新基建全稱“新型基礎設施建設”，2020年4月，在央視報道國家發改委首次明確了新基建的范圍后，這一概念受到了廣泛關注。

　　新基建主要包括信息基礎建設、融合基礎建設、創新基礎建設三方面內容，除了此前央視報道中覆蓋的7大領域：5G基建、特高壓、城際高鐵和城際軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網，還將衛星互聯網加入。

　　如果深入這些行業的核心，會發現集成電路產業雖然不是新基建領域之一，但卻是新基建基礎性和先導性的產業支撐。沒有集成電路，就沒有現代信息技術，也就無法實現兩者融合，新基建背景下蘊含著“芯基建”的無限機遇。

　　2020年，在疫情、貿易戰等因素影響下，半導體產業整體形勢不容樂觀；2021年，新基建能否帶來轉機？本期《電子工程專輯》雜志采訪了半導體行業內的多位專家，他們針對新基建各大領域對半導體和相關技術的需求發表了自己的看法，也讓我們對2021年的半導體剛需市場有了一個展望。

　　5G基建

　　自 2019 年工信部 5G 商用啟動以來，三大運營商在全國的基站建設腳步不斷加快，預計到2024年將建設554萬座。此外，終端市場進一步打開后，5G基帶芯片和射頻芯片等關鍵元器件的需求將大幅上升。

　　但是5G技術同樣為行業帶來了復雜性——頻譜擴展、高速度、高頻率、寬帶寬、低時延和高通道數，還要求降低尺寸、重量、功耗（SWaP）和成本并支持所有當前和新興的蜂窩標準。舉例來說，5G系統的工作頻率從低頻到100GHz，瞬時帶寬從20MHz 到 1GHz，功率放大器的平均輸出功率從幾瓦到幾十瓦。這些改變和要求，讓5G關鍵元件、新的軟件模式、網絡自優化、故障檢測和自我修復等功能、計算與交換功能擴展都成為未來的關注重點。

　　5G標準影響最大的是射頻（RF）領域，需要一系列更高性能的射頻器件來支持。Qorvo亞太區市場公關部經理漆惠（Fay Qi）認為，隨著5G大規模基礎建設的到來，射頻前端的各類半導體產品都會出現明顯的需求增長，包括功率放大器、濾波器、開關等等。

　　以RF濾波器這一類器件來舉例，作為5G的關鍵支持組件之一，在需求增長的同時，5G也對RF濾波器也提出了更高的要求。在5G中，它被要求在實現更強整體性能的同時，還要用更少的空間、更高的2級功率（PC2）標準來完成濾波工作。不僅尺寸成為制約因素，5G的高頻特性還影響了RFFE設計，需要增加額外頻譜。

　　“這些問題當然是挑戰也是機遇，讓我們很興奮。”漆惠說到，具有高Q（品質因數）、低雜散和陡峭帶緣等技術特性的體聲波（BAW）濾波器產品是5G系統需要的。此外滿足5G的2級功率要求還需要優異的熱性能，濾波器在寬溫范圍內工作時不能降低帶寬，才能有效利用額外的5G頻譜。“Qorvo的BAW具有垂直熱通量反射器，可讓熱量快速有效地從濾波器中消散。”BAW的拓撲結構提供了較低的電阻并防止了諧振器過熱，再加上頻移很小，這使它更適合因發射功率較高而易于自發熱的5G應用。

　　不僅是濾波器產品，由于能夠在5G sub-6GHz的頻率實現更高的數據容量、更廣的覆蓋范圍和室內滲透率，5G對于射頻前端領域的收發器解決方案、可用于大規模多輸入多輸出基站的波束成形技術都有更大的需求。

　　大多數通信設備制造商在壓力的驅使下，提高其系統的數據吞吐率和性能，以及添加更多的功能和特性，然而他們也面臨著降低系統總功耗和成本的壓力。要滿足這些需求，就要先了解終端用戶設備的功耗，通過恰當設計的數字電源管理系統（DPSM）可以向用戶提供功耗數據，幫助做出明智的能源管理決策。

　　ADI中國區工業市場總監蔡振宇認為，通信設備商需要一個強大的全新解決方案，既能支持新興寬帶應用，又能提供現有應用所需的高性能單一無線電平臺。“類似ADI的射頻收發器系列，以及一些高集成度的微波上變頻器和下變頻器。利用好這類新型器件的特性，有助于簡化設計并降低成本，加快大規模MIMO的上市時間。”

　　5G通信中，除了大家關注的基帶單元之外，還有被稱為“遠程無線電頭（RHH）”的單元，據羅姆半導體（深圳）有限公司技術中心高級經理蘇勇錦介紹，這種單元在每個基帶單元上都會附有幾個，負責轉換RF信號等。由于RRH中配備了大量通信用的陣列天線，因此用來放大功率的傳感器放大器，以及用來進行高級控制的電流檢測用分流電阻器等通用產品的需求日益增長。

