中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)在集體過(guò)冬，美國(guó)也未必沒有緊迫感。

美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）和半導(dǎo)體研究公司（SRC）就聯(lián)合發(fā)布了一份題為“半導(dǎo)體十年計(jì)劃”的報(bào)告，希望美國(guó)政府能在未來(lái)十年拿出每年 34 億美元的投資，來(lái)資助五個(gè)半導(dǎo)體領(lǐng)域的“未來(lái)之星”，以維持美國(guó)半導(dǎo)體的地位。

這五大足以影響芯片技術(shù)未來(lái)的重大變化領(lǐng)域（seismic shifts）包括：模擬硬件的根本性突破、全新的內(nèi)存存儲(chǔ)、持續(xù)可用的通信基礎(chǔ)設(shè)施、萬(wàn)物互聯(lián)的安全隱私保護(hù)、智能計(jì)算加持的高效能源。

AI、5G、云計(jì)算等浪潮的席卷下，普通讀者或多或少了解后面幾個(gè)技術(shù)的重要性所在，而跟公認(rèn)十分重要的 GPU/NPU 等芯片相比，模擬芯片市場(chǎng)就曾被彭博社評(píng)為“長(zhǎng)期停滯的水”，就連該領(lǐng)域“頭把交椅”、有著 80 多年歷史的德州儀器，大眾認(rèn)知度也遠(yuǎn)不及谷歌、Facebook、亞馬遜這樣的科技廠商。

而模擬硬件位列美國(guó)半導(dǎo)體十年計(jì)劃的排名 TOP1，其權(quán)重究竟為何如此之高呢？

變局中的模擬硬件，并不是一潭死水

要回答開篇提出的問題，先要回到模擬硬件到底是個(gè)什么東西。

其中，模擬硬件就是以模擬信號(hào)來(lái)傳輸?shù)碾娮釉O(shè)備。這些信號(hào)在時(shí)間和數(shù)值上是連續(xù)變化的，而不像數(shù)碼信號(hào)那樣由不連續(xù)的 0 和 1 組成。

后者需要工程師將物理世界抽象成二進(jìn)制來(lái)展現(xiàn)，那么模擬硬件工程師更像是一個(gè)樂高設(shè)計(jì)師，需要將各種部件以合理的方式組成一個(gè)新世界。從數(shù)據(jù)來(lái)看，2020 年全球半導(dǎo)體工業(yè)最大的領(lǐng)域分別是邏輯、存儲(chǔ)器、模擬和微處理器。

如果要選一個(gè)最廣為人知的模擬硬件產(chǎn)品，那就是手機(jī)了。在各種智能硬件中，發(fā)揮作用的并不僅僅是發(fā)布會(huì)上大出風(fēng)頭的 CPU/GPU，還需要一個(gè)個(gè)模擬芯片，來(lái)將各個(gè)傳感器接收到的信息轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，進(jìn)而讓數(shù)字芯片能夠感知并處理。

舉個(gè)例子，當(dāng)我們躺下玩手機(jī)時(shí)，圖片也會(huì)跟著翻轉(zhuǎn)，背后就是重力傳感器和模擬芯片的聯(lián)合做功。

（2019 年全球芯片銷售種類占比率及其與去年相比變化）

換句話說(shuō)，模擬芯片已經(jīng)成為物理世界與數(shù)字世界的橋梁，分布在我們生活中的各個(gè)角落。既然如此，為什么還會(huì)被稱為“一潭死水”呢？答案就來(lái)自于，以前模擬芯片只能為數(shù)字芯片的“搬運(yùn)工”，走的是“模擬 - 數(shù)字”路線，更加具有技術(shù)含量的推理、判斷、決策都是由別人來(lái)完成的。

所以其價(jià)值改變，自然也需要路徑變化。而萬(wàn)物智聯(lián)革命，給了模擬芯片以全新的機(jī)遇，換上了“感知 - 行動(dòng)”的人設(shè)，直接自己就能通過(guò)傳感器部署感知環(huán)境，然后做出推理、進(jìn)行行動(dòng)。

舉個(gè)例子，如今大行其道的“智能酒店”，一進(jìn)門玄關(guān)的燈就自動(dòng)為你亮起，離開之后燈會(huì)自動(dòng)熄滅，這種更加自然的交互方式，更加符合大眾對(duì)智能生活的期待，也是靠模擬傳感器來(lái)完成的。

不難預(yù)測(cè)，伴隨著智能時(shí)代的到來(lái)，無(wú)處不在的模擬硬件將迎來(lái)市場(chǎng)爆發(fā)。美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)押注在此，并不奇怪。

智能傳感，模擬硬件的新人設(shè)如何成立？

從“模擬 - 數(shù)字”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案兄?- 行動(dòng)”，模擬硬件的新人設(shè)想要成立，顯然沒那么簡(jiǎn)單。

