集成电路是什么(集成电路的未来发展趋势)

近年来，智能硬件在中国市场发展迅速。这些智能硬件是如何运作的？本文将智能硬件一层一层的扩展到它的底层技术，从物联网的运行原理角度解释智能硬件是如何在我们的生活中运行的。欢迎有兴趣的伙伴来看。

前言近年来，智能硬件在中国市场发展迅速，相当普及。基本上我们日常生活中能看到的东西都可以做成智能硬件。市场上智能硬件层出不穷，五颜六色，“万物皆可智能”。

一个数据:中国智能硬件市场发展迅猛。有数据显示，2020年智能硬件市场规模约为10767亿元，2017-2020年复合增长率为39%。随着科技的发展和智能终端产品的多样化，预计2022年中国智能硬件市场规模将达到15787亿元。目前智能硬件在市场上的普及率越来越高，产品类型也越来越多样化。此外，随着消费升级趋势，智能硬件作为高品质产品更受欢迎，市场稳步扩大。

2020年，中国智能硬件行业以智能家居设备为主，占比30.6%；其次是智能穿戴设备，占比20.0%。随着国家大力推动“中国智造”，一系列政策利好，预计未来增长空将分为智能穿戴设备、智能家居设备等。

据预测，2020年至2026年，中国智能硬件行业的市场规模将保持快速发展。按照20%的年复合增长率计算，到2026年中国智能硬件行业市场规模将达到2万亿元。

这些在生活中为我们提供便利的智能硬件是如何工作的？本文将智能硬件扩展到其底层技术，逐层推进。从物联网运行原理的角度，解释了智能硬件在我们生活中是如何工作的。涉及的概念很多，请耐心等待。

一、什么是硬件

智能是以硬件为基础的，所以首先我们要搞清楚硬件是什么，它是怎么发展起来的。

从学术上来说，硬件是计算机硬件的简称。指计算机系统中的各种物理器件，由电子、机械、光电元件组成。它是人类处理、计算和存储数据的重要元素。简而言之，硬件的功能是输入和存储程序、数据，并执行程序将数据处理成可用的形式。从外观上看，今天的微型计算机是由一个主机箱和外部设备组成的。主机箱主要包括CPU、内存、主板、硬盘、光驱、各种扩展卡、连接线、电源等。外部设备包括鼠标、键盘等。

广义来说，如果扩大硬件的范围，看整个计算文明的发展，可以追溯到半导体时代。信息技术最早源于半导体，半导体材料的发明对20世纪人类文明产生了巨大影响。1833年，英国科学家巴拉迪首先发现了硫化银的半导体现象。到目前为止，半导体已经成为一种必不可少的底层材料。今天，半导体存在于几乎所有的电子产品和计算机部件中。可以说，半导体奠定了三大计算文明(PC互联网、移动互联网和元宇宙)的基础。

Ps:半导体的作用是成为信息处理的组成材料。目前世界上很多电子产品的核心单元，如电脑、手机、数码录音机等，都是利用半导体的电导率变化来处理信息的。常见的半导体材料包括硅、锗、砷化镓等。在各种半导体材料中，硅对商业应用的影响最大。也可以用半导体制造的元件和集成电路是电子工业的重要基础产品。

半导体、器件和集成电路的生产和研究已成为电子工业的重要组成部分。集成电路是半导体技术发展中最活跃的领域，已经发展到大规模集成的阶段。几平方毫米的硅片上可以做几万个晶体管，一个硅片上可以做一个微处理器，或者完成其他复杂的电路功能。

集成电路的发展方向是实现更高的集成度和微功耗，使信息处理速度达到皮秒级。微波器件半导体微波器件包括接收、控制和发射器件。毫米波波段以下的接收设备已经被广泛使用。在厘米波段，发射器件的功率已经达到了几瓦，人们正在开发新的器件和技术，以获得更大的输出功率。电子半导体发光器件、摄像器件和激光器件的发展使光电子器件成为一个重要的领域。它们的应用主要有:光通信、数字显示、图像接收、光学集成等。

半导体存储器在大数据AI、人工智能(AI)、物联网(IoT)、智能工厂、自动驾驶汽车等第四次工业革命背后的技术发展中发挥着重要作用。因此，在过去几年中，半导体存储器的重要性和需求与日俱增，预计未来将迎来进一步增长，形成推动创新技术发展和突破当前能力基础的驱动力。