　　電源技術在5G時代同樣面臨很大挑戰，尤其是新一代基站體積越來越小，帶寬越來越寬，功率越來越高，讓基帶單元對先進功率元器件和模擬元器件的需求與日俱增。盡管各國所使用的頻段各不相同，但與4G通信相比，5G通信通常是在高頻段進行的，因此業內正在研究能夠高效率且高頻工作的碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等寬禁帶半導體功率器件的應用。

　　另外在基帶單元設計中，通過優化電源設計來節能的做法正在增加。這是因為5G通信需要的基站數量比4G多，尤其需要減少基站外圍的功耗，一些好的設計方案也能夠改善供電。例如，由于拉線成本很高，以太網供電（Power over Ethernet, PoE）通過傳輸數據的網線來供電能節省大量成本，“PoE供電方案的功率可以從13W直到150W，普通小基站一根網線就能提供數據和電源傳輸的功能，同時PoE供電加上模塊設計，可以讓基站電源的設計更簡化。”蔡振宇舉例道，另外雙通道 50A 或單通道 100A 降壓型DC/DC 穩壓器，也能滿足小尺寸、大功率電源需求。

　　5G的普及，也將成為先進FPGA器件應用的強大驅動力。由于3GPP標準一直在演進，芯片開發的進度一般會滯后標準2年左右。為了在5G通信爭奪中保持領先，前期企業都需要在基站主板和外圍用到大量靈活的FPGA，以實現功能搶占上市先機，然后在升級中重復編程，規模化以后再用ASIC芯片替代，降低成本和開發風險。

　　在過去的15年中，FPGA已經成為移動基站的重要支撐技術，5G基站所需的數據處理能力遠遠高于之前。Achronix半導體公司亞太區總經理羅煒亮 （Eric Law）表示： “Speedster 7t系列FPGA帶有二維片上網絡（2D-NoC），就像一條高速公路橫跨在可編程邏輯架構和其他電路之上，總帶寬超過20Tbps。能幫助基站設計人員擁有更多的資源來處理大量的數據，從而實現5G的高速、低延遲和高可靠性等特點。”

　　5G基站中FPGA的用量相比4G設備超過1倍以上，但是中國目前在通信領域應用的FPGA芯片基本依賴進口。5G通信由于需要處理大量的計算，千萬門級高性能FPGA是一個門檻，目前國內僅紫光同創推出了自主產權2000千萬門級高性能FPGA。未來無線基帶處理、高速傳輸和交換、承載網和核心網業務處理等高端通信應用場景，還需要5000萬門級、乃至億門級自主產權超高性能FPGA，國產化替代空間巨大的同時，難度也非常大。

　　特高壓

　　隨著國家電網發布《2020年特高壓和跨省500千伏及以上交直流項目前期工作計劃》，明確了加速“5交5直”特高壓工程相關工作，特高壓輸變電網絡建設正在加速落地。不過在全球范圍來看，特高壓都是新產品，它不僅僅是一條輸送線路，還需要很多變電站（針對交流輸電）及換流站（針對直流輸電）來保證電壓等級的變換電力輸送的安全可靠，同時對不同類型的終端客戶做到按需分配電力及交直流的切換。作為技術上游，如何幫助沒有成熟運營經驗的中國電力運營商實現特高壓商業化，成為了半導體廠商們最關注的課題。

　　首先，各種設備和控制系統不能少，包括一次設備（直接連接高電壓大電流，如變壓器、開關和換流器等）和二次設備（用來監測和控制一次設備的智能控制設備）。一次設備更多的是金屬和絕緣材料，二次設備則提供了更多的智能選項。

　　在電力二次設備中，主要由智能感知技術來感知電壓電流及外部環境的變化，根據需求和具體的變化，再由控制技術完成對故障的切除及保護、電力運行的測量控制及保護、日常的維護及保養等工作。能夠精確地檢測到電壓電流的變化是整個控制及保護的關鍵，而對感知數據能及時做出判斷、并能快速發出控制指令的智能器件不可或缺。要把各類傳感信號和不同設備及電站的信號統一協調起來，對網絡及通信的要求也會越來越多，半導體技術在這里扮演了重要角色。

　　集成電路可以把模擬的電壓電流信號轉換成數字信號并進行調理，由微控制器（MCU）來完成邏輯判斷并發出控制命令，并能將各類收集整理好的信號輸送到其它設備中，由多種芯片組成的信號鏈可以滿足智能設備所有的功能要求。

