工業(yè)控制芯片選型淺析

聽聞近期元器件分銷商的芯片庫存普遍拉高，而全球缺芯的余威尚存，除了不斷與原廠Check新的Leadtime，還有簽了NCNR訂單與終端需求不及預(yù)期的矛盾風(fēng)險。芯片現(xiàn)貨市場捂盤探價的需求也徒增了不少。以實際需求為例，我們有個供應(yīng)商庫存的三顆料：VL6180V1NR/1、ATTINY406-MFR、AH3781-SA-7，需要有個簡單分析。

1、VL6180V1NR/1是意法半導(dǎo)體的第一代ToF測距傳感器，這顆三合一芯片集成VCSEL光源、接近傳感器和環(huán)境光傳感器，采用850nm的波長激光，最大測距大于40cm;此前的主要應(yīng)用場景是智能手機的自動對焦輔助系統(tǒng)。該芯片還可應(yīng)用在投影儀輔助對焦、掃地機避障、智能衛(wèi)浴、自動皂液器、智能馬桶、無人機和機器人等產(chǎn)品里。市場單價當(dāng)前在10~50元之間。

圖1、ToF傳感器工作原理(圖源：貿(mào)澤)

但意法半導(dǎo)體已推出了VL53L0、VL53L1、VL53L3、VL53L5等新一代ToF測距傳感器。VL6180V或許還能贏在性價比。

圖2、意法半導(dǎo)體ToF傳感器(圖源：ST)

2、ATTINY406-MFR是微芯/愛特梅爾的一款工業(yè)級8位MCU芯片，誕生于1997年的AVR單片機至今歷久彌新，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、工業(yè)控制和醫(yī)療電子領(lǐng)域。市場單價當(dāng)前是4~10元之間。

3、AH3781-SA-7是美臺的一款工業(yè)級霍爾開關(guān)，搭配電機使用，可廣泛用在運動控制器、工業(yè)機器人、鼓風(fēng)機、工業(yè)電動工具等產(chǎn)品里。市場單價當(dāng)前在2~7元之間。

ATTINY406-MFR和AH3781-SA-7兩顆芯片均可工作在-40℃-125℃環(huán)境溫度下，達(dá)到了工業(yè)級和車規(guī)級適用范圍。工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)π酒囊箅m然低于車規(guī)級、軍工級和宇航級，但也要求終端產(chǎn)品能夠防水、防塵、防潮并在-40℃~+85℃寬溫條件下正常工作。工業(yè)控制領(lǐng)域常見的產(chǎn)品有：工控機、PLC、伺服變頻器、運動控制器、工業(yè)機器人、機器視覺、數(shù)控機床等。終端產(chǎn)品應(yīng)用場景包括：電機控制、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)(現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換器、工業(yè)集線器)、人機接口(HMI)、傳感器、儀表等。

芯片一般按溫度適應(yīng)能力及可靠性要求，大致分為四類：商業(yè)級(0℃-70℃)、工業(yè)級(-40℃-85℃)、車規(guī)級(-40℃-120℃)、軍工級(-55℃-150℃)。芯片可靠性指標(biāo)的嚴(yán)苛程度和溫度要求超過商業(yè)級別，符合工業(yè)級應(yīng)用即為工業(yè)芯片。工業(yè)芯片處于整個工業(yè)體系架構(gòu)的基礎(chǔ)部分，解決感知、互聯(lián)、計算、存儲等基礎(chǔ)問題和執(zhí)行問題，在工業(yè)生產(chǎn)中起著重要作用。下面是《CIC集成電路》對工業(yè)芯片的發(fā)展特點、全球規(guī)模和國產(chǎn)化現(xiàn)狀的一篇總結(jié)，發(fā)表于2020年，至今仍有參考意義。

參考物聯(lián)網(wǎng)的感知層、傳輸層、應(yīng)用層三個層級，可將工業(yè)芯片劃分為計算及控制類芯片(中央處理器、嵌入式控制、FPGA等)、通信類芯片(有線/無線連接、RF射頻)、模擬類芯片(ADC、OPA、時鐘和定時器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口和隔離芯片、功率器件、電源管理芯片、電機驅(qū)動等)、存儲器、傳感器及安全芯片六大類?？梢哉f，工業(yè)芯片已經(jīng)成為新工業(yè)革命和新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵支撐，工業(yè)芯片的設(shè)計和制造水平是衡量一個國家整體制造業(yè)競爭力的真正試金石。

