作者|布斯

編輯|小沐

出品|智哪兒 zhinaer.cn

芯片是一個(gè)既熟悉又陌生的概念。我們知道它無(wú)處不在，卻又鮮有清晰的認(rèn)知。作為AIoT行業(yè)媒體，「智哪兒」長(zhǎng)期關(guān)注芯片產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀和走勢(shì)，試圖從物聯(lián)網(wǎng)角度抽象出一些核心觀點(diǎn)。本文，我們就從智能家居的角度，來(lái)深入聊聊芯片。

2021年以來(lái)，芯片短缺已經(jīng)較大程度影響了國(guó)內(nèi)電子工業(yè)的正常運(yùn)行。除了廣為人知的汽車行業(yè)受到影響外，以智能家居為代表的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，也面臨著不同程度的芯片困境?？梢哉f(shuō)，芯片就是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)的真正爆發(fā)，離不開(kāi)芯片產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定與繁榮。

沒(méi)有芯片，寸步難行，這么說(shuō)一點(diǎn)也不為過(guò)。作為一項(xiàng)高精尖技術(shù)，芯片從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，都是由少數(shù)企業(yè)掌控的。對(duì)于這樣一個(gè)典型的金字塔結(jié)構(gòu)的業(yè)態(tài)，上游的一絲波動(dòng)，便會(huì)制造出一串大大的漣漪，直接波及終端消費(fèi)者。

那么，為什么說(shuō)芯片難關(guān)不破，物聯(lián)網(wǎng)難以真正爆發(fā)？

1.

無(wú)處不在的芯片

以智能家居為代表的物聯(lián)網(wǎng)，要想實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，是離不開(kāi)芯片的。我們知道手機(jī)、平板、電腦等終端設(shè)備，都有CPU這種芯片（目前多以SoC的形式存在）。其實(shí)，我們?nèi)粘Ｉ钪袩o(wú)處不在的各種電器、硬件和智能終端，都是靠芯片實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)功能的。計(jì)算器、各種儀表、CD機(jī)甚至兒童玩具中，都有芯片的存在。

這些我們賴以生存的芯片，叫做MCU，也就是微控制器。你周圍的任何一個(gè)電子設(shè)備中，包括汽車、遙控器、打印機(jī)等看似沒(méi)有智能屬性的東西，都存在很多MCU。汽車中的MCU甚至有數(shù)百上千之多。

MCU是具備計(jì)算能力的，只是它跟我們認(rèn)知的CPU不太一樣，可以簡(jiǎn)單認(rèn)為是一個(gè)精簡(jiǎn)版的CPU。MCU跟CPU一樣，也存在一個(gè)叫做指令集的東西，也需要借助C語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。跟CPU行業(yè)一樣，MCU中的運(yùn)算核心，也是掌握在英特爾和ARM兩家公司手中。

英特爾開(kāi)發(fā)的8051指令集和ARM的Cortex-M0指令集系統(tǒng)，至今都主導(dǎo)著MCU的開(kāi)發(fā)工作。前者是CISC復(fù)雜指令集，后者是RISC精簡(jiǎn)指令集。為什么這個(gè)行業(yè)是高度壟斷的呢？

這是因?yàn)?，CPU作為一個(gè)處理器，它本身是大量晶體管以及其他電子元器件組成的硬件載體。要用它來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，需要讓設(shè)備認(rèn)識(shí)到這個(gè)處理器的存在，并能在其上面運(yùn)行操作系統(tǒng)或者軟件。我們以較為通俗的電腦CPU為例說(shuō)明。

首先你要知道，軟件的開(kāi)發(fā)者，是需要面向CPU開(kāi)發(fā)的。因?yàn)镃PU是提供運(yùn)算的，你的軟件要想調(diào)用CPU的算力，必須讓CPU能夠理解你。所以，軟件在封裝的時(shí)候，都會(huì)編譯成機(jī)器語(yǔ)言，即0和1，這是CPU唯一認(rèn)識(shí)的語(yǔ)言。而每個(gè)CPU的語(yǔ)言體系是不一樣的。

那么問(wèn)題來(lái)了，CPU的架構(gòu)那么多，制造商那么多，我難道要針對(duì)每個(gè)CPU做一個(gè)版本嗎？顯然是不用的。你只需要針對(duì)指令集做開(kāi)發(fā)即可。比如在電腦CPU中，X86和X64就是兩種指令集，它們的區(qū)別在于一個(gè)是32位一個(gè)是64位。所以像是Windows系統(tǒng)，或者一些應(yīng)用軟件，都會(huì)區(qū)分X86或X64兩種版本。那么在移動(dòng)端，就開(kāi)發(fā)面向ARM指令集的軟件。

