物连网:目前在中国的地位,它的发展趋势及国际物联网的发展方向,中国如何应对物联网的起步.

物连网:目前在中国的地位,它的发展趋势及国际物联网的发展方向,中国如何应对物联网的起步.,第1张

物联网作为战略性新兴产业的重要组成部分,是促进相关产业集群发展的切入点,具有重要的战略意义和广阔的发展前景。我国具有较好的发展物联网产业的比较优势,同时也面临着一些瓶颈制约,如缺乏统一的发展战略、核心技术缺失、标准体系不完善、地址资源缺乏、规模化应用不足等,必须采取针对性的措施,促进我国物联网产业的发展。 物联网是把所有物品通过射频识别(RFID)等信息传感设备与互联网连接起来,实现智能化识别和管理的一种网络。物联网产业是由物联网芯片与技术提供商、应用设备提供商、软件与应用开发商、系统集成商、网络提供商、运营及服务商以及物联网用户构成的产业集群。美国、欧洲、日本、韩国等发达国家和地区高度重视物联网产业的发展,我国也将物联网纳入战略性新兴产业,并将采取一系列政策措施。本文对我国物联网产业集群发展的优势及存在的问题进行了分析,并提出了相应的对策建议。 一、我国物联网产业集群发展的优势 (一)具有一定的技术积累 中科院早在1999年就启动了物联网(传感网)研究,先后投入资金数亿元;《国家中长期科学与技术发展规划(2006-2020年)》和"新一代宽带移动无线通信网"重大专项均将物联网(传感网)列入重点研究领域。国家科技部、发改委、工业信息化部还专门立项对物联网的关键技术---射频识别(RFID)的研究和应用进行支持。科技部专门在先进制造领域设立了"RFID"专项,投入1亿多元对19个专题、近30家企事业单位进行了大规模的资助,从RFID芯片、关键 技术的研发到行业应用的整个产业链进行资助和培育。目前,我国在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、移动基站等方面都已取得重大进展。 (二)在标准制定上具有一定的先发优势 在世界物联网领域,我国与德国、美国、韩国一起,成为国际标准制定的四大发起国和主导国之一,取得了在国际标准制定中的重要话语权。这将改变我国在计算机、互联网两次信息浪潮中双双落后的局面。目前,我国物联网(传感网)标准体系已形成初步框架,向国际标准化组织提交的多项标准提案已被采纳。为加强物联网标准化工作,2009年9月11日,中国物联网(传感网)国家标准工作组正式成立。中国物联网标准联合工作组也在积极筹备过程中。 (三)具有了较好的产业集群发展的基础 一是技术研究和产业集群初具规模。2009年11月12日,江苏省、中科院、无锡市签署协议,共同建设"中国物联网研究发展中心"。同一天,中国移动宣布将在无锡成立中国移动物联网研究院,重点开展TD-SCDMA与物联网融合的技术研究与应用开发,并同时建设物联网数据中心,以支撑物联网相关业务的落地运营。23日,中国电信物联网应用和推广中心、中国电信物联网技术重点实验室在无锡成立。24日,中国联通与无锡签订协议,合作推进WCDMA与物联网融合。 2010年3月2日,上海物联网中心成立。在产业化组织方面,早在2005年9月,上海就成立了"电子标签与物联网产学研联盟"。2009年11月和12月,中关村物联网产业联盟、传感网(物联网)技术产业联盟筹备工作组相继成立。二是产业基地发展迅速。国家的大力支持下,2009年8月7日,首个国家物联网园区在无锡建立。11月13日,国务院正式批准在无锡建设国家传感网(物联网)创新示范区。各地的物联网产业基地建设也快速推进。 (四)具有广阔的市场发展潜力根据美国权威咨询机构FORRESTER预测,到2020年,世界上物物互联的业务,跟人与人通信的业务相比,将达到30比1,意味着物联网产业要比互联网大30倍。因此,物联网被称为是"下一个万亿级的通信业务"。二、我国物联网产业化集群发展存在的问题 (一)缺乏一个明确统一的物联网发展战略和路线图 物联网作为战略性新兴产业,尚处于发展初期阶段,标准、技术、商业模式以及配套政策等还远没有成熟。与计算机和互联网相比,物联网的发展更加需要顶层设计、统筹规划和标准的统一。但到目前为止,我国物联网产业的发展,还基本上处于一种自发状态,部门之间、地区之间、行业之间的分割情况较为普遍,明确统一的国家物联网发展战略和路线图还没有出台,这种情况非常不利于我国当前及未来物联网产业的发展。在国家高度重视物联网产业的情况下,容易出现一哄而上的局面,从物联网相关企业股价的迅速飙升以及许多城市纷纷介入物联网建设,就可以看出这一点。 (二)物联网核心关键技术缺失 我国在物联网核心关键技术方面存在缺失,除下一代互联网等技术外,我国只有极少数企业拥有物联网核心技术。以RFID(射频识别)技术为例:RFID技术是物联网中的核心关键技术,但在全球RFID专利中,我国RFID专利申请量只有美国的65%,日本的457%3,而且多以实用新型为主,发明型专利数量较少。