　　相對于高電壓大電流的一次設備來講，二次智能設備會有更多的變化及快速的技術演進。例如對于電力設備的電壓電流檢測，傳感器通常采用電壓和電流互感器（PT/CT），信號調理從早期的運放加12位ADC，到信號調理集成加多通道同步采樣16位ADC，只用了幾年的時間，而且還一直在不停的演進中。

　　“目前ADI有多款ADC用在電力二次智能設備中，具備的多通道同步采樣、高輸入阻抗及內嵌信號調理、滿足單電源供電雙極性輸入、高轉換精度及更高的輸入電壓容忍度等特性，都是特高壓應用最需要的。”蔡振宇說到。

　　未來隨著集成電路精度、集成度、可靠性及兼容性變高，系統設計簡化，將促進特高壓技術的不斷完善，在安全可靠的同時也能更好地滿足未來的需求。

　　其實當前新基建中的新能源汽車充電樁、儲能、數據中心、高鐵和城市軌道交通等，都需要能源及電力系統強有力的支持，特高壓輸送的電力將會直接應用在這些領域。而這些領域對于半導體的需求同樣強烈，技術演進及安全可靠的要求同樣迫切。

　　在電能的輸送過程中，包括特高壓和未來的超高壓電纜都要翻山越嶺，經過許多移動通信網絡盲區，因此一些補齊“最后一公里”的廣域網技術得到了廣泛應用。比如“基于LoRa的故障指示器已經為全球許多地方的電網保駕護航。” Semtech中國區銷售副總裁黃旭東說到，“在電能的配送和消費使用中，LoRa也早已用于自動抄表、變壓器和充電樁等設備的監測上，包括各種電力資產追蹤管理等應用，中外廠商都開發了許多基于LoRa的傳感器和控制器。”

　　城際高速鐵路和城市軌道交通

　　電力牽引傳動系統是高鐵列車的動力之源，是動車組的“心臟”，其中的核心器件IGBT和MOSFET對技術、可靠性要求極高，也是構成高鐵牽引變流器以及輔助電源系統中恒壓恒頻逆變器的核心部件。

　　相比于MOSFET，IGBT 在軌交設備中的應用有著更長的歷史。早在上世紀80 年代，IGBT就被用于電動列車牽引變流器，以代替原先采用的晶閘管和一般二級晶體管。經過30 多年的發展，IGBT 工作電壓已從最初的1200V 左右擴展到了400-6500V 之間的各個層級，且未來都將固定在這一范圍之內。

　　高鐵及軌交牽引變流器使用的主要是工作電壓在4500V 以上的高端IGBT，技術在國外已經較為成熟。西門子、三菱、英飛凌、富士電機等國外廠商，以及國內的中車時代電氣均有能力制造工作電壓為6500V的IGBT;地鐵及輕軌主要采用3300V的IGBT，上述國外企業以及中國的中車時代電氣、比亞迪、嘉興斯達和南京銀茂等企業均有能力供應。

　　在特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通這三種電力設施中，都需要3.5kV～6kV的功率元器件。IGBT短期內仍是主流，但即將逼近硅基材料的性能極限，人們對采用SiC來實現節能和小型化寄以厚望。蘇勇錦表示：“ROHM目前重點發展的SiC產品適用于1000V級車載和工業設備應用。作為長期生產模擬IC產品的制造商，不僅提供SiC單品，還可以配套提供電源和模擬相結合的解決方案。” 雖然不是主電源，但在上述領域的輔助電源應用中已經開始采用SiC。

　　關于另一種迅速崛起的寬禁帶半導體GaN，ROHM認為在耐壓100V～600V左右的范圍有望普及。其應用包括耐壓600V的車載充電器，耐壓100V的48V服務器以及車載電源領域。“ROHM目前正在面向這些領域開發GaN產品。” 蘇勇錦說到，GaN的某些性質只有在高頻下才會發揮出其優點，因此GaN器件的驅動變得非常重要，“我們在開發用于驅動GaN的驅動器，并且通過將LSI驅動器和GaN配套發布，與僅開發GaN器件的同行業公司相比實現差別化。”

　　新能源汽車充電樁

　　隨著中國新能源汽車的銷量迅速增長，為下游市場帶來了大量需求，其中最大需求就是充電樁。直流充電樁一般由通信模塊、開關電源模塊及控制模塊等構成，開關電源模塊占充電樁建造成本的50%左右，其中硅基MOSFET和IGBT 是核心器件。近年來隨著SiC、GaN等寬禁帶半導體功率器件技術成熟、成本降低，下游整車廠商開始大量采用，相信不久也會全面滲透到充電樁市場，在提升輸出功率的同時縮小設施體積。

　　充電樁的主要發展趨勢包括大功率和雙向充電。

　　得益于半導體技術的進步，讓功率器件開關頻率得到提升，從而讓充電樁能夠以更大功率充電。舉例來說，“IGBT從過去的20kHz左右提升到現在40-50kkHz，而GaN和SiC MOSFET器件可以達到更高的開關頻率。” 蔡振宇說到。

