片上系統(tǒng)SoC（System on Chip），即在一塊芯片上集成一整個信息處理系統(tǒng)，簡單來說 SoC芯片是在中央處理器CPU的基礎上擴展音視頻功能和專用接口的超大規(guī)模集成電路，是智能設備的“大腦”。隨著半導體工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)MCU已經(jīng)不能完全滿足智能終端的需求，SoC應運而生，憑借其性能強、功耗低、靈活度高的特點，使單芯片能夠完成完整的電子系統(tǒng)。SoC在移動計算（例如智能手機和平板電腦）和邊緣計算市場中非常普遍。它們也常用于嵌入式系統(tǒng)，如WiFi路由器和物聯(lián)網(wǎng)。

本期的智能內(nèi)參，我們推薦海通國際的報告《SOC芯片研究框架》，詳解SOC技術細節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈和成長驅(qū)動力。

來源 海通國際

原標題：

《SOC芯片研究框架》

作者：鄭宏達 華晉書

一、SOC：一塊芯片上集成的整個信息處理系統(tǒng)

片上系統(tǒng)SoC（System on Chip），即在一塊芯片上集成一整個信息處理系統(tǒng)，簡單來說 SoC芯片是在中央處理器CPU的基礎上擴展音視頻功能和專用接口的超大規(guī)模集成電路，是智能設備的“大腦”。應用處理器AP（Application Processor）是SoC中包含CPU在內(nèi)的所有計算芯片的集成物。智能手機SoC通常包含AP和基帶處理器BP等，AP負責應用程序的運行，BP負責收發(fā)無線信號。有時將AP和SoC混用。

隨著半導體工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)MCU已經(jīng)不能完全滿足智能終端的需求，SoC應運而生，憑借其性能強、功耗低、靈活度高的特點，使單芯片能夠完成完整的電子系統(tǒng)。SoC在移動計算（例如智能手機和平板電腦）和邊緣計算市場中非常普遍。它們也常用于嵌入式系統(tǒng)，如WiFi路由器和物聯(lián)網(wǎng)。

當前 SoC已成為功能最豐富的硬件，集成了 CPU、GPU、RAM、ADC、DAC、Modem、高速DSP 等各個功能模塊，部分SoC還集成了電源管理模塊、各種外部設備的控制模塊，同時還需要考慮各總線的分布利用等。

IP 核（Intellectual Property Core），即知識產(chǎn)權核，在集成電路設計行業(yè)中指已驗證、可重復利用、具有某種確定功能的芯片設計模塊。SoC是以IP模塊為基礎的設計技術，IP是SoC應用的基礎。 IP 核可以劃分為CPU、GPU、DSP、VPU、總線、接口等6個類別，也可按軟核、固核、硬核分類。

▲IP核分類

SoC的概念和設計技術始于20世紀90年代中期。早期芯片設計難度較低，半導體公司多為集設計、制造、封測為一體的IDM廠商。隨著半導體產(chǎn)業(yè)和工藝的進步，往后芯片隨著摩爾定律不斷更新迭代，晶片設計和制造的成本和難度均大幅上升，單一廠商難以承擔高額研發(fā)及制造費用。20世紀80年代，臺積電的成立不斷引導半導體產(chǎn)業(yè)朝“Fabless（設計） Foundry（制造） OSAT（封測）”分工方向發(fā)展。

1990年IP龍頭Arm誕生，開創(chuàng)了IP核授權模式。Arm負責芯片架構設計，并將IP核授權給Fabless廠商。隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，集成電路（IC）逐漸向集成系統(tǒng)（IS）轉(zhuǎn)變，IC設計廠商趨向于將復雜功能集成到單硅片上，SoC的概念逐漸形成。例如，三星等廠商根據(jù)產(chǎn)品需求將基于ARM架構的CPU處理器和各類外圍IP組合得到包含許多組件的SoC，根據(jù)不同應用需求，內(nèi)部組件封裝不盡相同。1994 年Motorola發(fā)布的Flex Core系統(tǒng)和1995年LSILogic公司為Sony公司設計的SoC, 是基于IP核完成SoC設計的最早報導。

▲半導體產(chǎn)業(yè)兩種運作模式

一般來說，一個SoC芯片由設計廠商自主設計的電路和多個外購IP核組成。IP核復用即向IP廠商購買已有的IP核，并進行布局、連接、檢查和驗證。IP核授權模式能夠在SoC中調(diào)用已設計好的具有獨立功能的模塊，一方面能夠簡化設計流程、加快了設計速度，降低設計難度，另一方面符合半導體分工發(fā)展的模式，使IC設計公司能擺脫IDM模式的束縛和壁壘，專注芯片設計，從而帶動IC設計行業(yè)的發(fā)展。

典型的SoC包括以下部分：一個或多個處理器內(nèi)核，可以是MCU、MPU、數(shù)字信號處理器或?qū)Ｓ弥噶罴幚砥鲀?nèi)核;

存儲器：可以是RAM、ROM、EEPROM或閃存;

用于提供時間脈沖信號的振蕩器和鎖相環(huán)電路;

由計數(shù)器和計時器、電源電路組成的外設;

不同標準的連線接口，如USB、火線、以太網(wǎng)、通用異步收發(fā);

用于在數(shù)字信號和模擬信號之間轉(zhuǎn)換的ADC/DAC;

