物聯網晶片：中國「芯」的新機遇〡水木資本原創

物聯網應用的不斷發展一直給新一輪的無線通訊技術帶來巨大的商機，Gartner發布的行業預測數據指出，到2020年我國物聯網規模預計將達1.9萬億美元，全球物聯網設備將達到260億個。

此外，公開數據預測，2020年中國的物聯網晶片市場將達到百億美金級別，中國也將取代美國成為全球最大的物聯網連接市場，占有37%的份額。

物聯網成為全球未來發展的重要方向之一。

物聯網的終極目標是達到萬物互聯。

具體的說，物聯網就是把感應器嵌入和裝備到電網、鐵路、橋樑、隧道、公路、建築、供水系統、大壩、油氣管道等各種物體中，然後將物聯網與現有的網際網路整合起來，而實現其萬物互聯目標的前提條件是需要符合需求的晶片以達到智能終端設備與傳感器的連接與數據的處理。

前幾年物聯網的創業潮已經一浪接一浪，企業的主要發展方向在建設硬體設備、應用服務與平台，目前物聯網的應用場景已逐步進行落地，下一階段物聯網行業面臨的挑戰是如何更加高效並且穩定智能地實現設備與人、設備與設備之間的完美交互。

物聯網晶片是實現智能終端與傳感器連結、以及數據採集與處理的橋樑，而物聯網設備的應用場景，比如智能家居、智能可穿戴設備、車聯網、智慧醫療與智慧城市、智慧農業與工業物聯網等，使得物聯網晶片偏向低功耗和高整合度的方向發展。

低功耗使得開發人員能夠為功耗受限設備增添功能，同時保持晶片尺寸，擴大應用可能性，高整合度的元件可實現晶片的即插即用，簡化應用開發，方便設備更新換代，便於產品快速推向市場。

從市場需求和資本的角度來看，高效、精簡的指令集和低功耗的晶片是下一階段物聯網產業發展的更好選擇。

從網絡通訊來看，物聯網主要有三種連接方式：

（1）蜂窩通信技術，也即 2/3/4/5G 技術；

（2）LPWA 技術（Low Power Wide Area），低功耗廣域通信技術，廣義上也屬於蜂窩通信技術，包括 NB-IOT（Cat-NB1）、LTE-M（eMTC，Cat-M1）、LoRa、Sigfox；

（3）局域物聯網（Short-range IOT），通常定義為 100 米以內，包括 Wi-Fi、Bluetooth、ZigBee。

另外，廣義物聯網還包括工業總線、PLC（Power Line Carrier，電力線載波）等多種連接場景。

【物聯網晶片技術架構】

對應物聯網的通訊路徑與不同產業的系統架構，從技術架構上來看，物聯網晶片主要有以下幾種技術架構。

一、ARM架構

ARM架構，也稱作進階精簡指令集機器（Advanced RISC Machine，更早稱作：Acorn RISC Machine）。

在物聯網前期的嵌入式系統的產業里，數據顯示有75%的系統設計是採用了ARM公司的微處理器架構。

由於物聯網的特性和應用場景要求其使用的晶片必須考慮功耗和集成度，而且ARM架構最大的特點在於節能，ARM處理器非常適用於移動通訊領域，也符合主要設計目標為低耗電的特性，因此使得架構廣泛的在嵌入式系統設計中被使用。

我國於2017年進口以ARM為系統架構的物聯網晶片的市場份額約300億元。

據預測，未來幾年物聯網晶片全球需求為2000-3000億人民幣，如我國有自主的系統架構及其上的生態系統，我國的晶片產業不光能滿足中國智能製造的需要，還能出口晶片，占有這3000億元中相當大的份額。

目前國際大玩家中，高通600E和410E物聯網晶片、華為Boudica 120和150物聯網晶片以及三星Artik1、5、10三款物聯網晶片，均基於ARM架構，此外，聯發科採用ARM v7架構的MT2503物聯網晶片已廣泛用於共享單車領域。

從商業模式上來看，ARM所採取的商業模式是IP授權。

它的架構授權有三種模式：架構層級授權、內核層級授權、使用層級授權，架構層級授權在獲得ARM公司授權後可以對ARM架構進行大幅度改造，使用層級授權是只可以用但不可以修改。

二、X86架構

X86是英特爾Intel首先開發製造的一種微處理器體系結構的泛稱，相比基於ARM架構由於採用精簡指令集， x86架構的指令集則更為複雜。

應用場景與性能對比上，X86主要用於PC領域如筆記本、台式機、小型伺服器，功耗可達65W甚至更高，X86發熱量比較大，需要主動散熱；X86性能很強，比如可以單只利用1顆i5就能夠編輯轉換視頻；而ARM架構功耗只有個位數，主要適合在對性能要求不算高的移動領域工作，更能滿足移動物聯網高性價比和低耗能的需求。