　　驅動方式是這些開關器件達到所需頻率的關鍵，而開關頻率決定著系統設計成本、尺寸與效率之間的最佳平衡。更高開關頻率對柵極驅動器的要求越來越高，傳輸延遲、死區時間、共模瞬變抗擾度（CMTI）等指標對提升充電樁功率和效率有著關鍵的影響。

　　直流充電樁往往需要能夠在30分鐘內充電至80%的高功率轉換器，而且為了操作MOSFET/IGBT，通常須將一個電壓施加于柵極，使用專門驅動器向功率器件的柵極施加電壓并提供驅動電流。蔡振宇認為，隔離式柵極驅動器的隔離性能、共模瞬變抗擾度、總傳播傳輸延遲等指標將決定直流模塊的整體功率、效率和系統尺寸。

　　另外在大功率趨勢方面，通過將充電樁的功率從以往的120kW提高到300kW，可以大大縮短充電時間。但相應地，控制用的功率元器件也需要具有更高的耐壓能力，比如從以往的400V提到1000V。目前主流的充電樁模塊，依然是以硅基MOSFET和IGBT為主，但為了提高功率元器件的耐壓，更多新充電樁方案已經開始使用SiC或Si超級結MOSFET進行替代。

　　SiC成本雖高，但考慮到充電樁應用最廣的城市場景中，選址一般在地價或租金昂貴的繁華地段，對設備體積有很高要求，SiC的優勢便能抵消成本上的劣勢。蘇勇錦提到了ROHM正在開發中的第四代SiC MOSFET，耐壓能力在1000V以上，特性變化受溫度影響較小，并且損耗更低，因此有助于提高充電樁的效率并進一步節能。

　　在雙向充電趨勢方面，作為智能電網的一部分，V2H（Vehicle to Home，由車輛向家庭供電）和V2G（Vehicle to Grid，由車輛向電網供電）等雙向充電樁開始普及。在雙向充電的情況下，要求功率元器件要在比當前主流的單向充電方式更高的頻率范圍工作。“上述第四代SiC MOSFET能夠高速開關，因此不僅可以在高頻范圍工作，而且還有助于線圈的小型化，是雙向充電樁的理想選擇。” 蘇勇錦說到。

　　在車輛處于停放或未使用狀態時，V2G允許能量從電池流向電網，以保持電網的穩定性。德州儀器（TI）深圳總經理梁建雄表示，這要求兩個功率級都可以雙向工作，且需要一個高效轉換器來提供電源隔離供電。除電源管理外，“多核實時控制MCU，能夠提供快速的計算密集型實時處理功能，幫助確保系統在幾微秒內做出反應，并防止對充電樁或電動汽車造成任何損害。一些更高級的MCU集成了高性能的模數轉換器，這對于有效監控控制環路至關重要。”

　　梁建雄表示，諸如具有用于SiC或IGBT的12V欠壓鎖定（UVLO）的隔離式柵極驅動器，以及用于MOSFET的具有8V UVLO的新型電源管理產品，可支持不同的電壓等級以及基于SiC或IGBT設計的電源拓撲。也可采用GaN架構，以實現更高的功率密度和系統效率。功率密度的增加，能幫助實現更小的尺寸，降低總體系統成本的同時減少組件上的熱應力。“我們的三電平三相SiC交流/直流轉換器參考設計，能創建一個可實現50kHz開關頻率的高功率密度系統，從而縮小磁性器件的尺寸。”

　　此外，“正確選擇充電樁的隔離解決方案非常關鍵，”蔡振宇解釋道，“傳統光耦合隔離的方式傳輸延時時間長（例如150—200納秒），而iCoupler柵極驅動器傳輸延時在50—60個納秒左右，提高開關頻率和效率的同時，最新款甚至可實現150 kV/?s的共模瞬變抗擾度，以數百kHz的開關頻率驅動SiC MOSFET，加上去飽和保護等快速故障管理功能，設計人員可以正確驅動高達1200V的單個或并聯SiC MOSFET。”可以確保充電樁在不犧牲效率的情況下，在功率變換器中實現超高的功率密度。

　　隔離柵極驅動器的死區時間也是關鍵特性之一，更低的死區時間將有效降低損耗。對于大規模部署的充電樁來說，即使零點幾個百分點效率提升都具有很大經濟和社會效益。

　　最后從功能安全和用戶人生和財產安全來說，良好的隔離性能也非常關鍵。充電樁的充電機功能電路中，隔離式柵極驅動器發揮的隔離功能非常關鍵，可以實現充電模塊中功能電路之間的電氣分離，使得它們之間不存在直接導通路徑，從而提升安全性能。

