一颗小小的NB-IoT芯片就能让水表变智能，芯翼信息科技的杀手锏是什么？疫情肆虐下，居家隔离、集中隔离对智能防疫设备的需求也逐渐增多，搭载NB-IoT的智能门磁替代了纸质封条，社区人员通过手机就能对隔离人群进行“云监督”，以NB-IoT智能门磁为主的智能防疫设备需求迎来了爆发式增长。
▲长沙电信装维工程师为隔离人员安装智能门磁（图片来源为：长沙晚报）
早在2018年前后，作为5G商用领域中不可或缺的一环，NB-IoT芯片在智能表计中的应用就已逐渐进入爆发阶段，中国移动、联通、电信三大运营商都围绕NB-IoT构建了网络。芯片厂商、硬件制造厂商等玩家蜂拥而至，NB-IoT芯片市场迎来爆发。近日，中国移动旗下中移物联网有限公司启动了NB-IoT芯片XY1100采购项目。该项目共集采1500万片NB-IoT芯片，供应商为芯翼信息科技。
▲芯翼信息科技获得中移物联采购项目公告
芯翼信息科技成立于2017年3月，仅5年时间就在海思、紫光展锐、联发科等头部玩家布局的NB-IoT芯片领域崭露头角。截至目前，芯翼信息科技的XY1100芯片出货量已达2500多万片。芯东西与芯翼信息科技副总裁李剑、芯翼信息科技高级市场总监祁卫、行业知名NB-IoT产品专家进行了深入交流，剖析NB-IoT芯片的市场应用前景。
当前，蜂窝通信市场正面临2G退网、5G布局的关键期。从2014年起，国际电信联盟（ITU）就开始推动5G技术标准的实施，NB-IoT技术作为物联网领域基于蜂窝的窄带物联网的新兴技术，于2020年7月被正式纳入全球5G标准，开启了5G商用落地之路。此前，物联网应用场景连接技术大多采用2G，随着2G退网趋势加速，5G NB-IoT技术的特性也决定了其能承接许多应用场景。（1）大连接：单个扇区内能够支持多达10万个左右的终端连接；（3）穿透能力强：在相同频段下NB-IoT与传统物联网技术（如2G）相比高20dB的增益；（4）低功耗：理论与实验表明搭载有NB-IoT技术的终端设备最长可实现的待机时间长达10年之久；（5）设备成本低：NB-IoT模块设备体积小且覆盖简单，使得其预期单个模块的成本不超过5美元，经过近几年的产业发展和竞争，现在NB-IoT模块的价格普遍低于3美元。而知名市场调研机构Counterpoint的数据也显示，2021年第四季度蜂窝物联网应用场景中，智能表计占比最高，这其中大部分都是基于5G NB-IoT实现的，其次是金融支付类以及数据类产品。
▲2021年第四季度蜂窝物联网应用场景（数据来源为：Counterpoint）
此前，NB-IoT芯片的主要场景落地在智慧城市的相关应用上，如智能表计、智能消防、智能路灯等，在疫情的特殊背景下进一步放大了其应用场景。早在2020年初，也就是疫情暴发初期，芯翼信息科技的一些合作伙伴在深圳、内蒙古等地都将基于XY1100的智能门磁产品应用于疫情防控当中。李剑对此深有感触，他谈道，芯翼信息科技作为芯片厂商为合作伙伴做了大量的优化工作。NB-IoT产品专家也谈道，NB-IoT芯片的特点主要是低速率、低功耗、低带宽，因此在疫情防控中，比如居家或者酒店隔离，监测房门开合状态这样的场景就比较适合采用NB-IoT芯片设计产品。“相比去年，智能门磁的需求量呈数量级增长，今年前几个月，总体已经达到百万级的需求。”NB-IoT产品专家说。回到其主要的应用场景智能表计，除了基本的测量功能外，NB-IoT还可以监测水、燃气的泄漏，配合云端大数据，可实现预防事故、及时报警功能。