由此可見(jiàn)，指令集是一個(gè)非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。它作為處理器的虛擬層，可以提供通用的開(kāi)發(fā)環(huán)境，讓一個(gè)軟件，可以運(yùn)行在采用該指令集的成千上萬(wàn)臺(tái)不同類型的設(shè)備上。

而在物聯(lián)網(wǎng)這一端，我們面對(duì)的就是英特爾的8051和ARM的Cortex-M0。這兩種指令集系統(tǒng)已經(jīng)有近半個(gè)世紀(jì)的歷史，演化出了各種版本，但歸根結(jié)底，我們做芯片，都繞不開(kāi)這兩個(gè)東西，而且需要很高的授權(quán)費(fèi)。

那么有沒(méi)有替代方案呢？有，RISC-V，一個(gè)開(kāi)放的指令集，不要任何授權(quán)，且不受發(fā)達(dá)國(guó)家的進(jìn)出口管制（芯片成品會(huì)有管制）。所以國(guó)內(nèi)很多企業(yè)，華為、中興、紫光、阿里等，都開(kāi)始聚焦RISC-V處理器的研發(fā)，比如阿里平頭哥的玄鐵處理器，就是基于RISC-V的。

然而，RISC-V并沒(méi)有解決所有問(wèn)題。

2.
芯片短缺是誰(shuí)的問(wèn)題？

我們?cè)賮?lái)談當(dāng)前的芯片短缺問(wèn)題。芯片為什么會(huì)短缺，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是三方面的原因：

第一，由于當(dāng)前國(guó)際形勢(shì)的影響，芯片關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能上不來(lái)。這是直接原因。這導(dǎo)致了下游的大廠瘋狂囤積芯片，進(jìn)一步加劇了芯片供應(yīng)的吃緊。

第二，代工廠，或者說(shuō)晶圓廠，為了追求高利潤(rùn)，把產(chǎn)能向高端處理器傾斜。比如從8寸晶圓向12寸晶圓傾斜，而前者通常是用來(lái)制造28nm及以上制程的中低端芯片的基材，比如各種MCU。占據(jù)芯片采購(gòu)40%份額的汽車產(chǎn)業(yè)，以及一些低端消費(fèi)電子產(chǎn)品、各類電器設(shè)備，都依賴于8寸晶圓產(chǎn)線。

第三，整個(gè)芯片產(chǎn)業(yè)鏈的全球布局是失衡的，雖然很多國(guó)家都可以設(shè)計(jì)芯片，但芯片的生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)基地，存在于局部地區(qū)。比如中國(guó)臺(tái)灣、馬來(lái)西亞、菲律賓等地是芯片代工重鎮(zhèn)，近年來(lái)因自然災(zāi)害導(dǎo)致了一定程度減產(chǎn)。

由此可見(jiàn)，芯片短缺既有不可抗力，也有市場(chǎng)化的因素存在。而為了應(yīng)對(duì)芯片短缺，很多下游的大廠加大了芯片代工的訂單，做好戰(zhàn)略儲(chǔ)備。為什么芯片短缺影響了汽車行業(yè)，但手機(jī)、平板和電腦的影響卻不是特別大，就是因?yàn)镸CU芯片受到了更大的影響。據(jù)光刻機(jī)制造商ASML的CEO透露，目前有的公司甚至采購(gòu)大量洗衣機(jī)拆解其中的芯片用于自己的產(chǎn)品。而洗衣機(jī)中就有若干MCU。

長(zhǎng)期來(lái)看，隨著產(chǎn)能的緩和和市場(chǎng)的自我調(diào)節(jié)，芯片短缺是可以得到有效解決的。目前很多行業(yè)，比如智能家電行業(yè)也展開(kāi)了自救：通過(guò)OpenCPU技術(shù)的運(yùn)用，減少算力冗余，讓一個(gè)芯片模組承擔(dān)更多的職能，從而減少對(duì)芯片數(shù)量的依賴。

這種方法，是通過(guò)軟件的形式應(yīng)對(duì)芯片短缺的問(wèn)題。它具備一定的適用性，但也無(wú)法徹底解決問(wèn)題。但長(zhǎng)期來(lái)看，OpenCPU這類技術(shù)對(duì)于降本增效，還是有顯著作用的。這次芯片短缺，可能會(huì)讓更多的下游廠商重新思考PCB的設(shè)計(jì)，盡可能讓少量芯片發(fā)揮更多的價(jià)值。

而隨著邊緣計(jì)算的興起，很多用戶場(chǎng)景要求電器設(shè)備具有更強(qiáng)的本地化運(yùn)算能力。這將推動(dòng)MCU往高位數(shù)（比如32位）、集成化角度發(fā)展。電器、智能硬件等將搭載集通信、數(shù)據(jù)處理和邏輯運(yùn)算等多元一體的芯片載體。