電壓調(diào)理電路及穩(wěn)壓器。

在外設內(nèi)部，各組件通過芯片上的互聯(lián)總線相互連接。ARM公司推出的AMBA片上總線主要包括高性能系統(tǒng)總線AHB、通用系統(tǒng)總線ASB、外圍互聯(lián)總線APB、可拓展接口AXI。AHB主要針對高效率、高頻寬及快速系統(tǒng)模塊；ASB可用于某些高速且不必要使用AHB 總線的場合作為系統(tǒng)總線；APB主要用于低速、低功率的外圍，AXI在AMBA3.0協(xié)議中增加，可以用于ARM和FPGA的高速數(shù)據(jù)交互。

MCU(Micro Control Unit)微控制器，芯片級的芯片。MCU將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，只提供最少的內(nèi)存、接口、處理能力等，專注于小型嵌入式控制系統(tǒng)或控制應用程序。

SoC是系統(tǒng)級的芯片，可能包含許多MCU，適用于具有更多要求和更復雜的應用程序。SoC是一個完整的單芯片計算機系統(tǒng)，能夠執(zhí)行具有更高資源需求的復雜任務。

▲MCU芯片示意圖

指令集是CPU的一種設計模式，分為精簡指令集RISC和復雜指令集CISC兩種。其中，ARM、MIPS、Power、Alpha等均是基于RISC架構，X86則是基于CISC的架構。X86架構占據(jù)了服務器和桌面領域的壟斷地位，ARM架構占據(jù)了嵌入式領域的絕大部分市場，而MIPS、Power、RISC-V等也在相關特殊領域占有一定的市場份額。

SoC處理器內(nèi)核通常都使用ARM、RISC-V指令集架構，因為在嵌入式和移動計算市場中面積和功率通常受嚴格限制。

▲指令集

ARM開發(fā)了ARM架構并授權其他公司使用并自主開發(fā)SoC，當前ARM架構在移動端核心CPU占據(jù)絕對主導份額。從1985年ARMv1架構誕生起到2021年，ARM架構已發(fā)展到第九代。2021年正式推出的ARMv9指令集，在兼容ARMv8的基礎上進一步提升處理器性能、安全性、矢量計算、機器學習和數(shù)字信號處理?；贏RMv9發(fā)開的處理器將在2022年正式商用，可能應用于下一代驍龍等SoC。

▲ARM架構

ARMv7架構開始，ARM改以Cortex命名，并分為“應用”配置Cortex-A系列，“嵌入式”配置Cortex-R系列、“微處理器”配置ARM Cortex-M系列。Cortex-A面向高性能應用處理器內(nèi)核，如智能手機、平板電腦、機頂盒、網(wǎng)絡設備、服務器等。Cortex-R針對高性能實時應用場景，如汽車應用、消費電子等。Cortex-M系列主要面向嵌入式設備和IoT設備，對功耗和尺寸要求較高，應用于微控制器、傳感器、通信模組、智能家居等。

▲ARM架構發(fā)展歷程

近20年，智能移動設備興起，基于精簡指令集架構的ARM內(nèi)核IP憑借著低成本、高性能、低功耗的特點和IP授權模式，在智能手機、平板電腦等移動終端SoC等下游領域取得成功，占據(jù)了絕大部分市場份額，有強勢定價權。國內(nèi)主要半導體廠商和用戶如華為、小米、中興、瑞芯微等設計的商用SoC和物聯(lián)網(wǎng)設備絕大多數(shù)使用ARM技術。

ARM核心收費模式：授權費（license fee）、版稅（royalty）。ARM授權技術給芯片設計公司，設計公司繳納授權費，生產(chǎn)芯片后，發(fā)芯片給OEM終端客戶，并按芯片發(fā)貨量繳納版稅給ARM，終端廠商付費給芯片代工廠；ARM也會為終端廠商提供技術和業(yè)務支持。

▲ARM主流授權模式

AI、5G、邊緣計算的發(fā)展對計算技術提出新的需求，但絕大多數(shù)指令集架構都受到專利保護，如x86、MIPS、Alpha，遏制了創(chuàng)新發(fā)展。先前的指令集架構較復雜，且應用領域較單一，且不便于對特定應用進行自定義擴展，缺乏適用于多個領域的統(tǒng)一架構。為此，加州大學伯克利分校研究人員設計了新的指令集架構RISC-V，并以BSD授權的方式開源。近兩年RISC-V架構大熱，生態(tài)也發(fā)展較快，比較適合低功耗的應用場景，其開源、精簡、可修改等特點決定了RISC-V將在物聯(lián)網(wǎng)時代擁有巨大的發(fā)展前景，未來很可能發(fā)展成為世界主流指令結(jié)構之一。

RISC-V已有多個版本的處理器內(nèi)核和SoC芯片，其中部分是開源免費，部分是商業(yè)公司開發(fā)用于內(nèi)部項目。RISC-V發(fā)展已經(jīng)過國內(nèi)許多商業(yè)化應用驗證，也是我國發(fā)展自主可控國產(chǎn)CPU的重要途徑，但軟件生態(tài)還需不斷完善。Semico Research研究結(jié)果顯示，未來RISC-V將被大量運用于包括計算機、消費、通訊、運輸和工業(yè)市場在內(nèi)的細分市場，到2025年，采用RISC-V架構的芯片數(shù)量將增至624億顆，復合增長率高達146%。

▲部分國內(nèi)外RISC-V處理器和SoC平臺

SoC的發(fā)展是性能、算力、功耗、工藝難度幾方面的平衡。當前AI成為各大SoC廠商的必爭之地，同時對算法提出更高要求，在功耗受限的場景下實現(xiàn)AI算法成為關鍵，算力效率（單位算力的成本和功耗）極為重要。以蘋果A14SoC為例，A14使用5nm工藝，和A13相比CPU性能提升16%，GPU提升10%左右，AI加速器Neural Engine的性能提升則接近100%。未來應用于手機、平板、服務器等高端SoC將繼續(xù)朝高性能發(fā)展。