美国在芯片、编码、空中接口协议等领域拥有大批专利,其申请总量超过了欧盟、世界知识产权组织、日本以及我国大陆等多个区域专利申请总量的总和,高达53%。而日本、欧洲则在传感器技术上拥有巨大优势。即使在国内,国外企业和组织在我国申请的RFID发明专利授权量也占据主要地位。截至目前,全球许多国际组织和国家已制订出RFID标准,并加速向我国输出,随着国外RFID标准在我国的推广以及逐渐被我国企业接受,我国RFID国家标准的制定和推广将面临越来越大的挑战,国际标准在国内应用所形成了事实标准将会阻碍我国国家RFID(射频识别)标准的制定和推广。 (三)物联网标准规范体系尚不完善物联网产业的发展,涉及物体标识、信息感知、信息传输、信息处理等多个环节,包括了芯片与技术提供商、应用设备提供商、软件与应用提供商、系统集成商、网络提供商、运营及服务商等不同企业主体。虽然我国在物联网标准制定上具有一定的先发优势,但适应国内物联网产业发展的统一的标准体系尚未出台,使得目前很多物联网应用仍处于厂家各自为战的状态,终端厂商、应用厂商、集成商无法有效分工协作,产业分工不能细化,影响整个产业规模化的发展。随着物联网应用范围的不断扩大,标准规范的不完善将导致整个物联网产业的混乱。 (四)物联网地址资源匮乏物联网时代的网络发展,需要大量的IP地址,专家预计,未来五年我国物联网地址预计需求量在100亿。而目前互联网在IP地址资源上的不足,已经成为物联网发展最大的瓶颈。从总量上看,目前全球互联网IPv4协议能够提供的地址空间最多只有40多亿,且可分配的IPv4地址剩余量不足10%,并将于两年内消耗殆尽。从结构看,全球IPv4地址分布不平衡,截止2009年底,排名第一的美国的IPv4地址为1495亿,占全球已分配IPv4地址总数的50%。排名第二的我国的IPv4地址仅为232亿,占全球的777%。从发展趋势看,2009年度我国IPv4地址申请量为美国194倍,增长势头强劲。IP地址需求的快速增长及地址资源的不足,将使我国地址资源匮乏的问题更加突出。 (五)物联网规模化应用不足 我国物联网还处于发展初期,目前开展的物联网应用主要还局限于小范围的简单应用,难以激发产业链各环节的参与和投入的热情,庞大的行业和大范围的应用需求还没有被激发出来,使得当前物联网产业发展的规模性市场需求不足,一定程度上影响了物联网的规模化应用。同时,缺乏成熟的商业模式也是制约物联网规模化应用的另一重要原因。 三、促进我国物联网产业集群发展的建议 (一)尽快制定我国统一的物联网发展战略和路线图 一是分析我国物联网产业发展的优势和不足,明确我国物联网产业集群发展的指导思想、发展原则、发展目标、发展策略和重点任务;二是明确界定国家、地方政府和企业在发展物联网产业集群的地位、作用以及相互之间的关系;三是制定实施我国促进物联网产业集群发展的相关政策及配套措施。 (二)加强对物联网核心技术的研发和产业化工作一是在物联网核心技术,如RFID天线设计与制造、RFID标签封装技术与装备、标签集成、读写器关键零件、RFID测试技术和装备等方面,加强资金投入和技术研发;二是积极探索新的研发组织模式,将研发与产业化结合起来,建立物联网技术研发基地,聚集物联网研发人才和项目,开展物联网核心关键技术和相关产业关键技术的研发和产业化工作。 (三)加快物联网标准体系的建设坚持国际标准和国内标准同步推进的原则。一是在物联网基础标准领域,积极参与和主导国际标准的制定,进一步确立并扩大我国在国际物联网标准制定中的发言权。二是在国内物联网标准的制定上,以国际标准为基础,以我国具有自主知识产权的TD-SCDMA核心技术和网络为依托,制定和形成我国自己的物联网标准体系。 (四)积极推进物联网技术的示范和规模化应用一是加快IPv6下一代互联网的应用步伐。积极发展IPv6下一代互联网是解决目前互联网地址资源不足的有效途径。要尽快建立IPv4向IPv6过渡的有效组织机制,制度与措施,明确时间表,同时,出台相关激励政策,利用财税杠杆和专项基金等经济的手段,鼓励互联网应用提供商进行IPv6改造,加快IPv6下一代互联网的应用步伐。二要结合物联网技术的研发和标准的制定,以物联网运营企业(如中国移动、中国电信、中国联通等)为实施主体,发挥政府在推进物联网应用中的能动作用,以政府订购和首购的方式,在工业、农业、公共服务等各个领域开展形式多样的应用示范工程建设,包括环境监测、智能交通、智能电网、智能家居等,探索物联网价值链合作模式和产业规模化发展模式。 未来几年,全球物联网市场规模将出现快速增长,据相关分析报告,2007年全球市场规模达到700亿美元,2008年达到780亿美元,2012年将超过1400亿美元,年增长率接近20%。国内物联网产业,据赛迪顾问研究显示:2010年产业市场规模将达到2000亿元,2015年市场规模将达到7500亿元,年复合增长率超过30%,市场前景将远远超过计算机、互联网、移动通信等市场,拥有更大的市场份额,更好的发展前景。