▲NB-IoT技术在智能水表中的应用（图片来源为Technoton Engineering）
NB-IoT产品专家告诉芯东西，目前水表的智能化率相对低一点，仅有30%，智能燃气表的渗透率相对较高为60%，电表由于其一定的行业特殊性，基于NB-IoT的智能电表更多应用于员工宿舍、工业园区等场景中。在我国，一方面随着城镇化进程加速，智慧城市建设快速推进中，传统机械表的升级换代需求迫在眉睫，另一方面NB-IoT技术的发展也跟其他技术一样，从标准制定、技术落地、试商用再到大规模商用，经历了较长的时间。李剑谈道，运营商网络的不断优化，通信协议的演进也使得NB-IoT在智能表计中的应用越来越普及。
▲NB-IoT技术的行业应用
作为NB-IoT技术渗透率较高的智能表计、智能路灯等大多数物联网应用，由于这类产品的地理位置或成本原因，其终端模块可能在短时间内不会更新升级或更换电池，因此终端设备的功耗是其能否商用的关键因素。在3GPP标准中NB-IoT终端电池寿命设计为10年，但实际使用过程中，电池寿命也会因具体的设备、功能等产生变化。因此，实现低功耗甚至超低功耗是NB-IoT芯片的核心，而低功耗设计是一个系统工程，要在射频、模拟、数字基带、软件等所有组成部件中实现整体优化。目前，作为国内NB-IoT芯片领域的头部企业，芯翼信息科技的XY1100芯片累计出货量已经达到2500多万片，2022年单月出货量达到近500万片，并且中移物联搭载XY1100 NB-IoT SoC的模组MN316也已实现大规模出货。
▲芯翼信息科技XY1100 SoC及中移物联MN316模组
芯翼信息科技成立于2017年，相比于海思、紫光展锐和联发科入局较晚，但这也成为了其优势，李剑谈道，在产品定义上，芯翼信息科技参考了前面几代芯片产品的特点，并做了归纳、总结和创新，最后体现在芯片的实现上，功耗、性能、成本上均有较大的提升：首先，芯翼信息科技的XY1100芯片是全球首颗集成了CMOS PA的NB-IoT SoC，搭载其的物联网模组器件数可减少60%，模组成本整体下降30%。同时，芯翼信息科技采用了QFN封装，进一步降低了客户的使用成本。其次，在低功耗设计上，XY1100选择了中芯国际55nm的成熟制程，因为成熟工艺的PDK（工艺设计套件）功耗模型准确程度高，更有利于研发低功耗甚至是超低功耗产品，再加上芯翼信息科技自身领先的模拟/射频设计能力，最终XY1100实现了在深度睡眠状态电流1μA，接收机状态电流约为20mA，这样一来，使得客户可以用更小容量的电池实现一样的使用寿命，同样大大降低了客户的使用成本。再次，在Modem（调制解调器）的实现上，祁卫称，XY1100芯片采用了软件SDR架构，可以灵活支持、优化物理层接收机算法，同时支持NB-IoT以及其他非标自定义协议，能够满足标准升级以及碎片化的物联网专网通讯需求。然后，与其他同类产品不同的是，XY1100芯片采用基于Open CPU的双核架构。在NB-IoT芯片中，通信对时序的要求较高，因此，CPU在处理一个通信任务时，必须将其发射或接收完成，才能处理下一个任务，如果此时有应用逻辑干扰CPU运行，通信就会出现问题。祁卫解释道，双核架构的好处在于，一个CPU可以处理通信任务，另一个就可以跑客户的应用代码，能够将应用和通信部分物理隔绝开，避免出现应用影响通讯的情况。