The Overview of Smartphone SoC Market

什么是手机SoC芯片?

現如今這個機不離手的時代,一個手機處理器離你的手心只有0.5公分。 雖然你看不到它,但是看完這篇文章,你就會瞭解它實際是這個世界上最複雜也是最懂你的晶元。

手機SoC(System on Chip,片上系統,系統級晶元)晶元也稱手機主晶片,是智能手機的核心,在手機的性能和功率管理方面起著至關重要的作用,也是最複雜的晶元之一。 SoC晶片一般指集成了微處理器、類比IP核(智慧財產權核)、數位IP核和記憶體(或片外存儲控制介面)的晶元,這種方法的出現首次出現大概在30年前。

1994年,摩托羅拉發佈了用來設計基於68000和PowerPC定製微處理器的FlexCore系統,1995年LSI Logic為索尼(Sony)的PlayStation設計的CPU(集成了一個32位RISC微處理器,JPEG視頻解碼器和3D圖形引擎),是第一代基於SiP核完成SoC設計的最早產品。 高性能的SoC可以更好地處理圖形和視頻,提供更好的遊戲體驗,同時還可以更好地管理多任務處理。 一個SoC晶元由設計廠商自主設計的電路和多個外購IP核組成。 IP核複用即向IP廠商購買已有的IP核,並進行佈局、連接、檢查和驗證,使得新款SoC的設計更有效率。

SoC產業鏈上游可分為IP核和相關EDA工具;IP智慧財產權核主要公司有ARM、Synopsys、Cadence等, EDA工具的核心企業有Cadence、Synopsys和Mentor Graphics。 SoC晶片在下游應用領域廣泛,消費電子和智慧物聯是SoC晶元需求的兩大領域。

五大芯片厂商主宰的手机SoC芯片市场

TechInsights 研究報告指出,2022 年全球智慧手機應用處理器市場收益增長 12%達到 342 億美元。 高通、蘋果、聯發科、三星 LSI 和紫光展銳在 2022 年智慧手機應用處理器市場的收入份額排名前五。

手機SoC晶元按手機陣營主要可以劃分為蘋果系和安卓系兩大類,蘋果系即iPhone自研的A系列SoC,安卓系則包括了高通、華為海思、聯發科、三星、展訊等多家晶元廠商。 目前中高端的市場玩家只包括蘋果、高通、聯發科。 據Counterpoint Research,以出貨量來看,2023 年第 3 季度聯發科以 33% 的份額主導了智能手機 SoC 市場,其次為高通(28%)、蘋果(18%);以營收規模看,2023 年第 3 季度排名第一的是高通,佔比為40%;排名第二的是蘋果,佔比為31%,排名第三的是聯發科,佔比為15%;排名第四的是三星,佔比為7%;排名第五位的是華為海思,佔比為3%。

高通:高通是通信起家的巨頭。 在2007年年初蘋果發佈了元祖iPhone后的一年,2008年HTC推出全球首款安卓手機T-Mobile G1採用了高通的MSM720 處理器,成為第一個站在蘋果iOS系統對面的安卓挑戰者,也成就高通成為安卓陣營的SoC王者。 高通緊接著發佈其第一代手機驍龍SoC晶元,在此之後高通幾乎每年的新SoC,都會帶著新的製程、新的CPU、GPU和調製解調器亮相,而幾乎所有安卓旗艦手機均出現過高通驍龍SoC的身影。 驍龍手機處理器現有四個系列:200系列、400系列、600系列、800系列,驍龍處理器平臺也擴展至電腦、汽車等多個下游。

聯發科:聯發科最早以中低端的高性價比SoC晶元搶佔市場份額,2009年聯發科依靠深圳華強北三卡三待的山寨機超過高通,一度成為全球第一大手機晶元廠商。 近年來積極打入中高端SoC市場,2023年聯發科在衝刺高端SoC晶元市場方面表現積極,旗下天璣9000系列得到了不錯的市場評價,天璣9000和8000系列擁有領先業界絕佳的性能比,尤其在功耗方面更是超越高通,23年最新推出的天璣9300晶元評分表現好於高通的Gen3晶元。

