美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

模拟硬件位列美国半导体十年计划的排名TOP1,其权重究竟为何如此之高呢?

中国半导体行业在集体过冬,美国也未必没有紧迫感。

前不久,美国半导体行业协会(SIA)和半导体研究公司(SRC)就联合发布了一份题为“半导体十年计划”的报告,希望美国政府能在未来十年拿出每年34亿美元的投资,来资助五个半导体领域的“未来之星”,以维持美国半导体的地位。

这五大足以影响芯片技术未来的重大变化领域(seismic shifts)包括:模拟硬件的根本性突破、全新的内存存储、持续可用的通信基础设施、万物互联的安全隐私保护、智能计算加持的高效能源。

AI、5G、云计算等浪潮的席卷下,普通读者或多或少了解后面几个技术的重要性所在,而跟公认十分重要的GPU/NPU等芯片相比,模拟芯片市场就曾被彭博社评为“长期停滞的水”,就连该领域“头把交椅”、有着80多年历史的德州仪器,大众认知度也远不及谷歌、Facebook、亚马逊这样的科技厂商。

而模拟硬件位列美国半导体十年计划的排名TOP1,其权重究竟为何如此之高呢?

变局中的模拟硬件,并不是一潭死水

要回答开篇提出的问题,先要回到模拟硬件到底是个什么东西。

其中,模拟硬件就是以模拟信号来传输的电子设备。这些信号在时间和数值上是连续变化的,而不像数码信号那样由不连续的0和1组成。

后者需要工程师将物理世界抽象成二进制来展现,那么模拟硬件工程师更像是一个乐高设计师,需要将各种部件以合理的方式组成一个新世界。从数据来看,2020年全球半导体工业最大的领域分别是逻辑、存储器、模拟和微处理器。

如果要选一个最广为人知的模拟硬件产品,那就是手机了。在各种智能硬件中,发挥作用的并不仅仅是发布会上大出风头的CPU/GPU,还需要一个个模拟芯片,来将各个传感器接收到的信息转化成电信号,进而让数字芯片能够感知并处理。

举个例子,当我们躺下玩手机时,图片也会跟着翻转,背后就是重力传感器和模拟芯片的联合做功。

美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

(2019年全球芯片销售种类占比率及其与去年相比变化)

换句话说,模拟芯片已经成为物理世界与数字世界的桥梁,分布在我们生活中的各个角落。既然如此,为什么还会被称为“一潭死水”呢?答案就来自于,以前模拟芯片只能为数字芯片的“搬运工”,走的是“模拟-数字”路线,更加具有技术含量的推理、判断、决策都是由别人来完成的。

所以其价值改变,自然也需要路径变化。而万物智联革命,给了模拟芯片以全新的机遇,换上了“感知-行动”的人设,直接自己就能通过传感器部署感知环境,然后做出推理、进行行动。

举个例子,如今大行其道的“智能酒店”,一进门玄关的灯就自动为你亮起,离开之后灯会自动熄灭,这种更加自然的交互方式,更加符合大众对智能生活的期待,也是靠模拟传感器来完成的。

美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

不难预测,伴随着智能时代的到来,无处不在的模拟硬件将迎来市场爆发。美国半导体行业押注在此,并不奇怪。

智能传感,模拟硬件的新人设如何成立?

从“模拟-数字”转变为“感知-行动”,模拟硬件的新人设想要成立,显然没那么简单。

首先,当前的模拟电子技术,面对数据洪流已经力有不逮。传感器的普及导致人类生成模拟数据的能力比高效处理它的能力要高得多。《报告》中提到,计到2032年将有45万亿传感器,每年将产生100万zettabytes(1027字节)的数据。目前从物理世界产生的估计总模拟信息相当于~1034位/秒。而人类总感觉吞吐量在~1017位/秒,相当于已经超出了人类感知的范畴。而要将模拟到信息的压缩比拉升到类似于人类大脑的105:1,需要“革命性的技术”。

美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

除此之外,越来越多的智能设备互联互通与通信环境的高速变化,也给模拟硬件设计带来了新的挑战。一个模拟硬件往往需要集成中央处理单元(MCU)、雷达系统、压力传感器、无线连接等多个部件,来实现智能感知功能,而这些部件与部件之间、部件与外界之间可能存在的电磁干扰,都有可能影响传感器的测量精度。而对于广泛应用于工业、汽车、医疗的模拟硬件来说,可靠性简直就是生命线,一点马虎都不能有,这也是为什么模拟市场的竞争格局一直是强者恒强。

而且和数字芯片不同的是,模拟芯片对工程师的综合实战能力要求也很高,往往需要5-10年才能培养出一个顶级人才,这也导致了“远水解不了近渴”。

美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

最后需要提到的,也是《报告》中强调的模拟硬件的设计开发,也不像数字芯片一样可以借助一些自动化工具来完成,面对未来可能出现的软件爆炸式增长的问题,必须在开发流程上有十倍甚至更大的生产力升级,才能满足智能社会的需要。

美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

(半导体企业在各年份中研发和资本投入占比)

而这样的开发流程显然是个“吞金兽”。头部模拟芯片企业每年的研发费用在营收中占比都要超过10%,即使在市场需求不足甚至国际经济形势动荡的背景下,依然需要持续投入来保持技术优势。2001年半导体市场销售额急剧下降,但研发和资本设备的支出并没有以同样的速度下降。

所以,美国半导体行业才又祭出了这熟悉的一招——游说政府打钱。开口就是340亿美元的总预算,老资本主义了。

撬动未来十年的中美半导体角力

读到这里,大家或许会有点紧张:在这个头部企业几乎全是美国面孔的模拟市场,会因为美国政府不断加码投入而拉开差距吗?

说“吾辈当自强”自然是一句正确的废话,努力是必须的,但同时也应该看到,受疫情和内部民众情绪影响,美国再像上世纪一样举国之力扶持半导体行业的发展,所面临的阻力并不会小,这就给其他同行业者留出了机会窗口期。

美国半导体十年计划中的NO.1,模拟硬件究竟有什么价值?

此外值得注意的是,德州仪器、ADI这样的模拟巨头,也是借助美国高速发展时期国防、工业等领域的巨大需求以及政府订单而成长起来的。而如今,中国中国是目前全球最大的电子产品消费市场,在传感器智能化领域所积累的先进算法与解决方案也不断进步,比如通过传感器融合将数据上传到云端,借助雷达监测来自动调整产业园区的灯光、空调,或是借助压力传感器监测恶意入侵、电梯故障并实时报警等等,这些都已经在中国的智慧项目中有着大刀阔斧的应用。

今天看来,模拟硬件、智能传感看起来并不那么炫酷,往往隐于幕后,但或许美国半导体十年计划也是一个绝佳的提醒,让我们狂奔在智能产业加速的路上时,时刻记得从大处着眼,小处着手,将每一个可能翻盘的机会都牢牢握在自己手中。

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