首先，當(dāng)前的模擬電子技術(shù)，面對(duì)數(shù)據(jù)洪流已經(jīng)力有不逮。傳感器的普及導(dǎo)致人類生成模擬數(shù)據(jù)的能力比高效處理它的能力要高得多。《報(bào)告》中提到，計(jì)到 2032 年將有 45 萬(wàn)億傳感器，每年將產(chǎn)生 100 萬(wàn) zettabytes(1027 字節(jié))的數(shù)據(jù)。目前從物理世界產(chǎn)生的估計(jì)總模擬信息相當(dāng)于~1034 位 / 秒。而人類總感覺吞吐量在~1017 位 / 秒，相當(dāng)于已經(jīng)超出了人類感知的范疇。而要將模擬到信息的壓縮比拉升到類似于人類大腦的 105:1，需要“革命性的技術(shù)”。

除此之外，越來(lái)越多的智能設(shè)備互聯(lián)互通與通信環(huán)境的高速變化，也給模擬硬件設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。一個(gè)模擬硬件往往需要集成中央處理單元(MCU)、雷達(dá)系統(tǒng)、壓力傳感器、無(wú)線連接等多個(gè)部件，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能感知功能，而這些部件與部件之間、部件與外界之間可能存在的電磁干擾，都有可能影響傳感器的測(cè)量精度。而對(duì)于廣泛應(yīng)用于工業(yè)、汽車、醫(yī)療的模擬硬件來(lái)說(shuō)，可靠性簡(jiǎn)直就是生命線，一點(diǎn)馬虎都不能有，這也是為什么模擬市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)格局一直是強(qiáng)者恒強(qiáng)。

而且和數(shù)字芯片不同的是，模擬芯片對(duì)工程師的綜合實(shí)戰(zhàn)能力要求也很高，往往需要 5-10 年才能培養(yǎng)出一個(gè)頂級(jí)人才，這也導(dǎo)致了“遠(yuǎn)水解不了近渴”。

最后需要提到的，也是《報(bào)告》中強(qiáng)調(diào)的模擬硬件的設(shè)計(jì)開發(fā)，也不像數(shù)字芯片一樣可以借助一些自動(dòng)化工具來(lái)完成，面對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的軟件爆炸式增長(zhǎng)的問題，必須在開發(fā)流程上有十倍甚至更大的生產(chǎn)力升級(jí)，才能滿足智能社會(huì)的需要。

（半導(dǎo)體企業(yè)在各年份中研發(fā)和資本投入占比）

而這樣的開發(fā)流程顯然是個(gè)“吞金獸”。頭部模擬芯片企業(yè)每年的研發(fā)費(fèi)用在營(yíng)收中占比都要超過(guò) 10%，即使在市場(chǎng)需求不足甚至國(guó)際經(jīng)濟(jì)形勢(shì)動(dòng)蕩的背景下，依然需要持續(xù)投入來(lái)保持技術(shù)優(yōu)勢(shì)。2001 年半導(dǎo)體市場(chǎng)銷售額急劇下降，但研發(fā)和資本設(shè)備的支出并沒有以同樣的速度下降。

所以，美國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)才又祭出了這熟悉的一招——游說(shuō)政府打錢。開口就是 340 億美元的總預(yù)算，老資本主義了。

撬動(dòng)未來(lái)十年的中美半導(dǎo)體角力

讀到這里，大家或許會(huì)有點(diǎn)緊張：在這個(gè)頭部企業(yè)幾乎全是美國(guó)面孔的模擬市場(chǎng)，會(huì)因?yàn)槊绹?guó)政府不斷加碼投入而拉開差距嗎？

說(shuō)“吾輩當(dāng)自強(qiáng)”自然是一句正確的廢話，努力是必須的，但同時(shí)也應(yīng)該看到，受疫情和內(nèi)部民眾情緒影響，美國(guó)再像上世紀(jì)一樣舉國(guó)之力扶持半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，所面臨的阻力并不會(huì)小，這就給其他同行業(yè)者留出了機(jī)會(huì)窗口期。

此外值得注意的是，德州儀器、ADI 這樣的模擬巨頭，也是借助美國(guó)高速發(fā)展時(shí)期國(guó)防、工業(yè)等領(lǐng)域的巨大需求以及政府訂單而成長(zhǎng)起來(lái)的。而如今，中國(guó)中國(guó)是目前全球最大的電子產(chǎn)品消費(fèi)市場(chǎng)，在傳感器智能化領(lǐng)域所積累的先進(jìn)算法與解決方案也不斷進(jìn)步，比如通過(guò)傳感器融合將數(shù)據(jù)上傳到云端，借助雷達(dá)監(jiān)測(cè)來(lái)自動(dòng)調(diào)整產(chǎn)業(yè)園區(qū)的燈光、空調(diào)，或是借助壓力傳感器監(jiān)測(cè)惡意入侵、電梯故障并實(shí)時(shí)報(bào)警等等，這些都已經(jīng)在中國(guó)的智慧項(xiàng)目中有著大刀闊斧的應(yīng)用。

今天看來(lái)，模擬硬件、智能傳感看起來(lái)并不那么炫酷，往往隱于幕后，但或許美國(guó)半導(dǎo)體十年計(jì)劃也是一個(gè)絕佳的提醒，讓我們狂奔在智能產(chǎn)業(yè)加速的路上時(shí)，時(shí)刻記得從大處著眼，小處著手，將每一個(gè)可能翻盤的機(jī)會(huì)都牢牢握在自己手中。

編輯：hfy