萬物有眼 傳感器風(fēng)云錄
人類歷史,從來沒有如此精靈,可以對人的行為了如指掌。手機(jī)、腕表、體重計、可穿戴設(shè)備等這些產(chǎn)品的背后,都有著不起眼的智能顆粒,可以全天候、全空間地識別人的行為狀態(tài),多方位地記錄著消費者習(xí)慣和邏輯內(nèi)涵。這是一個看不見的小精靈,卻主宰著人機(jī)交互的界面。
這個智能顆粒,就是MEMS微機(jī)電系統(tǒng),它可以看成是一種智能傳感器,深刻地改變了人與大自然交互的局面。MEMS令人耳目一新的地方在于,它帶來了第一款超越人類感官的傳感器。智能手機(jī)中,就藏著這個奧秘。早在2012年的iPhone 5,就采用了4個MEMS傳感器。三星Galaxy S4手機(jī)甚至采用了八個MEMS傳感器?,F(xiàn)在智能手機(jī),使用數(shù)十個MEMS器件也很常見。而最近五年越來越風(fēng)靡的真無線耳機(jī)TWS,背后都是MEMS的貢獻(xiàn)。
而這個領(lǐng)域供應(yīng)商的江湖,基本算是波瀾不驚。三十家企業(yè),可以占據(jù)整體銷售額的90%。它們基本都是榜單上的老面孔,但卻有著清晰的時代印記。
無聊的江湖,拒絕驚喜
全球MEMS收入在2020年達(dá)到1000多億元的市場。三大江湖瓜分走了一切。消費電子拿走了60%、汽車電子20%和工業(yè)占比10%。剩下10%由醫(yī)療、軍工等行業(yè)去分。

圖1 諸神的戰(zhàn)場

圖2 MEMS封神榜的變遷(Source:以2019年為例,來自Yole)
要了解這個行業(yè),可以看看十年前和當(dāng)下。HP已經(jīng)從第一名跑到后面去了,而博通則異軍突起。這個潛臺詞是意味深長的,那就是桌面計算機(jī)時代,向移動互聯(lián)網(wǎng)的全面轉(zhuǎn)身。打印機(jī)銷量下降,而打印機(jī)噴墨所需要的MEMS傳感器就繼續(xù)下滑,而智能手機(jī)的射頻傳感器則急劇放大,這使得博通這樣的供應(yīng)商想不掙錢都不容易。
整體而言,這是一個無聊的江湖。驚喜并不多。芯片行業(yè),都在指向大整合。但MEMS傳感器則是一個另類,它拒絕了選擇寡頭壟斷的形態(tài),而是維持著多元競爭的局面。它大概呈現(xiàn)了兩個大哥帶30個小弟的局面。博通和博世是雙雄大戰(zhàn),各自以近100億人民幣的收入高于行業(yè);緊隨其后的是,腰斬一半,大概在50億元的中級選手依次向下。他們就像鋼琴的按鍵一樣,連續(xù)而均勻地從高音區(qū)排到低音區(qū)。5億元人民幣的營收,就差不多可以在全球Top30名單上,得到封神一次。

圖3 2018年和2019年MEMS Top 25企業(yè)銷售額

圖4 2019年MEMS Top25 企業(yè)銷售額分布圖(Source:Statista 2020,南山工業(yè)書院繪制)
MEMS傳感器格局基本跟隨了半導(dǎo)體的腳步,最強(qiáng)的依然是美國,占據(jù)大半壁江山。歐洲以博世、意法、恩智浦等占據(jù)一席之地,日本則以多品牌而非常具有特色。韓國則意外缺席,而中國靠真無線耳機(jī)的麥克風(fēng)而占據(jù)兩席位置。
江湖縱橫,絕代雙雄
要理解MEMS的英雄榜,就要理解MEMS的用途。它完全是靠應(yīng)用市場的勞動,例如市場份額最大的壓力傳感器,就是得益于在消費品和汽車等的應(yīng)用,市場占比達(dá)到21%,其次是射頻傳感器,主要是智能手機(jī)的應(yīng)用。這就解釋了全球MEMS傳感器中,博通和博世兩家獨大的原因。
但二者的獨大原因,則各有不同。
