ВЫБОР РЕДАКЦИИ

Искусственный интеллект – перспективы развития

Искусственный интеллект и увеличение интереса к краевым вычислениям

Вопросы развития краевых вычислений

Вопросы развития краевых вычислений

Экономические аспекты развития технологий искусственного интеллекта

Глубокое обучение и предельные краевые вычисления

Развертывание сетей 5G и краевые (пограничные) вычисления

Новые области применения искусственного интеллекта

Новый проект ЕС в области корпусирования оптики, фотоники и электроники

Умные очки следующего поколения от компании Bosch

Развитие рынка MEMS для аудиоприменений

Решение компании Nanusens устраняет узкие места в производстве MEMS

Перспективные разработки в области пьезоэлектрических MEMS-датчиков

MEMS в линзе миниатюризирует лазерный микроскоп

Тенденции рынка пьезоэлектрических MEMS

Yole Développement: исследование рынка MEMS

Yole Développement: исследование рынка MEMS

Выпуск 2(6726) от 28 января 2021 г.
РУБРИКА: МEMS/NEMS

С 1990-х гг. технологии MEMS постоянно развивались – ​от первых датчиков давления и ускорения до гироскопов, а затем и микроболометров, микропотоковых приборов, РЧ-, УЗ-, многоспектральных устройств и т. д. Сегодня наступает эпоха более целостного восприятия, когда множество параметров контролируется множеством разнообразных датчиков и их сочетаниями (концентраторами). Другое направление развития MEMS – ​увеличение возможностей обработки данных и повышение вычислительной мощности. Исследовательская группа Yole Développement (Лион, Франция) недавно представила исследование рынка MEMS.

По итогам 2019 г. объем мирового рынка MEMS составил 11,5 млрд долл. (рис. 1). Основными секторами конечного применения MEMS стали головки струйных принтеров, датчики (давления, инерционные, оптические, ИК, окружающей среды, радиочастотные, УЗ), кремниевые микропотоковые приборы, генераторы, микрофоны, микродинамики и т. д. В 2020 г. ожидается спад продаж на 5,2% из-за негативного воздействия пандемии COVID‑19 на некоторых конкретных рынках.



Источник: Yole Développement

Рисунок 1. Прогноз рынка MEMS по конечному применению в 2019–2025 гг.

* CAGR (compound annual growth rate) – среднегодовой темп прироста в сложных процентах.


Специалисты Yole Développement, оценивая итоги 2020 г., также отметили, что:

рынок автомобильных MEMS пострадает из-за резкого падения спроса на машины во время карантинных ограничений, а также связанной с этим экономической нестабильности. Кроме того, в течение 2020 г. автозаводы закрывались на длительные периоды времени, что усиливало негативное воздействие;

в секторе авиакосмических и военных систем спрос на традиционные MEMS-датчики (давления, инерционные), используемые в основном в гражданской авиации, по итогам 2020 г. снизится из-за сокращения числа перевозок и заказов на новые самолеты. Это обусловлено последствиями карантинных мероприятий. Вместе с тем спрос на MEMS, используемые в военных системах, практически не изменится, так как государственные программы и бюджеты закупок изменений не претерпели;

ситуация со спросом на MEMS со стороны производителей потребительской электроники неоднозначна. Спрос на средства мобильной связи в 2020 г., по всей видимости, останется низким, так как из-за ситуации с занятостью и экономической нестабильностью многие люди отложили обновление своих мобильных систем (в первую очередь смартфонов). В то же время в первом полугодии предъявлялся высокий спрос на ПК, лэптопы и планшетные ПК – ​пользователи покупали их в целях удовлетворения требований к работе на дому как с профессиональной, так и с образовательной точек зрения;

доходы в секторе медицинских, промышленных и телекоммуникационных систем сильно не изменятся. Напротив, благодаря использованию MEMS в борьбе с пандемией продажи MEMS медицинского и промышленного назначения будут расти. К ним относятся: микропотоковые приборы для ПЦР-диагностики, датчики давления и расходомеры для аппаратов ИВЛ (помогающие пациентам в критическом состоянии в отделениях интенсивной терапии), термоэлементы для тепловых пушек и микроболометров (используемых в тепловизорах для выявления лиц с повышенной температурой).

