在通往芯片小型化和微型化的路上,一条以SoC(片上集成)为主,沿着摩尔定律持续演进;另一条以SiP封装技术为主,被视为超越摩尔定律的重要路径。在物联网规模化应用的驱动下,NB-IoT模组又将沿着哪条路演进呢?


自2015年7月NB-IoT被提出以来,在华为及全球范围内大批企业的共同推动下,经过近6年时间的发展,NB-IoT已经成为低功耗广覆盖应用场景中的首选技术,并在去年7月正式被纳入5G技术标准当中,与5G生命周期同步,承担起庞大的低速率应用场景的连接重任。在NB-IoT强势发展的过程中,模组厂商在产业链中起“承上启下”的衔接作用,愈加受到行业关注。

NB-IoT模组未来将朝什么方向演进?模组芯片化或将是最佳方案

从出货量来看,2020年国内NB-IoT模组出货已经超过6000万的规模,并且保持着积极的增长态势。不过,伴随着NB-IoT应用规模的进一步持续扩大,新应用、新场景、新需求不断推陈出新,各家NB-IoT模组方案也逐渐演进至全新发展阶段。


基于行业观察,驱动各家模组厂商产品不断迭代的原因主要来自两个方面:一方面来自行业内部动力,各家模组成本持续压低、尺寸追求极致、功耗要求更低、性能需要更稳定,且不断融合BLE/GNSS/Cat.1等功能模块与植入软硬件安全等成为主流;另一方面则来自于物联网垂直行业差异化需求的驱动,模组厂商更需要展示其生产制造、行业解决方案、技术服务、商务支撑等全方位综合能力。

NB-IoT模组未来将朝什么方向演进?模组芯片化或将是最佳方案

因此,对于物联网模组厂商及上游参与者而言,看准NB-IoT模组未来发展趋势显得尤为关键。如今,“模组芯片化”正在成为行业的新兴趋势。


全新模组方案:模组芯片化


随着物联网行业不断快速发展,为满足千差万别的物联网应用场景而诞生了种类丰富、数量庞大的物联网终端。去年11月,国际知名市场研究机构IoT Analytics发布数据指出,全球物联网连接数首次完成对非物联网连接数的“超车”,同时指出物联网设备在过去十年间已经成为全球设备保持高速增长的主要动力。

从连接数来看,在国内,中国电信NB-IoT总连接数一骑绝尘,截至2021年2月已经达到8700万,中国移动NB-IoT用户数紧随其后,截至2020年10月也累计达4800万。从应用层来看,行业已经开拓了智能表计、智能追踪、智慧烟感、智慧路灯、智慧停车、智能门锁、智慧大气监测等数十种应用场景,形成了“4(千万级)+7(百万级)+N(新兴潜力)”的规模格局。


物联网发展以不可思议的速度向前狂奔,与此同时物联网厂商面临的挑战也一并袭来。众所周知,消费电子产品与行业终端之间的要求、价值等可谓大相径庭,不同于以往电脑、手机、平板等体积较大的消费电子产品对于芯片等核心元器件的体积要求不那么敏感,物联网时代出现的大量智能硬件、可穿戴设备、智能表计产品等,对产品的尺寸大小、功耗、成本价格等要求甚为苛刻。

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比如看似比手机、电脑体积更大的自行车,通信器件部署不仅要隐蔽,还需要针对其成本和完备的功能进行考量。而相比较之下的消费端,或许人们就更愿意购买像苹果AirTag一样价格高昂的硬件挂在钥匙上。因为购买主体不一样,发挥价值不一样,导致两种商业思维自然也不一样,比如AirTag除了防丢失之外的“面子”价值,就不是行业用户所考虑的。

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而从目前市面来看,各主流芯片厂商已经推出实现商用落地的NB-IoT芯片的大小一般为6mm?6mm的尺寸,然后交付下游由模组厂商再按照各自设计把MCU、存储芯片、滤波芯片及其他元器件集成封装,最终产出完整的NB-IoT模组。而此时NB-IoT模组的体积已经相较芯片时的大小“膨胀”了数倍。此前,业内发布的全球最小体积的NB-IoT模组的尺寸也达到了16mmx18mm的大小,虽然大小只与一枚1元硬币相当,但这对终端厂商而言依然是其产品落地中的“阿喀琉斯之踵”。


相比之下,在NB-IoT芯片和模组尺寸、价格都做到极致时,将NB-IoT模组芯片化,围绕垂直行业做高集成化的NB-IoT解决方案或许更能找准用户核心价值。基于此,苏州吾爱易达物联网公司近日推出了两款芯片化超小体积的NB-IoT模组——SNS521S和SNS521H。

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其中,SNS521S为一款全球最小体积的高性能超低功耗芯片级NB-IoT通信模组,它的尺寸大小仅为8mm✖8mm,相比此前全球最小体积的NB-IoT模组仅为其体积的四分之一,几乎与主流NB-IoT芯片大小相当,并且其内部集成了NB-IoT通信所需的所有功能部件。

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SNS521H为一款燃气行业专用芯片级解决方案,其大小只有12mm✖12mm的尺寸。更重要是的是,它专为智慧表计行业设计,不仅能满足基本的通信需求,还针对性进行更高程度的集成,可代替传统燃气表MCU微控制器,提供二次开发能力。


除吾爱易达之外,包括芯翼信息科技有限公司、杭州为峰智能科技有限公司、上海奥蓝迪物联网科技有限公司在内的大批芯片及模组厂商都开始探索“模组芯片化”之路,采用SiP技术赋能模组进入新时代。


