什么是手机SoC芯片？
现如今这个机不离手的时代，一个手机处理器离你的手心只有0.5公分。虽然你看不到它，但是看完这篇文章，你就会了解它实际是这个世界上最复杂也是最懂你的芯片。
手机SoC(System on Chip，片上系统，系统级芯片)芯片也称手机主芯片，是智能手机的核心，在手机的性能和功率管理方面起着至关重要的作用，也是最复杂的芯片之一。SoC芯片一般指集成了微处理器、模拟IP核（知识产权核）、数字IP核和存储器(或片外存储控制接口)的芯片，这种方法的出现首次出现大概在30年前。
1994年，摩托罗拉发布了用来设计基于68000和PowerPC定制微处理器的FlexCore系统，1995年LSI Logic为索尼(Sony)的PlayStation设计的CPU(集成了一个32位RISC微处理器，JPEG视频解码器和3D图形引擎)，是第一代基于SiP核完成SoC设计的最早产品。高性能的SoC可以更好地处理图形和视频，提供更好的游戏体验，同时还可以更好地管理多任务处理。一个SoC芯片由设计厂商自主设计的电路和多个外购IP核组成。IP核复用即向IP厂商购买已有的IP核，并进行布局、连接、检查和验证，使得新款SoC的设计更有效率。
SoC产业链上游可分为IP核和相关EDA工具；IP知识产权核主要公司有 ARM、Synopsys、Cadence等， EDA工具的核心企业有Cadence、Synopsys 和Mentor Graphics。SoC芯片在下游应用领域广泛，消费电子和智能物联是SoC芯片需求的两大领域。
五大芯片厂商主宰的手机SoC芯片市场
TechInsights 研究报告指出，2022 年全球智能手机应用处理器市场收益增长 12%达到 342 亿美元。高通、苹果、联发科、三星 LSI 和紫光展锐在 2022 年智能手机应用处理器市场的收入份额排名前五。
手机SoC芯片按手机阵营主要可以划分为苹果系和安卓系两大类，苹果系即iPhone自研的A系列SoC，安卓系则包括了高通、华为海思、联发科、三星、展讯等多家芯片厂商。目前中高端的市场玩家只包括苹果、高通、联发科。据Counterpoint Research，以出货量来看，2023 年第 3 季度联发科以 33% 的份额主导了智能手机 SoC 市场,其次为高通(28%)、苹果(18%)；以营收规模看，2023 年第 3 季度排名第一的是高通，占比为40%；排名第二的是苹果，占比为31%，排名第三的是联发科，占比为15%；排名第四的是三星，占比为7%；排名第五位的是华为海思，占比为3%。
高通：高通是通信起家的巨头。在2007年年初苹果发布了元祖iPhone后的一年，2008年HTC推出全球首款安卓手机T-Mobile G1采用了高通的MSM720 处理器，成为第一个站在苹果iOS系统对面的安卓挑战者，也成就高通成为安卓阵营的SoC王者。高通紧接着发布其第一代手机骁龙SoC芯片，在此之后高通几乎每年的新SoC，都会带着新的制程、新的CPU、GPU和调制解调器亮相，而几乎所有安卓旗舰手机均出现过高通骁龙SoC的身影。骁龙手机处理器现有四个系列：200系列、400系列、600系列、800系列，骁龙处理器平台也扩展至电脑、汽车等多个下游。
联发科：联发科最早以中低端的高性价比SoC芯片抢占市场份额，2009年联发科依靠深圳华强北三卡三待的山寨机超过高通，一度成为全球第一大手机芯片厂商。近年来积极打入中高端SoC市场，2023年联发科在冲刺高端SoC芯片市场方面表现积极，旗下天玑9000系列得到了不错的市场评价，天玑9000和8000系列拥有领先业界绝佳的性能比，尤其在功耗方面更是超越高通，23年最新推出的天玑9300芯片评分表现好于高通的Gen3芯片。
苹果：苹果最早采用的是英特尔的SoC手机芯片，自2010年起开始全面研发自有的SoC芯片架构。2011年，苹果发布了iPhone 4S，搭载的A5芯片为苹果自行设计，45nm制程，集成双核Cortex-A9 CPU、PowerVR SGX 543+ GPU。目前A系列自研手机SoC芯片已升级到A17 Pro，搭载于23年9月发布的iPhone 15 Pro和iPhone 15 Pro Max。
三星：2007年，乔布斯发布了第一代iPhone，它的3.5英寸全触控屏幕、金属机身以及iPhone OS真正推开了智能手机时代的大门，这款iPhone 3G用的是三星的SoC处理器S5L8900。苹果点燃了三星做处理器之火，使其推出的Exynos系列成为智能手机SoC最重要的玩家之一。
