HaLow抢进IoT市场80211ah是否还有发展机会?

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2019-03-01

  经过不寻常的两年延迟后,支持新Wi-Fi标准的芯片开始出现;在接下来的几个月里,一些新创公司将陆续发布802.11ah芯片,这是一种900MHz的Wi-Fi版本,主要针对物联网(IoT)等长距离连结。

  这种被称为HaLow的标准技术,可在数十公尺到1公里的距离内达到数Mbits/s的网络速度,一个接取点可支持数千个节点。它们将填补超低功耗、低成本的LoRa与Sigfox网络,以及更耗电、又需要搭配资费方案的LTE Cat-M和NB-IoT之间的空白。

  第一波上市的产品将是采用40奈米制程的单芯片,在价格上不太可能高出很多;这些产品会是代表IoT解决方案的新选项,使用免执照频段,可支持广泛的PC生态系统所熟悉的IP网络和OFDM调变。长期看来,它们则将扮演扩展智能型手机和PC连网范围的第四种方案。

  一位要求匿名的资深无线技术专家表示:「HaLow凭借其在实现新业务模式以及容量、范围和电池续航等方面的多功能性脱颖而出,这些都是市场迫切需求的特性──它仅需要一个新的生态系统。」

  Wi-Fi联盟于2014年在高通(Qualcomm)工程师团队的大力协助下启动了802.11ah标准的订定流程,并在2016年的国际消费性电子展(CES)上正式公布HaLow技术规格。通常一个新IEEE 802.11规格完成时,就会有几家Wi-Fi芯片大厂竞相推出相对应的芯片,但这次却没有。

  自该标准完成两年以来,据说只有唯一一家公司──来自韩国的新创公司Newracom──推出了一款芯片,用于韩国电信(Korean Telecom)的网关;这家公司是由韩国ETRI研究中心的Wi-Fi专家创立,一开始是销售802.11n等现有标准的IP功能区块。

  全球市场上还有其他四家新创公司准备在明年推出HaLow芯片;其中最引人瞩目的,是由出身自Broadcom和Radiata的Wi-Fi专家组成、总部位于澳洲悉尼(Sydney)的新创公司Morse Micro。而这一次包括Broadcom、Cypress、华为(Huawei)、联发科(Mediatek)、Qualcomm和瑞昱(Realtek)等老牌Wi-Fi芯片供货商可能会成为跟随者,而非领头羊。

  表1:免执照的ISM频段在世界各地有所不同。(来源:Morse Micro)

  尽管业界对.11ah的早期热情,这个HaLow标准问世时机不佳。因为在2016年,主流2.4/5-GHz Wi-Fi的下一个重要版本802.11ax也已经准备就绪;上述的匿名无线技术专家表示:「厂商必须要做出审慎的设计抉择,没有人能承担错过.11ax周期的风险。」

  要选择其实很简单:.11ax产品显然会快速成长、达到以百万计的出货量。Qualcomm和联发科等公司也纷纷推出LTE IoT和5G产品,留给HaLow的资源就不多了。此外,将Wi-Fi推至免执照ISM频段,会需要一些前期推广工作。

  「在任何时候,开发一个新频段都需要时间;5GHz就花了10年时间,才让.11ac获得广泛采用,而60 GHz Wi-Fi才刚刚起步;」该匿名专家补充指出:「围绕一个新的频段建立新生态系统是一条艰辛的道路... HaLow也不例外,这需要时间。」

  还有人指出,在2016年有许多新创公司涌进新兴的低功耗、广域网技术领域,包括采用ISM频段的LoRa、Sigfox及其他IoT 连网技术;此外LTE IoT标准(包括NB-IoT和Cat-M?)已经展翅飞翔。如此一来,就没有剩下多少风投资金和创业者押宝HaLow。

  现在那些市场大咖预期会在8月份左右Wi-Fi联盟启动HaLow认证计划时才抢进该市场;而从1月开始,该联盟则展开了一系列的互操作性测试以实现此里程碑。

  Morse Micro的工程师在两份白皮书中描绘了HaLow的应用场景,其中写道,虽然LoRa已经获得美国有线电视/通讯服务巨擘Comcast等支持者,但LoRa的数据传输速率通常低于Kbps,不足以支持得满足不断变化的安全标准所需之无线更新(OTA)要求;而LoRa「相对较低的网络容量,限制了其基地台可以支持的传感器数量。」

  上述白皮书还补充指出,更成熟的802.15.4网络技术如Wi-Sun和ZigBee需要更大的功率,但是仍无法以单一个基地台支持大型的传感器网络。

  而HaLow可以在100公尺或更长的视线 Kbps的速度;此外Morse Micro共同创办人Michael De Nil表示,该技术可以在一个接取点上容纳8,000多个节点。因此,Morse的目标市场是农业、公用事业抄表、仓储、超市以及远程视讯保全摄影机等一系列IoT应用场景;他预期:「到2019年底,我们的年出货量可达到上百万。」。

  表2:HaLow技术在许多方面的表现都优于其他低功耗广域 IoT连网方案。(来源:Morse Micro)

