智能硬件市场起飞 IC厂商准备好了吗?
作为被寄予厚望的新兴产业，智慧硬体涵盖了可穿戴设备、智慧家庭、安全监控与医疗健康等在内的物联网(IoT)各大重点领域。得益于3D列印以及集资平台、巨量资料云端平台的兴起，智慧硬体从产品的设计、研发到生产制造、销售与服务都与传统的硬体制造业产生了泾渭分明的区隔。
如果说2013年还处于智慧硬体概念刚刚兴起阶段，那么2014年上游供应链厂商已纷纷觉醒，将智慧硬体领域看成智慧型手机后下一个即将爆发的巨大市场。创新工场(Innovation Works)创办人、董事长兼执行长李开复日前就表示，未来5年，包括PC、手机、平板电脑、可穿戴设备，以及连网的电视、汽车、智慧家庭等加起来的智慧设备将达到400亿台，这个数目将远远超越目前的60亿台行动设备。
种种迹象显示，2015年将成为智慧硬体的爆发之年，而创投业者也开始对智慧硬体的上游供应链表现出浓厚的兴趣。春江水暖鸭先知，作为产业链上游的半导体公司对此最敏感也最先行动起来，纷纷调整组织结构，推出了相关产品，其中不乏过去专注于嵌入式领域的晶片厂商。而更上游的晶片代工厂商也针对该领域推出具有针对性的制程和技术。
各大半导体厂商纷纷布局
在过去的一年来，几乎每一家公司都宣称进军物联网领域，开辟智慧硬体业务。据瞭解，高通(Qualcomm)已针对全球超过20个国家推出了15款物联网设备，包括眼镜、宝宝监视器与智慧手表等。台湾联发科技也计划在2015年举办针对智慧家庭和穿戴设备的产业链大会。
2010年，英特尔(Intel)成立了线上业务部，希望藉由网际网路的形式建构一种快速、便捷的智慧硬体支援服务平台，针对从智慧硬体计划研究到量产的各阶段提供相关技术支援与服务。在2013年，英特尔还推出了Edison运算平台，致力于协助开发商克服技术难关。在2015年的CES上，英特尔发布了英特尔Curie模组，这是一款瞄准可穿戴式解决方案且尺寸仅钮扣大小的硬体产品，拥有包括低功耗蓝牙、电池充电电路与感测器等技术，适用于各种不同类型的装置，产品预计将在下半年上市。
Marvell也早在几年前开始布局物联网领域，不但成为苹果HomeKit合作夥伴，其高性价比EZ-Connect IoT平台和无线控制器更在全球无数的智慧硬体和连网装置中得到应用，包括业界领先的智慧家庭、可穿戴装置开发商也已经或即将推出基于Marvell平台方案的创新产品。
Marvell技术方案支援总监孟树表示，Marvell在2014年成立了物联网部门，涵盖机上盒、电视、智慧家庭等产品线。“智慧家庭是我们发展的重点。Marvell已经进行了全线的布局。整个物联网部门从网路设备到网路核心元件都展开布局。在无线连接方面，基于WI-FI、蓝牙、Zigbee等三个方向都有自己的产品线，在技术方面更齐全，从微控制器(MCU)到无线都有，能提供非常全面的解决方案。”
孟树表示，尽管未展开大肆宣传，但其实Marvell已经悄悄布局完成，目前在智慧家庭领域，Marvell的市场占有率非常高。“智慧硬体方案在京东、小米的智慧装置中得到了广泛的使用。一些家电厂商也与我们积极合作，近期将陆续会有一些产品推出。”他同时特别提到在智慧照明领域，Marvell已经与欧司朗(Osram)、GE、贝尔金(Belkin)等厂商达成合作，出货已经达到了几百万。
针对物联网等领域提供半导体平台服务，瞄准以‘软体平台为服务’(SiPaaS)的芯原微电子(VeriSilicon)为客户提供客制化的智慧硬体平台、相关的IP授权以及ASIC客制与量产服务。芯原微电子销售副总裁王锐表示，芯原目前已针对该领域累积了丰富的MCU客制及周边类比、混合讯号IP平台、蓝牙/Wi-Fi/EDGE/LTE连线性IP平台、低功耗SoC设计与量产以及SiP设计、模拟与量产的经验，为客户提供完整的一站式设计与量产服务。
除了自行研发外，不少半导体厂商还透过收购的方式加强布局。2015年1月30日，芯科实验室(Sillicon Labs)收购短距离无线网路连结解决方案和物联网软体供应商Bluegiga Technologies，这项策略性的收购大幅扩展了Silicon Labs在物联网中无线网路硬体和软体的解决方案。
去年3月，Sillicon Labs还收购了加州Touchstone Semiconductor全系列产品与 IP，透过收购强化了Silicon Labs在物联网市场上的嵌入式产品阵容，包括节能MCU、无线产品和感测器。Silicon Labs亚太区资深现场市场经理陈雄基表示，目前公司重点布局智慧家庭和穿戴领域，并且已经和不少知名企业携手合作了。“Google之前收购的Nest内部温控器就采用我们的Zigbee晶片。”
