作者|布斯

編輯|小沐

出品|智哪兒 zhinaer.cn

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

2021年以來，芯片短缺已經(jīng)較大程度影響了國內(nèi)電子工業(yè)的正常運行。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，芯片就是物聯(lián)網(wǎng)的基礎設施，物聯(lián)網(wǎng)的真正爆發(fā)，離不開芯片產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定與繁榮。

沒有芯片，寸步難行，這么說一點也不為過。作為一項高精尖技術，芯片從設計到生產(chǎn)，都是由少數(shù)企業(yè)掌控的。對于這樣一個典型的金字塔結構的業(yè)態(tài)，上游的一絲波動，便會制造出一串大大的漣漪，直接波及終端消費者。

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

1.

無處不在的芯片

以智能家居為代表的物聯(lián)網(wǎng)，要想實現(xiàn)互聯(lián)互通，是離不開芯片的。我們知道手機、平板、電腦等終端設備，都有CPU這種芯片（目前多以SoC的形式存在）。其實，我們?nèi)粘Ｉ钪袩o處不在的各種電器、硬件和智能終端，都是靠芯片實現(xiàn)基礎功能的。計算器、各種儀表、CD機甚至兒童玩具中，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。你周圍的任何一個電子設備中，包括汽車、遙控器、打印機等看似沒有智能屬性的東西，都存在很多MCU。汽車中的MCU甚至有數(shù)百上千之多。

MCU是具備計算能力的，只是它跟我們認知的CPU不太一樣，可以簡單認為是一個精簡版的CPU。MCU跟CPU一樣，也存在一個叫做指令集的東西，也需要借助C語言或匯編語言開發(fā)。跟CPU行業(yè)一樣，MCU中的運算核心，也是掌握在英特爾和ARM兩家公司手中。

英特爾開發(fā)的8051指令集和ARM的Cortex-M0指令集系統(tǒng)，至今都主導著MCU的開發(fā)工作。前者是CISC復雜指令集，后者是RISC精簡指令集。為什么這個行業(yè)是高度壟斷的呢？

這是因為，CPU作為一個處理器，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。要用它來實現(xiàn)運算，需要讓設備認識到這個處理器的存在，并能在其上面運行操作系統(tǒng)或者軟件。我們以較為通俗的電腦CPU為例說明。

首先你要知道，軟件的開發(fā)者，是需要面向CPU開發(fā)的。因為CPU是提供運算的，你的軟件要想調(diào)用CPU的算力，必須讓CPU能夠理解你。所以，軟件在封裝的時候，都會編譯成機器語言，即0和1，這是CPU唯一認識的語言。而每個CPU的語言體系是不一樣的。

那么問題來了，CPU的架構那么多，制造商那么多，我難道要針對每個CPU做一個版本嗎？顯然是不用的。你只需要針對指令集做開發(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)別在于一個是32位一個是64位。所以像是Windows系統(tǒng)，或者一些應用軟件，都會區(qū)分X86或X64兩種版本。那么在移動端，就開發(fā)面向ARM指令集的軟件。

由此可見，指令集是一個非常關鍵的環(huán)節(jié)。它作為處理器的虛擬層，可以提供通用的開發(fā)環(huán)境，讓一個軟件，可以運行在采用該指令集的成千上萬臺不同類型的設備上。

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

那么有沒有替代方案呢？有，RISC-V，一個開放的指令集，不要任何授權，且不受發(fā)達國家的進出口管制（芯片成品會有管制）。所以國內(nèi)很多企業(yè)，華為、中興、紫光、阿里等，都開始聚焦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并沒有解決所有問題。

2.
芯片短缺是誰的問題？

我們再來談當前的芯片短缺問題。芯片為什么會短缺，簡單來說是三方面的原因：

第一，由于當前國際形勢的影響，芯片關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能上不來。這是直接原因。這導致了下游的大廠瘋狂囤積芯片，進一步加劇了芯片供應的吃緊。

第二，代工廠，或者說晶圓廠，為了追求高利潤，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40%份額的汽車產(chǎn)業(yè)，以及一些低端消費電子產(chǎn)品、各類電器設備，都依賴于8寸晶圓產(chǎn)線。