Рост продаж MEMS в 2021 г. возобновится – ​по оценкам Yole Développement, объем их рынка в 2025 г. достигнет почти 17,7 млрд долл. Соответственно, среднегодовые темпы прироста продаж в сложных процентах (CAGR) за период 2019–2025 гг. составят 7,4%. Наибольшие темпы роста ожидаются по MEMS для медицинских, потребительских и промышленных систем. Предшествующий (2019 г.) прогноз Yole Développement относительно развития рынка MEMS предполагал достижение в 2024 г. емкости рынка около 18 млрд долл.


Возможная динамика цен MEMS

В последние годы на рынке MEMS наблюдалось непрерывное ценовое давление, особенно в секторе приборов потребительского и автомобильного назначения (рис. 2). Отмечается, что эрозия средних продажных цен (СПЦ) MEMS проходила волнообразно. Сначала СПЦ снижались в секторе автомобильных MEMS (датчики давления, инерционные датчики), затем в потребительской электронике (инерционные датчики, датчики давления, микрофоны), затем – ​в радиосвязи (фильтры объемной акустической волны) и, наконец, при массовом внедрении MEMS в другие потребительские товары. В настоящее время СПЦ MEMS находятся на уровне 0,4–0,5 долл., и многие специалисты полагают, что значительного снижения ждать не стоит. Действительно, некоторые типы MEMS, такие как инерционные датчики и микрофоны, уже могут стоить порядка 0,1–0,2 долл., цены на них приближаются к базовой стоимости материалов, из которых они изготовлены. В свою очередь, цены на материалы в высокой степени чувствительны к конъюнктуре рынка, но все равно обладают определенным базовым уровнем. Кроме перечня материалов, используемых при изготовлении MEMS, на их цену влияет и норма прибыли. Прибыль, даже очень низкая, всегда необходима производителю. Каковы возможные сценарии дальнейшей динамики СПЦ MEMS?



Источник: Yole Développement

Рисунок 2. Динамика средних продажных цен (СПЦ, долл.) MEMS в 2000–2024 гг.

Примечание: СПЦ – средневзвешенное значение суммы данных по всем СПЦ всех типов MEMS-приборов (акселераторы, гироскопы, микрофоны, датчики давления, ИК-датчики, микропотоковые приборы, радиоприборы) для всех конечных рынков (потребительская, автомобильная, промышленная электроника, телекоммуникационные, авиакосмические и военные системы).


Во-первых, из-за корректировки баланса спроса и предложения под влиянием пандемии СПЦ могут кратковременно и незначительно увеличиться. Однако затем произойдет возврат к тенденции, существовавшей до COVID‑19, – ​медленного снижения СПЦ.

Существует вероятность новой волны более сильного снижения СПЦ MEMS, обусловленная тенденциями развития медицинского, промышленного и потребительского Интернета вещей.

СПЦ снова начнут расти за счет появления дополнительных функций датчиков – ​за счет использования бóльших объемов ПО, предварительной обработки данных, краевых вычислений, использования в краевых вычислениях искусственного интеллекта (ИИ) и т. п.

Специалисты Yole Développement полагают, что производители MEMS будут стремиться нарастить ценность своей продукции, расширяя функциональные возможности датчиков (в том числе по обработке данных). Соответственно, наиболее вероятна реализация третьего сценария или сочетание первого и третьего.


Будущее каждого типа MEMS определят его особенности

Мегатенденции развития электроники служат неисчерпаемым источником объяснения факторов динамики развития различных компонентов, включая датчики. На уровне рынка в целом к подобным мегатенденциям можно отнести автономные транспортные средства, электромобили, перспективные системы помощи водителю (ADAS), средства дополненной и виртуальной реальности (AR/VR), промышленный Интернет вещей и подключенные (к сетям) предприятия, трансформацию здравоохранения и телемедицину. Однако эти тенденции оказывают неодинаковое воздействие на разные типы MEMS. Это обусловлено наличием большого числа типов MEMS, связанных с разными конечными рынками и приложениями.

Рынок печатающих головок потребительских струйных принтеров страдает от слабого спроса на домашние принтеры, обусловленного тенденциями цифровизации. Некоторое усиление спроса в 2018 г., связанное с предлагавшимися поставщиками программами лояльности, особо ситуацию не изменило. На струйные однопроходные офисные принтеры спрос также остается низким из-за конкуренции с лазерными принтерами. В будущем ожидается небольшой рост спроса за счет коммерческих и промышленных рынков, на которых предпочтение отдается крупным MEMS печатающим головкам. Для повышения качества печати и срока службы печатающих головок в промышленных условиях или там, где чернила могут засорять сопла печатающих головок, производители уделяют большое внимание вопросу рециркуляции чернил.