這對(duì)于晶圓廠來(lái)說(shuō)是有利的。

3.
物聯(lián)網(wǎng)的終局競(jìng)爭(zhēng)是芯片

前文的鋪墊，讓我們意識(shí)到一個(gè)問(wèn)題，那就是看似普通的芯片，其實(shí)制約著整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。核心技術(shù)都掌握在少數(shù)企業(yè)手里，而未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)要全面建成，需要的芯片數(shù)量是以萬(wàn)億計(jì)算的。

設(shè)想一下，僅僅是一個(gè)普通的智能家居系統(tǒng)，就需要數(shù)百個(gè)MCU的支持。如果不克服短板，那么我們的物聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是被牽著鼻子走。而一個(gè)行業(yè)的繁榮，離不開(kāi)底層技術(shù)的多元化發(fā)展。

指令集方面，開(kāi)放的RISC-V已經(jīng)成為當(dāng)前的主流替代方案，可以讓很多企業(yè)繞開(kāi)英特爾和ARM的壟斷。而中國(guó)企業(yè)在RISC-V的研究與完善上，也扮演了非常重要的角色。RISC-V產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟中，數(shù)量最多的是中國(guó)企業(yè)，19家高級(jí)會(huì)員企業(yè)中有12家來(lái)自中國(guó)（包括中國(guó)臺(tái)灣的企業(yè)）。

芯片是中國(guó)大陸第一大進(jìn)口商品。根據(jù)中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)公開(kāi)的數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)芯片的自給率只有26.6%，其中汽車芯片的自給率更是低至5%。2021年，中國(guó)大陸進(jìn)口芯片4325.54億美元（約2.8萬(wàn)億）左右，同比增長(zhǎng)23.59%；而進(jìn)口芯片個(gè)數(shù)達(dá)到了6354.8億個(gè)，同比增長(zhǎng)16.92%。

這說(shuō)明，無(wú)處不在的芯片，其國(guó)產(chǎn)化率還非常低，依然依賴進(jìn)口。而對(duì)于RISC-V的探索，能在一定程度上幫我們緩解進(jìn)口壓力，發(fā)展出相對(duì)獨(dú)立的芯片研發(fā)路線。尤其是對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，RISC-V將發(fā)揮不可估量的商業(yè)價(jià)值。

由于物聯(lián)網(wǎng)采用的MCU相比電腦和手機(jī)的CPU，其對(duì)位數(shù)、制程和頻率的要求低了很多，所以是芯片國(guó)產(chǎn)化的中流砥柱。MCU產(chǎn)業(yè)的高度成熟和國(guó)產(chǎn)化，是物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)步的必要條件；而反過(guò)來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)的高需求量，也能在很大程度上帶動(dòng)MCU產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

與汽車零部件一樣，國(guó)產(chǎn)率提升帶來(lái)的直接好處是，成本的降低和利潤(rùn)空間的增加。物聯(lián)網(wǎng)也是一樣的道理。作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)設(shè)施，MCU的國(guó)產(chǎn)化率，也直接影響了成本和利潤(rùn)。而MCU性能的提升，能耗的降低，則是產(chǎn)品層面制約企業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ暮诵囊蛩亍?/p>

在RISC-V推行后，國(guó)內(nèi)企業(yè)有機(jī)會(huì)擺脫英特爾和ARM的技術(shù)限制，在開(kāi)發(fā)層面擁有了更大的自由度。通用型的芯片，有望快速向?qū)Ｓ眯托酒D(zhuǎn)化。

物聯(lián)網(wǎng)的終局是計(jì)算，而終局的競(jìng)爭(zhēng)就是芯片的競(jìng)爭(zhēng)。對(duì)于芯片設(shè)計(jì)廠家、生產(chǎn)廠家、模組廠家來(lái)說(shuō)，如何讓MCU發(fā)揮更大的效能，提供更強(qiáng)的計(jì)算能力，同時(shí)有效降低成本，是一個(gè)非?，F(xiàn)實(shí)且有意義的課題。

可以說(shuō)，誰(shuí)能吃透芯片，誰(shuí)就能主導(dǎo)物聯(lián)網(wǎng)。

結(jié)語(yǔ)

最后再講一點(diǎn)：在CPU領(lǐng)域，除了光刻機(jī)外，其實(shí)芯片的設(shè)計(jì)流程也需要進(jìn)一步國(guó)產(chǎn)化。這就是設(shè)計(jì)芯片的EDA軟件。

EDA軟件市場(chǎng)基本被Cadence、Synopsys、Mentor這三家美國(guó)公司所壟斷。這三家公司在中國(guó)大陸的市場(chǎng)份額占到了95%以上。所以，芯片的真正自給自足，除了指令集和生產(chǎn)線，芯片的設(shè)計(jì)端也需要進(jìn)一步掌握在自己手中。

由此可見(jiàn)，任重而道遠(yuǎn)。