1高速公路自动收费及交通管理
高速公路自动收费系统是RFID技术最成功的应用之一。目前中国的高速公路发展非常快,地区经济发展的先决条件就是有便利的交通条件,而高速公路收费却存在一些问题,一是交通堵塞,收费站口,许多车辆要停车排队,成为交通瓶颈问题;二是少数不法的收费员贪污路费、使国家损失了相当的财政收入。RFID技术应用在高速公路自动收费上能够充分体现它非接触识别的优势。让车辆高速通过收费站的同时自动完成收费。同时可以解决收费员贪污路费及交通拥堵的问题。 一般来说对于公路收费系统、车辆的大小和形状不同、需要大约4米的读写距离和很快的读写速度、也就要求系统的频率应该在900M Hz和2500MHz。射频卡一般在车的挡风玻璃后面。现在最现实的方案是将多车道的收费口分两个部分:自动收费口、入工收费口。天线架设在道路的上方。在距收费口约50-100米处,当车辆经过天线时,车上的射频卡被头顶上的天线接收到,判别车辆是否带有有效的射频卡。读写器指示灯指示车辆进人不同车道,人工收费口仍维持现有的 *** 作方式,进入自动收费口的车辆,养路费款被自动从用户帐户上扣除,且用指示灯及蜂鸣器告诉司机收费是否完成,不用停车就可通过,挡车器将拦下恶意闯入的车辆。
1996年、佛山市政府安装了RFID系统用于自动收取路桥费以提高车辆通过率,缓解公路瓶颈。车辆可以在250公里的时速下用少于05毫秒的时间被识别, 并且正确率达9995%。上海也安装了基于RFID的自动收聚养路费系统。另外两个安装在广州的与上海和佛山的工程不同,广州的工程尝试在开放的高速公路上对正在高速行驶的车辆进行自动收费,通道采用RFID系统。中国有把握改善其公路基础设施, 而现在最大的问题是应用于高速公路收取养路费的RFID技术没有统-的标准。各个厂家使用自己的专用标准、使得建立全国高速公路自动收费系统时, 情况变得很混乱。
在城市交通方面, 交通的状况日趋拥挤, 解决交通问题不能只依赖于修路、加强交通的指挥、控制、疏导,提高道路的利用率,深挖现有交通潜能也是非常重要的。而基于RFID技术的实时交通督导和最佳路线电子地图很快将成为现实。用RFID技术实时跟踪车辆,通过交通控制中心的网络在各个路段向司机报告交通状况,指挥车辆绕开堵塞路段,并用电子地图实时显示交通状况。能够使得交通流向均匀,大大提高道路利用率。还可用于车辆特权控制,在信号灯处给警车、应急车辆、公共汽车等行驶特权;自动查处违章车辆,记录违章情况。另外、公共汽车站实时跟踪指示公共汽车到站时间及自动显示乘客信息,给乘客很大的方便。用RFID技术能使交通的指挥自动化、法制化,有助于改善交通状况。
2门禁保安
将来的门禁保安系统均可应用射频卡,一卡可以多用,比如作工作z、出入证、停车卡、饭店住宿卡甚至旅游护照等等,目的都是识别人员身份、安全管理、收费等等。好处是简化出人手续、提高工作效率、安全保护。只要人员佩戴了封装成ID卡大小的射频卡、进出入口有一台读写器,人员出入时自动识别身份,非法闯人会有报警。安全级别要求高的地方、还可以结合其它的识别方式,将指纹、掌纹或颜面特征存入射频卡。1996夏季奥林匹克运动会的安全机构采用射频卡结合生物测定学技术作为保安系统中的一种,运动员和官方人员随身携带含有自己手掌信息的射频卡,当他们在要进入某一安全区的,必需将其右手搁在扫描器上,只有该人同系统根据其手信息在安全库中检索出的三维图象一样,并且同其本人所携带的卡片上信息一致方可进入该区域,由于卡和携卡人是唯一联系的, 所以只有卡主人才可使用自己的卡。 而卡丢失、偷卡和借卡使用都构不成对安全的威胁。
公司还可以用射频卡保护和跟踪财产。将射频卡贴在物品上面如:计算机、传真机、文件、复印机或其它实验室用品上,该射频卡使得公司可以自动跟踪管理这些有价值的财产,可以跟踪一个物品从某一建筑离开,或是用报警的方式限制物品离开某地。 结合GPS系统利用射频卡,还可以对货柜车、货舱等进行有效跟踪。
3RFID卡收费
国外的各种交易大多利用各种卡来完成,而在我国普遍采用现金交易,现金交易不方便也不安全,还容易出现税收的漏洞、目前的收费卡多用磁卡、IC卡,而射频卡也开始抢占市场,原因是在一些恶劣的环境中、磁卡、IC卡容易损坏、而射频卡则不易磨损、也不怕静电及其它情况。同时射频卡用起来很方便、快捷。甚至不用打开包、在读写器前摇晃一下,就完成收费。还可以同时识别几张卡.并行收费。比如公共汽车上的电子月票.我国大城市的公共汽车异常拥挤、人员素质差、环境条件差,一般在国外还较有效的收费系统在国内就无法使用。射频卡的使用有助于改善这个情况。
又比如会员制收费卡、职工就餐卡、商店收费、电话卡、储蓄卡等等均可使用射频卡。射频卡上有内存分区,不同区域有不同的安全级别、可以在各种的应用中使用,互不干扰,而未来的发展必将各种卡的应用统一到一张卡上,个人手持一张卡就可以各处使用。
4生产线自动化
用RFID技术在生产流水线上实现自动控制、监视,提高生产率,改进生产方式、节约了成本,举两个例子以说明在生产线上应用RFID技术的情况。
用于汽车装配流水线。德国宝马汽车公司在装配流水线上应用射频卡以尽可能大量地生产用户定制的汽车。宝马汽车的生产是基于用户提出的要求式样而生产的:用户可以从上万种内部和外部选项中选定自己所需车的颜色、引擎型号还有轮胎式样等要求,这样一来,汽车装配流水线上就得装配上百种式样的宝马汽车、 如果没有一个高度组织的、 复杂的控制系统是很难完成这样复杂的任务的。宝马公司就在其装配流水线上配有RFID系统,他们使用可重复使用的射频卡,该射频卡上可带有详细的汽车所需的所有要求,在每个工作点处都有读写器,这样可以保证汽车在各个流水线位置处能毫不出错地完成装配任务。
Motorola、SGSThomson等集成电路制造商在竞争激烈的半导体工业中采用了加入了射频识别技术的自动识别工序控制系统。半导体生产对于超净的特殊需要,使得RFID应用在此非常理想,而其它自动识别系统,如条形码在如此苛刻的化学条件和超净要求下就不适用。
晶片是集成电路生产的关键。一片8英寸的晶片可以制造出100~1000个芯片。假如每片芯片零售价为$100,那么一片晶片上所包含的芯片价值至少就是$10000。一个晶片容器可装25个晶片,四个晶片容器可同时进行处理、那么一次误 *** 作造成的损失就达$1000000。 显然,跟踪每个晶片容器并消除误 *** 作是非常必要的。