Тенденция «зеленой мобильности» приведет к тому, что в автомобилестроении потребуется больше датчиков давления. К ним относятся датчики абсолютного давления MAP, датчики барометрического атмосферного давления (BAP), датчики давления масла в трансмиссии, датчики манометрического давления и дифференциальные датчики давления топ-ливных фильтров (GPF и DPF). Правда, острота данного вопроса частично компенсируется активизацией перехода на электромобили. В 2019 г. рынок систем контроля давления и температуры в шинах автомобиля (TPMS) испытал падение, тенденция роста спроса на используемые в них датчики в перспективе связана с промышленными и медицинскими приложениями, такими как системы управления технологическими процессами и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха (HVAC), а также оборудование для мониторинга кровяного давления и респираторное (дыхательное) оборудование. При этом производители автомобильных систем и потребительских товаров оказывают давление на производителей MEMS с целью снижения СПЦ.

Популярность голосовых персональных помощников (VPA), таких как Siri от корпорации Apple, Alexa от Amazon и Google Assistant, подтолкнула развитие аудиотехнологий, приведя к появлению новых систем, использующих VPA в качестве нового человеко-машинного интерфейса. Этот интерфейс можно рассматривать, например, как гаджет для смартфонов, однако более очевидным выглядит его применение в умных кухонных или домашних помощниках, умных часах – ​потому что их доступность и небольшой размер препятствуют использованию сенсорного интерфейса – ​или в автомобилях, потому что во время вождения требуются обе руки, что также мешает использовать сенсорный интерфейс. Таким образом, общая тенденция расширения использования голосового Интернета (Internet of Voice) будет оказывать сильное воздействие на рынок MEMS-микрофонов.

Инерционные датчики становятся более интеллектуальными. Их производительность постоянно растет, что позволяет добавлять функциональные возможности в виде алгоритмов для многочисленных вариантов использования в краевых вычислениях (подсчет шагов, распознавание жестов или спортивной активности). Кроме того, эти датчики обладают высоким потенциалом в области носимых устройств для оздоровления и фитнеса, а также в сфере медицинских носимых приборов мониторинга активности пациентов. Продолжает развиваться тенденция перехода от автономных инерционных датчиков к большему использованию комбинированных инерциальных датчиков (IMU).

Оптические MEMS (например, используемые в проекторах, пикопроекторах) все еще борются за свою долю рынка. Однако более популярными становятся MEMS-микрозеркала для лазерных или других светопроекционных систем. На подобные технологии сделали ставки многие фирмы, включая AEYE, Luminar, Velodyne, Robosense, Benewake, Valeo, Infineon, Innoviz.

Пандемия COVID‑19 и резкий рост потребности в системах выявления лиц с повышенной температурой привел к скачку спроса на термочувствительные MEMS и MEMS визуализации (термоэлементы и микроболометры). Следствием стало расширение использования подобных MEMS в потребительской технике (например, их интеграция в смартфоны). Так, в июне 2020 г. корпорация Huawei выпустила смартфон Honor Play 4 Pro с интегрированным термодатчиком для измерения температуры. Правда, развитие этой тенденции зависит от соблюдения определенных технических и стоимостных параметров и осведомленности потребителей о соответствующей технологии.

В области микропотоковых приборов все большее число перспективных компаний используют MEMS для анализа «по месту лечения» (point-of-care, PoC). Разработкой и выводом на рынок такой продукции на основе кремниевых MEMS и КМОП-MEMS занимаются фирмы InSilixa, DNAe, Mobinostics, Qorvo Biotechnologies, Genalyte и Ontera. В ближайшие годы эта тенденция, безусловно, сохранится. Пандемия COVID‑19 также будет стимулировать рынок диагностических тестов на основе микропотоковых приборов.

