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在通往芯片小型化和微型化的路上，一條以SoC（片上集成）為主，沿著摩爾定律持續(xù)演進(jìn)；另一條以SiP封裝技術(shù)為主，被視為超越摩爾定律的重要路徑。在物聯(lián)網(wǎng)規(guī)?；瘧?yīng)用的驅(qū)動(dòng)下，NB-IoT模組又將沿著哪條路演進(jìn)呢？
自2015年7月NB-IoT被提出以來(lái)，在華為及全球范圍內(nèi)大批企業(yè)的共同推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)近6年時(shí)間的發(fā)展，NB-IoT已經(jīng)成為低功耗廣覆蓋應(yīng)用場(chǎng)景中的首選技術(shù)，并在去年7月正式被納入5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中，與5G生命周期同步，承擔(dān)起龐大的低速率應(yīng)用場(chǎng)景的連接重任。在NB-IoT強(qiáng)勢(shì)發(fā)展的過(guò)程中，模組廠商在產(chǎn)業(yè)鏈中起“承上啟下”的銜接作用，愈加受到行業(yè)關(guān)注。
從出貨量來(lái)看，2020年國(guó)內(nèi)NB-IoT模組出貨已經(jīng)超過(guò)6000萬(wàn)的規(guī)模，并且保持著積極的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。不過(guò)，伴隨著NB-IoT應(yīng)用規(guī)模的進(jìn)一步持續(xù)擴(kuò)大，新應(yīng)用、新場(chǎng)景、新需求不斷推陳出新，各家NB-IoT模組方案也逐漸演進(jìn)至全新發(fā)展階段。
基于行業(yè)觀察，驅(qū)動(dòng)各家模組廠商產(chǎn)品不斷迭代的原因主要來(lái)自兩個(gè)方面：一方面來(lái)自行業(yè)內(nèi)部動(dòng)力，各家模組成本持續(xù)壓低、尺寸追求極致、功耗要求更低、性能需要更穩(wěn)定，且不斷融合BLE/GNSS/Cat.1等功能模塊與植入軟硬件安全等成為主流；另一方面則來(lái)自于物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)差異化需求的驅(qū)動(dòng)，模組廠商更需要展示其生產(chǎn)制造、行業(yè)解決方案、技術(shù)服務(wù)、商務(wù)支撐等全方位綜合能力。
因此，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)模組廠商及上游參與者而言，看準(zhǔn)NB-IoT模組未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)顯得尤為關(guān)鍵。如今，“模組芯片化”正在成為行業(yè)的新興趨勢(shì)。
全新模組方案：模組芯片化
隨著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)不斷快速發(fā)展，為滿足千差萬(wàn)別的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景而誕生了種類(lèi)豐富、數(shù)量龐大的物聯(lián)網(wǎng)終端。去年11月，國(guó)際知名市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)IoT Analytics發(fā)布數(shù)據(jù)指出，全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)首次完成對(duì)非物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)的“超車(chē)”，同時(shí)指出物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在過(guò)去十年間已經(jīng)成為全球設(shè)備保持高速增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿Α?/p>