博世以15億美元的收入,多年來一直幾乎不離高位。它厲害的地方,就在于在應(yīng)用市場能夠腳踩多只船。它在消費和汽車市場的表現(xiàn)過于強(qiáng)勁,每輛新車平均包含5個博世MEMS,而全球一半的智能手機(jī)至少包含1個博世MEMS。跟其他廠家多元化的策略不同,博世在這個領(lǐng)域,只提供MEMS傳感器而不提供產(chǎn)品(例如瑞聲在2020年雖然有170億元的收入,但絕大部分都是由耳機(jī)而非傳感器貢獻(xiàn)的)。這也讓博世在MEMS業(yè)務(wù)上的成功格外耀眼。
博世MEMS傳感器的麻煩,在于有一堆的騷擾者,就像是被一群小髭狗盯上的獅子。如意法半導(dǎo)體,在消費市場上直接競爭的是同類型的設(shè)備,即加速計、陀螺儀、壓力和慣性傳感器。但它在汽車市場并不活躍;恩智浦倒是擁有慣性、壓力和磁性傳感器,但也只是在汽車領(lǐng)域吃得開。而博世同時占住了消費電子和汽車領(lǐng)域,還沒有任何一家擁有這樣的實力。
博通本是外來戶。雖然它是芯片巨頭,但在2016年以前,它在MEMS封神榜上啥位置都沒有。2016年生產(chǎn)射頻傳感器總部位于新加坡的AVAGO意外地收購了博通,并將新公司繼續(xù)命名為博通(準(zhǔn)確應(yīng)該叫做新博通)。
這種驚人的市場驅(qū)動力是來自智能手機(jī)。4G手機(jī)開始普及的移動互聯(lián)網(wǎng),大大提高了濾波器的需求量。而射頻傳感器,也就悄然地重寫了MEMS的產(chǎn)業(yè)格局。ST和TI這些Top3的神仙,就是被智能手機(jī)粗魯?shù)赝妻胶竺妗6┩▌t快速躍遷,并在2017年成功挑戰(zhàn)博世,獲得第一名。這個傳感器的獎?wù)拢鋵嵤菓?yīng)該發(fā)給智能手機(jī)的。
博通的煩惱,是孤獨而犀利的。因為,它正在被一個有著更強(qiáng)加速度的獵豹所追逐。這個獵豹就是美國Qorvo。在RF-MEMS領(lǐng)域,這兩家公司都是同一設(shè)備類型的強(qiáng)者。在2016年全球前三十名MEMS公司排名中,Qorvo就呈現(xiàn)了驚人的加速度。受益于射頻前端市場的增長,它的銷售收入從2014年1.5億美元,飆升至2016的6億美元。
剩下的都是混戰(zhàn)
十年前,德州儀器TI和惠普HP占據(jù)了頭把交椅。
十年來,最無奈的應(yīng)該屬于德州儀器。它的MEMS產(chǎn)品營收一直保持在8億美元的水平。銷售額增長乏力,因為數(shù)字微鏡是其MEMS產(chǎn)品,而且微鏡市場也在飽和。TI不得不苦等新市場的成熟,如光通信的光學(xué)MEMS開關(guān)。而3D手勢識別、汽車平視頭盔HUD或智能照明等應(yīng)用,對TI的產(chǎn)品并沒有形成明顯的啟動。這些都是TI的尷尬之處。而它真正的翻身仗還是要靠車載市場,也就是激光雷達(dá)。如果微鏡能成功用于激光雷達(dá),那TI的MEMS業(yè)務(wù)就可以鷂子大翻身了。
HP是蒼茫夜色下的遲暮英雄。當(dāng)年它將測量部分從計算機(jī)部門分拆后出售,顯然是對于未來的一個誤判。嚴(yán)格意義來講,博通是HP的孫公司?;萜盏碾娮硬块T最早開發(fā)了發(fā)光二極管LED顯示器市場,后來進(jìn)入光纖發(fā)射器、光學(xué)鼠標(biāo)傳感器和其他設(shè)備市場。2000年安捷倫Aginlent從HP分家的時候,也帶走了安華高。再到2005年,安華高從安捷倫再次獨立,并被私營資本以27億美元收購,隨后獨立上市,并在10年后收購了博通。