По мере распространения сетей и средств связи 5G потребуется все больше фильтров MIMO 4×4 на основе радиочастотных MEMS. Более быстрое, чем ожидалось, распространение 5G-смартфонов также стимулирует спрос на высокочастотные BAW-технологии (bulk acoustic wave – ​объемная акустическая волна). Ожидается, что рынок РЧ MEMS продолжит расти, особенно в связи с появлением новых полос частот, предназначенных для 5G. Все большее распространение в телефонах различных производителей получают MEMS-генераторы (устройства синхронизации, генерирующие высокостабильные опорные частоты), они также необходимы при развертывании новых базовых станций 5G.

Все больший интерес для поставщиков устройств и продуктов умного дома представляют концентраторы среды (предполагающие использование MEMS различных поставщиков, т. е. с открытытой архитектурой), включающие микрофоны, датчики температуры, влажности и давления. Кроме того, помимо использования газовых датчиков в автомобилях (которое будет снижаться по мере распространения электромобилей и уменьшения парка машин с двигателями внутреннего сгорания) их можно задействовать в различных инфраструктурных объектах в ключевых точках городов. Автомобили могли бы подключаться к этим объектам через V2X, получая таким образом информацию о качестве местного воздуха в реальном масштабе времени.

Наконец, ожидается рост спроса на перспективные MEMS, такие как микродинамики. Эти приборы могут быть интегрированы во многие потребительские устройства за счет использования потенциала малой потребляемой мощности и малых размеров в сочетании с высокой направленностью звука. Электродинамическая технология, широко используемая в динамиках, не менялась уже более 50 лет, и MEMS способны предложить альтернативные пути миниатюризации. Перспективными представляются и ультразвуковые MEMS. Например, фирма Butterfly Networks, предложив свое cMUT-решение, открыла путь к «демократизации» ультразвука и подстройке медицинских тестов под требования потребителей. Кроме того, перспективным может стать использование УЗ-датчиков отпечатков пальцев в смартфонах, несмотря на конкуренцию со стороны других технологий (оптические датчики отпечатков пальцев или 3D-распознавание лиц для разблокировки телефона и т. д.). Необходимость повышать конфиденциальность в нашем мире, навод-ненном данными, может означать, что для обеспечения избыточности защиты потребуется более одного идентификационного решения.


Что впереди?

MEMS – ​это зрелые технологии, и за последние 10 лет в их производстве не произошло ни одного резкого прорыва. Основные тенденции технологического развития меняются эволюционно. Раньше первоочередное внимание уделялось повышению выхода годных MEMS, снижению затрат, увеличению степени интеграции. Теперь приоритет отдается повышенной точности, сверхнизкой потребляемой мощности и встроенному интеллекту.

Кроме того, рынок MEMS переживает определенные трудности. С одной стороны, рост затрат на разработку новых поколений MEMS требует расширения рынков сбыта для амортизации этих затрат и минимизации любых связанных с ними рисков. С другой стороны, для открытия новых рынков недостаточно сосредоточить внимание на собственно датчике (на уровне преобразователя и аппаратного обеспечения) и присущей ему производительности. Для повышения ценности датчиков и различных типов данных (инерциальных, звуковых, экологических и т. д.) разработчики переходят к более сложным алгоритмам, ПО и вычислениям. Одна из целей, например, состоит в повышении интеллектуальности смартфонов и носимых устройств, оснащении их возможностями предвидеть (прогнозировать) потребности пользователей. Для этого могут объединяться различные входные данные, такие как сигналы GPS, инерциальных датчиков и датчиков давления (позиционирование), датчиков движения (уровень активности), функции календаря, бронирования поездок и т. д.

При этом сами производители MEMS нуждаются в дифференциации, выделении своей продукции из общей массы. Кроме того, они пытаются одновременно продвигаться вверх по цепочке создания стоимости и оставаться рентабельными. Для этого можно следовать одним из трех путей (рис. 3):

поиск новых приложений и вариантов использования с целью выхода на новые рынки;

агрегирование функциональных возможностей с помощью улучшенных алгоритмов и ПО в рамках существующих вариантов использования;

наращивание возможностей дополнительной обработки данных и в конечном счете вычислительных возможностей, что должно привести к росту продаж, в том числе для одного и того же клиента.



Источник: Yole Développement

Рисунок 3. Рынок MEMS в 2020 г.: пути повышения ценности

* ASIC (application-specific integrated circuit, специализированная (проблемно-ориентированная, заказная) ИС) – микросхема для выполнения набора специальных функций, обычно разрабатываемая под конкретного заказчика. Новой разновидностью таких ИС стали программируемые заказные ИС (programmable ASIC), функциональность которых можно со временем наращивать.