爱特梅尔(Atmel)微控制器业务资深产品行销经理Andreas Eieland表示，Atmel为物联网打造的产品线包括BLE、Wi-Fi和802.15.4解决方案及Atmel|SMART系列低功耗、高性能、基于ARM架构的MCU产品。产品广泛适用于人机互动介面的高阶产品SAM Q5系列，以及具有内建电容器式触控感应、协议堆叠支援与加密功能的精巧SAM D系列产品。除了无线和MCU之外，Atmel还提供一系列硬体加密产品。“随着互连互通的日益普及，不仅是安全问题，隐私问题的重要性也与日俱增。使用Atmel系列产品，用户不仅可以得到互连体验，还能够在低功耗性能以及安全性方面得到更好的保障。”
对于低功耗性能，Atmel最近发布了SAM L21系列的Atmel|SMART，基于Cortex-M0+供电MCU。SAM L21系列最高可提供256kB快闪记忆体和32kB静态随机记忆体，启动模式仅耗能35uA/MHz， 而在休眠模式(关闭模式)大约耗能900nA。大容量快闪记忆体和静态随机记忆体以及超低耗电性能，将成为以电池驱动、执行大型(甚至多个)无线网路堆叠的应用不可或缺的功能。
产品定义方式改变
由于智慧硬体领域追求的并非更高性能，而是更低的功耗与成本，特别是针对可穿戴领域，更小的尺寸也非常重要。台积电(TSMC)中国区业务发展副总经理罗镇球表示，高度整合的制程可以进一步降低成本和尺寸。“我们现在做的事就是把功耗降下来，整合度做好，功能做强。”他表示，针对智慧硬体市场，超低功耗、特殊制程整合、先进封装三点缺一不可，台积电目前的智慧硬体产品涵盖RF、嵌入式、快闪记忆体、逻辑与感测器等领域，主要集中在28、44、55nm制程。
联华电子(UMC)副总经理王国雍表示，智慧硬体的产品定义方式也发生了变化，“有趣的是，我们第一次看到IC供应商在这个领域比较旁徨。”他表示，目前定义IC规格只有能够提供巨量资料的系统服务商才比较清楚，这对IC设计公司提出了更大的挑战。
罗镇球对此表示，未来5~10年，整个半导体的产业链垂直整合会越来越多。代工厂不仅要和IC设计公司或IDM沟通，还要跟系统厂以及甚至更下游的客户进行直接交流。Andreas Eieland也对此表示，为了适应物联网/智慧硬体产品快速发展的需求，Atmel正广泛与具备MEMS感测器和云端连接解决方案等互补型技术的企业展开合作，以确保概念和上市产品之间弥合鸿沟。
中芯国际(SMIC)市场部资深副总裁许天燊指出，过去针对手机领域，中国IC设计公司的设计订单(Design in)较少，原因是应用处理器(AP)和基频晶片都掌握在几家大型企业手中，原因在于这个领域需要追求先进制程的投入，如14nm与16nm。他认为，如今，智慧硬体带来可以‘弯道超车’的机会，就在于中国IC设计公司可以在成熟制程上下更多功夫，这点与国际大厂是站在同一起跑线上的。“智慧硬体的技术并不是新的，智慧型手机的各种技术和制程都可以拿来用。”
瓶颈与挑战：硬体设计与商业模式
尽管智慧硬体主要采用成熟制程，但是半导体厂商仍将面临巨大挑战。王国雍认为，目前包括指纹辨识、RF IC与电源管理晶片(PMIC)等都需要8寸产线，加上整个手机产业从3G转向4G，预计8寸厂产能不足的问题会越来越严重。“这是一个结构性的问题，我们从2013年开始发现这个趋势，越往下看发现情况越严重。”
为了因应产能不足的挑战，联电已经开始扩充8寸厂产能，中芯国际位于深圳的8寸晶圆厂日前也正式投产，这是中国华南地区第一条投产的8寸产线，预计将在2015年年底达到至少2万片/月产能，最终达到5万片/月产能规模。
除了面临产能不足的挑战，智慧硬体的设计也比过去更加复杂。英特尔中国区线上业务部总经理王稚聪表示：“以往厂商只需要考虑独立硬体系统的输入输出以及和环境与人之间的互动即可，而今任何一款硬体的首要考虑是一个独立设备如何和人与环境互动共存。此外还要思考和网际网路/云端是否能形成一个共同的商业模式。一切都得从整体去考虑在环境与场景中的情况。”他认为，由于消费者对产品外观具有很强烈的情感色彩，因此传统的硬体设计工程师必须携手专精于产品功能与外观设计的公司，才能呈现真正有魅力的产品。
从技术角度来看，目前智慧硬体的感测器也较专门且单纯。王稚聪表示：“例如医疗领域的感测器，在人体没有任何创伤的情况下，体表测量的讯号非常微弱，感测器必须具有特别精密的插分电路，在电路层中滤除杂讯，然后再转成数位讯号进行后期处理，但这种感测器的成本也比较高。以前这种类型的感测器主要提供给医院的仪器设备使用，但这种应用无法实现大量市场，比不上普通的消费性电子产品。”