蘋果:蘋果最早採用的是英特爾的SoC手機晶片,自2010年起開始全面研發自有的SoC晶元架構。 2011年,蘋果發佈了iPhone 4S,搭載的A5晶元為蘋果自行設計,45nm製程,集成雙核Cortex-A9 CPU、PowerVR SGX 543+ GPU。 目前A系列自研手機SoC晶元已升級到A17 Pro,搭載於23年9月發佈的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max。

三星:2007年,賈伯斯發佈了第一代iPhone,它的3.5英寸全觸控螢幕、金屬機身以及iPhone OS真正推開了智慧手機時代的大門,這款iPhone 3G用的是三星的SoC處理器S5L8900。 蘋果點燃了三星做處理器之火,使其推出的Exynos系列成為智能手機SoC最重要的玩家之一。

華為海思:華為海思是華為旗下的半導體設計公司,目前高通、聯發科和蘋果掌握了絕大部分的高端SoC晶元市場份額,而華為海思此前是國內唯一能夠在處理器和基帶晶元打破高通壟斷的潛在廠商(2020年三季度海思SoC市場份額為12%)。 麒麟晶元是華為旗下海思半導體公司自主研發的系列晶元之一,2014年華為第一款手機Soc晶元麒麟910面世,2019年推出全球首款旗艦5G SoC麒麟990搭載於高端旗艦機型榮耀V30 Pro、華為Mate 40/40 Pro等。 由於2018年中美貿易摩擦爆發,2020年後華為海思因為美國制裁逐漸退出5G市場。

紫光展銳:紫光展銳是國內第二梯隊的SoC廠商,前身為致力於無線通信和多媒體終端核心晶元的展訊。 紫光展銳目前是4G市場唯一和聯發科競爭的國內廠商,在5G市場也積極佈局,近年通過贏得中興和傳音的設計並進入三星 Galaxy A 系列,擴大了其在低端市場的客戶群和市場份額。

手機出貨量和IP核研發的放緩,以及先進製程的高要求,曾讓SoC晶片陷入停滯

時至今日,手機SOC晶元已經到了5nm,也面臨著三大問題,設計複雜,成本增加,功耗難以控制。 SoC晶元的發展也一度陷入發展停滯,主要有以下原因:

1)智慧手機出貨量的放緩。 根據Canalys數據,2022年全球智慧手機出貨量不足12億部創10年新低,年同比下降12%。 智慧手機出貨放緩的原因,一方面是經濟衰退需求放緩影響消費電子市場低迷,另一方面則是新款手機的性能不再足夠亮眼,消費者不願意買單,換機週期也相應延長。 智慧手機出貨的放緩一定程度影響了SoC的更新反覆運算速度,部分中低端SoC受需求影響放緩升級反覆運算速度。

2)Arm廠商的IP核研發速度放緩。由於大部分手機晶元廠商的核心都在使用Arm的模組,手機SoC的主要核心性能與Arm的IP核研發速度相關性越來越強。 因為Arm的小核A53升級到A55以後已經多年沒有更新了,23年才推出最新處理器架構Armv9;大核A72、A73、A75、A76、A77、A78也在緩慢更新,性能緩慢提高,導致手機SoC很難見到驚人的性能提升,直到2021年的驍龍888首發Cortex-X1、Cortex-A78、Cortex-A55,智能手機SoC才算是重新迎來了“超大核”。

在這樣的情況下,手機SoC晶元公司有的選擇在周邊IP模組上嘗試差異化,例如高通的Snapdragon SoC採用了自家的Quick Charge快充技術,而聯發科的Dimensity SoC則採用了自家的5G UltraSave技術,這些優化方案也會影響到整個SoC的性能表現。 高通的Snapdragon SoC採用的是X系列數據機,而聯發科的Dimensity SoC則採用的是5G數據機,這些數據機,這些數據機的性能差異也會影響到手機的通訊信號表現。

3)先進製程的進步越來越難,且成本越來越高。 隨著先進製程的進步越來越難,過去從7nm轉向5nm帶來的性能和能效明顯提升的效應正在邊際減弱。 雖然蘋果於2022年推出的A16處理器使用了台積電的4nm製程,但台積電的4nm其實也是基於5nm平臺的變體,關鍵工藝尺寸與台積電早期的5nm製程產品完全相同;23年推出的A17 Pro雖然採用了更先進3nm製程但帶來的性能和能效並不明顯。 23年高通和聯發科推出的最新的SoC均採用4nm製程而沒有採用最新的3nm製程,也是由於3nm製程成本較高。