在一个超净车间里、通常能有800位点.晶片容器要从一处位点移动到下-一位点。有时,晶片会因进入了错误的堆而造成损失。射频识别系统将核查晶片堆、设备、工序和 *** 作人员。如果其中任何一项的身份不对,设备将不能开始工作,同时向 *** 作人员显示指示。
5仓储管理
将RFID系统用于智能仓库货物管理,RFID完全有效地解决了仓库里与货物流动有关的信息的管理,它不但增加了一天内处理货物的件数还监看着这些货物的一切信息,射频卡是贴在货物所通过的仓库大门边上,读写器和天线都放在叉车上、每个货物都贴有条码、所有条码信息都被存储在仓库的中心计算机里、该货物的有关信息都能在计算机里查到。当货物被装走运往别地时,由另一读写器识别并告知计算中心它被放在哪个拖车上。这样管理中心可以实时地了解到已经生产了多少产品和发送了多少产品,并可自动识别货物,确定货物的位置。
6汽车防盗
这是RFID较新的应用。由于已经开发了足够小的射频卡、能够封装到汽车钥匙当中含有特定码字的射频卡,在汽车上装有读写器。当钥匙插入到点火器中时,读写器能够辨别钥匙的身份。如果读写器接收不到射频卡发送来的,特定信号、汽车的引擎将不会发动。用这种电子验证的方法、汽车的中央计算机也就能容易的防止短路点火。目前欧洲的丰田汽车、福特汽车和Mitsubishi汽车公司、韩国汽车制造商 Hyundai等在它的欧洲车型中也应用射频卡在欧洲和美国出售的汽车中用于防盗。目前全世界已经有大约数百万辆汽车装有该防盗系统。
另一种汽车防盗系统。司机自己带有一射频卡,其发射范围是在司机座椅45~55厘米以内。读写器安装在座椅的背部。当读写器读取到有效的ID号时,系统发出三身呜叫,然后汽车引擎才能启动。该防盗系统还有令一强大功能。倘若司机离开汽车并且车门敞开引擎也没有关闭的话,这时读写器就需要读取另一有效ID号,假如司机将该射频卡带离汽车,这样读写器不能读到有效ID号、则引擎会自动关闭同时会触发报警装置。同样这种射频卡也可用于家庭和办公室的防盗。
射频卡可应用于寻找丢失的汽车。在城市的各主要街道路线处埋设RFID的天线系统,只要车辆带有射频卡,则在路过任何天线读写器时、该汽车的ID号和当时时间都将会被自动记录,并被返回到城市交通管理中心的计算机中,除了城市街道埋设天线外,警察还开动若干辆带有读写器的流动巡逻车,以更加方便地监测车辆的行踪。如果车辆被盗,就将很方便快捷地被找回,在巴西的圣#middot;保罗市已经使用这样的系统。
7防伪
伪造问题在世界各地都是令人头疼的问题,在中国大量伪造产品充斥市场将会沉重打击民族工业。现在应用的防伪技术如全息防伪等技术同样也被不法分子伪造。
将射频识别技术应用在防伪的领域有它自身的技术优势。防伪技术本身要求成本低,但是却很难伪造。射频卡的成本就相对便宜,而芯片的制造需要有昂贵的芯片工厂,使伪造者望而却步。射频卡本身具有内存, 可以储存、修改与产品有关的数据、利于销售商使用; 体积十分小、便于产品封装。象电脑、激光打印机、电视等等产品上都可使用。
建立严格的产品销售渠道是防伪问题的关键。利用射频识别技术、厂家、批发商、零售商之间可以使用唯一的产品号来标识产品的身份。生产过程中在每样产品上封装入射频卡,卡上记载了唯一的产品号。批发商、零售商用厂家提供的读写器就可以严格检验产品的合法性。
利用这种技术不能改变现行的数据管理体制。唯一的产品标识号完全可以做到与已用数据库体系兼容。
有关防伪的应用请参考《中国防伪》2000年6月号46页〈加拿大射频识别防伪及应用〉。
8电子物品监视系统
(Electronic Article Surveillance, EAS) 这系统的目的是防止商品盗窃。 系统是基本配置的RFID、内存容量仅为1比特,即开或关。 它是基于从1930年就已知道的磁性物质的特性,有四种主要技术:微波、磁场、声磁、射频。系统包括贴在物体上的射频卡,和商店出口处的扫描器,射频卡在安装时被激活,它在激活状态时接近扫描器将会被探测到,这样就会报警。货物购买之后,射频卡由销售人员用专用工具拆除(典型的是在衣服店里),或者射频卡可以用磁场来使其失效或破坏射频卡本身的电特性。EAS系统已被广泛的使用。据估计每年消耗六十亿套。
9畜牧管理
这个领域的发展起步于赛马的识别,是用小玻璃封装的射频卡植于动物皮下,提供赛马的识别。射频卡大约10MM长,内有一个线圈,约1000圈的细线绕在铁氧体上,读写距离是十几个厘米。从赛马发展到了标识牲畜。牲畜的识别提供了现代化管理牧场的方法。
10火车和货运集装箱的识别
在火车运营中使用RFID系统有个很大的优势在于火车是按既定路线运行。所以肯定要通过设定的读写器的地点。通过读到的数据,能够得到火车的身份、监控火车的完整性,以防止遗漏在铁轨上的车厢发生撞车事故,同时在车站能将车厢重新编组。起初的努力是用超音波和雷达测距系统读出车厢侧的条码,现在被RFID系统取代,射频卡一般安在车厢顶边,读写器安在铁路沿线,就可得到火车的实时信息及车厢内装的物品信息。
11运动计时
在马拉松比赛中,由于马拉松比赛人员太多,有时第一个出发的同最后一个出发的人离开起跑线能相隔40分钟、如果没有一个精确的计时装置会造成不公平的竞争。射频卡应用于马拉松比赛的精确计时。运动员在自己的鞋带上很方便地系上射频卡,在比赛的起跑线和终点线处放置带有微型天线的小垫片,当运动员越过此垫片时,计时系统接收运动员所带的射频卡发出的ID号,并记录当时的时间。这样每个运动员都有自己的起始和结束时间,不带有不公平的竞争可能性了。在比赛路线的中如果每隔5公里就设置这样的垫片,也可以很方便地记录运动员的阶段跑所用时间。 该装置用于1995年以来各大型的马拉松比赛,有1995的柏林马拉松、1996的洛山玑马拉松、1996伦敦马拉松、1996的柏林马拉松、1996亚特兰大夏季奥林匹克奥运会马拉松比赛等。
RFID还可应用于汽车大奖赛上的精确计时。读写器连接到跑道下面一系列的天线,射频卡安装到车前、就在天线的上方。当赛车越过起跑线时,赛车的ID号和时间被计时记录,并存储到中心计算机内,这样到比赛结束时,每个参赛选手将会有一个满意的结果。