HP當(dāng)年的出售,似乎是出賣了靈魂。HP高層當(dāng)時以為只有一個賽道,而個人電腦與打印機(jī)家庭裝是王者之道。彼時的德州儀器TI,也呈現(xiàn)了老態(tài)龍鐘的步伐,它的數(shù)字處理器沒能搭上液晶LCD平板電視的快船。在2007年,HP以8.5億美元的年MEMS收入,擠掉德州儀器TI,成為行業(yè)老大。兩個老年人交換了一下位置,但時代已經(jīng)不等人了。家庭打印機(jī)的數(shù)量越來越少了。人們開始使用智能手機(jī)和平板電腦,而不是打印大量文檔。
這期間,金山WPS沒有在桌面市場站穩(wěn)腳跟,但卻在手機(jī)閱讀頁面大展身手。WPS的曲線崛起,就是惠普正面跌落的原因。打印機(jī)銷量下降,噴墨頭的需求就會受影響。而這就是HP在MEMS領(lǐng)域跌落的原因。同樣佳能和愛普生,也有同病相憐的意思。大浪之下,波折的就是一個產(chǎn)業(yè)鏈。
意法半導(dǎo)體ST的MEMS業(yè)務(wù),曾經(jīng)有著輝煌的歷史。當(dāng)年在東芝推出的“防撞數(shù)據(jù)保護(hù)”筆記本,一時驚艷。當(dāng)筆記本處于跌落狀態(tài)的時候,MEMS就自動感知和啟動,關(guān)閉數(shù)據(jù)硬盤,從而有效保護(hù)數(shù)據(jù)。這是ST替東芝以及隨后跟進(jìn)的IBM筆記本所研制的一種場景(該故事被筆者作為“長臂灰度創(chuàng)新”,在《灰度創(chuàng)新》這本書有描述)。現(xiàn)在,雖然它也一直難以在汽車和工業(yè)MEMS市場有所斬獲,但依然有著一個強(qiáng)大的后臺,蘋果是其最重要的客戶。作為大客戶,這讓它一直處于警惕的狀態(tài)。
Qorvo目前排在第五位,在華為高端手機(jī)中,不可缺少的芯片名單就有這個公司。作為一家射頻廠商,它真的是一只初生牛犢,這幾年狂飆猛進(jìn)。Qorvo是在2015 年,由兩家RF解決方案供應(yīng)商合并而成,也是有著強(qiáng)烈的國防軍工背景。隨后,趕上了射頻傳感器大發(fā)展。新鮮面孔,凌厲打法。Qorvo成立后,進(jìn)行了多次并購,來擴(kuò)大其產(chǎn)品線。
2016年收購物聯(lián)網(wǎng)解決方案供應(yīng)商Green Peak,發(fā)力智能家居、物聯(lián)網(wǎng)等;在非射頻產(chǎn)品線中,也在收購一家電源管理和智能電機(jī)驅(qū)動芯片Active。2019年,Qorvo則收購高性能射頻供應(yīng)商Cavendish,進(jìn)一步擴(kuò)大產(chǎn)品線。手機(jī)正在努力克服小空間下的天線極限,如18:9手機(jī)屏,如5G時代正在走向的四天線,都靠這樣的RF射頻傳感器。Qorvo注定要給博通帶來很多麻煩。
剩下的就是兄弟混戰(zhàn)。英飛凌、森薩塔Sensata、日本電裝Denso、安費諾、和邁來芯Melexis等專注于汽車類市場,Alps以及日本旭化成AKM、索尼、村田則主要服務(wù)于消費類市場,松下重在工業(yè)領(lǐng)域,霍尼韋爾在工業(yè)和航天軍工。而泰科TE恩智浦NXP在多個市場都有涉足,由于多次收購,泰科的多元化能力大幅度增強(qiáng)。
MEMS市場在過去10多年,最大的變化是來自智能手機(jī)和關(guān)聯(lián)產(chǎn)品如智能耳機(jī)。除此之外,還沒有任何一種設(shè)備,能夠真正改變MEMS的市場內(nèi)格局。出乎意外的是,汽車電子雖然崛起,但并沒有為這個市場增加新的面孔。而增強(qiáng)現(xiàn)實AR等雷聲大雨點小,讓人不得不表示失望。
而這是一個賽道零部件的產(chǎn)業(yè)。如果零部件跟錯了隊伍,那就是一場災(zāi)難。這其中的常青樹,就是博世電子。
沒意思的股市