这就是近年来半导体如此重要的原因。

二、什么是智能硬件

了解了硬件，我们再来看看什么是智能硬件。

智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念。通过硬件和软件的结合，改造传统设备，使其具有智能功能。智能化后，硬件具备了连接能力，实现了互联网服务的加载，形成了典型的“云+端”的架构，具备了大数据等附加值。硬件的智能移动应用是软件，软件通过应用与智能硬件相连。操作简单，开发容易，各种应用层出不穷。也是企业获取用户的重要入口。

智能硬件是以软硬件底层平台为基础，以智能传感器互联、人机交互、新型显示、大数据处理等新一代信息技术为特征，以新设计、新材料、新工艺硬件为载体的新型智能终端产品和服务。随着技术的升级、相关基础设施的完善和应用服务市场的不断成熟，智能硬件的产品形态从智能手机延伸到智能穿戴、智能家居、智能汽车、医疗健康、智能无人系统等。，并成为信息技术与传统产业的交汇点。

三、什么是物联网

智能硬件的另一个概念是物联网(LOT)。智能硬件产品是物联网应用的表现形式之一。想要了解智能硬件的底层，就必须设计一项技术——物联网。智能硬件目前是基于物联网技术的底层逻辑进行信息交互，还没有达到万物互联的状态，但是已经在物联网的路上了。比如天猫精灵可以控制电视、窗帘、灯具等等。

那么什么是物联网呢？

物联网(IoT)是“万物互联的互联网”，是基于互联网的延伸和扩展网络。它是各种信息传感设备与网络相结合形成的巨大网络，实现人、机、物在任何时间、任何地点的互联互通。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。IT行业也叫泛互联，意思是物联网，万物互联。于是，“物联网就是物联网的互联网”。这有两层意思:

物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

因此，物联网的定义是通过射频识别、红外传感器、全球定位系统、激光扫描仪等信息传感设备，将任何商品与互联网连接起来进行信息交换和通信的一种网络。根据约定的协议对货物进行识别、定位、跟踪、监控和管理。

四、物联网发展历程

物联网的发展可能是最近几年被大多数人感知到的，但实际上，物联网的发展已经走过了22个年头。

1900年，卡内基梅隆大学的一名程序员将一台可口可乐自动售货机接入互联网，这样工程师不用下楼就能知道还剩多少可乐。这是第一个名副其实的物联网设备。

1991年，来自英国剑桥大学的特洛伊咖啡壶吸引了数百万人的目光。剑桥大学的科学家们编写了一套程序，用便携式摄像机捕捉图像，并以每秒三帧的速度传输到计算机，这是世界上第一个网络摄像头。

1995年，微软帝国的创始人比尔·盖茨写下了轰动全球的《未来之路》。在这本书中，比尔·盖茨也提到了物联网的想法。

1998年，英国工程师凯文·阿斯顿(Kevin Aston)在宝洁公司的一次演讲中首次提出了物联网的概念，通过射频识别等信息传感设备将所有物品与互联网连接起来，实现智能识别和管理。因此，这位工程师被称为“物联网之父”。

2003年，美国《技术评论》提出，传感器网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。

2005年，在突尼斯举行的信息社会世界首脑会议上，国际电信联盟发布了《国际电联2005年互联网报告》，正式提出了物联网的概念。报告指出，无处不在的物联网通信时代正在到来。

2009年，IBM提出物联网(IoT)战略智慧地球(Smart Earth)，标志着物联网的快速发展。

2013年，谷歌眼镜发布，这是物联网和可穿戴技术的革命性进步。

2014年，亚马逊发布Echo智能音箱，开启智能音箱和智能家居时代。

从2015年到2018年，阿里巴巴、百度和腾讯相继成立了IOT事业部。

2019年，沃达丰发布了2019年物联网报告。调查发现，现在有超过1/3的公司在使用物联网。

经过22年的发展，物联网已经广泛应用于我们的生活中，尤其是近几年。那么它是如何工作的呢？

五、物联网到底是怎么运作的？

简单来说，物联网就是具有唯一标识符(UID)的设备，可以通过网络传输和计算数据，支持应用网络(即输入/输出控制终端，可以基于现有的手机、PC等终端)进行控制或回传显示。更通俗的说法是，智能硬件通过采集的数据与网络进行交互，网络通知硬件并给出相应的响应。同时可以在app上查看相应的记录，甚至可以控制处理硬件的进程。