国内外芯片产业发展态势分析研判
中国科学院科技战略咨询研究院
芯片专题课题组
芯片是指内含集成电路的硅片,是采用半导体工艺把多种元件以及元件之间的连线制作在半导体晶圆上的具有特定功能的电路,是电子产品的基础构件。芯片广泛应用于从手机到超级计算机,从普通家用电器到大型工程机械和设备上,几乎无处不在。因此芯片扮演着现代工业基石的角色,成为信息科技迈上新台阶的关键命门。芯片制造技术是当今世界最高水平微细加工技术,是全球高科技国力竞争的战略必争制高点。

半导体产业及其上下游
芯片产业链包括设计、制造、封装测试等主要环节,也涉及上游的半导体设备和材料产业,以及下游的应用行业。
全球芯片产业技术发展态势
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经过多年发展,芯片产业成为高度国际化、高度研发导向的产业。芯片产业发展面临着来自技术和产业的双重挑战。
从技术角度而言,缩小晶体管尺寸越来越难并将最终达到极限,先进制程工艺的推进越来越慢。摩尔定律长期被认为是半导体行业的发展蓝图,而近年来摩尔定律被认为或已趋于发展极限,业界提出了“摩尔定律牵引”(More Moore)、“超越摩尔定律”(More than Moore)、“超越互补金属氧化物半导体(CMOS)”(Beyond CMOS)三大发展方向。《国际元件及系统技术路线图》提出不再以继续提升运算速度与效能为重点,而是关注如何让芯片发展更能符合应用需要。路线图预测非硅CMOS 尺寸微细化将止于2024 年的3 纳米工艺节点,提出通过管芯三维堆叠、层间致密互联、异质异构集成、器件低功率化等方案,变相实现微细化,借以延续芯片性能增长。IC Insights 提出集成电路设计和制造将向以下方向发展:缩小特征尺寸、引入新的材料和晶体管结构、采用更大直径硅晶圆、提高制造设备的生产能力、提高工厂自动化程度、电路和芯片的三维集成,先进的集成电路封装和整体系统驱动的设计方法等。
集成电路产业链及相关主要厂商
过去20年间,美国半导体企业的销售额约占全球的一半,韩国、日本、欧洲和我国的台湾地区也有表现优异的企业。
从产业角度而言,芯片产业创新的重心正在转移和扩张,产业高度集中导致竞争减少、市场垄断等风险不断加大。当前,芯片产业应用从传统的计算扩展到移动设备、汽车、云数据中心等领域,企业涉及的技术领域和目标进一步拓展。领先一步,“赢者通吃”,落后一招,“全盘皆输”,是芯片产业生态的“丛林法则”,因此预先布局、掌握领先的核心技术是芯片企业市场制胜的关键砝码。此外,通过并购来扩展市场规模、占有先进技术、布局未来关键领域是芯片企业强化市场竞争力的重要途径。近年来,国内外集成电路企业兼并重组风起云涌,产业并购呈现聚焦战略整合和布局新兴领域的趋势。一方面,龙头企业为实现规模经济和降低成本,持续开展出于战略整合目的的国际并购,呈现出规模大、交易金额高、强强联合的特征。另一方面,随着产业技术进入后摩尔时代,企业加快布局新兴市场,围绕物联网、汽车电子、数据中心、人工智能等领域的并购日趋活跃。上游企业让下游客户入股,以提升研发能力、分担研发风险也是巩固市场竞争力的一种手段。ASML 公司即采用这一模式。英特尔、三星、台积电是ASML 公司的股东,以购买股票以及投资ASML 公司科研的方式,成为ASML 公司高端设备的优先供货对象。
全球芯片技术创新步伐加快。QUESTEL 公司发布的《芯片行业专利分析及专利组合质量评估》报告显示(2016 年检索数据),全球芯片专利申请数量在1995~2013 年实现了6 倍的惊人增长,特别是2010 年以来专利申请节奏显著加速。
我国芯片产业和技术发展分析
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从产业链视角分析,我国集成电路封测业与国际先进水平技术差距最小,接近“并跑”。集成电路设计企业已经涌现若干在细分领域具有相当国际竞争力的企业,但是无论从基础技术平台、市场体量还是到战略产品领域等方面与国际领先企业仍然有不小的差距。集成电路制造业在技术研发上取得系列重大进步的同时,在核心量产工艺上与国际领先制造企业有15 代以上的差距。国内芯片制造设备和关键材料,除了已经取得的若干装备和产品研发及生产线应用的突破以外,与国际先进水平的整体差距是最大的。
▌(一)我国半导体芯片市场需求和供给能力总体评价
我国是世界第一大信息电子生产大国和消费大国,我国的家电、手机、台式机、笔记本电脑、信息通信设备、服务器乃至各类交通工具和医疗设备等产业需要大量芯片产品。根据中国海关统计数据,2017 年中国进口集成电路金额26014 亿美元,同比增长146%。
我国进口最大宗的是“处理器及控制器”类(占全部芯片进口总值接近一半),其次是存储器,再次是逻辑芯片。随着中国产业的升级转型,在工业应用、汽车应用、移动互联网、数字电视、数字娱乐、人工智能和医疗应用等新兴行业,形成集成电路产品多元化的增长态势。
Gartner 公司数据显示,近年来全球接近80%的手机是中国生产的,95%的电脑在中国组装生产(近两年部分开始向越南等国转移),但是需要注意中国的芯片进口额其中大部分是以苹果、三星和惠普等为代表的跨国IT 公司在华装配企业的进口额。可以说中国对芯片的巨额消费很大部分是由跨国公司在中国组装电子设备和产品造成的。
2017 年中国出口集成电路20435 亿块,同比增长131%,出口金额6688亿美元,同比增长98%。这里面也有大量跨国公司在华企业的贡献。
我国国内芯片供给能力较强的为移动处理和基带芯片、逻辑芯片和分立器件等,在移动智能终端和网络通信领域应用较广,已经形成有效供应。但在国内市场和全球市场需求量很大的存储器、中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、微处理器单元(MPU)、传感器、模拟射频芯片和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等芯片产品方面,尚处于攻关、试产、小批量开发阶段,基本没有形成规模供应能力,整体上看所需的关键集成电路产品大量依赖美国等进口,难以对经济发展和信息安全等形成全面有力支撑。
