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模擬硬件、智能傳感看起來并不那么炫酷，往往隱于幕后，但或許美國半導體十年計劃也是一個絕佳的提醒 中國半導體行業在集體過冬，美國也未必沒有緊迫感。 前不久，美國半導體行業協會（SIA）和半導體研究公司（SRC）就聯合發布了一份題為“半導體十年計劃”的報告，希望美國政府能在未來十年拿出每年34億美元的投資，來資助五個半導體領域的“未來之星”，以維持美國半導體的地位。 這五大足以影響芯片技術未來的重大變化領域（seismic shifts）包括：模擬硬件的根本性突破、全新的內存存儲、持續可用的通信基礎設施、萬物互聯的安全隱私保護、智能計算加持的高效能源。 AI、5G、云計算等浪潮的席卷下，普通讀者或多或少了解后面幾個技術的重要性所在，而跟公認十分重要的GPU/NPU等芯片相比，模擬芯片市場就曾被彭博社評為“長期停滯的水”，就連該領域“頭把交椅”、有著80多年歷史的德州儀器，大眾認知度也遠不及谷歌、Facebook、亞馬遜這樣的科技廠商。 而模擬硬件位列美國半導體十年計劃的排名TOP1，其權重究竟為何如此之高呢？ 變局中的模擬硬件，并不是一潭死水 要回答開篇提出的問題，先要回到模擬硬件到底是個什么東西。 其中，模擬硬件就是以模擬信號來傳輸的電子設備。這些信號在時間和數值上是連續變化的，而不像數碼信號那樣由不連續的0和1組成。 后者需要工程師將物理世界抽象成二進制來展現，那么模擬硬件工程師更像是一個樂高設計師，需要將各種部件以合理的方式組成一個新世界。從數據來看，2020年全球半導體工業最大的領域分別是邏輯、存儲器、模擬和微處理器。 如果要選一個最廣為人知的模擬硬件產品，那就是手機了。在各種智能硬件中，發揮作用的并不僅僅是發布會上大出風頭的CPU/GPU，還需要一個個模擬芯片，來將各個傳感器接收到的信息轉化成電信號，進而讓數字芯片能夠感知并處理。 舉個例子，當我們躺下玩手機時，圖片也會跟著翻轉，背后就是重力傳感器和模擬芯片的聯合做功。 （2019年全球芯片銷售種類占比率及其與去年相比變化） 換句話說，模擬芯片已經成為物理世界與數字世界的橋梁，分布在我們生活中的各個角落。既然如此，為什么還會被稱為“一潭死水”呢？答案就來自于，以前模擬芯片只能為數字芯片的“搬運工”，走的是“模擬-數字”路線，更加具有技術含量的推理、判斷、決策都是由別人來完成的。 所以其價值改變，自然也需要路徑變化。而萬物智聯革命，給了模擬芯片以全新的機遇，換上了“感知-行動”的人設，直接自己就能通過傳感器部署感知環境，然后做出推理、進行行動。 舉個例子，如今大行其道的“智能酒店”，一進門玄關的燈就自動為你亮起，離開之后燈會自動熄滅，這種更加自然的交互方式，更加符合大眾對智能生活的期待，也是靠模擬傳感器來完成的。 不難預測，伴隨著智能時代的到來，無處不在的模擬硬件將迎來市場爆發。美國半導體行業押注在此，并不奇怪。 智能傳感，模擬硬件的新人設如何成立？ 從“模擬-數字”轉變為“感知-行動”，模擬硬件的新人設想要成立，顯然沒那么簡單。 首先，當前的模擬電子技術，面對數據洪流已經力有不逮。傳感器的普及導致人類生成模擬數據的能力比高效處理它的能力要高得多?！秷蟾妗分刑岬剑嫷?032年將有45萬億傳感器，每年將產生100萬zettabytes(1027字節)的數據。目前從物理世界產生的估計總模擬信息相當于~1034位/秒。而人類總感覺吞吐量在~1017位/秒，相當于已經超出了人類感知的范疇。而要將模擬到信息的壓縮比拉升到類似于人類大腦的105:1，需要“革命性的技術”。 除此之外，越來越多的智能設備互聯互通與通信環境的高速變化，也給模擬硬件設計帶來了新的挑戰。一個模擬硬件往往需要集成中央處理單元(MCU)、雷達系統、壓力傳感器、無線連接等多個部件，來實現智能感知功能，而這些部件與部件之間、部件與外界之間可能存在的電磁干擾，都有可能影響傳感器的測量精度。而對于廣泛應用于工業、汽車、醫療的模擬硬件來說，可靠性簡直就是生命線，一點馬虎都不能有，這也是為什么模擬市場的競爭格局一直是強者恒強。 而且和數字芯片不同的是，模擬芯片對工程師的綜合實戰能力要求也很高，往往需要5-10年才能培養出一個頂級人才，這也導致了“遠水解不了近渴”。 最后需要提到的，也是《報告》中強調的模擬硬件的設計開發，也不像數字芯片一樣可以借助一些自動化工具來完成，面對未來可能出現的軟件爆炸式增長的問題，必須在開發流程上有十倍甚至更大的生產力升級，才能滿足智能社會的需要。 （半導體企業在各年份中研發和資本投入占比） 而這樣的開發流程顯然是個“吞金獸”。頭部模擬芯片企業每年的研發費用在營收中占比都要超過10%，即使在市場需求不足甚至國際經濟形勢動蕩的背景下，依然需要持續投入來保持技術優勢。2001年半導體市場銷售額急劇下降，但研發和資本設備的支出并沒有以同樣的速度下降。 所以，美國半導體行業才又祭出了這熟悉的一招——游說政府打錢。開口就是340億美元的總預算，老資本主義了。 撬動未來十年的中美半導體角力 讀到這里，大家或許會有點緊張：在這個頭部企業幾乎全是美國面孔的模擬市場，會因為美國政府不斷加碼投入而拉開差距嗎？ 說“吾輩當自強”自然是一句正確的廢話，努力是必須的，但同時也應該看到，受疫情和內部民眾情緒影響，美國再像上世紀一樣舉國之力扶持半導體行業的發展，所面臨的阻力并不會小，這就給其他同行業者留出了機會窗口期。 此外值得注意的是，德州儀器、ADI這樣的模擬巨頭，也是借助美國高速發展時期國防、工業等領域的巨大需求以及政府訂單而成長起來的。而如今，中國中國是目前全球最大的電子產品消費市場，在傳感器智能化領域所積累的先進算法與解決方案也不斷進步，比如通過傳感器融合將數據上傳到云端，借助雷達監測來自動調整產業園區的燈光、空調，或是借助壓力傳感器監測惡意入侵、電梯故障并實時報警等等，這些都已經在中國的智慧項目中有著大刀闊斧的應用。 今天看來，模擬硬件、智能傳感看起來并不那么炫酷，往往隱于幕后，但或許美國半導體十年計劃也是一個絕佳的提醒，讓我們狂奔在智能產業加速的路上時，時刻記得從大處著眼，小處著手，將每一個可能翻盤的機會都牢牢握在自己手中。