　　大數據中心

　　大數據、人工智能等新基建核心模塊離不開數據中心的支持，其技術進步也在推動電信網特別是核心網云化轉型。現在無論互聯網公司、電信運營商還是系統設備公司都在部署自己的云及數據中心，將加大對服務器、存儲設備、網絡設備、安全設備、光模塊等產品的需求。

　　數據中心對帶寬的需求一直走在有線、無線接入網的前面，現在200Gbps、400Gbps的光連接已經在國外大批量部署，800Gbps及更高速率的連接也在積極開發或試產之中。據黃旭東介紹，國內數據中心對于帶寬速率的需求比國外要晚一兩年，但發展很快，“Semtech針對數據中心的光模塊電芯片實現了從NRZ到PAM4，從SR、DR、FR、LR到ER，從TIA，LDD到CDR的全覆蓋。同時專利Tri-edge技術使模擬CDR代替昂貴、高功耗的DSP成為可能。”

　　穩定可靠的電源供應能力，也是數據中心建設中的一大痛點。特別是在狹小空間內，實現像ASIC、CPU、FPGA等各類處理器低至0.6-0.8V 的核心電壓與50-800A 超高電流高穩定性供電系統設計，極具挑戰性，需要高可靠性電源的和高效DC/DC轉換解決方案來實現。

　　如同5G基站為了進行協議處理，會用X86處理器；數據轉換的輔助計算，需要用到高端FPGA 一樣，MPS北中國區副總經理盧平表示，數據中心里服務器需要同時用到X86處理器和FPGA，外加交換機里的多核處理器、連通交換機之間高速光模塊里的DSP等等。各類處理器對電流的需求量遠遠超過其他芯片，“這是因為高端工藝降低了處理器芯片的供電電壓，但供電電流卻在不斷提高；而且為了實現并行計算采用的多核設計，將電流成倍增加。”

　　目前最先進的處理器的內核供電峰值電流超過1000A，盧平認為這對電源方案的挑戰主要有三個方面：

　　1.如何在受限的面積提供更大的電流輸出？

　　2.如何解決處理器大動態負載跳變帶來的電源軌穩定性問題？

　　3.能源降功耗的需求。

　　如何解決？或許需要一種完整的系統級封裝（SiP）解決方案，在緊湊的表面貼裝型 BGA 或 LGA 封裝中內置了集成化 DC/DC 控制器、功率晶體管、輸入和輸出電容器、補償組件和電感器。可最大限度縮短設計時間，并解決常見的電路板空間和安裝密度問題。蔡振宇表示，比如ADI的微型模塊產品系列將組件選擇、優化和布局的設計負擔從設計師轉移到了器件身上，從而縮短了總體設計時間和系統故障排除過程，并最終加快產品上市速度。

　　在提升功率密度和縮小產品體積上，TI也在其新一代600V GaN FET上做了努力。與現有解決方案相比，快速切換的2.2MHz集成柵極驅動器可幫助工程師實現功率密度翻倍，“達到99%的效率并將功率磁性器件尺寸縮小59%。”，梁建雄表示，“新器件可在注重低損耗和減小電路板空間的AC/DC供電應用中，實現更高的效率和功率密度，如超大規模的企業計算平臺以及5G電信整流器等。”

　　人工智能

　　人工智能在應用上和大數據密不可分，需要專用芯片提供大量的算力在云端進行訓練，同時需要在邊緣端布局更多的推理型AI芯片。如今，AI已經廣泛應用到我們生活的方方面面，但CPU、GPU等傳統芯片對于AI模型的加速能力非常有限。瑞薩電子認為，兼具傳統CPU的通用功能以外，同時能夠對AI模型進行加速的這類復合型芯片必將成為未來的一大熱門。因為這類芯片無需外掛AI加速器，極大地縮減了BoM成本和硬件復雜度。

　　滿足新基建需求的人工智能專用芯片應該具有芯片集成度高、易于開發、異構計算結構、計算性能強等特點。華夏芯（北京）通用處理器技術有限公司董事長李科奕認為，應該同時包括CPU和GPU這些通用計算處理器，以及FPGA和深度學習（神經網絡）計算單元，假如是面對嵌入式AI或者通信市場，還需要加上DSP的異構融合芯片，才能發揮最重要的作用。

　　根據中金公司的調研報告，隨著社會經濟的發展，人均算力隨之水漲船高，算力與各國人均GDP之間具有高度相關性。未來5年，計算芯片的國產化空間超過500億美金；異構計算快速發展，計算芯片進口替代空間進一步打開。先進計算領域的一個熱點就是以深度學習（神經網絡）為代表的AI計算，那么這類專用（計算）芯片會不會替代CPU或GPU這些通用（計算）芯片呢？李科奕表示：“深度學習只是AI眾多應用中的一個功能，它的優勢在于細分市場的某些應用場景，和已經實現相同功能的通用芯片廠商在主流市場上進行芯片集成度、異構計算性能的比拼，就不是專用（計算）芯片廠商所擅長的了。”

