芯片难关不破，物联网难以真正爆发

Posted 2022-04-26 智哪儿

作者|布斯

编辑|小沐

出品|智哪儿 zhinaer.cn

芯片是一个既熟悉又陌生的概念。我们知道它无处不在，却又鲜有清晰的认知。作为AIoT行业媒体，「智哪儿」长期关注芯片产业的现状和走势，试图从物联网角度抽象出一些核心观点。本文，我们就从智能家居的角度，来深入聊聊芯片。

2021年以来，芯片短缺已经较大程度影响了国内电子工业的正常运行。除了广为人知的汽车行业受到影响外，以智能家居为代表的物联网行业，也面临着不同程度的芯片困境。可以说，芯片就是物联网的基础设施，物联网的真正爆发，离不开芯片产业的稳定与繁荣。

没有芯片，寸步难行，这么说一点也不为过。作为一项高精尖技术，芯片从设计到生产，都是由少数企业掌控的。对于这样一个典型的金字塔结构的业态，上游的一丝波动，便会制造出一串大大的涟漪，直接波及终端消费者。

那么，为什么说芯片难关不破，物联网难以真正爆发？

1.

无处不在的芯片

以智能家居为代表的物联网，要想实现互联互通，是离不开芯片的。我们知道手机、平板、电脑等终端设备，都有CPU这种芯片（目前多以SoC的形式存在）。其实，我们日常生活中无处不在的各种电器、硬件和智能终端，都是靠芯片实现基础功能的。计算器、各种仪表、CD机甚至儿童玩具中，都有芯片的存在。

这些我们赖以生存的芯片，叫做MCU，也就是微控制器。你周围的任何一个电子设备中，包括汽车、遥控器、打印机等看似没有智能属性的东西，都存在很多MCU。汽车中的MCU甚至有数百上千之多。

MCU是具备计算能力的，只是它跟我们认知的CPU不太一样，可以简单认为是一个精简版的CPU。MCU跟CPU一样，也存在一个叫做指令集的东西，也需要借助C语言或汇编语言开发。跟CPU行业一样，MCU中的运算核心，也是掌握在英特尔和ARM两家公司手中。

英特尔开发的8051指令集和ARM的Cortex-M0指令集系统，至今都主导着MCU的开发工作。前者是CISC复杂指令集，后者是RISC精简指令集。为什么这个行业是高度垄断的呢？

这是因为，CPU作为一个处理器，它本身是大量晶体管以及其他电子元器件组成的硬件载体。要用它来实现运算，需要让设备认识到这个处理器的存在，并能在其上面运行操作系统或者软件。我们以较为通俗的电脑CPU为例说明。

首先你要知道，软件的开发者，是需要面向CPU开发的。因为CPU是提供运算的，你的软件要想调用CPU的算力，必须让CPU能够理解你。所以，软件在封装的时候，都会编译成机器语言，即0和1，这是CPU唯一认识的语言。而每个CPU的语言体系是不一样的。

那么问题来了，CPU的架构那么多，制造商那么多，我难道要针对每个CPU做一个版本吗？显然是不用的。你只需要针对指令集做开发即可。比如在电脑CPU中，X86和X64就是两种指令集，它们的区别在于一个是32位一个是64位。所以像是Windows系统，或者一些应用软件，都会区分X86或X64两种版本。那么在移动端，就开发面向ARM指令集的软件。

由此可见，指令集是一个非常关键的环节。它作为处理器的虚拟层，可以提供通用的开发环境，让一个软件，可以运行在采用该指令集的成千上万台不同类型的设备上。

而在物联网这一端，我们面对的就是英特尔的8051和ARM的Cortex-M0。这两种指令集系统已经有近半个世纪的历史，演化出了各种版本，但归根结底，我们做芯片，都绕不开这两个东西，而且需要很高的授权费。

那么有没有替代方案呢？有，RISC-V，一个开放的指令集，不要任何授权，且不受发达国家的进出口管制（芯片成品会有管制）。所以国内很多企业，华为、中兴、紫光、阿里等，都开始聚焦RISC-V处理器的研发，比如阿里平头哥的玄铁处理器，就是基于RISC-V的。

然而，RISC-V并没有解决所有问题。

2.
芯片短缺是谁的问题？

我们再来谈当前的芯片短缺问题。芯片为什么会短缺，简单来说是三方面的原因：

第一，由于当前国际形势的影响，芯片关联产业的产能上不来。这是直接原因。这导致了下游的大厂疯狂囤积芯片，进一步加剧了芯片供应的吃紧。

第二，代工厂，或者说晶圆厂，为了追求高利润，把产能向高端处理器倾斜。比如从8寸晶圆向12寸晶圆倾斜，而前者通常是用来制造28nm及以上制程的中低端芯片的基材，比如各种MCU。占据芯片采购40%份额的汽车产业，以及一些低端消费电子产品、各类电器设备，都依赖于8寸晶圆产线。