高算力和CPU“全大核化”將主導 SoC晶片的發展方向

SoC的發展是性能、算力、功耗、工藝難度幾方面的平衡。 SoC晶片廠商也朝著以下方向改善:

1)實現高算力。 當前AI成為各大SoC廠商的必爭之地,同時對演算法提出更高要求,在功耗受限的場景下實現AI演算法成為關鍵,算力效率極為重要。 未來應用於手機、平板、伺服器等高端SoC將繼續朝高性能發展。 2023年,邊緣AI浪潮下各大科技巨頭正在加速邊緣側AI佈局,高通於23年10月推出推出全新旗艦移動平臺——第三代驍龍8,集終端側智慧、頂級性能和能效於一體,支援終端側運行100億參數的模型,面向70億參數大語言模型每秒生成高達20個token,用時不到一秒就可以在終端側通過Stable Diffusion生成圖片。 聯發科也於23年11月推出生成式AI SoC天璣9300,搭載全新第七代APU 790的AI性能引擎,可以支援終端運行10億、70億、130億、至高330億參數的AI大語言模型, 1秒內就能文生詞、文生圖。

2) CPU“全大核”化:早期大部分手機均採用單核心的ARM架構且主頻不高為了滿足智能手機日益增長的性能需求,智能手機SoC廠商在早期的工作方向之一就是推動手機晶元CPU的頻率提升,後來隨著單晶元可集成的晶體管數量越來越多,則是推動多核CPU的發展為主。 CPU內核都具有相同的內核,能夠處理相同的指令並達到相同的時鐘速度,其所有任務也都在這些核心之間處理和分配。 過去的智能手機CPU其實並沒有大小核概念,但因為智慧手機CPU的性能不斷提升,核心數越來越多,手機的發熱和耗電也在顯著增加,再這樣下去就無法承受,為了同時滿足CPU高性能和低功耗的要求,手機CPU廠商就開始嘗試設計大小核並各自分工。

大小核設計早在2014年出現,業內喜歡稱為“Big.Little”架構,這是ARM平臺上首創的一種異構CPU設計,通過對CPU大小核資源的合理調用來使高性能與低功耗兼得,並且這樣的設計也的確在一定程度上提升了手機的續航能力。 2019年隨著高通發佈驍龍855,手機SoC迎來了如今廣為接受的“1+3+4”超大核+大核+小核的CPU組合。 過去十年裡,高通、聯發科等智慧手機晶元廠商從一開始的“大小核”發展到近年來的“大中小核”設計,如聯發科的前一代旗艦晶元天璣9200採用了“1+3+4”的八核設計。

隨著終端對晶元性能更強的需求,且由於晶元上節能的小核在功耗表現上沒有比大核好多少,促使手機廠商擁抱CPU“全大核”時代,以實現遠超現有“大中小”CPU架構的性能水準,從而可以大幅拉開新款旗艦機型與現有產品的性能差距。 聯發科於23年10月推出的「全大核」天璣9300晶元採用了4個最高頻率可達 3.25GHz的Cortex-X4 超大核,以及 4 個主頻為 2.0GHz 的 Cortex-A720 大核設計,峰值性能相較上一代提升 40%,功耗同比節省了33%。

科技創新賦能,把握投資機遇

手機SoC引領著手機的發展,作為手機的大腦在不斷超高性能進化,成為人類最親密的助手。 蘋果、三星、高通、華為、聯發科等每年發佈的晶元時刻都是晶元設計業界一流高手對決。 高手對決三個要素:快、勇、智。 高手對決要快,平均12個月反覆運算一款百億晶體管量級的晶元;高手對決要勇,手機SoC晶元需求催著製程的發展從7nm進化到5nm到3nm,複雜的集成度下要同時實現低功耗;高手對決要智,從單核到多核化再到去大核化,手機SoC技術升級路線從未完成。 如何保持特色,在性能,功耗,體驗上得到用戶的認可,成為最懂用戶的晶元仍是手機SoC廠商時刻要思考的方向。

投資層面而言,展望2024年,消費電子有望實現復甦,端側AI也將成為各大半導體廠商的布局重點,建議關注行業內或者產業鏈上具備強競爭力的標的,以及市場份額大的龍頭企業,如高通、聯發科等 。