　　2020年，英偉達的市值一度超過英特爾，高居全球芯片行業市值第一。“這反映了一個不爭的事實，在人工智能等先進計算的應用場景，GPU將比CPU承擔更多的計算任務。”李科奕指出，但對于任何計算芯片，CPU仍然是必要條件，因為只有CPU才能實現強大的控制功能，運行操作系統。“這一點從英偉達收購Arm便可看出，CPU與GPU的異構融合發源自AMD的Fusion Core，英偉達與Arm的結合可能將構建一個全新的異構生態。”

　　此前，英特爾和AMD都有自己的GPU，Arm和之前的Imagination也嘗試在嵌入式領域提供CPU+GPU的平臺。今天全球幾乎所有的CPU公司，都在設計自己的GPU，包括蘋果、高通，以及中國的龍芯和華夏芯。“未來只有CPU或GPU單一產品的公司，都很難打入主流市場。”李科奕說到。

　　其實AI和數據中心這兩大新基建領域，對數據加速的性能要求是相似的。多年來，FPGA技術在這些應用中已被越來越多地用于硬件加速。羅煒亮表示，帶有2D-NoC的FPGA和具有革命性的機器學習處理器（MLP）在這些應用中提供了最佳的加速性能。與5G領域不同的是，大型云服務、數據中心和人工智能領域的運營商擁有更多選擇，諸如加速卡和集成eFPGA IP的定制SoC。因此，Achronix預測到2021年，新基建中的這些領域將使FPGA架構的應用更加多樣化。

　　除了云端需求，邊緣設備對AI性能的需求也與日俱增。瑞薩電子認為，其內嵌DRP-AI加速單元的RZ/V2M處理器，可對目前主流的Tensorflow、caffe等多種AI框架進行加速，模塊運行過程無需CPU參與，“如何幫助邊緣端的用戶降低使用難度？是芯片廠商未來努力的方向。”

　　工業互聯網

　　工業互聯網也可稱之為工業物聯網或工業4.0，是物聯網在工業領域的垂直應用。當中的工業數據采集、傳輸、本地及云分析和處理，分別對應于智能化終端、專網通信、云計算和大數據。基于數據價值挖掘的服務與商業模式創新，成為國內外共同追逐熱點，如數據增值服務、平臺經濟等商業模式探索不斷涌現。瑞薩電子認為，現階段中國企業既關注生產數字化能力普及，如MES的低成本快速部署，同時也基于制造資源大范圍連接探索優化配置模式，開展分布式制造、大規模定制等應用。

　　瑞薩電子表示，新技術應用價值不斷涌現，AI、大數據應用在工業互聯網中的滲透率已接近20%，成為資產設備管理與生產深度優化的主要驅動；同時數字孿生、邊緣計算應用初具規模，滲透率接近6%，推動數字化設計等能力提升。整體來看，工業互聯網應用進一步釋放賦能潛力，應用聚焦基于設備物聯的數據價值挖掘和特定場景深度優化，這為傳統工業基礎架構帶來眾多創新的同時，也帶來了更多設計挑戰。

　　工業互聯網產業鏈較長，包括網絡通信、傳感器、控制器和AI芯片等。其一大優勢，就是能夠充分利用傳感器采集不斷增加的數據，做出更好的決策，而在整個工業自動化系統中，能否及時獲取和傳輸數據取決于網絡連接。工業以太網在這里發揮著越來越重要的作用，另外芯片供應商還需要幫助工程師在控制器、通信地面感應等應用領域開發智能系統。

　　首先是網絡/通信方面，許多現代系統目前都具有通信接口，以增強設計的整體連通性，但幾十年的發展歷程導致工業以太網協議和拓撲形式眾多，越來越多的工業自動化技術供應商和制造商都希望能獲得獨立的開放式通信平臺，給設計工程師帶來新挑戰。因此，“未來的工業物聯網應用必須支持各種常見的網絡拓撲，如PROFINET、EtherNet/IP?、EtherCAT?、POWERLINK?等常用工業以太網協議，以及線狀和環狀拓撲和星形拓撲。” 蔡振宇說到。

　　哪類芯片產品可以勝任？可以是具有兩個以太網端口的實時以太網、多協議（REM）交換芯片，是可編程的 IEEE 802.3 10/100 Mbps 以太網互聯網協議版本6 （IPv6） 和互聯網協議版本4（IPv4） 交換機，可虛擬支持任意 2 層或 3 層協議。蔡振宇表示：“此外，可以連接任何主機處理器，讓開發人員可以使用自己的處理器和他們首選的開發環境很重要，并且還要支持時間敏感型網絡（TSN）。”