下图直观地展示了物联网的工作原理:

不及物动词物联网的关键底层技术通过物联网的运行原理，我们不难发现，物联网的运行是建立在硬件、网络、云计算等硬条件之上的。然而，物联网的实现不仅仅是我们熟悉的几个简单的硬性条件，还需要依靠物联网独有的关键技术来实现物与网络的连接。

物联网具有必要的、核心的三层结构。一是以二维码和RFID(射频识别技术)传感器为主的传感器网络，实现对“物”的识别；其次，传输网络，通过现有的互联网、广电网、通信网或未来的NGN(下一代网络)，实现数据传输和计算；第三，应用网络，即输入输出控制终端，可以基于现有的手机、C等终端。物联网的核心技术也在围绕这三层进行突破。

接下来，简单介绍一下围绕这些三层结构的技术。这些技术是物联网的底层依赖，是物联网实现“万物互联”的基础。

1、射频识别技术

每个智能硬件都有自己唯一的代码来识别硬件是音响还是手机，而要实现这种唯一的识别需要依靠射频识别技术。

射频识别(RFID)是一种简单的无线系统，是一种非接触式的自动识别系统。它通过射频信号自动识别目标物体。它由一个询问器(或读写器)和许多应答器(或标签)组成。

读写器可以识别各种标签，每个标签都有扩展条目的唯一电子代码，贴在物体上识别目标物体。它通过天线将射频信息传输给读写器，读写器读取信息。

射频技术原理图

RFID技术使物体能够“说话”。这就赋予了物联网一个特性，即可追溯性。也就是说，人们可以随时知道物体的确切位置及其周围环境。

射频技术为我们的日常生活提供了极大的便利。比如我们大家都很熟悉的物流行业，射频识别技术结合全球卫星定位系统，可以对物流运输过程进行全方位的可视化跟踪。当带有电子标签的物流货车经过各个带有无线信号阅读器的城市中转点时，有快递的货车可以不停车直接通过，从而知道哪个快递到达了哪个城市和中转点。同时，最新的物流信息更新在我们的手机里，不仅节省了通关时间和人力成本，还能让我们更及时的知道自己的快递到了哪里。

RFID技术在国外起步较早，在国内起步较晚。但中国在短时间内取得了令人瞩目的成就，不仅掌握了高频芯片的设计技术，还成功实现了产业化，超高频芯片产业得到了发展。RFID技术在中国已经得到应用，比如中国的第二代身份证、中国的火车管理系统、智能交通、城市建设、移动支付等领域。如今，RFID技术已经融入到人们生活的方方面面，它给我们带来的便利和快捷让我们深深感受到了当今生活的美好。

2、传感器技术

物联网离不开传感器。传感器技术让硬件有感觉，将硬件感知到的“感觉”转化为数据，传输到网络进行处理。这是基于MEMS技术。

MEMS是微机电系统的缩写。它是由微传感器、微致动器、信号处理与控制电路、通信接口和电源组成的集成微器件系统。

它集信息的获取、处理和执行于一体，形成一个多功能的微型系统，集成为一个大系统。它将模拟信号转换成数字信号，然后计算机才能进一步处理，从而大大提高了系统的自动化、智能化和可靠性。由于MEMS赋予了普通物体新的生命，它们拥有自己的数据传输通道、存储功能、操作系统和专门的应用程序，从而形成了一个庞大的传感器网络。这使得物联网能够通过物体来监控和保护人。

常见的传感器有:热传感器、光敏传感器、气体传感器、力传感器、磁传感器、湿度传感器、声音传感器、辐射传感器、视觉传感器、味觉传感器。

以酒驾为例，如果在车内和车的点火钥匙中都植入微型传感器，那么当酒驾司机拿出车钥匙时，钥匙就可以通过气味传感器检测到一股酒精的气味，并立即通过无线信号通知汽车“停止启动”，汽车就处于静止状态。同时“命令”司机手机给亲友发短信，告知司机自己在哪里，提醒亲友尽快处理。

在物联网时代，物与物之间的信息交互可以通过感知识别技术来实现，这是整合物理世界和信息世界的重要纽带，也是物联网区别于其他网络的最独特之处。可以说，传感器技术给物联网带来了新的发展机遇。