1、工業(yè)芯片的發(fā)展特點

工業(yè)芯片主要有以下特點：

一是工業(yè)產(chǎn)品長期處于極高/低溫、高濕、強鹽霧和電磁輻射的惡劣環(huán)境，使用環(huán)境較苛刻，因此工業(yè)芯片必須具備高穩(wěn)定性、高可靠性和高安全性，且具備長服役壽命(以電力為例，要求工業(yè)芯片應(yīng)用失效率<百萬分之一，某些關(guān)鍵產(chǎn)品要求“0”失效率，產(chǎn)品的設(shè)計壽命要求7*24小時，10-20年連續(xù)運行。而消費類電子失效率為千分之三，設(shè)計壽命為1-3年)，方可滿足工業(yè)應(yīng)用要求。因此工業(yè)芯片的設(shè)計和制造要保證嚴(yán)格的良品率控制，要求數(shù)億芯片的質(zhì)量一致性保證能力，部分工業(yè)級產(chǎn)品甚至需要定制專用的生產(chǎn)工藝。

二是工業(yè)芯片要滿足不同產(chǎn)品的定制需求，因此不具備消費級芯片追求通用、標(biāo)準(zhǔn)化、價格敏感的特點，工業(yè)芯片往往是品類多樣化，單品類規(guī)模小量但具備高附加值，需要研發(fā)與應(yīng)用要緊密結(jié)合，要針對應(yīng)用場景進行研發(fā)，要與應(yīng)用方形成解決方案，所以應(yīng)用創(chuàng)新與技術(shù)創(chuàng)新同等重要。整個工業(yè)芯片市場不易受單一產(chǎn)業(yè)景氣變動影響。因此價格波動遠(yuǎn)沒有存儲芯片、邏輯電路等數(shù)字芯片的變化大，市場波動幅度相對較小。全球最大的工業(yè)芯片廠商德州儀器的工業(yè)類產(chǎn)品線高達(dá)萬余種，產(chǎn)品毛利高達(dá)60%以上，而每年的收入增長也相對穩(wěn)定。

三是工業(yè)芯片企業(yè)的主要發(fā)展模式為IDM模式。工業(yè)芯片性能差別很大。用到很多特殊工藝，比如BCD (Biploar、CMOS、DMOS)，高頻領(lǐng)域還有SiGe(鍺硅)和GaAs(砷化鎵)，很多性能在自建產(chǎn)線上才能體現(xiàn)的更好，因此往往需要定制化工藝和封裝，并且設(shè)計與工藝深度結(jié)合，以滿足特殊的工業(yè)應(yīng)用場景需求。而IDM模式可以通過定制化的制造工藝來提升產(chǎn)品性能并降低生產(chǎn)成本，因此成為全球領(lǐng)先工業(yè)芯片企業(yè)的首選發(fā)展模式。2019年全球工業(yè)芯片接近485.6億美元的銷售收入中，370億美元的收入是由IDM企業(yè)貢獻(xiàn)的，而全球前20大工業(yè)芯片企業(yè)中，18家都是IDM企業(yè)。

四是工業(yè)芯片企業(yè)的市場集中度較高，大者恒大的局面長期穩(wěn)定。由于工業(yè)芯片市場的過度分散特性，具有一定整合能力，具有專用工藝和產(chǎn)能的大企業(yè)往往占據(jù)著主要市場份額，且不斷通過收購做大做強規(guī)模和優(yōu)勢。另外由于工業(yè)芯片行業(yè)普遍產(chǎn)品更新?lián)Q代慢，導(dǎo)致新增進入這個領(lǐng)域的企業(yè)減少，行業(yè)壟斷格局不斷強化。因此整個工業(yè)芯片市場格局呈現(xiàn)出“大者恒大，市場壟斷效應(yīng)顯著”的特點。目前全球前四十家工業(yè)芯片企業(yè)占據(jù)全部市場份額的80%，而美國工業(yè)芯片市場中，前20大美國廠商貢獻(xiàn)了92.8%的市場份額。

2 、工業(yè)芯片全球市場規(guī)模和格局

從產(chǎn)業(yè)規(guī)模上看，來自市場研究機構(gòu)Gartner的數(shù)據(jù)顯示，全球工業(yè)芯片市場2019年銷售規(guī)模達(dá)485.6億美元，預(yù)計2022年達(dá)到705億美元，2019-2022年復(fù)合增長率在13%左右。其中，美國工業(yè)芯片2019年產(chǎn)值達(dá)到221億美元，占到全球工業(yè)芯片總產(chǎn)值的45.5%。日本貢獻(xiàn)了全球第二大工業(yè)芯片收入規(guī)模，達(dá)到76.69億美元，占全球15.8%。歐洲工業(yè)芯片2019年產(chǎn)值達(dá)到69.56億美元，占比在14.3%。中國大陸2019年工業(yè)芯片實現(xiàn)銷售收入33.61億美元，占比在7%左右。