SoC在追求高性能和低功耗的智能手機、平板電腦等芯片領域已占據(jù)主導地位，在自動駕駛、AIoT等領域也已得到應用，隨著AIoT、5G的不斷發(fā)展，未來還將向更為廣闊的應用領域擴展。此外，數(shù)據(jù)大爆炸時代對邊緣計算算力提出更高要求，智能硬件需求量也將持續(xù)上漲。據(jù)Yole預計，2019年全球應用處理器 AP市場規(guī)模為340億美元，2025年將增長到560億美元，復合增長率8.7%，市場規(guī)模有望持續(xù)擴大。

能夠抓住趨勢精準布局的IC設計廠商將在市場大潮中快速占領市場份額。從國內(nèi)廠商來看，瑞芯微、全志科技等在平板電腦市場、晶晨股份等在機頂盒市場、國科微等在衛(wèi)星電視市場、富瀚微等在模擬監(jiān)控攝像頭ISP芯片市場、博通集成等在2019年汽車ETC市場都抓住了機會。

▲2019-2025年全球AP市場收入（單位：億美元）

二、SoC產(chǎn)業(yè)鏈概況

▲SoC產(chǎn)業(yè)鏈概況

產(chǎn)業(yè)鏈上游概況：設計工具寡頭競爭。設計工具寡頭競爭，上游議價能力強。SoC產(chǎn)業(yè)鏈上游可分為知識產(chǎn)權核（IP核）和相關EDA工具；知識產(chǎn)權核主要公司有 ARM、Synopsys、Cadence等， EDA工具的核心企業(yè)有Cadence、Synopsys 和Mentor Graphics。

上游設計工具行業(yè)集中度較高，當前全球核心IP 主要由 ARM、Synopsys、Cadence 提供，合計占比近 65% ，全球 EDA 產(chǎn)業(yè)主要由Cadence、Synopsys 和西門子旗下的 Mentor Graphics 壟斷，三大 EDA 企業(yè)占全球市場的份額超過 60%，上游廠商議價能力較強。

▲IP核2019年競爭格局

行業(yè)集中度高，國內(nèi)廠商市占率較低。全球IP核供應商以國外廠商為主，行業(yè)集中度相對較高：國內(nèi)集成電路設計企業(yè)所需的IP核大多來自境外供應商，每年進口金額10億美元以上，占全球市場的1/3左右。中國大陸的IP核供應商有50家左右，普遍實力較弱。國內(nèi)也有規(guī)模較大的企業(yè)，如總部在上海的芯原（ Verisilicon），市場占有率已躋身全球前十，但與歐美“三巨頭”相比還有很大差距。

IP 核本身是產(chǎn)業(yè)鏈不斷專業(yè)化的產(chǎn)物，是芯片設計知識產(chǎn)權的重要體現(xiàn)，也是半導體產(chǎn)業(yè)鏈下一步升級的重要方向。產(chǎn)業(yè)每一輪專業(yè)化升級都有其內(nèi)在的供需原因，且往往是追求規(guī)模成本效應的結(jié)果。

EDA 公司提供給IC 公司的一般都是全套工具，因此EDA 集成度高的公司產(chǎn)品更有優(yōu)勢。EDA三巨頭基本都能提供全套的芯片設計EDA 解決方案。

Synopsys 行業(yè)領先的IC Compiler? II布局布線解決方案提供了單一供應商所能提供的最全面設計平臺，加速大規(guī)模AI處理器的實現(xiàn)。

Cadence 的強項在于模擬或混合信號的定制化電路和版圖設計。數(shù)字后端工具Innovus可以在滿足功耗/面積預算要求下實現(xiàn)最佳的性能、或者在滿足頻率指標的同時確保功耗/面積最小。

Mentor Graphic 同樣在后端布局布線比較強，在 PCB 上也很有優(yōu)勢，它的優(yōu)勢是Calibresignoff 和 DFT。2016年并入西門子。

▲EDA 工具軟件分類

產(chǎn)業(yè)鏈中游情況：高端、次高端、專用型SoC特點。高端SoC芯片主要集中于手機、平板電腦、服務器市場等，次高端SoC芯片多應用于安防、智能音頻、物聯(lián)網(wǎng)等領域，專用型SoC芯片多應用于TWS耳機和智能手表等。

制程工藝的迭代更新導致SoC芯片的性能和價格分化。晶體管數(shù)量的提升導致CPU、GPU、NPU等IP核的升級。最新高端SoC芯片制程為5nm，專用SoC芯片如智能音頻芯片的制程普遍在16nm-55nm之間。

制程會影響芯片面積，并因此直接影響芯片價格，通過增大芯片面積，一個芯片中可以放下更多的晶體管。理論上，芯片面積越小的SoC成本越低，同等技術水平和制程下，晶體管/芯片面積的大小和性能輸出直接相關。

時鐘頻率是指同步電路中時鐘的基礎頻率，它是評定CPU性能的重要指標。一般來說主頻數(shù)字值越大越好。高端和次高端SoC芯片的時鐘頻率一般在以GHz計量，專用型SoC芯片的時鐘頻率多以MHz計量（1GHz=1000MHz）。

目前高端SoC芯片多以一個超大核心加多個中核心、小核心架構設計，經(jīng)過多年來迭代更新，基于ARM的CPU核心不斷升級，在制程工藝、主頻、性能上大幅度提升。同時高端SoC芯片尤其是移動端芯片一般會添加集成式或外掛式基帶，以此實現(xiàn)移動接入、電話等傳統(tǒng)移動終端功能。