第三，整个芯片产业链的全球布局是失衡的，虽然很多国家都可以设计芯片，但芯片的生产设备和生产基地，存在于局部地区。比如中国台湾、马来西亚、菲律宾等地是芯片代工重镇，近年来因自然灾害导致了一定程度减产。

由此可见，芯片短缺既有不可抗力，也有市场化的因素存在。而为了应对芯片短缺，很多下游的大厂加大了芯片代工的订单，做好战略储备。为什么芯片短缺影响了汽车行业，但手机、平板和电脑的影响却不是特别大，就是因为MCU芯片受到了更大的影响。据光刻机制造商ASML的CEO透露，目前有的公司甚至采购大量洗衣机拆解其中的芯片用于自己的产品。而洗衣机中就有若干MCU。

长期来看，随着产能的缓和和市场的自我调节，芯片短缺是可以得到有效解决的。目前很多行业，比如智能家电行业也展开了自救：通过OpenCPU技术的运用，减少算力冗余，让一个芯片模组承担更多的职能，从而减少对芯片数量的依赖。

这种方法，是通过软件的形式应对芯片短缺的问题。它具备一定的适用性，但也无法彻底解决问题。但长期来看，OpenCPU这类技术对于降本增效，还是有显著作用的。这次芯片短缺，可能会让更多的下游厂商重新思考PCB的设计，尽可能让少量芯片发挥更多的价值。

而随着边缘计算的兴起，很多用户场景要求电器设备具有更强的本地化运算能力。这将推动MCU往高位数（比如32位）、集成化角度发展。电器、智能硬件等将搭载集通信、数据处理和逻辑运算等多元一体的芯片载体。

这对于晶圆厂来说是有利的。

3.
物联网的终局竞争是芯片

前文的铺垫，让我们意识到一个问题，那就是看似普通的芯片，其实制约着整个物联网的发展。核心技术都掌握在少数企业手里，而未来物联网要全面建成，需要的芯片数量是以万亿计算的。

设想一下，仅仅是一个普通的智能家居系统，就需要数百个MCU的支持。如果不克服短板，那么我们的物联网本质上是被牵着鼻子走。而一个行业的繁荣，离不开底层技术的多元化发展。

指令集方面，开放的RISC-V已经成为当前的主流替代方案，可以让很多企业绕开英特尔和ARM的垄断。而中国企业在RISC-V的研究与完善上，也扮演了非常重要的角色。RISC-V产业联盟中，数量最多的是中国企业，19家高级会员企业中有12家来自中国（包括中国台湾的企业）。

芯片是中国大陆第一大进口商品。根据中国半导体行业协会公开的数据显示，国内芯片的自给率只有26.6%，其中汽车芯片的自给率更是低至5%。2021年，中国大陆进口芯片4325.54亿美元（约2.8万亿）左右，同比增长23.59%；而进口芯片个数达到了6354.8亿个，同比增长16.92%。

这说明，无处不在的芯片，其国产化率还非常低，依然依赖进口。而对于RISC-V的探索，能在一定程度上帮我们缓解进口压力，发展出相对独立的芯片研发路线。尤其是对于物联网领域，RISC-V将发挥不可估量的商业价值。

由于物联网采用的MCU相比电脑和手机的CPU，其对位数、制程和频率的要求低了很多，所以是芯片国产化的中流砥柱。MCU产业的高度成熟和国产化，是物联网进步的必要条件；而反过来看，物联网的高需求量，也能在很大程度上带动MCU产业的发展。

与汽车零部件一样，国产率提升带来的直接好处是，成本的降低和利润空间的增加。物联网也是一样的道理。作为物联网的基础设施，MCU的国产化率，也直接影响了成本和利润。而MCU性能的提升，能耗的降低，则是产品层面制约企业发展潜力的核心因素。

在RISC-V推行后，国内企业有机会摆脱英特尔和ARM的技术限制，在开发层面拥有了更大的自由度。通用型的芯片，有望快速向专用型芯片转化。

物联网的终局是计算，而终局的竞争就是芯片的竞争。对于芯片设计厂家、生产厂家、模组厂家来说，如何让MCU发挥更大的效能，提供更强的计算能力，同时有效降低成本，是一个非常现实且有意义的课题。

可以说，谁能吃透芯片，谁就能主导物联网。

结语

最后再讲一点：在CPU领域，除了光刻机外，其实芯片的设计流程也需要进一步国产化。这就是设计芯片的EDA软件。

EDA软件市场基本被Cadence、Synopsys、Mentor这三家美国公司所垄断。这三家公司在中国大陆的市场份额占到了95%以上。所以，芯片的真正自给自足，除了指令集和生产线，芯片的设计端也需要进一步掌握在自己手中。

由此可见，任重而道远。