▌(二)我国芯片产业技术现状分析
2008 年以来,在重大科技专项(01)—核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品(核高基)和重大科技专项(02)—极大规模集成电路制造装备与成套工艺的支持下,在芯片、软件和电子器件领域,以及集成电路制程和成套工艺上取得了较大突破。2014 年6 月,国务院印发《国家集成电路产业发展推进纲要》,设立集成电路产业基金,以大力度部署带动产业链协同持续发展,加快追赶和超越的步伐,努力实现集成电路产业跨越式发展。
1 集成电路设计业
中国集成电路设计业增速为261%,销售额为20735 亿元。根据工业和信息化部的数据,境内设计业规模从2014 年的1047 亿元增长到2017 年的1980 亿元,位居全球第二。代表性企业为进入全球前10 名的华为海思和紫光展锐。例如华为海思半导体、紫光展锐等开发的移动处理芯片全球市场占有率超过20%。而兆芯和龙芯等公司在CPU、GPU、芯片组(Chipset)等核心技术方面取得了突破。同时国内在金融集成电路卡芯片、北斗导航芯片上取得了突破。但是国内芯片设计企业对第三方IP 核的依赖程度非常高;对设计方法学的重视程度不够,需要设计企业提供更完善的方案方可完成制造流程。我国在需求量很大的数字信号处理(DSP)芯片、FPGA、模拟芯片等方面尚未形成强有力的设计能力。
2 集成电路制造业
根据中国半导体行业协会提供的数据,我国集成电路制造业2017 年同比增长285%,销售额达到14481 亿元,领军企业为中芯国际、华力、华虹等,整体上12 英寸生产线的产能只有15 万片左右(2016 年),亟待加强;国内代工制造企业完整的设计服务和支持体系仍然有待加强,大多数企业尚未建成有竞争力的设计服务和支持体系,独立工艺研发能力有待加强。
中国芯片制造业现有先进工艺产能与市场需求方面存在的差距仍然较大。例如,中芯国际2016 年的营收为2921 亿美元,位列全球代工企业第4名,并宣布实现28 纳米成套工艺量产,在02 专项的支持下,22 纳米和14纳米先导技术研发取得突破,当前在国家集成电路大基金的全力支持下,正在推进14 纳米工艺研究和量产开发。国际上领先的代工制造企业为中国台湾的台积电、美国的格罗方德、韩国的三星和中国台湾的台联电。全球领先的台积电目前的主流工艺正在试图从10 纳米向7 纳米转换,采用极紫外光刻(EUV)前沿技术,同时在南京部署16 纳米生产线。
3 集成电路封测业
根据中国半导体行业协会数据,集成电路封测业继续保持快速增长,增速为208%,2017 年达到18897 亿元。目前国内集成电路封装已经形成了四大领军企业,即长电科技、通富微电、华天科技和晶方科技;其中长电科技名列全球第三,位列全球第一是中国台湾的日月光。在02 专项支持下,中国大陆封装企业围绕三维高密度集成技术研发,接近国际先进水平。中国大陆和中国台湾企业在技术上已经不存在代差。
4 芯片制造设备和关键材料
在国家02 专项的支持下,研制成功靶材、抛光液等多种关键材料产品,性能达到国际先进水平。国产刻蚀机、离子注入机等多种关键设备研制成功并通过了大生产线考核,实现了海内外批量销售,总体技术水平达到28 纳米,部分14 纳米设备开始进入客户生产线验证。
国内代表性企业为中微(刻蚀机)和北方华创(等离子刻蚀、气相沉积设备和清洗设备)等。值得注意的是,我国优势企业主要集中在后道工艺设备部分。在前端工艺方面,如核心光刻工艺方面,国内目前推出了90 纳米光刻机装备,这与国际顶尖装备企业[如得到国际集成电路制造巨头全力支持的荷兰ASML 公司(正在研发推出10 纳米及以下节点工艺装备)]的差距较大,而国内企业在提供尖端生产工艺、高效服务和先进软件产品方面的差距较大。
光刻胶是半导体工艺中最核心的材料,直接决定芯片制程。现阶段,日、美企业垄断国内半导体光刻胶市场,我国光刻胶产业和国外先进产品相差三四代,极易被国外企业“卡脖子”。但国内企业在资金和技术上奋起直追,如苏州瑞红、北京科华等,它们有望持续引领半导体光刻胶国产化进程,逐渐降低我国对半导体光刻胶的进口依赖程度。
▌(三)我国芯片产业和技术发展趋势
我国集成电路领域近几年取得了长足发展。国产手机芯片大量进入市场,芯片制造和封装技术快速进步,芯片制造装备和材料实现了从无到有的突破。紫光展锐、华为等企业研发的芯片的设计能力快速提升。“龙芯”CPU已形成3 个产品系列,部分国产芯片开始大力推广。
2017 年,美国总统科技顾问委员会发布的报告评估了中国半导体产业的发展优势和短板,包括:中国在先进逻辑芯片制造技术方面明显落后于世界先进水平,虽然制造企业数量很多,但比当前先进的量产工艺至少落后15代,缺少可商业量产的本土存储器企业,缺少半导体设备厂商等。中国半导体产业中表现最突出的是设计企业,并且发展势头良好,但与国外先进企业之间还存在技术差距,而且大部分设计企业主要瞄准低端和中端市场。此外,中国企业在国际上的收并购活动日益活跃。
我国未来集成电路发展趋势应按照“摩尔定律牵引”和“超越摩尔定律”抓住技术变革的有利时机,以“摩尔定律牵引”战略,持续推动国际先进12 寸前沿工艺研发,下决心突破处理器、存储器等全球产业技术制高点,迅速形成国际前沿水平的规模生产能力,争夺全球主流应用市场。同时要按照“超越摩尔定律”战略,基于我国巨大的市场潜力和战略需求,大力发展模拟及数模混合电路、微机电系统(MEMS)、高压电路、射频电路等特色8 寸专用工艺生产线。以制造工艺能力的提升带动国内芯片设计水平提升,以国际高水平生产线建设战略性带动我国关键装备和材料配套突破发展。
文章来源:企鹅号 - 科学出版社
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政策推动我国物联网高速发展