揭秘方案背后:超越摩尔定律的SiP


NB-IoT模组芯片化的演进过程并不是一蹴而就的。从芯片技术演进角度讲,NB-IoT行业的芯片/模组厂商更像是“站在巨人的肩膀上”受到启发,弥补了NB-IoT行业多年的空白。


众所周知,电子产品在过去几十年的发展过程中都以摩尔定律为“圣经”,这使得相关产品的性能在此期间获得了最大保障。但是,随着芯片承载的物理空间逼近极限,摩尔定律也只能随着时间推移而失效。

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业界为在芯片层面继续探索小型化和微型化系统,提出了SoC片上集成和SiP芯片级封装两种思路,前者是摩尔定律的延续,已经被证实发展前景困难重重,后者是超越摩尔定律的尝试,在摩尔定律逐渐失效以及PCB板技术演进长期停滞的状态下,为对设计空间、产品体积、成本等要求严格的物联网行业拓展了更大空间。


根据国际半导体路线组织(ITRS)对SiP的定义:SiP为将多个具有不同功能的有源电子器件和可选无源电子元件,以及诸多如MEMS或光学器件等其他器件优先组装到一起,实现一定功能的单个标准封装件,进而形成一个系统或子系统。


从思路上来看,SoC从设计的角度出发,而SiP则是从封装的角度出发。从架构上来看,SiP将不同功能的芯片集成在一个封装内,不同功能的芯片、不同材质的芯片都可以按照并排或叠加的方式,也就是2D SiP或3D SiP的方式封装。对于物联网下游终端客户而言,除了已经提及的小体积降低PCB板用量、更低成本、更高更可靠的性能等优势之外,SiP技术减少了芯片的重复封装,降低了布局与排线难度,也进一步缩短了物联网产品的研发周期,有助于行业用户研发的产品更快实现商业化落地。


当然,NB-IoT行业逐渐应用SiP技术并非摸着石头过河,早在消费端电子产品中SiP就已经进行了大量的实践和验证。苹果就是SiP技术的坚定拥护者,比如iPhone7 Plus中就采用了约15处不同类型的SiP封装技术,以便在智能手机功能不断丰富以及高性能的过程中仍保持其轻薄化。并且,不局限于消费端,物联网行业对SiP技术的使用也由来已久。

NB-IoT模组未来将朝什么方向演进?模组芯片化或将是最佳方案

相比NB-IoT领域,不少企业在Lora相关的产品研发中早已采用了SiP技术,并验证了它潜在的价值。众所周知,从目前Lora芯片的供应链来看,早已摆脱了以往单一供应商,转为多供应商的格局。主导LoRa技术的Semtech公司不仅销售LoRa芯片,同时也向获得授权的合作伙伴同时直接销售LoRa晶圆(不带封装)。比如台湾群登科技、ASR、深圳国民技术等公司,都可以通过SiP技术把MCU和其他芯片与LoRa一起封装,自行销售SiP芯片。而这样做的优势显而易见,LoRa上演了百家争鸣的繁荣格局,并避免了现阶段国际环境下对于供应链的担忧。


对于已经到来的5G时代,SiP技术的重要还将日益凸显,因为5G时代电子产品将集成更多的电子元器件,包括毫米波的应用、多网络通信制式的兼容等,对于芯片封装技术的要求只会更高。


价值凸显:更适应物联网行业的方案


当然,NB-IoT行业芯片及模组厂商应用SiP技术不仅是行业内部动力使然,作为NB-IoT产业链的上游供应方,向行业展示其垂直行业解决方案全栈能力也有外部环境的驱动。不同于数十年发展而来的消费电子领域,几乎由上游主导,上游供应链提供什么,下游就只能使用什么,然后再基于各自理解做差异化扩展。而物联网领域本身就是极具碎片化、差异化,不再由技术驱动,转而向需求驱动转变。


在这种商业思维的转变下,近几年行业中也出现了不同以往的理解,以往感觉高高在上的芯片、模组企业都在不断下沉,贴近垂直行业,做更加精细化的分工,提供差异化的解决方案。向上是芯片及模组厂商主动求变,推动技术革新;向下则是深入垂直行业获取行业Konw-How,形成更紧密的供应链体系。


模组芯片化就是更适应物联网发展的一条可行之径。以往,上游芯片厂商开发多功能集成、多部件植入的通用模组,由下游模组厂商做扩展并圈定适用范围,对于终端侧用户而言并无太多主动权与发言权,行业用户甚至无法对商业模式进行主导。现在,通过模组厂商客制化能力,由行业用户需求入手为其提供个性化的系统集成,配合行业软件、AI应用支撑等,更需要把行业发展的主动权交还给行业用户自己。


简单来说,NB-IoT与Cat.1一定有差异化的应用场景需求,而即使是同为NB-IoT应用,其需求也是千差万别。比如典型的NB-IoT水表与燃气表,它们在数据类型、数据颗粒度、功耗等方面根据自身需求也有不同的要求。相比传统通用模组,进行模组芯片化定制开发的模组不仅能在形态、成本以及性能上满足用户,更可以根据不同类型的业务场景提供精细化服务,打造属于行业简单、易用、智慧的商业化方案。


小结


随着物联网应用规模落地,越来越多物联网智能终端需要更加极致的设计和多功能的整合,通过SiP技术达到模组芯片化将会日益受到关注。同时,上游厂商不断下沉行业已成为既定的事实,进而更加务实的转向行业发展,以需求驱动,以定制化为主,才是突破物联网行业碎片化、差异化瓶颈的必经之路。


文章来源: 电子技术应用

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