2023年,国产UWB芯片上车的“立”和“破”

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【编者按】2023年,半导体行业面临宏观经济和地缘政治等多重挑战。迎接2024年,《集微网》推出回顾展望系列,邀请行业代表企业总结过去一年的产业链发展、热点话题,并展望未来。通过这一系列,为半导体行业提供有深度的参考,助力企业更好地应对新的发展趋势。

(文/武守哲)近年来,近场通信NFC和新近崛起的UWB(超宽带)技术成为物联网市场细分赛道中迅猛发展的重要关注点。手机和汽车的互联,包括智能家居对近距离通信的数据传输速率的更高要求,叠加三年疫情对社交距离防疫准则的遵行,加速了近场通信各类应用场景的落地和相关技术的纵深发展。

目前来看,无论是NFC还是UWB技术,过去十几年均在C端和B端有广泛的纵深布局。具体到车机互联,车联网V2X以及短距离定位等复杂广阔的下游应用,UWB是否可以看作NFC的高级版本?目前业界尚未形成牢固的共识。不过毋庸置疑的是,两项技术并行却又在自身独有的生态圈中不断迭代,形成了的交叉互通却又有一定差异性的竞争局面,丰富了近场通信的生态。

2023年下半年以来,全球手机市场复苏态势明显,车用汽车电子市场也在智能化的刺激下不断蓬勃发展,手机厂造车甚至汽车主机厂造手机的话题依然以爆点新闻的方式存在。近距离通信技术成为观察这两大领域的重要窗口。

NFC和UWB殊途同归:从智能手机到智能汽车

NFC技术脱胎于RFID。RFID顾名思义即RF和ID,即非接触式身份识别技术。NFC突破RFID的地方在于其双向识别和连接的特点,发射端和接收端不再限于固定的主从关系,在主动模式下,双方都可以作为主设备进行数据的点对点传输,NFC根据不同的通信环节也有一个运作链条,NFC readers(读写器),NFC tags(标签)和NFC controller chips(控制芯片)。NFC读写器芯片是系统的有源部分,因为顾名思义,它在触发特定响应之前“读取”(或处理)信息。

因此,近距离无接触支付成为NFC技术走上智能手机的重要抓手。就国内市场来看,即便是如高通、博通这几家手机通信、射频大厂,因没有和国内运营商联手做无接触支付测试,十多年以来这块被捷足先登的恩智浦牢牢掌控,恩智浦不但获取了首批近距离无线传输的标准指定红利(主要参与者为恩智浦的前东家飞利浦),而且在2015年斥120亿美元的巨资收购了飞思卡尔,加固了在无线充电和Face ID芯片技术的护城河。

蓝色部分是iPad Mini 3的NFC Controller

从2016年开始,苹果产品序列的手机、平板、手表等均采用了恩智浦PN系列,恩智浦的NFC芯片已深植于iPhone的整个设计版图,包括位于手机顶头的天线模组以及射频前端,NXP给出了一整套NFC解决方案。除了谷歌Pixel选择了意法半导体和三星选择自研的差异化竞争之外,华为,小米,荣耀,OPPO等国内手机厂商也基本大多采用恩智浦的NFC技术,因此我们可以理解为何多年来恩智浦保持了在NFC接近80%的全球市占率。

如果说iPhone7的带动性让NFC向全面拥抱物联网、智能家居走出了第一步,那么iPhone11对UWB(超宽带)的推动性作用也居功至伟。UWB使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术,占的频谱范围很大,除了传输速率高之外,还有抗多径干扰能力强、功耗低等特点,是60年代以来军用转民用的典型通信技术。

当年iPhone11系列发布时,苹果高管曾把UWB作为产品亮点重点推介,我们有理由相信,在iPhone系列导入NFC技术已经成熟化体系化之时再推UWB,一方面为自身的U系列自研芯片站台(U系列集成了UWB技术),另一方面是因为苹果当时已经有了手机+汽车生态全方位布局的潜在愿景。

一些智能手机的UWB芯片供应商,以苹果和恩智浦为主

随着近年来消费级UWB技术市场进入高速发展阶段,车联网联盟(CCC)将UWB技术纳入数字密钥3.0规范,以及多家头部车企推出配备UWB数字钥匙的车型,UWB技术在汽车行业中加速渗透。

UWB技术演进与“换道超车”逻辑

UWB技术在2023年国内加速落地,可以说主要受到了车联网生态的推动。在近场通信方面,国内诸多厂家也把UWB技术视作摆脱相对封闭的NFC生态,实现换道超车的重要突破点。

UWB技术在车用通信领域成为2023年的热门赛道,与其本身的无线通信连接特色有密切关系。UWB可以在不占用更多频谱资源的情况下实现厘米级的定位,通过获取多个天线接收信号的相位差实现测角功能,相较GPS或者WiFi,它不需要以强大的网络基础设施铺设为基础,就可以适应各种复杂的室内物联网环境。UWB的另一大优势是可以在发射功率很低的情况下依然保证高带宽和较强的数据传输速率。曾经接受过“集微访谈”采访的J.Gold Associates创始人Jack Gold就指出:“UWB虽然相对WiFi穿墙能力较弱,但在视线范围的距离内它可以给用户带来的独特的空间感知能力。”