高端SoC芯片如天璣1200采用A78構架，1個A78主頻3.0GHz的大核心，3個A78主頻2.6GHz的中核心和4個A55主頻2.04GHz的小核心。驍龍865CPU采用Cortex A77主頻2.84GHz超級大核和三個Cortex A77 2.84GHz普通大核 四個Cortex A55 1.8GHz小核心架構。麒麟9000 CPU架構為一個3.13GHz A77大核心、三個2.54GHz A77中核心、四個2.04GHz A55小核心。

▲部分高端SoC芯片架構對比

高通驍龍888 移動平臺是行業(yè)首個采用ARM Cortex X1 架構的移動平臺，CPU 為 Kryo 680 CPU，其采用了全新 CPU 架構。具體來說，其包含一枚最高主頻2.84GHz 的 Cortex X1 核心，3 枚最高主頻 2.4GHz 的 Cortex A78 核心和 4 枚最高主頻 1.8GHz 的 Cortex A55 核心，延續(xù)一個超級核心 3 個高性能核心 4 個能效核心的三叢集架構。

5月25日，Arm正式推出了新一代的CPU和GPU核心，包括全新的Cortex-X2、Cortex-A710、Cortex-A510等三款CPU核心以及Mali-G710 GPU。三個CPU核心均基于今年4月份發(fā)布的Armv9架構指令集設計。高通新一款代號為SM8450的處理器，該芯片采用4nm工藝打造，CPU采用Kryo 780架構，該架構基于最新的Arm v9指令集。

次高端SoC芯片多應用于安防、智能音頻、物聯(lián)網(wǎng)等領域，對算力要求相比智能手機、服務器等略低，近年來次高端SoC芯片架構逐步從單核心到多核心、從大核心到大核心 小核心的架構變化升級。

次高端SoC芯片目前制程以工藝成熟的28nm為主，部分公司先進產(chǎn)品進入12nm-14nm規(guī)格。CPU多以Cortex-A53、Cortex-A7架構為核心，主頻普遍在1.2GHz以上。

專用SoC芯片應用領域有TWS耳機、智能手表等，此類SoC芯片開發(fā)適用于特定應用場景。專用SoC更接近MCU領域的應用，如TWS 耳機的核心是智能藍牙音頻SoC 芯片，其承擔了無線連接、音頻處理和其他輔助功能。

產(chǎn)業(yè)鏈下游：芯片制造頭部效應明顯。晶圓制造環(huán)節(jié)作為半導體產(chǎn)業(yè)鏈中至關重要的工序，制造工藝高低直接影響半導體產(chǎn)業(yè)先進程度。Fabless Foundry OSAT的模式成為趨勢，F(xiàn)oundry在整個產(chǎn)業(yè)鏈中的重要程度也逐步提升。

同時半導體制造行業(yè)呈現(xiàn)非常明顯的頭部效應，根據(jù)IC Insights的數(shù)據(jù)顯示，在全球前十大代工廠商中，臺積電一家占據(jù)了超過一半的市場份額，前八家市場份額接近90%。

▲SoC芯片設計廠商與部分晶圓代工廠合作關系

SoC芯片應用領域廣泛，消費電子和智能物聯(lián)是SoC芯片需求的兩大領域。在消費電子市場，智能手機、平板電腦等消費類電子的爆發(fā)式增長，催生出大量芯片需求，推動了芯片行業(yè)的巨大發(fā)展；智慧商顯、
智能零售、汽車電子等新的應用場景和應用領域不斷出現(xiàn)，為芯片設計廠商提供了良好的發(fā)展機遇；物聯(lián)網(wǎng)及人工智能時代，創(chuàng)新科技產(chǎn)品的誕生為集成電路設計行業(yè)帶來了更為廣闊的市場機會。

三、行業(yè)成長驅(qū)動力

人工智能（AI）是計算機學科的重要分支，主要分為語音和視覺識別、自然語言處理以及深度學習等幾大研究方向。21世紀以來，AI的產(chǎn)業(yè)化被應用于金融、教育、醫(yī)療、交通、汽車、制造、娛樂等各個行業(yè)。AI芯片是智能終端的硬件基礎，各類應用場景豐富多樣，在智能手機、智能音頻、電子汽車、智能安防等方面提供硬件支持，不同應用市場下競爭格局分散。根據(jù)德勤數(shù)據(jù)，全球人工智能將在未來幾年迅速增長，2025年市場規(guī)模將達到64000億美元，2017-2025復合增長率達32%。

▲全球人工智能市場規(guī)模（單位：億美元）

AI芯片也稱為AI加速器，負責運行AI算法、處理AI應用中的計算任務。AI芯片按照應用端可分為云端（服務器端）芯片和終端（移動端）芯片；按照功能可分為訓練（Training）芯片和推斷（Inference）芯片；按照技術架構可分為通用芯片（GPU）、半定制化芯片（FPGA）和全定制化芯片（ASIC）。

未來的AISoC將形成以CPU為控制中心，GPU、FPGA、ASIC作為專用AI加速模塊的格局。GPU、FPGA、ASIC在AI芯片中有不同的適用場景：GPU主要處理圖像領域運算加速和復雜的通用性AI平臺；FPGA常用于深度學習算法中的推斷階段；ASIC滿足場景某一特殊場景的特殊定制，谷歌母公司Alphabet的 TPU、 寒武紀的NPU、地平線的 BPU、Movidius 的VPU等都屬于 ASIC芯片。