日本電氣化學(xué)公司TDK,一直就是電子原材料和元器件的先鋒,昔日錄音機(jī)磁帶和電腦磁盤的王者。它現(xiàn)在專注在各種電容器以及傳感器系統(tǒng)。旗下有多個不同品牌,在MEMS領(lǐng)域,至少涉及到到Epcos、Tronics和InvenSense。
2015年前后TDK對于MEMS業(yè)務(wù),可以說是用恍然大悟的信念和老房子著火的決心,一口氣連續(xù)吃下三個公司。先是在2015年12月完成對磁傳感器制造商Micronas的收購后,第二年吃掉了慣性傳感器制造商Tronics,它靈活的代工方式(包括給霍尼韋爾的MEMS代工),使其在眾多市場非常活躍。軍火商泰雷茲Thale也是其中一個重要的股東。
到了年底,TDK進(jìn)一步耗費93億人民幣,完成了運動傳感器InvenSense的收購。TDK也因此一舉擠進(jìn)了蘋果的供應(yīng)鏈。這之前,蘋果的運動傳感器可是InvenSense一家獨享。只是后來,向來不受供應(yīng)商制約的蘋果,也增加了另外一個供應(yīng)商給博世。至此,TDK已經(jīng)成為MEMS領(lǐng)域重要的存在,成為日本近十個MEMS廠家中的頭牌,力壓松下、電裝和旭化成。
值得關(guān)注的是TDK收購的這兩家,分別是在全球第三和第四家上市的MEMS公司。另外一家上市MEMS公司美新,是華人一手創(chuàng)辦,本是前途光明,但卻成為急吼吼的資本犧牲品。2009年美國上市之后,也是風(fēng)光一片。在2016年美新在全球加速度傳感器市場排名在博世,意法半導(dǎo)體等之后,位列全球第四,而地磁傳感器排名在旭化成和雅馬哈之后,位列全球第三。
然而它是苦命的好學(xué)生。2012年由于連續(xù)虧損,它被IDG資本相中,完成私有化。隨后,IDG開始證明自己就是傳說中的辣手摧花,MEMS主業(yè)被稀釋。在一系列的拯救、傳鼓接花再傳鼓之后,如今的美新已經(jīng)被拆成三個公司。而目標(biāo)則只有一個,那就是迫不及待地上市,最后這次努力的目的地,就是科創(chuàng)板。急功近利的資本,讓好學(xué)生本來優(yōu)良的履歷本加上了很多小叉叉。江山似有,容顏不再。
可以說,股市沒有給這些MEMS公司帶來福音。這四家MEMS上市公司,二十年間,無一成功。模擬壓力傳感器MEMSCAP2001年在歐洲證券交易所上市,長期業(yè)績徘徊不前,昔日2000萬美元就是它的大限。2021年第一財季的收入只有區(qū)區(qū)2400萬元人民幣。
沒有油水呀,航空電子和醫(yī)療領(lǐng)域給它提供了勉強(qiáng)吃飽肚子的糧食。第二家美新選擇了直接退市,命運不定。而第三家和第四家,雖長勢喜人卻都成了TDK的打包禮物。這充分顯示了MEMS這個市場的殘酷性,只依靠MEMS的業(yè)務(wù)(不管是傳感器,還是擴(kuò)展到代工)的品牌,基本不具備獨立存活的能力。
異軍突起的中國曲調(diào)
傳感器是中國制造的超級短板,令人感慨的是,這塊市場至今缺乏足夠的重視。但在所有的傳感器類別中,MEMS傳感器在局部賽道上,迎來了中國時刻。
MEMS麥克風(fēng)是近二十年來最耀眼的明星。在2002年樓氏電子量產(chǎn)第一顆MEMS麥克風(fēng),微硅晶片取代了振動膜。蘋果在2010年開始在iPhone 4和 iPad 2上使用了MEMS麥克風(fēng),成為這個市場發(fā)展的轉(zhuǎn)折點。借助于蘋果手機(jī)和耳機(jī)的強(qiáng)勢帶路, MEMS麥克風(fēng)已經(jīng)成為一個穩(wěn)定的市場。樓氏電子居前列,中國的瑞聲和歌爾也緊隨其后,其他機(jī)會則留給了英飛凌、TDK、NJRC等。
