作者|布斯
编辑|小木
出品|智娜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，却少有清晰的认知。“智纳”作为AIoT行业媒体，长期关注芯片行业的现状和趋势，试图从物联网的角度抽象出一些核心观点。在本文中，我们将从智能家居的角度来谈谈芯片。
自2021年以来，芯片的短缺极大地影响了国内电子行业的正常运转。除了众所周知的汽车行业受到影响，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，芯片是物联网的基础设施，物联网的真正爆发离不开芯片行业的稳定和繁荣。
毫不夸张的说，没有芯片就走不了路。芯片作为一项尖端技术，从设计到生产都被少数企业控制。对于这样一个典型的金字塔业态来说，上游的一点波动都会造成一系列的大涟漪，直接影响到终端消费者。
那么，为什么说芯片难破，物联网难真正爆发呢？
1.
无处不在的芯片
以智能家居为代表的物联网，没有芯片就无法互联。我们知道手机、平板、电脑等终端设备都有CPU芯片。实际上，我们日常生活中无处不在的各种电器、硬件、智能终端都是依靠芯片来实现基本功能的。计算器、各种仪器、CD机甚至儿童玩具中都有芯片。
我们赖以生存的这些芯片叫做MCU，也就是微控制器。你身边的任何电子设备都有很多MCU，包括汽车、遥控器、打印机等看似智能的东西。汽车里甚至有成百上千个单片机。
MCU是有计算能力的，但是和我们认知的CPU不一样，可以简单的看成是CPU的简化版。就像CPU一样，MCU有个东西叫指令集，需要用C语言或者汇编语言开发。和CPU行业一样，MCU的计算核心掌握在Intel和ARM手中。
Intel的8051指令集和ARM的Cortex-M0指令集系统主导了MCU的发展。前者是CISC复杂指令集，后者是RISC精简指令集。为什么这个行业高度垄断？
这是因为，作为处理器，CPU本身就是由大量晶体管和其他电子元件组成的硬件载体。要使用它进行计算，设备必须识别该处理器的存在，并在其上运行操作系统或软件。我们以现在流行的电脑CPU为例。
首先你要知道软件开发者需要为CPU开发。因为CPU提供运算，你的软件要想调用CPU的计算能力，就必须让CPU理解你。所以软件打包的时候会被编译成机器语言，即0和1，这是CPU唯一知道的语言。而且每个CPU的语言系统都不一样。
那么问题来了。CPU架构和厂商那么多。我必须为每个CPU制作一个版本吗？显然没必要。你只需要开发指令集。例如，在计算机CPU中，X86和X64是两个指令集。两者的区别在于一个是32位，一个是64位。所以Windows系统，或者一些应用软件，可以区分X86和X64版本。然后在移动端，会开发面向ARM指令集的软件。
因此，指令集是一个非常关键的环节。作为处理器的虚拟层，它可以提供一个通用的开发环境，这样一个软件就可以使用这个指令集在数千种不同类型的设备上运行。
在物联网的这一端，我们面对的是英特尔的8051和ARM的Cortex-M0。这两个指令集体系已经有近半个世纪的历史，也演变出了各种版本，但归根结底，我们做芯片绕不开这两个东西，需要高额的授权费。
那么有替代方案吗？是的，RISC-V是一个开放指令集，不需要任何授权，不受发达国家的进出口管制。因此，很多国内企业，如华为、中兴、紫光、阿里等。，已经开始专注于RISC-V处理器的研发。比如阿里平头的铁铉处理器就是基于RISC-V的
然而，RISC-V并不能解决所有问题。
2.筹码短缺是谁的问题？
先说目前芯片短缺的情况。简单来说，芯片短缺有三个原因:
第一，受当前国际形势影响，芯片相关产业产能上不来了。这是直接原因。这导致下游大厂疯狂囤积芯片，进一步加剧了芯片供应紧张。
第二，代工厂，或晶圆厂，为了追求高利润，将产能向高端处理器倾斜。比如从8寸晶圆向12寸晶圆倾斜，而前者通常作为制造28nm及以上工艺低端芯片的基板，比如各种MCU。占芯片采购40%的汽车行业，以及一些低端消费电子和各种电器设备，都依赖于8英寸晶圆生产线。