J.Gold Associates创始人Jack Gold

如前所述,NFC和UWB看似都走了从智能手机迈向智能汽车的场景演进路线,但具体到中国市场,相对UWB在智能手机的不温不火,它在智能家居、汽车以及VR/AR等领域的路线图却出现了跃进式的路线图,加速了相关芯片上下游产业链配套的体系化。

车身用四个UWB锚点就可以实现人车定位和测距

纽瑞芯科技产品方案总监庞治华在回答某平台直播观众提问时曾指出,UWB的生态在不同应用场景和用户体验上出现了分化,这其实给了国产厂商上量的机会:“安卓手机UWB不温不火的原因还是整个生态的问题,以无线充电为例,它给用户带来的使用体验相比有线其实没有爆点性的提高。而无线充电反而在车内会有较好的发展,毕竟中控台比较小,有线充电会影响驾驶体验。另外一点,高通和联发科也用SoC集成的方式在UWB手机应用上有所布局,对国产安卓手机的UWB差异化造成了一些影响。”

另外值得一提的是,国内UWB芯片的前端设计和后端封装的成熟配套流程,也保证了该业务线在华的有序展开,在国产替代的大背景下,UWB技术也起到了一定的破窗效应。

目前市面上几乎所有的智能手机NFC controller都采用了BGA封装(UFBGA),在保证高集成度的同时满足极低的功耗需求。相比而言,UWB相关芯片和WiFi,GPS定位芯片模组会采用散热和导电性能更好的QFN封装或者对体积有更高要求的WLCSP封装类型,比如,长沙驰芯半导体自主研发的湘江系列CX310,定位于消费电子和物联网市场的UWB SoC芯片支持WLCSP封装,而湘江CX500是一款定位于汽车电子市场的UWB SoC芯片。

另外,长电科技前不久在投资者平台上表示,UWB芯片解决方案含基带、射频IC、微控制器、电源管理IC和嵌入式闪存,常见封装有LGA、QFN、WLCSP。长电科技拥有丰富成熟的LGA、QFP、QFN的封装技术经验及WLCSP、FCCSP等先进封装技术能力,封装产品已经达到了G1和G0标准,并已成功应用于汽车级产品的大规模生产中。知名手机分析师郭明錤也曾指出,UWB芯片封装可以提升封测厂的价值链,包括毛利和净利润率等。可见,从芯片涉及到封装的上下游链条都非常乐见该技术的推广应用。

未来UWB技术需要面对的三大挑战

众多主流业内意见认为,在市场需求拉动和蓝牙BLE、NFC、UWB技术成熟的双向影响下,数字钥匙在华正进入快速增长期,而且预计未来BLE+NFC+UWB的融合方案将成为市场主流。BLE易遭受中继攻击,安全性差,而NFC的主要问题在于信号传输距离短,BLE+NFC+UWB取长补短的模式不啻于一种相对完美的解决方案。

但未来UWB的进一步发展,还有些亟待解决的竞争生态、标准统一等问题。

首先,单向度的NFC技术依然可以对UWB构成挑战。今年6月,在车用MCU领域占有相当市占率的瑞萨电子完成了对Panthronics AG的收购。Panthronics报告称,其NFC芯片在读取器中具有-80 dB的灵敏度,功率输出高达2W。迄今为止,瑞萨和Panthronics已经推出了四款NFC系统解决方案联合设计。该解决方案的最大优势在它把无线充电+收费的模式进行了高度融合,对NFC在移动端的支付便捷性进行了无缝嫁接,同时还保证了车内无线充电的高效率,能使客户能够快速轻松地向MCU开发板添加功能,能够“即插即用”地添加全功能、高端NFC连接。多个用于PoS、物联网、无线充电和移动的系统也在加速发展。

就汽车电子钥匙领域本身来看,纯NFC技术也依然有很强的市场竞争力。以意法半导体近来推出的ST25R3920电子车钥匙为例,用NSR技术增强芯片抗噪和远距离传输能力,规避了UWB天线匹配难题,赢得了客户积极正面的反馈。因此,仅从车用电子钥匙本身就可以看出,单纯的NFC技术和UWB在未来会处在竞合,甚至竞大于合的关系中。

其次,UWB的行业标准目前总体上还处在相对“散装”的阶段。该技术的应用毕竟横跨了消费级、工业级、车规级等不同场景等级,而每个场景的等级标准也亟待进一步理清。IEEE负责UWB高速WPAN物理层标准,FiRa联盟和CCC联盟分别负责UWB商用和车用标准,在UWB+NFC集成趋势背景下,还需要解决和NFC论坛委员会各个工作组,如ISO 14443和ISO 15693工作组标准如何融合的问题。

最后,UWB在智能手机应用的相对不完美生态,让它在车用落地时势必会遭遇“苹果造车难题”,即智能手机厂和汽车主机厂在数据生态的权益妥协和让渡问题。总的来看,UWB的实用成本目前依然高于纯NFC技术,在中高端车型的向下兼容方面还需要进一步发力。(校对/朱秩磊)

责编: 张轶群
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