連續多年實現超過20%的年增長率。

這為我國物聯網下游應用企業快速發展提供了保障。

通過利用本土企業合作優勢，我國物聯網連接晶片企業可以同物聯網下游應用企業進行有效合作，進而更有利地占領我國物聯網連接晶片市場。

另外，本土企業可以更好地利用本土市場差異化需求，利用產品差異化特點快速占領相關市場。

物聯網連接標準尚未統一，為我國晶片廠商進入物聯網市場贏得時間。

目前，不同物聯網連接方式之間的競爭有愈演愈烈之勢。

例如，伴隨藍牙和Wi-Fi的發展，兩種連接技術在功能方面越來越趨同化，進而加劇了二者之間的競爭。

但是現今藍牙相比Wi-Fi在功耗、成本方面更具優勢，而Wi-Fi對比於藍牙可以實現更快的傳輸速度和更遠的傳輸距離。

這種情況一定程度上反映了現今物聯網連接技術並不成熟的特點。

現今，中國廠商可以利用物聯網連接技術仍在不斷發展、演進而帶來的時間機遇，通過積極參與物聯網連接標準的制定、申請更多相關專利、結成技術聯盟等方式努力布局物聯網連接晶片市場，在未來實現技術與市場的雙突破。

發展物聯網連接晶片產業將為我國集成電路製造廠商提供代工機會。

目前，低成本、低功耗是物聯網連接晶片的主要設計需求。

這導致物聯網連接晶片的製造工藝集中在55~40nm工藝製程。

現今，我國集成電路製造廠商已在相應製造工藝上具備成熟的晶片製造能力。

伴隨物聯網市場規模的爆發，大量新增物聯網連接設備將對物聯網連接晶片有海量的需求。

由此，發展物聯網連接晶片代工將為我國晶片製造廠商帶來業務拓展機遇。

我國設計廠商晶片開發經驗有待積累。

為開發出能夠被市場廣泛認可的物聯網連接晶片，晶片設計廠商需要具有足夠的晶片設計經驗和市場分析經驗。

例如，在晶片設計經驗方面，信號隔離是開發多模晶片時的重點及難點。

富有晶片開發經驗的工程師可以幫助解決好信號隔離問題，通過更少的流片次數縮短多模晶片的開發周期、減少晶片研發支出。

在晶片市場分析經驗方面，晶片廠商對於晶片不同的市場定位和使用場景定位將為晶片的開發帶來不同的技術需求，進而引導晶片開發的方向;由此正確的晶片市場分析可在很大程度上促使晶片的成功。

現今，聚集經驗豐富的晶片設計工程師和晶片市場研究員等人才，將助力中國物聯網連接晶片廠商實現加速發展。

國外廠商的專利壟斷增大了我國晶片廠商技術應用成本。

目前，由於國外半導體大廠在物聯網連接技術方面的長期持續投入，以建立專利池的方式形成對競爭對手的專利壁壘。

另外，標準組主導著各連接技術的制定與演進方向。

由於標準組成員通常由具有行業主導能力的廠商組成，所以標準組內的廠商會出於自身利益考慮，在下一代連接技術標準制定前，提前申請涉及下一代連接技術的專利;然後通過自身標準組成員的身份，影響下一代連接技術同自家專利技術重合，進而不斷強化自身的專利壁壘。

由於物聯網連接晶片具有低價格特點，所以對於行業內中小廠家，專利使用費在晶片成本里占有較高比重。

由此，專利壟斷將成為影響行業後來者發展的重要阻礙。