中國廠家在MEMS領(lǐng)域取得了令人矚目的突破,這就是歌爾和瑞聲的崛起。歌爾GoerTek受益于語音界面開始受寵的發(fā)展趨勢,包括智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的麥克風(fēng),已經(jīng)具備在全球市場上與樓氏競爭的潛力。
2013年樓氏達(dá)到了30億元人民幣的收入,然后它就像被跳進(jìn)了一個孫悟空的魔力圓圈,再也沒有能跳出來,直到如今。也就是在這一年,樓氏電子對歌爾發(fā)起知識產(chǎn)權(quán)調(diào)查,就是從封裝專利開始;而歌爾也迅速反擊,一年之后,雙方不僅握手言和,而且締結(jié)了進(jìn)一步的商務(wù)合作關(guān)系。中國低成本制造的優(yōu)勢,已經(jīng)被證明是一種強(qiáng)大的核心競爭力。
瑞聲和歌爾已經(jīng)證明了追趕成熟市場模式的可行性。在這個真無線TWS耳機(jī)高達(dá)1500億的市場,中國第二波的挑戰(zhàn)者已經(jīng)開始入場。既有去年剛剛上市的蘇州敏芯,2020年收入達(dá)到了3.3億,也有新銳力量福建西人馬,后者在今年5月剛剛推出MEMS麥克風(fēng)新品,作為國內(nèi)采用垂直制造IDM模式經(jīng)營的一家傳感器企業(yè),這家公司的創(chuàng)新力很值得期待。而剛剛?cè)谫Y完畢的通用微GEMES公司,也在躍躍欲試。其設(shè)計的高端產(chǎn)品,將委托全球第二大MEMS代工廠——賽微電子旗下的瑞典Silex,后者是中國傳感器領(lǐng)域少見的一次并購。
未來的神諭
想弄清楚MEMS未來的格局,并不容易。作為一個元器件,它無法自己發(fā)力,只能依賴智能產(chǎn)品的發(fā)展。
美國TE似乎想更好地把握住自己的命運,它的方式就是并購。作為傳感器和連接器公司,其年收入為130億美元,重點是在交通領(lǐng)域。2014年收購了美國MEAS公司、德國SMI等MEMS傳感器公司。
目前在壓力傳感器方面,TE已經(jīng)表現(xiàn)了咄咄逼人的特性。雖然在汽車并不突出,但在消費者領(lǐng)域卻位居第三。而在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域等更下一點的市場,TE則排在第一位。它在2019年收購了德國FirstSensor,這是化工行業(yè)變壓器最重要的傳感器。這個舉動,極大地刺激了中國儀表制造商。
國內(nèi)兩大變送器企業(yè),重慶川儀和北京遠(yuǎn)東羅斯蒙特,命門的鑰匙都轉(zhuǎn)到美國手里。
MEMS永遠(yuǎn)是一頭饑渴的野狼,它的任務(wù)就是開拓邊疆。許多企業(yè)也開始行動起來。在振動檢測領(lǐng)域,美國ADI公司正在加速發(fā)展,如高鐵列車軸振動檢測、電力設(shè)備運轉(zhuǎn),及數(shù)控機(jī)床的運行狀態(tài)等。而它在無人機(jī)領(lǐng)域,結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航是一個新的興奮點。同樣道理,在智能農(nóng)機(jī)也會是一個不錯的戰(zhàn)場。
電子煙也是一個新興市場。數(shù)字差壓MEMS傳感器,可以實現(xiàn)電子開關(guān)的氣流檢測,這一方面合肥微納、歌爾、蘇州敏芯和上海矽睿等都有布局。這個市場,似乎更多是留給中國。
還有MEMS時鐘領(lǐng)域。美國SiTime公司,高達(dá)90%的市場占有率。作為一種全硅振蕩器,它以高性能和低成本,全面取代傳統(tǒng)石英振蕩器產(chǎn)品。我們需要這樣的計時來干什么?汽車已經(jīng)證明了自己就是一臺四輪超級計算機(jī)。而多樣化的電子裝置,決定了必須有步調(diào)一致的心跳系統(tǒng)。