目前全球工業(yè)芯片市場由歐美日等國的巨頭企業(yè)占據(jù)壟斷地位，其整體水平和市場影響力領(lǐng)先優(yōu)勢明顯。美國企業(yè)優(yōu)勢最為明顯，在全球前50大工業(yè)芯片廠商中，美國企業(yè)數(shù)量達(dá)到21家，占據(jù)60%市場份額。并且在工業(yè)用處理器及FPGA、工業(yè)模擬芯片、工業(yè)用DSP、工業(yè)存儲器、工業(yè)通信及射頻等高端工業(yè)芯片領(lǐng)域領(lǐng)域，美國企業(yè)具有市占超過80%的壟斷優(yōu)勢。歐洲方面，英飛凌、恩智浦、意法半導(dǎo)體三家企業(yè)在工業(yè)用功率器件、MEMS傳感器方面占據(jù)引領(lǐng)地位，且正在不斷加大在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的投入力度。韓國三星憑借在存儲器上的優(yōu)勢躋身全球工業(yè)芯片前五，而日本瑞薩是工業(yè)用控制器的霸主、索尼則是工業(yè)圖像傳感器(攝像頭芯片)和機器視覺芯片的全球領(lǐng)先者。

圖3、工業(yè)芯片市場規(guī)模(圖源：北京半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會)

3、我國工業(yè)芯片發(fā)展情況和主要問題

隨著我國對新基建和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大力推動，我國工業(yè)芯片市場規(guī)模也將迎來快速增長。到2025年，預(yù)計我國電力電網(wǎng)、軌道交通、能源化工、市政等工業(yè)領(lǐng)域芯片年需求量將接近2000億元人民幣。按照2025年我國芯片行業(yè)市場規(guī)模突破2萬億測算，僅工業(yè)芯片的需求就占到10%。其中工業(yè)用計算及控制類芯片、模擬類芯片以及傳感器的需求總量占比超過60%。

相比之下，我國雖是工業(yè)大國，但在基礎(chǔ)芯片環(huán)節(jié)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。目前，我國已經(jīng)擁有一批工業(yè)芯片企業(yè)，數(shù)量還是不少的，但總體比較分散，還未形成合力，綜合競爭力弱于國外大廠，且產(chǎn)品仍然集中在中低端市場。不過在電力和高鐵等某幾個應(yīng)用領(lǐng)域和功率半導(dǎo)體等產(chǎn)品線，已經(jīng)具有一定的國產(chǎn)替代能力。例如國內(nèi)IPM、MOSFET和IGBT功率器件廠商在高鐵和地鐵、電動車和充電樁、變頻家電和變頻空調(diào)、保障性安居工程、節(jié)能設(shè)備以及市政管網(wǎng)建設(shè)等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有了一定突破。但總體而言，目前國內(nèi)工業(yè)芯片中高端市場長期被歐美日等國的國際巨頭企業(yè)占據(jù)的局面仍然沒有根本性改變，電力能源、軌道交通等關(guān)鍵工業(yè)領(lǐng)域芯片自主化率仍不足10%。高端工業(yè)計算類芯片如FPGA、高精度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器ADC、多相高效電源管理芯片、通信射頻等中高端工業(yè)芯片國產(chǎn)化率低于1%。

我國在工業(yè)芯片上的問題主要表現(xiàn)在以下幾方面：

一是缺乏IDM。IDM模式已經(jīng)被驗證為工業(yè)芯片企業(yè)發(fā)展壯大的最主流模式，但我國工業(yè)芯片企業(yè)普遍弱小而分散，產(chǎn)品線少，資金實力不強，不具備打造IDM的基礎(chǔ)，也缺乏運營IDM的經(jīng)驗。IDM的缺乏造成我國工業(yè)芯片企業(yè)長期面臨“低端鎖定”的困局，無法通過專用工藝和產(chǎn)能保障，提升工業(yè)芯片的差異化品質(zhì)和市場競爭力。

二是缺乏應(yīng)用帶動。工業(yè)場景繁多復(fù)雜，涉及多個技術(shù)和工程領(lǐng)域，多學(xué)科交叉、融合的特點明顯，從基礎(chǔ)研發(fā)到工程化應(yīng)用的創(chuàng)新鏈也很長，因此需要應(yīng)用帶動才能真正實現(xiàn)工業(yè)芯片以點帶面的有效突破。但國產(chǎn)工業(yè)芯片的設(shè)計與最終的系統(tǒng)應(yīng)用長期存在脫節(jié)的現(xiàn)象，一方面由于國內(nèi)芯片廠商主要根據(jù)客戶的定義去進行研發(fā)，由于存在行業(yè)壁壘，導(dǎo)致芯片產(chǎn)品無法跟其他行業(yè)解決方案有機結(jié)合，推廣應(yīng)用方面嚴(yán)重受限。另一方面，國內(nèi)工業(yè)系統(tǒng)級廠商由于長期采購性能更加穩(wěn)定可靠的進口芯片，出于保險原則對采納***形成自主供應(yīng)鏈的意愿不足，造成***無法獲得在系統(tǒng)端進行驗證和迭代升級的機會，產(chǎn)業(yè)鏈上下游各自為政，協(xié)同不足導(dǎo)致目前我國在工業(yè)芯片-系統(tǒng)領(lǐng)域缺少有國際競爭力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)和圍繞在生態(tài)周邊的企業(yè)群落。