▲AI專用芯片研發(fā)情況一覽

隨著機器學習（ML）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡和機器視覺在AI領域的不斷發(fā)展，AI加速器對CPU的補充能夠處理海量數(shù)據(jù)，滿足目標檢測、人臉識別、語音助手等AI應用對高算力的需求，異構計算變得愈發(fā)重要。

CPU更擅長邏輯控制，算力較弱；相比之下，GPU計算單元（ALU）占比較大，算力遠大于CPU；NPU是嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡處理器，擁有更強算力和更低功耗，當前各類AI算法主要利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡等算法模擬人類神經(jīng)元和突觸，作為AISoC中處理AI算法的核心，NPU應用于智能識別、預測規(guī)劃、智能控制等功能領域。

▲AI加速器對CPU的補充提高了芯片算力水平

1、汽車：汽車平臺未來需要高算力

汽車半導體涵蓋了汽車芯片、功率器件、傳感器等重要電子零部件。汽車的計算芯片包括傳統(tǒng)的MCU芯片和SoC芯片。MCU芯片一般包含CPU一個處理器單元；而汽車SoC一般包含多個處理單元。

ECU（Electronic Control Unit）即電子控制單元，隨著汽車市場規(guī)模的逐漸擴大，ECU需求迅速上升，帶動MCU芯片需求持續(xù)增加。需求的推動加上芯片產(chǎn)能不足導致近期汽車MCU芯片供不應求。

隨著汽車算法算力和交互效率的不斷提升，汽車電子不斷發(fā)展，倒逼MCU芯片升級為SoC芯以承載大量非結(jié)構化算力需求。汽車SoC一般應用于高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)、自動駕駛兩大領域。

▲汽車 SoC在ADAS的應用

在傳統(tǒng)汽車分布式E/E架構（汽車電子電氣架構）下，ECU相互孤立，車載功能的升級依賴ECU數(shù)量的增加。隨著汽車電子智能化、自動化的發(fā)展，ECU在算法算力、數(shù)量、總線長、軟件開發(fā)模式、生產(chǎn)成本等方面受到阻礙。

隨著計算芯片的算力需求大幅提升，汽車E/E架構向集中化趨勢發(fā)展，也對芯片提出了更高要求。特斯拉Model3中央集成化的發(fā)展將多個ECU功能整合在一起，逐步實現(xiàn)一臺嵌入式高性能計算機統(tǒng)一控制多項功能。在新架構下，不同ECU對應的算法可實現(xiàn)整合，開發(fā)流程和成本可大幅縮短，高算力需求向中央集成化的“車-云計算”方向發(fā)展演變，快速反映仍需要分布式架構輔助。

智能汽車、車聯(lián)網(wǎng)、無人駕駛等創(chuàng)新技術不斷發(fā)展的背景下，我國汽車電子的市場規(guī)模及發(fā)展前景巨大。全球汽車電子市場規(guī)模2017-2022 CAGR為8%，到2022年將達到21399億元規(guī)模；中國汽車電子市場規(guī)模2017-2022 CAGR為12.6%，到2022年將達到9783億元規(guī)模，中國增速高于全球。

▲2019年全球汽車電子競爭格局

汽車電子逐漸向自動化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，拉動汽車SOC市場需求。隨著汽車座艙技術不斷進步，汽車電子人機交互、一芯多屏和平臺化發(fā)展成為重要技術趨勢。交互系統(tǒng)、操作系統(tǒng)及車載娛樂是汽車SoC的核心組成。

自動駕駛領域，車載AI芯片快速發(fā)展，算力、功耗、生態(tài)等成為各廠商競爭車載AI領域的核心競爭力。NIVIDA具備完善的軟件工具和應用生態(tài)，深入布局AI SoC；Mobileye（英特爾收購）憑借一體式解決方案和自動駕駛平臺在AI領域占有一定份額；國內(nèi)企業(yè)如地平線、黑芝麻、華為等發(fā)展迅猛，形成了自身的核心競爭力，有望逐步實現(xiàn)國產(chǎn)替代。

▲車載AI SoC

2、智能手機：智能手機是SoC最大的終端應用市場

智能手機是SoC最大的應用市場。智能手機CPU都基于Arm架構，通常以八核、六核的配置出現(xiàn)，其中大核具有強大性能，滿足多種應用程序運行需求，小核則平衡發(fā)熱和耗電問題。目前，最常用的智能手機CPU有蘋果A系，驍龍系列，三星獵戶座，華為海思麒麟，聯(lián)發(fā)科以及小米的澎湃系列等。

智能手機SoC在工藝節(jié)點發(fā)展上將不斷向4/5nm甚至3nm邁進。根據(jù)Counterpoint預測，到2025年全球60%的智能手機SoC將采用5nm及以下代工節(jié)點，N5節(jié)點將是代工廠路線圖上的長節(jié)點，這成為臺積電和三星擴產(chǎn)的驅(qū)動力之一。

主流5G智能手機的主要代工節(jié)點為6/7nm，聯(lián)發(fā)科、高通和蘋果為主要廠商。蘋果的A系列和M系列芯片在5nm節(jié)點產(chǎn)能份額上處于絕對領先地位。

根據(jù)Statista數(shù)據(jù)顯示，2009-2016年，全球智能手機總出貨量迅速增長，達到14.7億臺。此后2020年受疫情等多方面影響出貨量下降至12.8億部。隨著大數(shù)據(jù)、AI、IoT不斷發(fā)展，智能手機更新?lián)Q代有了新的需求。2020年是我國5G商用元年，根據(jù)Wind數(shù)據(jù)顯示，自2019 年第三季度推出第一款5G 智能手機以來，我國5G智能手機出貨量截止至2021Q1已累積達到24661.5萬部，5G手機的商用和普及成為智能手機市場的重要推動力。