但更有意思的是，2020以来持续的“缺芯潮”，特别是MCU的缺货导致其价格大幅上涨，让很多终端客户把注意力放到了原来不那么让人关注的NB-IoT SoC中Open CPU，李剑谈道，这些客户发现使用Open CPU可以省掉既买不到也买不起的MCU，并且帮助他们在缺芯的大环境下顺利交付产品，能大大降低终端的成本。最后，在芯片供应短缺、国际关系变化的背景下，芯翼信息科技产能丰富，新一代芯片系列也即将实现量产。李剑谈道，芯翼信息科技的上游晶圆厂、封测厂都是国产供应商，所以供应链危机、国际环境的变化并没有对他们造成太大影响。值得一提的是，为了保证大规模出货后芯片的质量，芯翼信息科技还成立了专门的专业质量管控团队。综上，功耗/性能领先、成本控制好、产品成熟、产能保障正是芯翼信息科技在NB-IoT芯片领域处于领先地位的杀手锏。
相比于国外，国内NB-IoT技术的应用范围更加广阔，Counterpoint的数据显示，2021年第四季度全球蜂窝物联网芯片中国出货量占全球市场的近60%。2021年底，中国信息通信研究院副院长胡坚波在2021江西国际移动物联网博览会上说，目前NB-IoT已在水表、燃气表、消防烟感和电动自行车防盗4个行业实现千万级规模连接，智能井盖、智能门锁、追踪定位和智慧路灯等十余个行业实现超过百万级连接，未来还将更多地应用到工业互联网、车联网、远程医疗等领域。拥有庞大设备连接技术的国内市场，随着NB-IoT技术逐渐步入成熟阶段，其市场转化率也有望迎来较大增长。李剑也提到，智能表计虽然是NB-IoT芯片目前的主要落地应用，但事实上，智能燃气表中还包括大量的IC智能卡的产品，并没有全部应用NB-IoT技术。因此，随着城镇化推进，运营商网络的完善，5G NB-IoT在智能表计的覆盖率将会进一步提升。不仅如此，很多如追踪器、资产管理等新兴应用也会有较大前景。NB-IoT产品专家补充道，如果NB-IoT网络覆盖进一步提升，将会有更多的应用场景出现。此外，他还提到，从整体上看，在金融风控、追踪器等领域NB-IoT的落地形态也更加多样。
▲资产追踪应用案例（搭载XY1100 NB-IoT SoC）
在XY1100作为NB-IoT SoC大规模商用并进入各行各业后，芯翼信息科技开始挖掘细分赛道，其专为智能表计行业设计的专用SoC XY2100系列芯片已经研发成功，将于今年量产。李剑还谈道，芯翼信息科技是一家物联网智能终端系统SoC公司，通信只是一个维度。因此，该公司还在研发专为资产管理和追踪行业设计的专用SoC XY3100，以及Cat.1bis SoC XY4100和5G NR RedCap芯片XY5100。作为芯片公司，在“端”这一侧，芯翼信息科技关注的是五大能力：无线通讯、感知、边缘计算、电源管理和安全。祁卫说，从芯片的角度来看，这些技术能力都要有机地融合在芯片和相应的套片上，才能帮行业终端降低成本、功耗，让客户能更友好地使用这些技术，这才是芯翼信息科技真正的愿景。
作为新基建智慧城市建设的一部分，NB-IoT技术在智能表计市场逐步落地、发展过程中所带给人们的价值，远比数百万颗芯片或者智能表计本身带来的经济效益多得多。当然，NB-IoT芯片的应用场景决定了其对成本和功耗的极致追求。最近几年，入局NB-IoT芯片领域的厂商越来越多，如何在这一领域抢占市场，在低功耗、低成本领域的技术优势是关键杀手锏。不过，由于其工业属性，这一领域的产品迭代相对消费电子产品较慢，因此对产品的稳定性、可靠性要求也相对较高，因此，如何在低功耗、低成本的前提下实现高稳定、高可靠性，并且最好还能在某个方面有技术突破，这对后来的厂商提出了更高的要求。