  为加速业务进展, Morse还打算在中国设置一个办事处。De Nil表示:「中国是很大的市场,有许多行动快速的大型厂商...我们将在7月份推出芯片样品,预计在6到8个月内就可以进入量产。但对美国或欧洲厂商来说,这个过程可能要到2020年甚至2021年才会开始。」

  支持者认为,HaLow进入IoT市场为时未晚。「在5到10年前, IoT 市场规模和成长率都被过于夸大了;」前面那位匿名资深无线专家表示:「我们仍然处于IoT 市场发展的初期阶段,这对HaLow来说是个好消息。」

  他认为:「LoRa和Sigfox的数据传输量非常低,它们有各自的发展空间和潜力,但TCP/IP和类似因特网的安全、探索和升级会需要更高的传输量──对于真正的IoT,像是HaLow这样的技术是有需要的。」

  IoT 才刚起步,支持者相信,长期来看HaLow将成为无线接取点和客户端设备采用的主流芯片,带来新的覆盖距离和低功耗性能。这是一个新技术标准从零到无所不在的发展过程中,在半导体产业很常见的典型「鸡生蛋、蛋生鸡」情境。

  除了Morse以及据说是进展最快的韩国Newracom,在HaLow技术领域还有另外三家新创公司也打算在明年左右推出芯片样品。

  2010年在荷兰Eindhoven成立、在东欧塞尔维亚(Serbia)有工程团队的Methods2Business,开发以Tensilica DSP为基础的HaLow MAC IP。总部位于美国硅谷的Adapt-IP开发了FPGA版本的HaLow基频方案,该公司正在考虑采取策略联盟方式,目标是在2020年初实现完整的HaLow芯片设计;这家公司自2014年以来一直在缓慢发展的IoT市场寻找出路。

  还有一家美国新创公司Palma Ceia SemiDesign (PCS),一开始是接RF委托设计案,因此能销售一些自己开发的IP,应用于NB-IoT与HaLow收发器;该公司现在准备募资、于今年推出一款HaLow组件,作为其首款芯片级产品。

  图1:尽管HaLow不是最低功耗的选择,但它的特性很全面。(来源:Morse Micro)

  PCS已经从设计服务和IP业务获利,但正在募集资金以支持其第一款芯片的投片;该公司预计在6月之前推出样品,可能是采用40奈米制程,应用于简单的HaLow接取点,可支持有限数量的终端节点,也是一种单串流(single-stream)终端节点芯片。PCS策略营销副总裁Kevin M. Walsh表示:「我们可能不是第一,但我们会是快速的后来者....我们预期未来HaLow和NB-IoT芯片可能会整合在一起。」

  与Morse一样,PCS也为了距离会是第一批客户的模块制造商更近,在中国(深圳)设立了办事处,该公司也正在当地设计芯片;PCS芯片将委托台积电(TSMC)生产,后者是该公司IP的长期合作晶圆代工厂。

  Morse芯片内建1~8MB闪存,以私钥进行安全开机(secure boot)和云端身份验证,采用6×6 QFN封装;De Nil表示该芯片是从零开始设计,具备创新的滤波器和加速器,没有采用任何来自第三方的IP功能区块。

  他指出:「.11ah标准具有严格的无线电要求和相对较大的带宽,因此需要宽动态范围来处理干扰和OFDM要求,以获得最佳性能和最低功耗;」该设计使用多个32位RISC-V核心,可客制为无线讯号处理器。

  「使用开放源码核心确实加速了我们的设计流程...否则我们就只好采用Arm处理器核心并去协商权利金;而现在我们采用了开放源码RTL并添加了加速器。」De Nil表示,其设计采用一种「处理器导向(processor-driven)方案;传统的Wi-Fi设计会硬化IP以达到最高的带宽,我们已经完成了几代测试芯片,所以现在我们有信心未来将这种方法扩展到其他IoT协议,例如ZigBee和NB-IoT。」

  说到RISC-V,他则表示:「可用的开放源码资源质量非常高,成熟度令人惊讶...现在我们需要更多学生知道如何使用RISC-V工具来产生系统。」

  图2:Morse在两篇白皮书中阐述其HaLow实作案例将取得优于平均水平的性能和覆盖范围。(来源:Morse Micro)

  有几位Morse团队的工程师是来自另一家名为Radiata的新创公司;Radiata在1990年代末期开发出第一款符合.11a标准的5GHz Wi-Fi芯片,后来被Cisco收购,但大部分Wi-Fi技术人才仍留在悉尼。「Broadcom是一家不错的公司,有很好的企业文化,不过每年都在搞新一代iPhone芯片有点无聊;」De Nil表示:「最终该公司停止创新,只是为大客户打造下一代IP。」

  「他们并没有真正重视规模会很庞大的IoT市场...在Braodcom被Avago收购六个月后,我们创立了Morse,觉得这是一个好机会。我们在与(Radiata创办人) Neal Weste面谈后,他也加入了我们。」Terry则表示:「我们已经准备好迎接挑战,将我们的专长发挥在打造一些有趣的芯片上。」

  Morse是以自有资金在2016年8月创立,最初有6个员工,后来从几个半导体专家获得天使资金;该公司正在激活1,500万美元的A轮融资,准备将团队扩大至30人左右,并在2019年底之前投入量产。Morse的公司名称来自于「摩斯电码」(Morse code),也就是远距离无线通信的先驱技术。

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