智能手機中加入的專用AI模塊能夠在圖像處理、語音助手、電池管理等方面提供硬件加速支持。

華為和蘋果均搭載了嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡處理單元（NPU），專用于處理AI計算。華為最早在Mate10采用外掛的寒武紀NPU，后在990系列上采用自研的達芬奇NPU。蘋果從A11 SoC開始加入Neural engine，最新公布的A14 SoC中，NPU算力已有巨大提升，Neural engine結(jié)合CPU上的機器學習加速器能夠大大提高AI應用體驗。

▲智能手機SoC構成

3、平板、筆記本電腦：宅經(jīng)濟 疫情推動平板電腦需求，ARM為主流架構

2010年蘋果推出第一代ipad后，全球平板電腦市場快速增長。2015年開始，智能手機逐漸擠占平板電腦的份額，出貨量逐年下降；2020年，受疫情影響，居家辦公和學習再次推動平板電腦的需求。根據(jù)Wind數(shù)據(jù)顯示，2020年全球平板電腦出貨量1.641億臺，同比增長13.6%。

根據(jù)Business wire數(shù)據(jù)顯示，2020Q2，蘋果在平板電腦處理器市場占據(jù)領先地位，占比高達43%，隨后分別為英特爾（18%）和高通（15%）。全球平板電腦CPU主要采用ARM架構，僅有小部分追求高性能的Windows系統(tǒng)平板電腦采用英特爾X86架構。

未來筆記本將不斷向智能化、便攜化和專業(yè)化趨勢發(fā)展，隨著5G時代的到來和二合一、可折疊屏等新興技術的推進，筆記本電腦行業(yè)有望迎來新一輪的增長。根據(jù)Statista預測，筆記本電腦市場2018年出貨量為162.3百萬臺，2025年將達到272.4百萬臺，復合增長率為7.7%。2020Q3全球筆記本電腦市場出貨量前五名廠商分別為惠普、聯(lián)想、戴爾、Acer和華碩，其中惠普占據(jù)第一（26%）。

▲2018-2025年全球筆記本電腦出貨量（單位：百萬臺）

在Arm、高通、蘋果及微軟等廠商的推動下，基于Arm的SoC在筆記本電腦市場的空間進一步打開。蘋果于2020年11月推出的M1芯片是蘋果第一款基于ARM指令結(jié)構的筆記本/臺式電腦SoC。M1SoC的中央處理器有四個高性能核心和四個低功耗核心，極大程度優(yōu)化了能效比，并采用蘋果16 核NPU，能大幅提升ML應用的處理和計算速度。微軟2019年10月發(fā)布的Surface Pro X筆記本首次搭載ARM架構高通定制版 Microsoft SQ 1 處理器。ARM架構能夠進一步滿足筆記本輕薄、高續(xù)航等方面需求，優(yōu)化手機、電腦的協(xié)同性，將是筆記本SoC未來發(fā)展的重要趨勢。

4、服務器：服務器市場規(guī)模呈上升趨勢

近年來，IoT、5G、大數(shù)據(jù)的發(fā)展推動了服務器市場規(guī)模的增長。根據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示，2010-2020年全球服務器市場規(guī)?？傮w呈增長態(tài)勢，雖然2019年受全球貿(mào)易摩擦的影響市場規(guī)模呈現(xiàn)小幅下降，但2020年市場規(guī)模保持穩(wěn)步上升，達到910.2億美元。

2020Q3，戴爾以16.65%占據(jù)服務器廠商最大的市場份額，隨后分別為惠普（15.94%）、浪潮（9.37%）、聯(lián)想（5.88%）和華為（4.87%）。隨著我國新基建的發(fā)展和對國產(chǎn)服務器的部署，中國廠商市場份額有望進一步提升。

▲2010-2020年全球服務器市場規(guī)模（單位：億美元）

▲2020Q3全球服務器廠商市場份額

服務器根據(jù)體系結(jié)構可分成IA架構服務器和RISC架構服務器。IA架構采用CISC指令集架構，RISC主要為ARM架構，其他MIPS、ALPHA、POWER等架構在服務器市場生態(tài)系統(tǒng)較孱弱。在后摩爾時代，AI、5G、大數(shù)據(jù)增加了云端計算的需求，X86架構的優(yōu)勢逐漸減少，ARM架構的熱潮逐漸興起。

X86服務器主流微架構包括英特爾的Sky Lake、Cascade Lake、Cooper Lake、Ice Lake，ARM服務器微架構主要包括Neoverse N1、Neoverse V1（Zeus）。

▲服務器體系結(jié)構分類

根據(jù)ITCandor數(shù)據(jù)，2019年H1全球X86架構仍是服務器處理器架構的主流，占比為87.1%。其中，英特爾占據(jù)X86架構絕大部分市場份額，但隨著AMD服務器處理器EPYC的銷量逐漸擴大，AMD的市場份額有望繼續(xù)上升。

近年來，Arm架構服務器SoC迅速崛起：Ampere基于ARM v8.2架構的Altra和AltraMax；亞馬遜基于Arm Neoverse的64核Graviton2比第一代基于X86架構的服務器芯片性能提升40%；華為應用于泰山服務器的64核鯤鵬920處理器能效比超出同類產(chǎn)品30%；天津飛騰的S2500、FT-2000 /64、 FT-1500A/16等產(chǎn)品 。