3、M2M技术

如果要实现物联网甚至“万物互联”，那么必然会涉及到一个话题，那就是连接。基于连接的技术被称为M2M技术。

M2M(Machine-To-Machine)技术是指机器对机器的通信，即M2M，是无线通信和信息技术的融合，使系统、感应终端设备、后台信息系统和操作人员之间实现信息共享。它提供了四者之间的无线连接，这是数据传输的必要条件。它基于云计算平台和智能网络，能够根据传感器网络获取的数据做出决策，改变对象的行为进行控制和反馈。

M2M技术涉及五个重要的技术部分:机器、M2M硬件、通信网络、中间件和应用。

1.机器

实现M2M的第一步是从机器/设备获取数据，然后通过网络发送出去。让机器“说话”，让机器具备信息感知、信息处理(计算能力)、无线通信的能力。

2.M2M五金

M2M硬件是使机器能够获得远程通信和网络功能的组件。提取主要信息，从各种机器或设备获得数据，并传输到通信网络。M2M硬件分为五种类型:嵌入式硬件、可组装硬件、调制解调器、传感器和位置标签。

嵌入式硬件：嵌入到机器里面，使其具备网络通信能力。常见的产品是支持GSM/GPRS或CDMA无线移动通信网络的无线嵌入数据模块。可组装硬件：在M2M的工业应用中，厂商拥有大量不具备M2M 通信和连网能力的设备仪器，可改装硬件就是为满足这些机器的网络通信能力而设计的。调制解调器（Modem）：上面提到嵌入式模块将数据传送到移动通信网络上时，起的就是调制解调器的作用。如果要将数据通过公用电话网络或者以太网送出，分别需要相应的Modem。传感器：传感器可分成普通传感器和智能传感器两种。智能传感器（Smart Sensor）是指具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由智能传感器组成的传感器网络（Sensor Network）是M2M技术的重要组成部分。一组具备通信能力的智能传感器以Ad Hoc方式构成无线网络，协作感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者；也可以通过GSM网络或卫星通信网络将信息传给远方 的IT系统。识别标识（Location Tags）：识别标识如同每台机器、每个商品的“身份证”，使机器之间可以相互识别和区分。常用的技术如条形码技术、射频识别卡RFID（Radio- Frequency Identification）技术等。标识技术已经被广泛用于商业库存和供应链管理。

3.通讯网络

通信在整个M2M技术框架中起着关键作用，包括:广域网(无线移动通信网、卫星通信网、互联网、公共电话网)、局域网(以太网、WLAN、蓝牙)、个人局域网(ZigBee、传感器网络、蓝牙)。

4.中间件

中间件包括两部分:M2M网关和数据收集/集成组件。网关是M2M系统中的一个翻译器，它从通信网络中获取数据，并将数据传送给信息处理系统。其主要功能是完成不同通信协议之间的转换。

5.应用

数据收集/集成组件旨在将数据转化为有价值的信息。原始数据经过不同的处理和加工，结果呈现给需要这些信息的观察者和决策者。这些中间件包括:数据分析和商业智能组件、异常报告和工作流组件、数据仓库和存储组件等。

在M2M家庭应用中实现了日常用水、用电、用气的计量。采用M2M器件实现自动抄表，集成GPRS模块和CDMA模块。作为远程数据传输通道，它们直接连接到银行服务提供商的计费系统，而不是人工。

以智能停车场为例。当车辆进入或离开天线通信区域时，天线通过微波通信与电子识别卡双向交换数据，从电子车卡中读取车辆的相关信息，从驾驶员卡中读取驾驶员的相关信息，自动识别电子车卡， 并检查车道控制计算机逐一显示电子车卡和驾驶员卡对应的车牌号和驾驶员信息； 车道控制计算机会自动将通行时间、车辆和驾驶员的相关信息存储在数据库中。车道控制电脑会根据读取的数据判断是正常卡、非授权卡、非授权卡还是非法卡，并据此做出相应的响应和提示。

此外，家里的老人戴上嵌有智能传感器的手表，外地的孩子可以随时通过手机查看父母的血压和心跳是否平稳；智能住宅的业主上班时，传感器自动关闭水、电、门窗，定时向业主手机发送消息，报告安全情况。