目前市面上基於x86架構的物聯網晶片恐怕只有英特爾一家，英特爾後繼針對物聯網開發的晶片雖仍然基於x86架構，但在內部精簡系統指令並對耗能問題進行控制，這樣的做法也證明了x86架構在物聯網時代的不適用性。

三、FPGA架構

FPGA全稱是Field Programmable Gate Array，可編程邏輯門陣列，正如我們此前的分析文章所提過的，該類晶片在硬體層面上是可編程、可定製的電路，具體是通過燒錄配置文件來定義內部集成大量的數字電路基本門電路和存儲器來實現，可以理解為半定製的ASIC。

FPGA物聯網的特點之一便是場景應用的多樣性，這要求物聯網晶片功能不必複雜，但需滿足不同場景的開發需求。

FPGA的出現為物聯網晶片提供了新的可能性，其可編程設計優勢能幫助開發者縮短研發時間，從硬體結構的改變來適應算法的要求，以滿足物聯網多樣性的定製化需求。

FPGA主要應用於視頻、工業、通信、汽車等領域，因為這些領域一般表現為晶片使用量少、應用差異化嚴重、功能沒有完善、功耗要求不高、性能要求穩定可靠等特點。

但是對於消費類應用領域而言，首要考慮的因素是價格和功能。

價格最便宜的FPGA也高於其他晶片的好幾倍，例如xilinx的FPGA價格最少是在10美金以上。

除價格之外，FPGA的功耗至少比主控晶片高一個數量級以上，幾乎不可能應用在可穿戴式設備這種領域中，而用在一些高端的消費類市場應用較多，如高端電視機、中央空調等。

國際大廠的態度基本上都是不看好FPGA在消費類智能硬體中的應用，價格和功耗是最大的挑戰。

雖然功耗和價格並不占優勢，但是在定製化需求提升的情況下，FPGA可編程、埠靈活的優勢就變的尤為重要。

四、RISC-V架構

RISC-V架構是在物聯網領域另一個較為廣泛應用的架構，其最大的優勢是免費開源且精簡。

通過將核心指令集以及其CPU設計的IP開源，很大程度上改變運算平台晶片的設計生態。

該架構基於精簡指令集，且免費開源，可以靈活地進行修改並加入新的功能，廠商無需花錢去購買IP，模塊化也使得用戶可根據需求自由定製，配置不同的指令子集。

由於這些特質，RISC-V正在吸引越來越多的科技公司採用。

目前特斯拉在考慮在新款晶片中使用RISC-V設計。

西部數據和英偉達已宣布，計劃在部分產品中引入這種新的晶片設計。

儘管以現在僅有8年歷史的RISC-V架構挑戰ARM還有一定難度，但是它提供了一種新的思路和方向。

然而在我國，雖然已經有很多公司關注到RISC-V，然而目前國內大部分公司僅使用其開源的代碼，在開源社區的貢獻度卻偏低，無法真正享有話語權。

對於我國的創業企業來說，應該挖掘更多的該平台的發展潛力，加強在改平台上的布局，密切關注國家標準對於指令集的制定，或者設計出具有自己真正壁壘的指令集，從而在該平台的運算晶片中占據一定的優勢。

五、ASIC架構

在我們此前關於AI晶片的文章中也曾提及，ASIC是一種為專門目的而設計的集成電路，特點是面向特定用戶的需求。

ASIC晶片的優勢是運算能力強、規模量產成本低，但開發周期長、單次流片成本高，主要適用於量大、對運算能力要求較高、開發周期較長的領域，比如大部分消費電子晶片和實驗。

目前針對邊緣雲計算的最新應用方案，ASIC的選用性更強。

相比FPGA，ASIC功耗較低，性能更高，但是靈活性稍弱，二者各有利弊，在網際網路領域的主要應用還要看具體領域對於性能和價格的綜合考慮。

【NB-IoT (窄帶物聯網晶片)】

從整個晶片的應用場景上看，未來有較大發展潛力的物聯網晶片種類主要為窄帶物聯網晶片。

NB-IoT是IoT領域支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接的晶片，聚焦於低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IoT）市場，NB-IoT具備低功耗、連接穩定、成本低、架構優化出色等特點，適用於智能抄表、智能停車、車輛跟蹤、物流監控、智慧農林牧漁業以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社區、智慧醫療等領域。

與其他技術相比，NB-IoT構建於蜂窩網絡，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署於GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡，以降低部署成本、實現平滑升級。

NB-IoT作為窄帶物聯網技術，可以通過原有通訊基站升級，在標準制定後難度相對較小。

NB-IoT支持待機時間長、對網絡連接要求較高設備的高效連接。

NB-IoT具有10年電池壽命、高範圍覆蓋、高安全性、高可靠性以及可實現全球漫遊等方面的優勢，同時目前行業解決方案已經實現5美元/模組的價格，實現更大規模應用後價格還將進一步下降。

我國對NB-IoT的建設非常重視，工信部去年下發的351號文件提出目標，到2020年，NB-IoT網絡實現全國普遍覆蓋，面向室內、交通路網、地下管網等應用場景實現深度覆蓋，基站規模達到150萬個。