5、AIoT：AI IoT成為大勢所趨，新應用領域不斷拓展

AIoT在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上加入AI技術，近年來發(fā)展速度迅猛。物聯(lián)設備快速增長，全球智能硬件廠商爭相布局，根據(jù)Transforma Insights數(shù)據(jù)，2030年全球物聯(lián)設備將超過254億臺。根據(jù)艾瑞咨詢數(shù)據(jù)，2018年中國AIoT市場規(guī)模達2590億元，2022年AIoT業(yè)務將超過7500億元。

在AIoT智能硬件端，MCU和SoC為主控芯片。其中，AIoTSoC通常集成多個AI模塊，能夠處理音視頻等數(shù)據(jù)，和MCU相比能夠更好地滿足AI對高算力、低功耗的需求，提升物聯(lián)設備交互體驗和智能化水平，已占據(jù)智能終端芯片市場的主導地位。智能音視頻、智能家居、智能安防及商辦等AIoT應用將成為SoC重要的增量市場。

▲2019-2030年全球物聯(lián)設備數(shù)量（單位：百萬臺）

AIoT技術的成熟催生了智能家電的需求和市場規(guī)模的進一步增長。根據(jù)Statista數(shù)據(jù)顯示，2017年全球智能家居市場收入為38794.42百萬美元，2025年將達到182442.72百萬美元。2020年全球智能家居滲透率僅為10.62%，到2025年這一比例將達到21.09%。

▲2017-2025年全球智能家居市場收入（單位：百萬美元）

智能音箱是智能家居核心接入口，集成了AI處理功能，具有語音交互功能。根據(jù)Statista預測2021年全球智能音箱出貨量將達到152.5百萬臺。洛圖科技數(shù)據(jù)表明，2019年我國智能音箱家庭普及率僅為13%，和西方國家相比有巨大上升空間，隨著智能家居不斷發(fā)展，智能音箱市場有望迎來新的增長點。智能音箱多采用SoC主控芯片，集成音頻、視頻相關IP，實現(xiàn)語音算法等AI功能。

根據(jù)IDC數(shù)據(jù)顯示，2020年我國帶屏智能音箱銷量占比35.5%，同比增長了31%。帶屏音箱將朝AI智能交互方向不斷發(fā)展，為用戶提供了語音交互、人臉識別、手勢控制能功能，未來帶屏音箱市場有望繼續(xù)增長，對主控SoC的性能和集成度提出更高要求。

掃地機器人融合了處理器芯片、SLAM算法（同步定位與地圖構建）、傳感器及激光雷達等技術，產(chǎn)品技術迭代較快，未來新購需求強勁。根據(jù)LoupVentures，IFR數(shù)據(jù)顯示，2015年全球掃地機器人銷售收入僅為0.81億美元，2025年銷售收入將達4.98億美元，復合增長率達20%。在我國，掃地機器人市場集中度高，CR3高達72.5%。在芯片端，瑞芯微（RK3326、RK1808、RK3308、RV1108 SoC）、全志科技（R系列SoC）為主要掃地機器人SoC廠商。

▲2015-2025年全球掃地機器人銷售收入（單位：億美元）

根據(jù)Statista預測，2017年全球智能家用安防市場收入為5770百萬美元，2020年達到12095百萬美元，收入在2025年將上升至27857百萬美元，2017-2025年復合增長率為21.75%。

2025年全球智能家用安防活躍用戶數(shù)將達從2017年的39.4百萬上升至293.3百萬，復合增長率為28.52%。2017年全球智能家用安防滲透率僅為2%，2025年將上升至12.9%。

▲2017-2025年全球智能家用安防收入（單位：百萬美元）

智能家用安防市場包括智能攝像頭、智能門鎖和可視門鈴。我國智能家用安防市場仍處于起步和快速發(fā)展階段，隨著5G、AI、WIFI-6技術的普及和產(chǎn)品成本進一步降低，該市場應用將加速落地，拉動硬件層面嵌入式SoC芯片的需求和發(fā)展。根據(jù)艾瑞咨詢數(shù)據(jù)顯示，2019年我國智能攝像頭、智能門鎖、可視門鈴產(chǎn)品銷量分別為4881、1159.9、161.1萬臺，2022年將分別達到8923、2202.8、515.7萬臺，智能家用安防市場規(guī)模將從2016年的156.5億元增長到2022年392.9億元。

隨著智慧城市建設的不斷推進，智能商顯市場近年來快速發(fā)展。根據(jù)TCL數(shù)據(jù)顯示，2009年中國商顯市場規(guī)模為13億元，2019年達到92.1億元，復合增長率達21.6%。

商業(yè)顯示作為人機交互的重要切入口，廣泛應用于娛樂、教育、交通、工業(yè)、商辦等場景，為SoC重要的增量市場。隨著商顯智能化發(fā)展，智能監(jiān)控、人臉識別等AI功能愈發(fā)重要，主控SoC需要集成AI處理模塊。我國主要商顯SoC廠商瑞芯微推出了RK3399、RK3288、RK3188、RK3128 SoC，可應用于大型售貨機、快遞柜、數(shù)字標牌、會議一體機等中高端設備；全志科技也陸續(xù)推出A20、A64、A83T等主控SoC，為商顯行業(yè)行業(yè)提供全方位芯片解決方案。