一輛汽車需要多達(dá)70個計時設(shè)備,大家耳熟能詳?shù)腉PS和倒車攝像頭之類的計時設(shè)備,其實都只是微不足道的刻度。自動駕駛汽車需要的精確計時,時間需要保持在十億分之一秒。或者再想想,達(dá)芬奇手術(shù)刀在進(jìn)行手術(shù)的時候,400多個傳感器需要有驚人的一致性。這些,就是MEMS時鐘驚心動魄的那一刻。而Sitime就在這些人類無法觸及的時間刻度里,尋找著自己的市場空間。
MEMS新品就像是田地里漫流的水流,它不斷尋找著最小阻力的方向前進(jìn)。既然在麥克風(fēng)領(lǐng)域,已經(jīng)有諸多公司,如TDK Invenense、英飛凌等,不斷發(fā)布適用于此類語音應(yīng)用的新型數(shù)字MEMS麥克風(fēng)。而下一步的突破,則就是音箱。在過去的幾年里,兩家開發(fā)基于MEMS的微音箱(uSound,AudioPixels),正在試圖改變這項回響已久的古老技術(shù)。
在2020年又有兩家MEMS微音箱初創(chuàng)公司 (Arioso,xMEMS)冒出來,證明了人們對該領(lǐng)域的興趣。也許老品牌博士音箱Bose也該發(fā)抖了。誰知道呢?全球音頻巨頭、傳統(tǒng)四大HiFi品牌——森海塞爾的消費者業(yè)務(wù)部門,就在這個月被出售。收購價格16億元,可是它在2020年營收為20億元。倒貼賣出去了,它就是倒在了全保真耳機(jī)TWS的刀下?,F(xiàn)在或許要換成音箱了。
但并不都是可以預(yù)測準(zhǔn)確的。2002年光開光MEMS傳感器,給人以巨大的希望。日本富士通和奧利巴斯,都熱情洋溢地開發(fā)了取代機(jī)械開光的光開光新產(chǎn)品。然而十年之后,這條路走向了死胡同,它被證明意義不大??梢哉f,捕捉MEMS的未來,并不是一件容易的事情。但衰老的氣息,卻能提前聞到。而博世一定有這種危機(jī)感。
汽車電氣化給MEMS產(chǎn)業(yè)帶來的是矛盾的消息。好消息是,電氣化、自動駕駛為MEMS帶來了更大的蛋糕。對于包含內(nèi)燃機(jī)的混合動力汽車HEV,好消息繼續(xù),畢竟發(fā)動機(jī)需要使用多個壓力傳感器。但是對于純電動車,由于沒有內(nèi)燃機(jī),也沒有了對動力傳動系統(tǒng)傳感器的需求。而汽車動力傳動系統(tǒng)占據(jù)了MEMS壓力傳感器總需求量的51%。這意味著博世、英飛凌和日本電裝,都必須提前剎車換道。
當(dāng)然還是有很多樂趣有待挖掘,例如邊緣計算帶來了嵌入式智能。博世今年剛發(fā)布了一款適用于可穿戴設(shè)備的傳感器產(chǎn)品,內(nèi)嵌人工智能芯片。還有更緊湊的封裝需要,也許傳感器另外一個類別——圖像傳感器CMOS與MEMS的集成(CMOS-on-MEMS)也會蓬勃發(fā)展。那占據(jù)當(dāng)前全球CMOS一半市場的索尼,就可以坐收漁翁之利了。
小記:智能的預(yù)言
MEMS傳感器是注定是一個被動者的角色,它的決勝空間并不能由自己決定。例如德州儀器TI的MEMS傳感器由于局限在消費類投影應(yīng)用,這讓它多年業(yè)績徘徊不前。它正在等待雷達(dá)平視顯示器和智能前照燈這類市場的成熟,才能翻身迎來昔日曾經(jīng)第一的榮光。等待,是常態(tài)。
即使如此,MEMS傳感器仍然是一種預(yù)言,萬物有眼,劇透未來。MEMS廠家的一舉一動,就像是一本關(guān)于未來產(chǎn)品的參考書,預(yù)示著各種可能的智能之路。(作者簡介:林雪萍,北京聯(lián)訊動力咨詢公司總經(jīng)理,天津大學(xué)精儀學(xué)院客座教授)