第三，整个芯片产业链的全球布局不平衡。虽然很多国家都可以设计芯片，但是芯片的生产设备和生产基地在一些地区是存在的。比如中国台湾省、马来西亚、菲律宾等地都是芯片的主要代工城市。近年来，自然灾害导致了一定程度的减产。
可见，筹码短缺既有不可抗力的因素，也有市场化的因素。为了应对芯片短缺，很多下游厂商都加大了芯片代工订单，进行战略储备。为什么芯片短缺影响到汽车行业，而手机、平板、电脑的影响不是特别大，还是因为MCU芯片受影响比较大。据光刻机制造商ASML的首席执行官称，一些公司甚至购买大量洗衣机来拆卸自己产品的芯片。洗衣机里有几个单片机。
长期来看，随着产能的缓解和市场的自我调节，芯片的短缺是可以有效解决的。目前很多行业，比如智能家电行业，也推出了自救:通过OpenCPU技术的应用，减少了计算能力的冗余，一个芯片模块可以承担更多的功能，从而减少对芯片数量的依赖。
这种方法是以软件的形式来处理芯片不足的问题。有一定的适用性，但不能完全解决问题。然而，从长远来看，OpenCPU等技术仍然可以在降低成本和提高效率方面发挥重要作用。这种芯片的短缺可能会让更多的下游厂商重新思考PCB的设计，尽可能让少量的芯片发挥更多的价值。
随着边缘计算的兴起，很多用户场景要求电器设备具备更强的本地化计算能力。这将促进单片机向高数字和集成化的角度发展。电器、智能硬件等。将配备集成通信、数据处理和逻辑运算的芯片载体。
这对晶圆厂是有利的。
3.物联网最终竞争的是芯片。
上面的铺垫让我们意识到一个问题，看似普通的芯片，其实制约着整个物联网的发展。核心技术掌握在少数企业手中，未来要全面建成物联网，需要的芯片数以万亿计算。
想象一下，仅仅是一个普通的智能家居系统，就需要上百个MCU的支持。如果不克服缺点，那么我们的物联网本质上就是被牵着鼻子走。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已经成为主流替代，可以让很多企业绕开Intel和ARM的垄断。中国企业在RISC-V的研究和改进中也发挥了非常重要的作用，在RISC-V产业联盟中，数量最多的是中国企业，19家高级成员企业中有12家来自中国。
薯片是中国大陆最大的进口商品。根据中国半导体行业协会公布的数据，国产芯片自给率仅为26.6%，其中汽车芯片自给率低至5%。2021年，中国大陆进口芯片4325.54亿美元，同比增长23.59%；进口芯片数量达到6354.8亿片，同比增长16.92%。
这说明无处不在的芯片国产化率还是很低，还是依赖进口。RISC-V的探索可以帮助我们在一定程度上缓解进口压力，发展相对独立的芯片研发路线。尤其是对于物联网，RISC-V将发挥不可估量的商业价值。
相比电脑和手机的CPU，物联网使用的MCU对位数、工艺、频率的要求要低很多，所以是芯片国产化的中流砥柱。MCU产业的高度成熟和本地化是物联网进步的必要条件。另一方面，物联网的高需求也能在很大程度上促进MCU产业的发展。
和汽车零部件一样，国产率提高带来的直接好处是成本的降低和利润的增加空。物联网也是如此。作为物联网的基础设施，MCU的国产化率也直接影响着成本和利润。MCU性能的提升和能耗的降低是产品层面制约企业发展潜力的核心因素。
RISC-V实施后，国内企业有机会摆脱Intel和ARM的技术限制，有更大的发展自由度。通用芯片有望快速向专用芯片转型。
物联网的终点是计算，最终的竞争是芯片的竞争。对于芯片设计者、制造商和模块制造商来说，如何让MCU发挥更大的效率，提供更强的计算能力，有效降低成本，是一个非常现实且有意义的课题。
可以说，谁能彻底理解芯片，谁就能主宰物联网。
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最后，在CPU领域，除了光刻机，芯片的设计工艺也需要进一步本土化。这是设计芯片的EDA软件。
EDA软件市场基本被Cadence、Synopsys、Mentor垄断。这三家公司在中国大陆的市场份额超过95%。所以要真正做到自给自足，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里。
可见任重道远。