第三，整個芯片產(chǎn)業(yè)鏈的全球布局是失衡的，雖然很多國家都可以設計芯片，但芯片的生產(chǎn)設備和生產(chǎn)基地，存在于局部地區(qū)。比如中國臺灣、馬來西亞、菲律賓等地是芯片代工重鎮(zhèn)，近年來因自然災害導致了一定程度減產(chǎn)。

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

長期來看，隨著產(chǎn)能的緩和和市場的自我調(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)也展開了自救：通過OpenCPU技術的運用，減少算力冗余，讓一個芯片模組承擔更多的職能，從而減少對芯片數(shù)量的依賴。

這種方法，是通過軟件的形式應對芯片短缺的問題。它具備一定的適用性，但也無法徹底解決問題。但長期來看，OpenCPU這類技術對于降本增效，還是有顯著作用的。這次芯片短缺，可能會讓更多的下游廠商重新思考PCB的設計，盡可能讓少量芯片發(fā)揮更多的價值。

而隨著邊緣計算的興起，很多用戶場景要求電器設備具有更強的本地化運算能力。這將推動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)處理和邏輯運算等多元一體的芯片載體。

這對于晶圓廠來說是有利的。

3.
物聯(lián)網(wǎng)的終局競爭是芯片

前文的鋪墊，讓我們意識到一個問題，那就是看似普通的芯片，其實制約著整個物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。核心技術都掌握在少數(shù)企業(yè)手里，而未來物聯(lián)網(wǎng)要全面建成，需要的芯片數(shù)量是以萬億計算的。

設想一下，僅僅是一個普通的智能家居系統(tǒng)，就需要數(shù)百個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。而一個行業(yè)的繁榮，離不開底層技術的多元化發(fā)展。

指令集方面，開放的RISC-V已經(jīng)成為當前的主流替代方案，可以讓很多企業(yè)繞開英特爾和ARM的壟斷。而中國企業(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)量最多的是中國企業(yè)，19家高級會員企業(yè)中有12家來自中國（包括中國臺灣的企業(yè)）。

芯片是中國大陸第一大進口商品。根據(jù)中國半導體行業(yè)協(xié)會公開的數(shù)據(jù)顯示，國內(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，中國大陸進口芯片4325.54億美元（約2.8萬億）左右，同比增長23.59%；而進口芯片個數(shù)達到了6354.8億個，同比增長16.92%。

這說明，無處不在的芯片，其國產(chǎn)化率還非常低，依然依賴進口。而對于RISC-V的探索，能在一定程度上幫我們緩解進口壓力，發(fā)展出相對獨立的芯片研發(fā)路線。尤其是對于物聯(lián)網(wǎng)領域，RISC-V將發(fā)揮不可估量的商業(yè)價值。

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

與汽車零部件一樣，國產(chǎn)率提升帶來的直接好處是，成本的降低和利潤空間的增加。物聯(lián)網(wǎng)也是一樣的道理。作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎設施，MCU的國產(chǎn)化率，也直接影響了成本和利潤。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，國內(nèi)企業(yè)有機會擺脫英特爾和ARM的技術限制，在開發(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化。

物聯(lián)網(wǎng)的終局是計算，而終局的競爭就是芯片的競爭。對于芯片設計廠家、生產(chǎn)廠家、模組廠家來說，如何讓MCU發(fā)揮更大的效能，提供更強的計算能力，同時有效降低成本，是一個非?，F(xiàn)實且有意義的課題。

可以說，誰能吃透芯片，誰就能主導物聯(lián)網(wǎng)。

結語

最后再講一點：在CPU領域，除了光刻機外，其實芯片的設計流程也需要進一步國產(chǎn)化。這就是設計芯片的EDA軟件。

EDA軟件市場基本被Cadence、Synopsys、Mentor這三家美國公司所壟斷。這三家公司在中國大陸的市場份額占到了95%以上。所以，芯片的真正自給自足，除了指令集和生產(chǎn)線，芯片的設計端也需要進一步掌握在自己手中。

由此可見，任重而道遠。