從連接數(shù)來(lái)看，在國(guó)內(nèi)，中國(guó)電信NB-IoT總連接數(shù)一騎絕塵，截至2021年2月已經(jīng)達(dá)到8700萬(wàn)，中國(guó)移動(dòng)NB-IoT用戶數(shù)緊隨其后，截至2020年10月也累計(jì)達(dá)4800萬(wàn)。從應(yīng)用層來(lái)看，行業(yè)已經(jīng)開(kāi)拓了智能表計(jì)、智能追蹤、智慧煙感、智慧路燈、智慧停車(chē)、智能門(mén)鎖、智慧大氣監(jiān)測(cè)等數(shù)十種應(yīng)用場(chǎng)景，形成了“4（千萬(wàn)級(jí)）+7（百萬(wàn)級(jí)）+N（新興潛力）”的規(guī)模格局。
物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展以不可思議的速度向前狂奔，與此同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)廠商面臨的挑戰(zhàn)也一并襲來(lái)。眾所周知，消費(fèi)電子產(chǎn)品與行業(yè)終端之間的要求、價(jià)值等可謂大相徑庭，不同于以往電腦、手機(jī)、平板等體積較大的消費(fèi)電子產(chǎn)品對(duì)于芯片等核心元器件的體積要求不那么敏感，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代出現(xiàn)的大量智能硬件、可穿戴設(shè)備、智能表計(jì)產(chǎn)品等，對(duì)產(chǎn)品的尺寸大小、功耗、成本價(jià)格等要求甚為苛刻。
比如看似比手機(jī)、電腦體積更大的自行車(chē)，通信器件部署不僅要隱蔽，還需要針對(duì)其成本和完備的功能進(jìn)行考量。而相比較之下的消費(fèi)端，或許人們就更愿意購(gòu)買(mǎi)像蘋(píng)果AirTag一樣價(jià)格高昂的硬件掛在鑰匙上。因?yàn)橘?gòu)買(mǎi)主體不一樣，發(fā)揮價(jià)值不一樣，導(dǎo)致兩種商業(yè)思維自然也不一樣，比如AirTag除了防丟失之外的“面子”價(jià)值，就不是行業(yè)用戶所考慮的。
而從目前市面來(lái)看，各主流芯片廠商已經(jīng)推出實(shí)現(xiàn)商用落地的NB-IoT芯片的大小一般為6mm?6mm的尺寸，然后交付下游由模組廠商再按照各自設(shè)計(jì)把MCU、存儲(chǔ)芯片、濾波芯片及其他元器件集成封裝，最終產(chǎn)出完整的NB-IoT模組。而此時(shí)NB-IoT模組的體積已經(jīng)相較芯片時(shí)的大小“膨脹”了數(shù)倍。此前，業(yè)內(nèi)發(fā)布的全球最小體積的NB-IoT模組的尺寸也達(dá)到了16mm?18mm的大小，雖然大小只與一枚1元硬幣相當(dāng)，但這對(duì)終端廠商而言依然是其產(chǎn)品落地中的“阿喀琉斯之踵”。
相比之下，在NB-IoT芯片和模組尺寸、價(jià)格都做到極致時(shí)，將NB-IoT模組芯片化，圍繞垂直行業(yè)做高集成化的NB-IoT解決方案或許更能找準(zhǔn)用戶核心價(jià)值?；诖?，蘇州吾愛(ài)易達(dá)物聯(lián)網(wǎng)公司近日推出了兩款芯片化超小體積的NB-IoT模組——SNS521S和SNS521H。（詳情可發(fā)送郵件至support@szwayd.com，或致電話到13429161097，獲取更多信息）
其中，SNS521S為一款全球最小體積的高性能超低功耗芯片級(jí)NB-IoT通信模組，它的尺寸大小僅為8mm?8mm，相比此前全球最小體積的NB-IoT模組僅為其體積的四分之一，幾乎與主流NB-IoT芯片大小相當(dāng)，并且其內(nèi)部集成了NB-IoT通信所需的所有功能部件。
SNS521H為一款燃?xì)庑袠I(yè)專用芯片級(jí)解決方案，其大小只有12mm?12mm的尺寸。更重要是的是，它專為智慧表計(jì)行業(yè)設(shè)計(jì)，不僅能滿足基本的通信需求，還針對(duì)性進(jìn)行更高程度的集成，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃?xì)獗鞰CU微控制器，提供二次開(kāi)發(fā)能力。
除吾愛(ài)易達(dá)之外，包括芯翼信息科技有限公司、杭州為峰智能科技有限公司、上海奧藍(lán)迪物聯(lián)網(wǎng)科技有限公司在內(nèi)的大批芯片及模組廠商都開(kāi)始探索“模組芯片化”之路，采用SiP技術(shù)賦能模組進(jìn)入新時(shí)代。
揭秘方案背后：超越摩爾定律的SiP
NB-IoT模組芯片化的演進(jìn)過(guò)程并不是一蹴而就的。從芯片技術(shù)演進(jìn)角度講，NB-IoT行業(yè)的芯片/模組廠商更像是“站在巨人的肩膀上”受到啟發(fā)，彌補(bǔ)了NB-IoT行業(yè)多年的空白。
