一文了解物聯網主控晶元架構之爭

文/Boone

本文綜合自：中關村在線，智慧產品圈等

中興事件引起了全球的轟動，大家的目光聚集在伺服器、計算機、存儲底層晶元技術缺乏之上。紫光等國產晶元供應商股票應聲上漲。

此次事件反應出了我國在晶元及其產業鏈上較為薄弱；畢竟PC時代，我們起步時間太晚。不過在隨即到來的物聯網（晶元）時代，我們還是有希望實現彎道超車的。物聯網晶元作為萬物互聯的重要部分之一，包含安全晶元、移動支付晶元、通訊射頻晶元和身份識別類晶元等晶元產業，預計2020年我國物聯網規模將達1.5萬億。接下來本篇文章主要介紹物聯網主控晶元的幾種架構。

國內外巨頭紛紛布局物聯網晶元

物聯網光明的市場前景和尚未定型的IoT主控晶元架構市場，引得國內外巨頭紛紛發力，搶佔制高點。

國外方面，英特爾早在2014年便發布基於x86的名為愛迪生（Edison）晶元，緊接著2015年推出基於x86的居里（Curie）晶元；高通自然也不甘停滯於移動領域，於2016年首發基於自己Krait300架構驍龍600E和410E物聯網晶元，Krait300架構是基於ARM V7 指令集的，性能介於ARM設計的A9、A15架構之間；三星也於2015年便發布Artik1、5、10三款物聯網晶元，均基於ARM架構。此外，谷歌、AMD、英偉達等巨頭也紛紛研發物聯網晶元。

國內市場，聯發科在2015年便推出基於ARM v7架構物聯網晶元MT2503，已廣泛用於共享單車領域，並於今年與微軟達成協議，合作推出首款AzureSphere晶元MT3620；華為海思於2016年9月推出首款正式商用物聯網晶元，其Boudica 120、150晶元也於2017年下半年大規模出貨，均基於ARM架構；此外，中芯國際、華虹宏力、台積電、展訊、華潤微、聯芯科技等廠商也紛紛布局物聯網晶元市場。

物聯網晶元架構

萬物互聯的前提是智能終端設備與感測器的連接，其應用場景和特性使得物聯網晶元偏向低功耗和高整合度，低功耗使得開發人員能夠為功耗受限設備增添功能，同時保持晶元尺寸，擴大應用可能性。添加高集成度的元件可實現晶元的即插即用，簡化應用開發，方便設備更新換代，便於產品快速推向市場。

由於物聯網應用特點和場景需求，高效、精簡的指令集和低功耗的晶元是更好的選擇。因此究竟什麼架構會是適合物聯網專用晶元呢？

ARM架構

隨著智能手機的發展，ARM構架在這幾年算是大放異彩，ARM是RISC微處理器的代表作之一，最大的特點在於節能，廣泛的在嵌入式系統設計中被使用，甚至很多人心中默認的物聯網晶元就是ARM構架。

目前市面上晶元架構主要以x86和ARM為主。相比基於複雜指令集的x86架構，ARM架構由於採用精簡指令集，其晶元更為精簡、功耗更低，而物聯網的特性和應用場景又要求其使用的晶元必須考慮功耗和集成度，這使得基於ARM架構的物聯網晶元在萬物互聯的時代佔據著先天優勢。

事實也正是如此，如上文提到的高通600E和410E物聯網晶元、華為Boudica 120和150物聯網晶元以及三星Artik1、5、10三款物聯網晶元，均基於ARM架構，聯發科採用ARM v7架構的MT2503物聯網晶元已廣泛用於共享單車領域。

x86

面前市面上基於x86架構的物聯網晶元恐怕只有英特爾一家，其2014年和2015年推出的Edison、Curie均基於x86架構。或許是意識到x86架構在物聯網時代的無奈，英特爾後繼針對物聯網開發的晶元雖仍然基於x86架構，但在內部精簡系統指令並對耗能問題進行控制，這樣的做法也變相承認了x86架構在物聯網時代走不通。

於是Intel宣布斥資167億美元，以每股約54美元的價格收購全球第二大FPGA廠商Altera（阿爾特拉），這是Intel成立47年以來歷史上規模最大的收購。本次Intel的收購對應的估值高達35倍，這在半導體領域已經非常罕見。

Intel收購Altera，主要基於三方面考慮：

第一、IBM與全球第一大FPGA廠商Xilinx合作，主攻大數據和雲計算方向，這引起Intel的巨大擔憂。Intel已經在移動處理器落後，大數據和雲計算領域不能再落後。Intel此次與Altera合作，將開放Intel處理器的內部介面，形成CPU+FPGA的組合模式。其中FPGA用於整形計算，cpu進行浮點計算和調度，此組合的擁有更高的單位功耗性能和更低的時延。

第二、IC設計和流片成本。隨著半導體製程指數增長，FPGA在物聯網領域將替代高價值、批量相對較小（5萬片以下）、多通道計算的專用設備替代ASIC。同時，FPGA開發周期比ASIC短50%，可以用來快速搶佔市場