　　支持從串行接口（IO-Link、CAN、RS-485）到工業以太網，以及諸如TSN和單對以太網（SPE）等新且廣泛的工業通信標準，也是工業物聯網應用中的剛需，這種支持滿足了工程師對更高連通性和可擴展性的需求。梁建雄表示，要幫助簡化向智能生產系統的過渡，需要能用于PROFIBUS、多協議工業以太網、IO-Link主站和未來千兆位TSN的產品，而“Sitara處理器系列直接將這些協議集成，可簡化設計過程。”

　　快速的節點互連和信息交換可實現具有快速、精確的執行單元或驅動程序的分散系統。從低速現場總線到PROFINET、EtherCAT、IO-Link等10/100 Mbps工業以太網的發展都展現了這一趨勢。它們逐漸成為每個執行節點上的標準，“處理器提供了適用于主要工業以太網協議的單個硬件平臺系統，具有內置EtherCAT堆棧的實時控制MCU則有助于實現分散式多軸驅動系統。” 梁建雄說到。

　　控制器方面，用于工業設備中數據處理和設備控制的MCU，以及用于數據安全存儲和加密傳輸的安全芯片，是工業互聯網應用中必不可少的器件。不同于消費電子，工業領域對國產芯片的應用需求提出了更高的要求和挑戰。國民技術市場部技術專家表示，目前正在工業領域通過低功耗金融級安全芯片與國民安全云平臺相結合，構建工業互聯網安全整體解決方案。

　　國民技術認為，一款安全的工業互聯型MCU除了在性能上要過硬，還需要內置多種密碼算法硬件加速引擎，支持內置Flash存儲加密、Flash分區保護，以及支持安全啟動等多種安全特性。這樣才能防止應用程序系統在未經授權的情況下被復制及篡改，并支持對真實設備的身份驗證，“例如我們推出的工業互聯領域首顆集成國際及中國商用密碼雙算法的通用MCU，可廣泛應用于工業小型網關、DTU、小型PLC、工業風機等工業互聯應用領域。”

　　另外工業應用場景相比消費應用場景，對MCU材料和工藝有著更加嚴苛的要求，首先必須滿足工業級溫度范圍；其次對算力和穩定性也有更高的標準，雅特力科技（重慶）有限公司產品市場經理林金海表示：“將針對工業互聯網推出基于Arm Cortex-M4最高主頻288MHz的MCU，集成兼容IEEE-802.3 10/100Mbps以太網口控制器，能夠助推工業互聯網智能硬件端的發展。”

　　邊緣計算是工業互聯網的核心目標，也是云計算的重要補充，它的一個顯著特點是大大提高了處理近端數據的時效性，可實時分析和處理物聯網節點收集的大量數據，減少云計算的時延和流量，對MCU的數據處理能力和網絡連接能力有更高的要求。

　　最后在感應方面，智能工廠自動化和無人化管理需要精確、強大的感應技術，來感知和采集產品、設備和工業環境的各種狀態信息。傳感器將向智能化、微型化、多功能、低功耗、高精度等方向發展，提高工業互聯網底層神經末梢的感知靈敏度。“基于在汽車雷達系統方面的經驗，TI基于CMOS的SoC解決方案可以輕松開發雷達技術。” 梁建雄說到，最新的雷達感應技術可幫助智能工廠設計人員部署智能機器人手臂、協作式的機器人系統和無人化工廠管理。

　　新基建下工業互聯網最大的價值便是工業應用的落地，其中包括激增的高質量傳感器、可靠連接和數據分析，不斷提高的智能節點自動化程度對傳感器進行精密數據捕捉與位置跟蹤要求也與日俱增。蔡振宇表示，近些年越來越多被提及的設備狀態監測CBM則引入了以振動監測為核心的技術，把旋轉設備的振動狀態采集分析以進行產品性能、生產效率與附加值的進一步提升，這是最具現實經濟意義也最容易落地的應用。

　　衛星互聯網

　　衛星在導航定位、數據圖像傳輸以及物聯網方面有非常好的應用或者前途。當前隨著技術進步，衛星發射的投入成本明顯下降，各國紛紛將衛星互聯網建設上升為國家的戰略之一，衛星通信發展迎來新風口。

　　當前國外有不少衛星行業用戶將網關放在低空衛星上，使用低功耗廣域網進行物聯網覆蓋。黃旭東表示：“LoRa具有高靈敏度、傳輸距離長的特點，可以從衛星上通過LoRa技術接受地面網關的無線信號進行廣域覆蓋。”在森林、草原防火、地質災害防護等方面，衛星加LoRa技術有其天然的組合優勢，因為在那些地方往往沒有電信網絡。