自2013年《物联网发展专项行动计划》印发以来,国家鼓励应用物联网技术来促进生产生活和社会管理方式向智能化、精细化、网络化方向转变,对于提高国民经济和社会生活信息化水平,提升社会管理和公共服务水平,带动相关学科发展和技术创新能力增强,推动产业结构调整和发展方式转变具有重要意义。

以数字化、网络化、智能化为本质特征的第四次工业革命正在兴起。物联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物,通过对人、机、物的全面互联,构建起全要素、全产业链、全价值链全面连接的新型生产制造和服务体系,是数字化转型的实现途径,是实现新旧动能转换的关键力量。

我国物联网行业呈高速增长状态 未来将有更广阔的空间

自2013年以来我国物联网行业规模保持高速增长,增速一直维持在15%以上,江苏、浙江、广东省行业规模均超千亿元。中国通信工业协会的数据表明,随着物联网信息处理和应用服务等产业的发展,中国物联网行业规模已经从2013年的4896亿元增长至2019年的15万亿元。

虽然我国物联网发展显著,但我国物联网行业仍处于成长期的早中期阶段。目前中国物联网及相关企业超过3万家,其中中小企业占比超过85%,创新活力突出,对产业发展推动作用巨大。

物联网作为中国新一代信息技术自主创新突破的重点方向,蕴含着巨大的创新空间,在芯片、传感器、近距离传输、海量数据处理以及综合集成、应用等领域,创新活动日趋活跃,创新要素不断积聚。