此外，三大運營商也在大力推進NB-IoT的基站建設和網絡商用，據了解，目前NB-IoT智能連接的數量已超過3億個，未來還將帶來巨大的商業機會。

然而，窄帶物聯網晶片也有其發展的制約因素，包括雲端數據計算的能力和應用發展，數據存儲和傳輸的安全性，用戶更換終端的成本、終端晶片等等。

即使目前的解決方案距離遠、通訊速度高、有智慧財產權，但是在智能家居等應用領域，對於需求方，其缺陷在於需要付費頻段、系統複雜、模塊成本仍然過高，智能家居也不需要這麼遠的距離與過高的通訊速度，且對低功率的要求和使用壽命十年等的要求十分嚴苛，現有的終端晶片很難滿足其商業需求。

對於國內除了華為等的第二梯隊晶片廠商，對於創業型公司的機遇在於，其可以通過自主研發的關鍵技術來精簡其射頻、提高晶片系統的集成性、通過功耗管理和協議架構設計，在成本、功耗和體積上提升自己的產品優勢，從而切入這部分市場，與大玩家打差異化的商業路線，從而在其切入的細分賽道占據較大的市場份額。

【物聯網晶片的主要應用領域】

接下來，我們看一下物聯網晶片的主要其應用領域：

一、物聯網安全晶片

安全晶片是可信任平台模塊，是一個可獨立進行密鑰生成、加解密的裝置，內部擁有獨立的處理器和存儲單元，可存儲密鑰和特徵數據，為電腦提供加密和安全認證服務。

安全晶片的主要作用在於數據的加密以及對於密碼的儲存和管理。

根據公開數據顯示，2014-2016年間，我國信息安全晶片市場規模增長迅速，2016年我國信息安全晶片市場規模達到62.2億元，同比增長30.7%。

2011-2020我國物聯網安全晶片的市場規模及預期如下：

二、身份識別晶片

身份識別技術依靠人體的身體特徵來進行身份驗證，可以採集的身體特徵包括指紋、聲音、面部、骨架、視網膜、虹膜和DNA，以及簽名的動作、行走的步態、擊打鍵盤的力度等個人的行為特徵，目前使用較廣泛的為指紋識別以及人臉識別。

身份識別晶片將逐漸安裝於各種電子產品或應用系統中，對系統中的模塊、組件進行識別，通過數據交換完成信息交換和身份識別認證功能。

據公開數據整理及預測，2012-2017年間，我國的身份識別晶片市場保持高速增長，預計2020年我國身份識別晶片市場將達到百億級別。

三、移動支付晶片

移動支付技術實現方案主要有雙介面JAVA card、SIM Pass、RFID-SIM、NFC和智能SD卡 。

作為電子支付方式的一種，移動支付技術與移動通信技術、無線射頻技術、網際網路技術等相互融合，形成自己的特點。

據相關數據顯示，2016年我國移動支付市場規模達到353306.3億元人民幣，同比上年增長115.9%，預計到2019年，中國移動支付市場規模將達到1039905.8億元人民幣。

2011-2017年間，我國的移動支付晶片市場維持穩定增長的態勢。

2011-2020年市場預測如下：

四、通訊射頻晶片

射頻晶片（RFID）可以通過無線電訊號識別特定目標並讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或者光學接觸，其實質是將無線電信號通信轉換成一定的無線電信號波形，並通過天線諧振發送出去的一個電子元器件。

相關分析指出，智慧型手機射頻前端的市場規模在2016年達到101億美元，預計2022年市場規模將超過227億美元，複合增長率達到14%。

近年國內湧現了很多很多通訊射頻晶片廠商，其比較具有代表新的即為新岸線，其近日推出的滿足未來5G終端平台需求的射頻發動機晶片——NR6816，是我國首顆研發成功量產的超寬頻無線射頻晶片，在全球範圍內也只有美國ADI公司在今年上半年發布了同類型晶片。

NR6816 晶片的量產將極大提升我國在全球5G技術研發競爭中的實力。

【細數我國物聯網晶片廠商】

在我國的物聯網晶片廠商中，除了也可以看到很多新起之秀。

由《網際網路周刊》&eNet研究院選擇排行的2018年中國最值得關注的物聯網晶片企業中，前二十名排名為：聯發科、中芯國際、海思、台積電、紫光國芯、匯頂科技、大唐微電子、華虹宏力、聯電、展訊、華大電子、華潤微電子、新岸線、聯芯科技、國民技術、同方微電子、北京君正、全志科技、利爾達。

（資料來源：公開資料、水木資本研究整理）

物聯網晶片這一藍海將會是一個激烈的戰場，對於我國物聯網晶片領域的創業型公司來說，既要從整體生態的角度去分析和布局物聯網技術，需要在關鍵技術上，強化自身實力，打造創新壁壘。

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