　　衛星的制造、發射、通信、導航，都需要關鍵的芯片技術參與。與傳統衛星不同，商用衛星更強調商用性，追求更低廉的發射成本、更小的尺寸以及更容易制造，這些特性有助于提高潛在運行的經濟性。所以商用衛星在選擇芯片時，更希望是體積更小、質量更好、成本又較優的芯片。

　　“高性能信號鏈產品廣泛用于全球航空航天市場，對于商用衛星也發揮著至關重要的作用。” 蔡振宇表示，此外高頻收發器平臺技術在衛星通信頻段中可以實現更高的選擇率，利用其小尺寸和低功耗的特性，可將收發器的整體尺寸收小到一個數量級，為解決下一代衛星通信的難題提供解決方案和實例。

　　行業內能夠提供符合航空航天標準產品和技術解決方案的公司不多，“ADI有40多年的經驗，幫助一些創新商業衛星公司快速進入低地球軌道（LEO）和地球靜止軌道（GEO）。”比如商用現貨（COTS）塑料組件，可以幫助衛星系統方案廠商更快地進行原型制作，并保持相同的飛行板設計，耐輻射的同時節省板空間和重量，降低發射成本。蔡振宇表示，芯片廠商要做到這些，傳統航空航天產品方面的經驗以及端到端信號鏈設計能力缺一不可，擁有經QML-V認證的設施則是一個加分項，這是對宇航電子元器件的最高等級認證。

　　以新基建為契機，展望2021

　　半導體構筑了新基建的基石，新基建則給半導體行業帶來了另一個超級機會。

　　二十年前，國家談基建，談的是鐵路、公路、橋梁；而今天新基建的七個主要方向中有四個與信息直接相關：工業互聯網、5G、數據中心和人工智能。5G和工業互聯網解決的是信息渠道的問題，數據中心則是存儲數據，人工智能則是怎么利用海量的數據。

　　隨著信息容量的不斷增大，數據不論是在傳輸，轉換，存儲和計算都需要用到越來越復雜的芯片，高速處理器用越來越多的場合。盧平認為：“大家往往只關注到這些處理器需要用最先進的工藝支撐，在單位面積內集成了更多的晶體管，也降低了處理器的功耗。其實還有一個很重要的需求，在于電源芯片的支持。數字電源、非線性控制、新的功率器件、新封裝技術是解決未來處理器供電的創新點。”

　　梁建雄認為，縱觀新基建所覆蓋的多個領域中，半導體是新基建基礎性和先導性的產業支撐。作為新基建的關鍵核心技術支撐，半導體行業將會繼續主導新基建技術發展方向并加速項目的落地速度。同時為半導體行業的復蘇帶來轉機，為半導體行業注入更多發展動力，給國內外的半導體企業帶來新的增長機遇。

　　展望2021年，新基建建設的逐步展開將為半導體行業帶來更多發展新機遇，“我們相信市場將逐步回暖，也會給半導體行業帶來更多的增長空間。” 梁建雄說到，世界在變，TI的初心不變，“從1986年建立第一間辦公室，我們在中國市場耕耘了近35年，TI也將持續投資中國市場，繼續貼近中國客戶的需求。”據悉，TI在2013年公布了成都制造基地的長期戰略，未來15年內在成都投資100億人民幣，目前已經建成晶圓廠、封裝測試廠、凸點加工廠和晶圓測試廠，形成了TI全球唯一一個一站式的制造中心。

　　林金海表示，5G和人工智能將迎來一個快速增長時期，新基建將帶動國產芯片技術和生態鏈全面升級。應用終端產品的升級和迭代將對芯片算力、可靠性、安全性、傳輸帶寬、存儲能力等提出更高要求，促使國產芯片迎合新基建需求進行升級換代，并有望在眾多領域中實現更高比例的國產化。

　　當前由先進計算推動的“第四次工業革命”，將再一次改變世界歷史的發展軌跡——算力、算法、大數據成為新的生產力，人工智能成為先進計算的落地場景。從先知先覺的資本市場可以發現，全球市值排名前10名的公司，有7家是從事計算科技的公司。李科奕認為，2021年新基建中，半導體行業將圍繞高性能的先進計算進行更加激烈的競爭，在云計算、邊緣計算領域，CPU、GPU這些通用計算處理器開始和FPGA以及深度學習（神經網絡）計算單元，或其他通訊領域的專用加速器異構融合。這種通用和專用計算單元之間的高效協同計算，就稱之為異構計算，“可以肯定地說，異構計算已經成為先進計算中的主流架構”，CPU和GPU大廠在異構計算領域將通過收購或戰略合作，補齊短板，構筑異構融合芯片的新賽道、創造新物種、搭建新生態。

來源于機器人網 ，作者劉于葦