三是缺乏共性技術(shù)研發(fā)能力。目前我國工業(yè)芯片關(guān)鍵共性技術(shù)研發(fā)與發(fā)達(dá)國家相比，與制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的要求相比，還存在較大差距。工業(yè)芯片關(guān)鍵共性技術(shù)供給體系整體上仍面臨著國家層面的發(fā)展戰(zhàn)略缺乏統(tǒng)籌，研發(fā)資源分散和低效率、共性技術(shù)研發(fā)主體缺位等諸多問題，造成我國工業(yè)芯片產(chǎn)業(yè)在基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)方面無法對我國工業(yè)以及新基建的發(fā)展提供有力支撐，進一步削弱了我國在工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展上的競爭力。

四是缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和檢測驗證等配套服務(wù)體系。由于我國工業(yè)長期依賴國際供應(yīng)鏈，產(chǎn)線上各種接口和操作標(biāo)準(zhǔn)都是由國外廠商定義。國內(nèi)工業(yè)產(chǎn)業(yè)長期缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系對工業(yè)芯片進行指導(dǎo)，不僅會面臨專利和標(biāo)準(zhǔn)方面的諸多阻力，也會造成國內(nèi)工業(yè)芯片企業(yè)在技術(shù)性能、質(zhì)量保障、規(guī)模量產(chǎn)一致性等方面遇到諸多難題，極大阻礙行業(yè)和市場推動工業(yè)芯片的國產(chǎn)化進程。此外，國內(nèi)工業(yè)級芯片的研發(fā)往往由于缺乏檢測驗證環(huán)境，導(dǎo)致無法進行可靠性、安全性的技術(shù)迭代。

五是缺乏對工業(yè)芯片關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的創(chuàng)新引領(lǐng)意愿。當(dāng)前，國家競爭和工業(yè)發(fā)展迫切需要前沿和新興技術(shù)的重大突破來提供強大支撐，而芯片產(chǎn)業(yè)自身演進恰逢又一次進入關(guān)鍵時期，新興技術(shù)的產(chǎn)生會使原本的技術(shù)生命周期斷裂，并形成新的技術(shù)軌道，引發(fā)的變革速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越預(yù)期。對工業(yè)芯片領(lǐng)域新興的替代性技術(shù)進行前沿布局會為我國在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)換道超車帶來可能。但目前我國工業(yè)芯片企業(yè)往往更加熱衷于短期內(nèi)能夠取得經(jīng)濟效益的競爭性技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)研發(fā)，而對于技術(shù)和市場風(fēng)險較大、投入較多的前沿新興技術(shù)的研發(fā)缺乏積極性，不愿也無力涉足。加之我國工業(yè)芯片領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新和深度融合不夠，大量的創(chuàng)新成果停留在論文、專利階段，沒有轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的生產(chǎn)力。

由于工業(yè)及新基建對集成電路的依賴極大，芯片作為硬件載體，直接決定工業(yè)領(lǐng)域的信息化、數(shù)字化，智能化的水平，以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“賦能”傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的能力。因此工業(yè)芯片進口依賴問題嚴(yán)重影響我國工業(yè)安全和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略性推進進程，其國產(chǎn)化的迫切性最為強烈。

目前中國已經(jīng)擁有一批工業(yè)芯片企業(yè)，數(shù)量還是不少的，但總體比較分散，還未形成合力，綜合競爭力弱于國外大廠，且產(chǎn)品仍然集中在中低端市場。中國本土工業(yè)芯片廠商，產(chǎn)品還是以功率器件、工控類MCU、傳感器為主，而在其它大類的工業(yè)芯片方面，如高性能的模擬產(chǎn)品、ADC、CPU、FPGA、工業(yè)存儲等，我國企業(yè)與國際大廠還有較大差距。中國光電子器件方面長期以來主要靠仿制、靠低勞動力成本生存被動局面的有效途徑。國內(nèi)光通信系統(tǒng)設(shè)備商對國外的依賴程度很高，其所需的核心光電子器件，仍然需要依賴進口。

碎片化的工控控制芯片市場，以終端產(chǎn)品會長期運行在極高/低溫、高濕、強鹽霧和電磁輻射的惡劣環(huán)境中為前提，所以在穩(wěn)定性、可靠性和安全性方面要求會比商業(yè)級高。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數(shù)年已積累了豐富的工業(yè)芯片的優(yōu)勢貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

審核編輯黃宇