電力與能源、電機控制和自動化,這三大應用領域被ST定義為工業核心領域,并針對這三個領域成立了相關的技術創新中心。目前,該公司適合各種工業場景的半導體產品多達5000多款,而其舉辦的年度工業峰會已經成為觀察全球工業技術和應用創新趨勢的一個窗口。不久前,ST在其第三屆工業峰會期間,展示了多項創新產品和應用,這些創新集中在智能農業、智能制造、智能基礎設施和環境、智能綠色能源網絡四個應用領域。


創新應用的長期趨勢


目前的工業市場正在發生著很多前所未有的歷史性的變革,圍繞能源管理,能源結構的變化,能源利用的效率,工業市場的這些變化,蘊育著無數的來自關于技術、產業和商業的機會。ST副總裁,中國區總經理曹志平表示,“碳達峰”和“碳中和”的愿景對工業領域的影響會持續多年,而ST的電機控制、電源與能源管理和自動化產品技術,也將在這一過程中發揮重要作用。


圍繞創新應用,一些長期的趨勢正在影響ST的戰略和投資決策。ST總裁兼CEO Jean-Marc Chery認為,智慧出行、電力和能源、物聯網和5G,都在促進工業應用發展。對于 ST 而言,智慧出行涉及配套基礎設施,汽車進一步向電動化和智能化推進,未來 3 年 ADAS 功能大規模應用,平均增長率與 2020 年初相比大幅提高并推動汽車基礎設施投資,如快速充電站和車輛通信設備。


在電源和能源管理方面,中國正在加大電網、清潔公共交通和能源轉型方面的投資,以實現碳中和的承諾,同時加快提高風力發電、太陽能發電和水力發電、太陽能加熱、生物燃料運輸工具等可再生能源的使用率,這些和ST的可持續發展目標有很多交集。


在物聯網和5G,ST可以提供微控制器、傳感器和獨立連接安全解決方案,以及完整系統所需的模擬和電源管理芯片。Chery表示,自去年以來一些趨勢在加速,如智能家電增長強勁,預計未來幾年將進一步加快發展。而未來3年主要的云服務提供商也將加大對基礎設施的投資。


為了支持這些趨勢的發展,ST每年投入約15億美元的研發費用,今年相關支出達21億美元,這些費用主要用于MCU、模擬和傳感器、以及功率器件的研發上。該公司承諾到2027年實現碳中和,是半導體行業中最早承諾實現碳中和的公司。


兩個核心驅動力


在ST所關注的關鍵領域中,汽車和工業尤為重要,除了這兩個領域可以采用大量的ST的產品外,環保和可持續發展是一個重要的原因。ST亞太區功率分立和模擬產品器件部區域市場和應用副總裁Francesco Muggeri表示,環保和可持續發展是工業領域的市場驅動因素,預計到2030年,全球能源需求將增長30%以上,這使得碳排放成為緊迫的議題,促進了可再生能源的使用。預計全球可再生能源發電的比例將從2020年的10%上升到2030年的20%,而中國已確定計劃于2060年實現碳中和的目標。


應映這一趨勢,ST也正在致力于碳中和計劃,承諾到2027年達到碳中和,并符合聯合國在巴黎會議上部署的1.5攝氏度控溫目標,同時,該公司計劃到2027年為所有工廠提供可再生能源。這涉及到電能供應鏈中的多項關鍵技術,ST則可以提供太陽能和風能相關半導體技術、電力傳輸和儲能、電動汽車、充電站、數據中心、智能家居/樓宇、智慧城市等基礎設施應用的創新IC。


Muggeri強調,在用可再生能源來減少對化石能源的依賴的同時,需要更巧妙地使用電能,最大限度地降低能源浪費。這里主要有兩個路徑:一是提高效率,包括更好的功率轉換,和智能管理用電;另一個是利用可再生能源并采用更先進的技術來智能地提高能源利用效率。


為了支持這一點,ST建立了三個技術創新中心:電源和能源技術創新中心,專注于能源產生和分配、計量、無線充電、電力系統、消費類電子產品電源、照明等;電機控制技術創新中心,專注于專業電器、工業電機控制器、工業運輸和其他消費品,以優化從電能到動能的轉換效率;自動化技術創新中心,重點關注智慧城市、智能樓宇、智能家居、智能農業、工業機器人、自動化。這些創新中心涉及的產品技術包括SiC、GaN、模擬IC、MCU、傳感器和通信器件。