Конечно, это не единственные варианты. Есть игроки, отдающие предпочтение другим стратегиям наращивания ценности (рис. 4) – ​например, компания Bosch, которая совершенствует свои алгоритмы, применяемые в существующих вариантах использования MEMS клиентами, с помощью платформы разработки ПО, предоставленной корпорацией Qualcomm. Примеры включают гироскоп для автомобильных применений с улучшенным алгоритмом определения угла, а также датчик окружающей среды с улучшенным алгоритмом измерения.



Источник: Yole Développement

Рисунок 4. Наращивание интеллектуальности MEMS (неполный перечень фирм)

* Алгоритм измерения параметров окружающей среды.


Поставщики акустических MEMS, такие как Knowles, делают упор больше на обработку данных вблизи датчика и на расширение использования ИИ в краевых вычислениях. Это видно на примере смартфона Google Pixel Phone. В модели Pixel 3 использовались три микрофона Knowles (по цене 0,25 долл. каждый), а в Pixel 4 уже применялась «победная конструкция» на основе автономного аудиопроцессора (стоимостью 1,5 долл.) вне прикладного процессора. Таким образом, стоимость изделий Knowles, используемых в конечном продукте одного и того же клиента, выросла на 200%.

Корпорации TDK и Qualcomm совместно создали комплект разработки (SDK) RoboKit, в котором используется сочетание алгоритмов TDK и блок ИИ Qualcomm. Корпорация STMicroelectronics продвигает блок инерциальных измерений iNemo на основе MEMS, включающий в себя встроенное ядро машинного обучения на основе микроконтроллера.

Наконец, есть ряд стартапов, работающих в области краевого ИИ. Они не обязательно сами производят датчики, но сотрудничают с поставщиками MEMS (фирмы Aspinity и Syntiant – ​с корпорацией Infineon, компания Cartesiam – ​с корпорацией STMicroelectronics) с целью использования данных датчиков. Расширение возможностей обработки данных вблизи их источников и расширение использования ИИ в краевых вычислениях становятся все более и более критичными, особенно для MEMS-микрофонов и инерциальных датчиков.

Все приведенные примеры указывают на одно: обязательным условием дальнейшего развития отрасли становится сотрудничество различных игроков экосистемы – ​от поставщиков ПО до производителей аппаратного и системного уровней. В конце концов, ключевым является целостное восприятие, особенно сейчас, когда конечные пользователи требуют комплексных решений, а не отдельных компонентов. Чтобы избежать снижения ценности датчиков и их превращения в массовый товар, поставщикам MEMS необходимо идти на определенные изменения бизнес-модели или же за счет процесса слияний и поглощений двигаться вверх по цепочке создания стоимости – ​в сторону расширения возможностей обработки данных и, в конечном итоге, вычислительных возможностей (которые реализуются в первую очередь в сфере облачных вычислений, а затем и в краевых вычислениях (рис. 5).



Источник: Yole Développement

Рисунок 5. Пути оживления рынка MEMS


Эту точку зрения подтверждает свежий пример: компания mCube (производитель инерциальных MEMS) недавно приобрела фирму Kinduct, предлагающую решение на основе полной аналитической платформы, использующей данные инерциальных датчиков. Эти данные обрабатываются в «облаке» и могут дать клиенту очень подробную информацию, которая в том числе может стать основой судебных разбирательств. Решение предназначено в основном для спортивных игроков (но не только для них). Среди клиентов Kinduct – ​Национальный олимпийский комитет, Национальная баскетбольная лига, Национальная футбольная лига США (американский футбол) и т. д. Подобные решения можно применять в сочетании с уже существующими носимыми датчиками и различными интеллектуальными продуктами. Таким образом, расширение возможностей используемого с MEMS (и другими датчиками) ИИ будет стимулировать инновационный процесс на уровне датчиков и на системном уровне, что откроет новые возможности для развития индустрии MEMS.


Partially Hindered by the Pandemic, the MEMS Industry Could Emerge Stronger. Semiconductor Digest, December 17, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/12/17/partially-hindered-by-the-pandemic-the-mems-industry-could-emerge-stronger/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 8(6732) от 22 апреля 2021 г. г.
Выпуск 6(6730) от 25 марта 2021 г. г.