因为M2M技术，硬件可以发出自己的声音，硬件有自己独特的表达方式。

4、云计算

假设我们的智能硬件——智能音箱遍布每家每户，那么智能音箱收集到的信息会传输到网络本身，然后进行反馈处理。如果是基于智能音箱本身和家庭网络的计算能力和处理能力，可能会有更大的延迟，导致用户体验不佳。为了减轻智能硬件的负担，物联网需要基于云处理大量数据，并反馈给智能硬件。这项技术被称为云计算。

云计算是分布式计算的一种，指的是将庞大的数据计算和处理程序分解成无数个小程序，然后通过由多个服务器组成的系统对这些小程序进行处理和分析，得出结果并返回给用户的网络“云”。

云计算早期，简单来说就是简单的分布式计算，解决任务分配，合并计算结果。所以云计算也叫网格计算。通过这项技术，可以在极短的时间内(几秒钟)处理数万条数据，从而实现强大的网络服务。

云计算的一个核心思想是不断提高“云”的处理能力，不断减轻用户终端的处理负担，最终简化为简单的输入输出设备，按需享受“云”强大的计算和处理能力。物联网的感知层获取大量的数据信息，经过网络层的传输后，放到一个标准的平台上，再经过高性能云计算的处理，赋予数据以智能，从而最终转化为对终端用户有用的信息。

现在我们明白了，有了这些底层技术的支持和进步，智能硬件这几年的发展才蒸蒸日上，给我们的生活、工作、生产带来了便利。

七、总结

硬件/机器开发的本质是为人服务。人机交互技术的出现前后还是有很大的区别，让我们进入了一个新的智能世界。

在硬件交互出现之前，早期的硬件其实是一个功能工具，与人的交流是单向的。它更多的作用是扩展人们的体能，比如遥控。人们使用的机械或电气化机器只能算作工具，机器的操作步骤仍然需要人们实时控制。机器的作用是帮助/代替人类的体力劳动。

硬件智能时代开启后，交互硬件重构了与人的关系，甚至构建了信任关系。随着机器机械化向智能化发展，特别是在人工智能技术的加持下，人开始具备认知、思维和执行能力，这不仅有助于人们实现体力的进化(力量的放大)，还可以反过来作用于人，延伸其心智能力。

对于智能硬件的发展，预测大致可以分为三个阶段。第一阶段是现有产品的性能升级和智能化改造；第二阶段，在新技术的推动下，诞生了不同于以往的新产品，这些产品可以替代人工；第三阶段是广义机器人的进一步发展，具有与人脑逐渐趋同的智能能力，能够主动决策。

目前，人工智能技术已经能够在一些行业取代人工劳动，比如客服行业，这意味着以AI为核心的智能硬件越来越智能化。

并且随着人工智能的进一步发展，机器最终将能够像人类一样读写文字、识别图像、识别物体和品尝味道，甚至能够思考、决策和拥有情感。

超级人工智能的提出和发展，对一些行业的职业发展构成了一定的威胁。牛津哲学家、著名人工智能思想家尼克·博斯特罗姆(Nick Bostrom)将超级智能描述为“在几乎所有领域都比最聪明的人脑聪明，包括科学创新、普通教育和社交技能”。

随着技术的进步和人类数字化进程的加快，机器会从弱人工智能阶段进化到强人工智能阶段，而到了强人工智能阶段，超级人工智能阶段也就不远了。

基于对超级人工智能的向往，各大公司也在争相研究人形机器人，目前已经发布了人形机器人。

小米cyberone全尺寸人形仿生机器人:CyberOne拥有智能大脑，可以感知45种人类语义情感，分辨85种环境语义；小脑也特别发达。小米开发了全身控制算法，协调21个关节自由度的运动。视敏度:Mi Sense visual 空系统，可以三维重建真实世界；四肢强壮:全身由五种关节驱动，峰值扭矩300Nm。

雷军表示，在智能机器人领域，仿人仿生机器人的技术集成度最高，难度也最大。小米还在第一阶段，CyberOne每天都在学习新技能。“我们相信未来智能机器人一定会进入人们的生活”。

但更关键的问题是，机器人会产生高级智能吗？人工智能的奇点真的会到来吗？机器人最终会取代人类吗？人工智能和人类应该形成什么样的关系？但是到现在机器还处于弱人工智能阶段，因为当今社会还处于数字化转型阶段。目前，我们无法回答这些问题。留下的是科技长河发展的深邃前景。

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