眾所周知，電子產(chǎn)品在過(guò)去幾十年的發(fā)展過(guò)程中都以摩爾定律為“圣經(jīng)”，這使得相關(guān)產(chǎn)品的性能在此期間獲得了最大保障。但是，隨著芯片承載的物理空間逼近極限，摩爾定律也只能隨著時(shí)間推移而失效。
業(yè)界為在芯片層面繼續(xù)探索小型化和微型化系統(tǒng)，提出了SoC片上集成和SiP芯片級(jí)封裝兩種思路，前者是摩爾定律的延續(xù)，已經(jīng)被證實(shí)發(fā)展前景困難重重，后者是超越摩爾定律的嘗試，在摩爾定律逐漸失效以及PCB板技術(shù)演進(jìn)長(zhǎng)期停滯的狀態(tài)下，為對(duì)設(shè)計(jì)空間、產(chǎn)品體積、成本等要求嚴(yán)格的物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)拓展了更大空間。
根據(jù)國(guó)際半導(dǎo)體路線組織（ITRS）對(duì)SiP的定義：SiP為將多個(gè)具有不同功能的有源電子器件和可選無(wú)源電子元件，以及諸多如MEMS或光學(xué)器件等其他器件優(yōu)先組裝到一起，實(shí)現(xiàn)一定功能的單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)封裝件，進(jìn)而形成一個(gè)系統(tǒng)或子系統(tǒng)。
從思路上來(lái)看，SoC從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，而SiP則是從封裝的角度出發(fā)。從架構(gòu)上來(lái)看，SiP將不同功能的芯片集成在一個(gè)封裝內(nèi)，不同功能的芯片、不同材質(zhì)的芯片都可以按照并排或疊加的方式，也就是2D SiP或3D SiP的方式封裝。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)下游終端客戶而言，除了已經(jīng)提及的小體積降低PCB板用量、更低成本、更高更可靠的性能等優(yōu)勢(shì)之外，SiP技術(shù)減少了芯片的重復(fù)封裝，降低了布局與排線難度，也進(jìn)一步縮短了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的研發(fā)周期，有助于行業(yè)用戶研發(fā)的產(chǎn)品更快實(shí)現(xiàn)商業(yè)化落地。
當(dāng)然，NB-IoT行業(yè)逐漸應(yīng)用SiP技術(shù)并非摸著石頭過(guò)河，早在消費(fèi)端電子產(chǎn)品中SiP就已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)踐和驗(yàn)證。蘋(píng)果就是SiP技術(shù)的堅(jiān)定擁護(hù)者，比如iPhone7 Plus中就采用了約15處不同類(lèi)型的SiP封裝技術(shù)，以便在智能手機(jī)功能不斷豐富以及高性能的過(guò)程中仍保持其輕薄化。并且，不局限于消費(fèi)端，物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)對(duì)SiP技術(shù)的使用也由來(lái)已久。
相比NB-IoT領(lǐng)域，不少企業(yè)在Lora相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)中早已采用了SiP技術(shù)，并驗(yàn)證了它潛在的價(jià)值。眾所周知，從目前Lora芯片的供應(yīng)鏈來(lái)看，早已擺脫了以往單一供應(yīng)商，轉(zhuǎn)為多供應(yīng)商的格局。主導(dǎo)LoRa技術(shù)的Semtech公司不僅銷(xiāo)售LoRa芯片，同時(shí)也向獲得授權(quán)的合作伙伴同時(shí)直接銷(xiāo)售LoRa晶圓（不帶封裝）。比如中國(guó)臺(tái)灣群登科技、ASR、深圳國(guó)民技術(shù)等公司，都可以通過(guò)SiP技術(shù)把MCU和其他芯片與LoRa一起封裝，自行銷(xiāo)售SiP芯片。而這樣做的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)，LoRa上演了百家爭(zhēng)鳴的繁榮格局，并避免了現(xiàn)階段國(guó)際環(huán)境下對(duì)于供應(yīng)鏈的擔(dān)憂。