第三、Intel收購Altera其實是看好物聯網領域的機會。之前FPGA的主要作用之一是用於原型設計，先用FPGA做功能驗證然後用ASIC流片，是為了在節約成本的情況下更好的設計ASIC。但是隨著FPGA自身的性能、能力與可實現邏輯的複雜度的不斷提升，現在FPGA在高性能、多通道計算領域可以直接代替一些部分分ASIC和和DSP來使用，主要原因三點：並行運算、硬體結構可變、運行中可以更改。

FPGA

物聯網的特點之一便是場景應用的多樣性，這要求物聯網晶元功能不必複雜，但需滿足不同場景的開發需求。FPGA的出現為物聯網晶元提供了新的可能性，其可編程設計優勢能幫助開發者縮短研發時間，從硬體結構的改變來適應演算法的要求，以滿足物聯網多樣性的定製化需求。

FPGA主要應用於視頻、工業、通信、汽車等領域，因為這些領域一般表現為晶元使用量少、應用差異化嚴重、功能沒有完善、功耗要求不高、性能要求穩定可靠等特點。但是對於消費類應用領域而言，首要考慮的因素是價格和功能。

價格最便宜的FPGA也高於其他晶元的好幾倍，例如xilinx的FPGA價格最少是在10美金以上。除價格之外，FPGA的功耗至少比主控晶元高一個數量級以上，幾乎不可能應用在可穿戴式設備這種領域中，而用在一些高端的消費類市場應用較多，如高端電視機、中央空調等。

國際大廠的態度基本上都是不看好FPGA在消費類智能硬體中的應用，價格和功耗是最大的挑戰。

雖然功耗和價格並不佔優勢，但是在定製化需求提升的情況下，FPGA可編程、埠靈活的優勢就變的尤為重要。

RISC-V

除ARM外，基於精簡指令集另一架構便是RISC-V。

RISC-V是一款基於精簡指令集袁澤創建的開源指令集架構（ISA），從2010年開始RISC-V架構出現到現在，它正在以開源（免費的）優勢快速成長。基於RISC-V的晶元企業不斷出現，面向物聯網、 人工智慧、嵌入式等市場開放，與封閉的商業ISA表現出極大活力。

RISC-V指令集的設計考慮了小型、快速、低功耗的現實世界實現，但沒有對特定微架構風格的過度架構。此外，RISC-V的另一大優勢便是開源，這也意味著廠商無需花錢去購買ip，模塊化也使得用戶可根據需求自由定製，配置不同的指令子集。

據了解，目前特斯拉已加入RISC-V基金會，並考慮在新款晶元中使用RISC-V設計。西部數據和英偉達（NVIDIA）已宣布，計劃在部分產品中引入這種新的晶元設計。

儘管以現在僅有8年歷史的RISC-V架構挑戰ARM還有一定難度，但是它提供了一種新的思路和方向。面對物聯網平台快速成長，物聯網應用大爆發的千載難逢的成長期，開源的RISC-V架構帶來更低成本的晶元，必定會吸引一部分對成本敏感的IOT企業，其更好的靈活性也會帶來定製化晶元的可能。

當然RISC-V目前還只是微處理器，對於Unix級應用處理器而言還需要更長的時間去實現應用。就目前市場來看，Intel主宰了數據中心領域， ARM主宰移動領域。而對於即將到來的物聯網時代，生態鏈還處於新興狀態，更低的成本和更自由的設計應用對於RISC-V來說也許會迎來大爆發的機遇。

ASIC

ASIC晶元的優勢是運算能力強、規模量產成本低，但開發周期長、單次流片成本高，主要適用於量大、對運算能力要求較高、開發周期較長的領域，比如大部分消費電子晶元和實驗。

相較ASIC 來說，FPGA的功耗比較大，成本優勢也不足以支撐高性價比的物聯網，因此，目前針對邊緣雲計算的最新應用方案，ASIC的選用性更強。

ASIC可以依照產品需求的不同而定製化成不同的集成電路，雖然相比FPGA，ASIC性能更高、功耗更低，但其靈活性並沒FPGA好。如今年7月底，谷歌便發布了ASIC晶元Edge TPU，旨在補充谷歌雲的TPU晶元，進一步完善物聯網市場。

總結

物聯網晶元已成為國內外巨頭眼中的香餑餑，英特爾x86架構統治PC晶元20年，ARM架構制霸移動通訊晶元，已經到來的物聯網時代，ARM架構或者x86架構還能延續輝煌嗎？

中興解禁說明，全球電子產業屬於一個生態，企圖僅僅通過控制某一個環節，比如晶元來控制整個生態，是不現實的。而且由於是生態系統，相互之間也是控制和制約的，再加上晶元的需求根據應用領域各異，沒有一個能包打天下。

目前情況來看，既要從整體生態的角度去分析和布局物聯網技術，需要在關鍵技術上，強化自身實力，打造創新壁壘。

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