6、商用安防：正朝數(shù)字化、高清化和智能化方向發(fā)展

視頻監(jiān)控是安防行業(yè)最重要的業(yè)務之一。視頻監(jiān)控系統(tǒng)分為模擬監(jiān)控系統(tǒng)分為模擬監(jiān)控和網(wǎng)絡監(jiān)控，其對應的前端芯片分別為ISP芯片、IPC SoC芯片，后端芯片分別為DVR SoC芯片、NVR SoC芯片。前端設備負責采集圖像、語音等視頻信號，傳輸?shù)奖O(jiān)控系統(tǒng)中；后端設備負責控制視頻信號的顯示切換、對終端設備輸出顯示，以及存儲。

在計算機技術、編碼壓縮技術、IC工藝、網(wǎng)絡傳輸技術等信息與視頻監(jiān)控不斷發(fā)展的背景下，安防視頻監(jiān)控行業(yè)正朝數(shù)字化、高清化和智能化方向發(fā)展。

ISP芯片是視頻監(jiān)控攝像機的重要處理模塊，ISP芯片包含了CFA 插值、白平衡校正、伽瑪校正、3D 降噪、邊緣增強、偽彩色抑制、寬動態(tài)處理等功能模塊，其作用是采集前端原始圖像信號，并進行圖像復原和增強處理，再將圖像在后端DVR壓縮和存儲。DVR SoC芯片可將處理過的音視頻數(shù)據(jù)進行檢索回放。

IPC SoC是視頻網(wǎng)絡監(jiān)控攝像機的核心，通常包含CPU、ISP、視頻編碼模塊等，經(jīng)采集過的視頻原始數(shù)據(jù)經(jīng)過ISP模塊處理后，進行壓縮并傳輸?shù)胶蠖薔VR進行處理和存儲。隨著智能安防不斷發(fā)展，IPC SoC將集成AI模塊以實現(xiàn)人臉識別、智能偵測等智能應用。

IoT、AI、云計算和大數(shù)據(jù)在安防行業(yè)加速滲透，大量數(shù)據(jù)得到結(jié)構化的處理，經(jīng)過智能分析后呈現(xiàn)給用戶，“云邊端”的智能安防體系不斷完善。此外，傳統(tǒng)監(jiān)控很大程度依靠云端分析和處理數(shù)據(jù)，造成很大的數(shù)據(jù)傳輸和云端運輸、存儲壓力。越來越多的IPC廠商將視頻分析技術集成至前端，利用AI技術實現(xiàn)分布式智能監(jiān)控、分析、處理和功能應用。

目前，傳統(tǒng)視頻解碼芯片廠商海思、安霸、NVIDIA和Movidius（Intel旗下）已推出多款安防AI芯片，國內(nèi)其他企業(yè)包括富瀚微、北京君正、立訊微、國科微、瑞芯微、地平線等超過20家企業(yè)也正加速布局該領域。

▲“云邊端”的智能安防體系

IoT、AI、云計算和大數(shù)據(jù)在安防行業(yè)加速滲透，大量數(shù)據(jù)得到結(jié)構化的處理，經(jīng)過智能分析后呈現(xiàn)給用戶，“云邊端”的智能安防體系不斷完善。此外，傳統(tǒng)監(jiān)控很大程度依靠云端分析和處理數(shù)據(jù)，造成很大的數(shù)據(jù)傳輸和云端運輸、存儲壓力。越來越多的IPC廠商將視頻分析技術集成至前端，利用AI技術實現(xiàn)分布式智能監(jiān)控、分析、處理和功能應用。

目前，傳統(tǒng)視頻解碼芯片廠商海思、安霸、NVIDIA和Movidius（Intel旗下）已推出多款安防AI芯片，國內(nèi)其他企業(yè)包括富瀚微、北京君正、立訊微、國科微、瑞芯微、地平線等超過20家企業(yè)也正加速布局該領域。

7、VR/AR：市場有望迎來新一輪增長

5G、AI、超高清視頻、云計算的高速發(fā)展提升了VR/AR設備的體驗感，隨著娛樂、醫(yī)療、教育培訓等應用需求不斷增長，VR/AR產(chǎn)業(yè)有望迎來新一輪增長。根據(jù)BCG、 MordorIntelligence數(shù)據(jù)顯示，2020年VR/AR產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模為307億美元，2024年將達到2969億美元。VR/AR產(chǎn)品需要高集成化半導體元件支持，有望推動主控SoC發(fā)展。

VR產(chǎn)業(yè)廣泛應用于To B、To C端，F(xiàn)acebook為主要廠商，其產(chǎn)品Oculus Quest 2實現(xiàn)了VR一體機和分體機市場的統(tǒng)一。AR產(chǎn)業(yè)發(fā)展較為緩慢，To B端涉及工業(yè)、醫(yī)療、安防、教育等領域，谷歌和微軟為主要廠商。

隨著AR辦公、AR購物、VR直播等場景興起，硬件方面Facebook、谷歌、蘋果、三星等廠商紛紛推出應用產(chǎn)品及平臺，5G時代的到來更是對AR/VR芯片算法、顯示和通訊等模塊提出了更高要求，全球各大芯片廠商積極布局AR/VR領域。高通2012年收購AR公司Blippar，2014年推出AR引擎Vuforia，2016年推出VR頭顯一體機VR820，在芯片端，高通一家獨大，2018-2020年陸續(xù)推出針對AR/VR應用的驍龍XR1平臺和XR2 5G平臺，占據(jù)大部分市場份額。國內(nèi)廠商全志科技、炬芯、瑞芯微等均推出了用于AR/VR領域的SoC處理器。

芯東西認為，SoC在追求高性能和低功耗的智能手機、平板電腦等芯片領域已占據(jù)主導地位，在自動駕駛、AIoT等領域也已得到應用， 隨著AIoT、5G的不斷發(fā)展，未來還將向更為廣闊的應用領域擴展。