此外，目前智慧硬体还缺乏产业链的合作以及灵活的商业模式。Andreas Eieland表示，目前智慧硬体最大的挑战在于如何轻松地开发复杂系统，将创意快速转换为产品。这也是为何许多智慧硬体投入市场还不到1年时间就已经过时的原因。Andreas Eieland认为，面对未来越来越灵活的硬体创新与业务模式，还有待全产业链共同去研究，推出真正有价值且有具体应用场合的产品。
智慧硬体发展方向：更佳感知与互连
展望未来，智慧硬体的产品型态与技术将呈现何种变化?王锐表示，智慧硬体将越来越倾向于表现‘感知与互连’的特色。硬体中将整合更多样的感测与定位(包括室内定位和室外定位)，透过无线连接，撷取智慧型手机或网际网路云端伺服器的强大软体处理性能，为使用者提供更丰富的体验和更便捷的服务。而智慧硬体的形态，也将呈现多样化和分散化的局面。
王稚聪则表示，2015年的智慧硬体产品发展将呈现四大趋势：首先，产品更贴近生活实际需求，更加简单且易用;第二：软硬结合更加彻底，体验更完整。越来越多的网际网路厂商可能进军智慧硬体领域，打造体验更丰富的‘软硬结合’产品;第三，人工智慧导入硬体实现真正的硬体智慧化;最后，硬体介面标准可能迈向统一，智慧硬体将成为标准化产品。
Andreas Eieland也表示，从2014年的发展来看，蓝牙低功耗(BLE)技术逐渐发酵，最大的变化在于业界对无线连接的标准以及不同平台间互通性的关注度不断提高。例如，Atmel在今年1月的CES展上推出SMART系列产品的蓝牙低功耗收发器，以因应BLE 4.1日益成长的需求。“智慧硬体要真正取得成功，今后的任务就在于解决智慧建筑物、产品规模与用电领域的挑战。Atmel计划透过针对Wi-Fi、蓝牙和802.15.4的Atmel|SMART系列MCU、RF收发机以及具备灵活性、可扩展性和相容性的单晶片来因应这一挑战。”
他认为，持续的产品整合、缩减尺寸和物料清单以及降低功耗是智慧硬体致胜的关键。扩大无线连线能力，以取代目前的有线自动化连接将是未来的一大发展趋势。“如同Atmel所展开的行动——确保所有产品实现较长的使用寿命，对于在拥有较长设计周期和认证以及高达10年或以上使用寿命的市场中取得成功至关重要。”
孟树认为，智慧硬体最重要的是云端和人的互动，未来半导体厂商需要尽可能的协助客户简化这三个要素之间的互动。“在互连互通上，我们希望透过完整的开发平台提供通用的标准，实现完美的云、人、端之间的互连与互动。”他重点介绍了该公司EZ-Connect IoT平台中的无线控制器晶片解决方案，即控制器+Wi-Fi+蓝牙+ZigBee的整合型技术，几乎涵盖了所有目前智慧家庭、可穿戴领域市场的主流无线通讯方法，为开发者提供更大的想像空间。
他认为，在智慧家庭领域，Wi-FI会是焦点，但并非无所不能。Wi-Fi虽然可以支援高频宽的应用，但相对的成本会比较高，功耗也比较高。相对于Wi-Fi而言，ZigBee较为标准化，虽然不同厂商之间的建置方案可能有所差异，但在Profile的定义上仍较完善。所以它更容易在一些特定领域，如智慧照明、LED照明方面开启更多应用，而且预计在未来1-2年看到爆发性的成长。“相较于Wi-Fi与蓝牙，ZigBee还有一个重要的优势，即支援网格(mesh)，组网能力更强，可支援多台设备或资讯接取节点，更适合未来家庭应用。”
智慧硬体的利基市场
由于智慧硬体涉及的范围广泛，产业细分和分散化较严重。对于半导体厂商来说，想要更有针对性地开发产品，就必须更准确地预测可能会爆发的应用市场。王稚聪更看好互补型的工业应用市场，如工业、医疗、健康与教育等。例如针对医疗领域，他认为目前的硬体和软体技术并不是问题所在，未来必须改善的是整体医疗服务体系的软环境。
Andreas Eieland则看好智慧照明、改善空调条件以及加强建筑物控制等。他同时认为，越来越多的小型企业将寻求与市场中大型厂商的相容性，从而进入相关市场以及整个产业生态系统，包括飞利浦(Philips)的Friends of Hue、苹果(Apple)的MFi认证、Google的Thread联盟、英特尔主导的开放互连联盟(OIC)、ARM针对IoT的mBed等。在此之前，小米(Mi)、三星(Samsung)和苹果已经从诺基亚(Nokia)、摩托罗拉(Motorola)、爱立信(Ericsson)、BlackBerry和Sony等手中陆续夺走了整个智慧型手机市场。其中，小米以及中国的网际网路公司正透过资本和联盟的方式大举进入智慧硬体领域。
Andreas Eieland表示，“历史将会重演，在硬体市场中取得成功的新一代企业将再次取代目前的大型企业，或者至少弥补其市场中的部份空白。”
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