其中,SiC和GaN半導體將在碳中和的進程中迎來歷史機遇。據Muggeri介紹,針對SiC,ST做了大量投資,已經收購了Norstel,目標是垂直整合供應鏈。目前ST的晶圓供應來自兩大公司:Wolfspeed Cree和SiCrystal。ST計劃到2024年,實現40%的自主晶圓產能。為此,除了瑞典北雪平市的晶圓廠之外, ST還在意大利卡塔尼亞建了一座晶圓廠。目前該廠正在建設中,預計明年年中投產。不久前ST已經生產出8英寸SiC晶圓樣品。


在GaN領域,ST已經在法國圖爾市投入了生產,很快將擁有自己的技術。ST收購了EXAGAN公司的大部分股份,該公司的專利技術包括常開的G-FET™在這種情況下需要在器件內部進行級聯配置的GaN驅動器;常閉型e-mode GHEMT™技術,以及帶有嵌入式硅數字門的超快速GaN驅動器G-DRIVE™。這三個PowerGaN系列將以STPower GaN和STI2GaN商標相繼面市。其中STI2GaN主要面向汽車領域,STPower GaN主要面向SMPS領域。


此外,ST正在與一些公司合作推進射頻方面GaN技術的研發,而已經進入市場的MasterGaN則打充電器市場。


亞太區技術支持網絡


自2020年初疫情爆發以來,全球半導體產業正在經歷著供應鏈的挑戰。ST亞太區市場營銷執行副總裁Jerome Roux感概眼下面臨的情況是他從業33年來前所未有的。整個半導體供應鏈都處于產能嚴重擁堵狀態,所有終端市場的需求都很高。Roux認為這是由于以汽車為首的主流行業的需求突然爆發,同時,家庭成為通信和連接中心這兩個因素疊加所導致。


全球主要制造商云集在亞太地區,使之成為世界公認的創新中心。Roux強調,ST亞太區不斷擴建技術支持網絡,設立7個技術創新中心(智能手機、物聯網、人工智能、電機控制、自動化、電力與能源、新能源汽車)。這些中心的選址都貼近客戶,提供參考解決方案、技術支持和聯合開發資源,覆蓋各種應用。


四個代表性應用場景的展示


如前文所述,在電力與能源、電機控制和自動化這三個領域中,ST的關鍵技術包括SiC、GaN、模擬IC、MCU、傳感器和通信器件等。這些技術被廣泛應用于ST關注的領域中,例如數字電源、模擬和SiC技術被用于太陽能生產、分配和充電站等新能源和能源效率領域;自動化技術被用于工廠、智能建筑和智能家居通信、安全和智能農業;而機器人的AI電機控制技術則被應用于智能工廠。
在大會現場,ST設置了四個精選方案展區,以展示該公司二十項可持續技術的亮點。

 

智能農業應用場景


圖:這個智能農業應用場景中,包括智能照明、土壤濕度和溫度檢測、水質監測、風速和風向監測。


該智慧農業系統展示了ST的STM32WL系列LoRa無線MC、傳感器、致動器和電源管理產品,這些方案可以幫助農場管理企業采集農業數據,分析農作物生長環境,預測農作物病害和牲畜疾病,并制定科學準確的生產策略。


雖然,目前智慧農業的市場規模還不大,但Muggeri認為其前景非常廣闊。例如通過監控來滿足更大規模的養殖,避免疾病傳播,以及對農場進行基于數據的自動化管理等。

 

內置ST PowerStep01全集成電機驅動器的自動割膠機


圖:這個展品是內置ST PowerStep01全集成電機驅動器的自動割膠機。


受更多電動汽車輪胎需求所推動,中國橡膠行業的規模在全球居于前列。ST亞太區功率分立及模擬器件產品部,工業產品應用及市場總監, 自動化技術創新中心負責人Allan Lagasva表示,中國有1億多棵橡膠樹。自動化和電子設備可以幫助產業以最有效的方式收割橡膠樹汁,收集樹液,在減少浪費,提高割膠效率的同時,提供更好的工作環境。例如在自動割膠過程中,可以通過ST的LoRaWAN和STM32WLMCU,連接并監測橡膠樹汁收集桶是否已經裝滿,以便及時通知工人來取,避免了浪費。