對(duì)于已經(jīng)到來(lái)的5G時(shí)代，SiP技術(shù)的重要還將日益凸顯，因?yàn)?G時(shí)代電子產(chǎn)品將集成更多的電子元器件，包括毫米波的應(yīng)用、多網(wǎng)絡(luò)通信制式的兼容等，對(duì)于芯片封裝技術(shù)的要求只會(huì)更高。
價(jià)值凸顯：更適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的方案
當(dāng)然，NB-IoT行業(yè)芯片及模組廠商應(yīng)用SiP技術(shù)不僅是行業(yè)內(nèi)部動(dòng)力使然，作為NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈的上游供應(yīng)方，向行業(yè)展示其垂直行業(yè)解決方案全棧能力也有外部環(huán)境的驅(qū)動(dòng)。不同于數(shù)十年發(fā)展而來(lái)的消費(fèi)電子領(lǐng)域，幾乎由上游主導(dǎo)，上游供應(yīng)鏈提供什么，下游就只能使用什么，然后再基于各自理解做差異化擴(kuò)展。而物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域本身就是極具碎片化、差異化，不再由技術(shù)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)而向需求驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變。
在這種商業(yè)思維的轉(zhuǎn)變下，近幾年行業(yè)中也出現(xiàn)了不同以往的理解，以往感覺(jué)高高在上的芯片、模組企業(yè)都在不斷下沉，貼近垂直行業(yè)，做更加精細(xì)化的分工，提供差異化的解決方案。向上是芯片及模組廠商主動(dòng)求變，推動(dòng)技術(shù)革新；向下則是深入垂直行業(yè)獲取行業(yè)Konw-How，形成更緊密的供應(yīng)鏈體系。
模組芯片化就是更適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一條可行之徑。以往，上游芯片廠商開(kāi)發(fā)多功能集成、多部件植入的通用模組，由下游模組廠商做擴(kuò)展并圈定適用范圍，對(duì)于終端側(cè)用戶而言并無(wú)太多主動(dòng)權(quán)與發(fā)言權(quán)，行業(yè)用戶甚至無(wú)法對(duì)商業(yè)模式進(jìn)行主導(dǎo)。現(xiàn)在，通過(guò)模組廠商客制化能力，由行業(yè)用戶需求入手為其提供個(gè)性化的系統(tǒng)集成，配合行業(yè)軟件、AI應(yīng)用支撐等，更需要把行業(yè)發(fā)展的主動(dòng)權(quán)交還給行業(yè)用戶自己。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，NB-IoT與Cat.1一定有差異化的應(yīng)用場(chǎng)景需求，而即使是同為NB-IoT應(yīng)用，其需求也是千差萬(wàn)別。比如典型的NB-IoT水表與燃?xì)獗?，它們?cè)跀?shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)顆粒度、功耗等方面根據(jù)自身需求也有不同的要求。相比傳統(tǒng)通用模組，進(jìn)行模組芯片化定制開(kāi)發(fā)的模組不僅能在形態(tài)、成本以及性能上滿足用戶，更可以根據(jù)不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)場(chǎng)景提供精細(xì)化服務(wù)，打造屬于行業(yè)簡(jiǎn)單、易用、智慧的商業(yè)化方案。
小結(jié)
隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用規(guī)模落地，越來(lái)越多物聯(lián)網(wǎng)智能終端需要更加極致的設(shè)計(jì)和多功能的整合，通過(guò)SiP技術(shù)達(dá)到模組芯片化將會(huì)日益受到關(guān)注。同時(shí)，上游廠商不斷下沉行業(yè)已成為既定的事實(shí)，進(jìn)而更加務(wù)實(shí)的轉(zhuǎn)向行業(yè)發(fā)展，以需求驅(qū)動(dòng)，以定制化為主，才是突破物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)碎片化、差異化瓶頸的必經(jīng)之路。