物联网在各行各业的应用不断深化,将催生大量的新技术、新产品、新应用、新模式。未来巨大的市场需求将为物联网带来难得的发展机遇和广阔的发展空间。

在政策、经济、社会、技术等因素的驱动下,2020年GSMA移动经济发展报告预测,2019-2025年复合增长率为9%左右,2020年中国物联网行业规模目标16亿元,按照目前物联网行业的发展态势,十三五规划的目标有望超预期完成;预计到2025年,中国物联网行业规模将超过27万亿元。

未来物联网行业将向着多元方向发展

标准化是物联网发展面临的最大挑战之一,它是希望在早期主导市场的行业领导者之间的一场斗争。目前我国物联网行业百家争鸣,还未有一个统一的标准出现。因此在未来可能通过不断竞争将会出现限数量的供应商主导市场,类似于现在使用的Windows、Mac和Linux *** 作系统。

合规化同样是当下物联网面临的问题之一,特别是数据隐私问题。目前数据隐私已成为网络社会的一个关键词,各种用户数据泄露或被滥用的事件频发,特别是Facebook的丑闻引发了全球担忧。

因此在未来,我国各种立法和监管机构将提出更加严格的用户数据保护规定,,用户的敏感数据可能会随着时间的推移而受到更严格的监管。

安全化是指预防物联网软件遭受网络黑客攻击,在未来,以安全为重点的物联网设施将受到更多的关注,特别是某些特定的基础行业,如医疗健康、安全安防、金融等领域。

多重技术推动物联网技术创新

从技术创新趋势来看,物联网行业发展的内生动力正在不断增强。连接技术不断突破,NB-Iot、eMTC、Lora等低功耗广域网全球商用化进程不断加速;物联网平台迅速增长,服务支撑能力迅速提升;

区块链、边缘计算、人工智能等新技术题材不断注入物联网,为物联网带来新的创新活力。受技术和产业成熟度的综合驱动,物联网呈现“边缘的智能化、连接的泛在化、服务的平台化、数据的延伸化”等特点。

上数据来源于前瞻产业研究院《中国物联网行业应用领域市场需求与投资预测分析报告》。

下图为一个较为通用的IoT系统的开发技术域图谱。

我们用华为的HiLink进行举例说明。

• 华为HiLink智能家居开发者平台是以HUAWEI HiLink为核心的技术开放平台。 • 为开发者提供基于云到端的整套智能家居解决方案服务。 • 开发者能基于云到端的整套HiLink智能家居解方案,快速构建智能硬件,缩短产品上市周期,还可以与 HiLink生态圈内的硬件互联互通,形成开放、互通、共建的智能家居生态。

• 华为HiLink智能家居开放者平台提供整套解决方案,并建设开发者社区,为开发者提供全方位的指导,帮 助开发者从开发环境搭建到集成、测试、提供一站式的开发服务。 

• HiLink生态中的开发者可以在HiLink智能家居解决方案平台中进行开发。我们将开放 HiLink SDK、 LiteOS、物联网芯片、安全、和人工智能等核心技术能力: 

• 1 HiLink智能设备 

        • 平台提供HiLink SDK。支持Wi-Fi、BLE、Zigbee等方式联网,帮助智能硬件厂商快速集成HUAWEI HiLink协议。 

• 2 智能家居APP 

        • 平台提供标准的HTML5的设备控制页面,开发者也可以基于JSAPI接口,进行智能设备控制界面开发。 

• 3 HiLink 智能家居云 

        • 云端通过开放API,实现和第三方云的协议对接和数据共享。 

• 4 智能路由开放平台 

        • 开放智能路由平台,可以支持主流智能家居协议的转换,实现第三方设备的控制。

最早其的HiLink并没有如此宏大的蓝图,仅仅是为了增强智能路由器的配套工程,即主要是支撑智能路由 产品族,为其配套尽可能多的智能家居产品。 • 最强大的功能就是其自组网能力,是从企业级路由器自组网协议中衍生出来的,从诞生之初,一直是国内 家用路由器中,最好的自组网协议,没有之一。特色就是其自组网键“HiLink”键,它长这样:

• 1 组播/广播配网 

通过华为智能家居APP或HiLink路由器下发路由器SSID 和密码参数,智能设备连接无线路由器网络。设备配网需 要借助智能家居APP来实现,根据家庭组网路由器的不同。 

• 2 SoftAP配网 

周围有待配网的智能设备,设备处于SoftAP模式,通过 *** 作智能家居APP接入设备热点并向设备下发路由器 SSID和密码参数,设备切换为STA模式并回连路由器网 络,智能家居APP切换重连路由器网络。

由于组播/广播配网往往有路由器兼容性问题(主要是广播拥塞),所以WiFi接入的IoT设备必须要支持SoftAP配网 。

• Device 

HiLink智能家居平台中的设备节点,例如家庭娱乐,家庭照明,家庭安防,家庭健康以及穿戴式等IoT领域的智能硬件。 

• 网关 

物联网解决方案中的网关,包括路由器、家庭网关等。 

• APP 

物联网解决方案中的手机/iPad控制端。 

• 云 

物联网运营管理平台,实现海量连接、设备管理和运营管理。 

a)  统一华为账号 

b) 设备管理 

c) 场景联动控制 

d) 安全连接 

e) 外部数据共享功能 

• Profile 

定义了Device设备侧的应用场景,这些行为包括如何与网关、云平台进行信息的查询和控制等。Profile是服务的集合。 

• 服务 

 服务是指定义智能设备执行查询和控制的命令的集合。比如一盏智能灯,可以对外提供开关服务,外界可以通过这个服务来控 制灯的开关状态以及获取灯的开关状态。


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