“除了自動化,我們還在每棵樹上安裝了STM32WLMCU,收集設備周圍整片區域的大量數據。有了積累的數據,農民就能優化并更好地生產橡膠。”ST亞太區MCU和數字IC產品部、IoT/AI技術創新中心及數字營銷副總裁 Arnaud Julienne補充道,“這項技術還可以擴展到家畜。通過我們支持的兩種協議LoRa或Sigfox,加強對這些家畜的管理。”

 

在智能制造業廣泛使用的AGV小車模型


圖:在智能制造業廣泛使用的AGV小車模型


采用導航算法配合ST的ToF 傳感器,該AGV小車可以自由移動而不會引起碰撞。同時,在人工智能和機器視覺的加持下,小車可以識別特定顏色的物體,并通過FOC(矢量控制)機械臂將其拾放到相應的物料收集筐內。Julienne表示,ST已在人工智能領域投資多年,包括開發在現有的MCU STM32上運行的算法,以及可以在未來幾年部署在產品上的AI硬件引擎。不久前,ST收購了Cartesiam,該公司專注于幫助任何公司在應用中實施AI,而不需要太多的AI技術,借助這家公司的軟件,ST可以幫助客戶以更加無縫的方式在STM32上部署AI。未來幾個月,ST將以ST的品牌在中國和全球部署Cartesiam的這種解決方案。

 

智能家居和智能建筑設備的重要模組


圖:智能家居和智能建筑設備的重要模組


這些模組可以滿足基礎設施和環境項目的開發需求,其中包括多款新型STM32 MCU/MPU、STSPIN電機控制器和電源管理芯片,ToF傳感器、TMOS和執行器技術,以及包括ST的BlueNRG系列在內的各種有線連接和無線連接技術。

 

相關技術在智慧停車和智能燈桿模型的應用


圖:相關技術在智慧停車和智能燈桿模型的應用


所有這些技術都能促進智能家居、智能建筑和智慧城市應用的開發,展示中還包括按照KNX標準采用STKNX和STM32產品設計的行業標準的智能家居和智能建筑設備的重要模組。

 

智能綠色能源網


圖:通過智能綠色能源網展示具有改造和優化能源系統能力的解決方案。該網絡由太陽能板、電池管理系統、電表、有快速安全關閉功能的光伏系統、電動汽車充電樁等組成。


ST的綠色能源技術針對家電和工業市場客戶提高各類設備的能效和系統可靠性。其重要技術包括各種MCU、SiC功率晶體管、電流隔離柵極驅動器、電表和電力線通信 (PLC) 控制器。


就綠色能源而言,有一些可見的熱點應用將在未來占據主導。Muggeri表示,ST正在與電動汽車領域一些頭部的公司進行密切合作,如深圳的比亞迪。該領域最主要的需求將會是充電站。每一個充電站都有幾種充電方式,包括家庭充電、樓內充電和停車場充電。以DC/DC解決方案為例(類似于目前加油站環境的充電站),要能夠滿足在半小時、甚至更少的時間內為120kW電池充電的350kW充電站的需求。每座充電站內的半導體的價值超過300美元。其中帶有高級MCU、具有強大計算能力以及SiC MOSFET的數字化解決方案將占據主導地位,ST正在這方面進行投資。


另外一個熱點是與計算有關的服務器電源站和電信電站的裝配。每個充電站都需要特定的SMPS。要做到這一點,需要達到3kW的SMPS。Muggeri強調,數字處理和MCU,以及SiC技術已經進入這個市場。從技術的角度來看,ST對SiC的投資是為了支持數據處理和基礎設施。這是其中兩個最大規模的應用領域,另外還有太陽能,ST也提供SiC,目前則主要是IGBT。ST針對IGBT投入了大量資金。


MCU的底層技術也能夠支持這些熱點應用,Julienne解釋,這些技術主要會用于預測性的維護、用于數據收集和診斷的連通功能、以及安全性的人工智能。ST正在這幾個領域進行投資,將繼續開發MCU系列產品,以支持這些重要的應用。