华为海思：华为海思是华为旗下的半导体设计公司，目前高通、联发科和苹果掌握了绝大部分的高端SoC芯片市场份额，而华为海思此前是国内唯一能够在处理器和基带芯片打破高通垄断的潜在厂商(2020年三季度海思SoC市场份额为12%)。麒麟芯片是华为旗下海思半导体公司自主研发的系列芯片之一，2014年华为第一款手机Soc芯片麒麟910面世，2019年推出全球首款旗舰5G SoC麒麟990搭载于高端旗舰机型荣耀V30 Pro、华为Mate 40/40 Pro等。由于2018年中美贸易摩擦爆发，2020年后华为海思因为美国制裁逐渐退出5G市场。
紫光展锐：紫光展锐是国内第二梯队的SoC厂商，前身为致力于无线通信和多媒体终端核心芯片的展讯。紫光展锐目前是4G市场唯一和联发科竞争的国内厂商，在5G市场也积极布局，近年通过赢得中兴和传音的设计并进入三星 Galaxy A 系列，扩大了其在低端市场的客户群和市场份额。
手机出货量和IP核研发的放缓，以及先进制程的高要求，曾让SoC芯片陷入停滞
时至今日，手机SOC芯片已经到了5nm，也面临着三大问题，设计复杂，成本增加，功耗难以控制。SoC芯片的发展也一度陷入发展停滞，主要有以下原因：
1)智能手机出货量的放缓。根据Canalys数据，2022年全球智能手机出货量不足12亿部创10年新低，年同比下降12%。智能手机出货放缓的原因，一方面是经济衰退需求放缓影响消费电子市场低迷，另一方面则是新款手机的性能不再足够亮眼，消费者不愿意买单，换机周期也相应延长。智能手机出货的放缓一定程度影响了SoC的更新迭代速度，部分中低端SoC受需求影响放缓升级迭代速度。
2）Arm厂商的IP核研发速度放缓。由于大部分手机芯片厂商的核心都在使用Arm的模块，手机SoC的主要核心性能与Arm的IP核研发速度相关性越来越强。因为Arm的小核A53升级到A55以后已经多年没有更新了，23年才推出最新处理器架构Armv9；大核A72、A73、A75、A76、A77、A78也在缓慢更新，性能缓慢提高，导致手机SoC很难见到惊人的性能提升，直到2021年的骁龙888首发Cortex-X1、Cortex-A78、Cortex-A55，智能手机SoC才算是重新迎来了“超大核”。
在这样的情况下，手机SoC芯片公司有的选择在周边IP模块上尝试差异化，例如高通的Snapdragon SoC采用了自家的Quick Charge快充技术，而联发科的Dimensity SoC则采用了自家的5G UltraSave技术，这些优化方案也会影响到整个SoC的性能表现。高通的Snapdragon SoC采用的是X系列调制解调器，而联发科的Dimensity SoC则采用的是5G调制解调器，这些调制解调器的性能差异也会影响到手机的通讯信号表现。
3）先进制程的进步越来越难，且成本越来越高。随着先进制程的进步越来越难，过去从7nm转向5nm带来的性能和能效明显提升的效应正在边际减弱。虽然苹果于2022年推出的A16处理器使用了台积电的4nm制程，但台积电的4nm其实也是基于5nm平台的变体，关键工艺尺寸与台积电早期的5nm制程产品完全相同；23年推出的A17 Pro虽然采用了更先进3nm制程但带来的性能和能效并不明显。23年高通和联发科推出的最新的SoC均采用4nm制程而没有采用最新的3nm制程，也是由于3nm制程成本较高。
高算力和CPU“全大核化“将主导 SoC芯片的发展方向
SoC的发展是性能、算力、功耗、工艺难度几方面的平衡。SoC芯片厂商也朝着以下方向改善：
1）实现高算力。当前AI成为各大SoC厂商的必争之地，同时对算法提出更高要求，在功耗受限的场景下实现AI算法成为关键，算力效率极为重要。未来应用于手机、平板、服务器等高端SoC将继续朝高性能发展。2023年，边缘AI浪潮下各大科技巨头正在加速边缘侧AI布局，高通于23年10月推出推出全新旗舰移动平台——第三代骁龙8，集终端侧智能、顶级性能和能效于一体，支持终端侧运行100亿参数的模型，面向70亿参数大语言模型每秒生成高达20个token，用时不到一秒就可以在终端侧通过Stable Diffusion生成图片。联发科也于23年11月推出生成式AI SoC天玑9300，搭载全新第七代APU 790的AI性能引擎，可以支持终端运行10亿、70亿、130亿、至高330亿参数的AI大语言模型， 1秒内就能文生词、文生图。
2)CPU“全大核”化：早期大部分手机均采用单核心的ARM架构且主频不高，为了满足智能手机日益增长的性能需求，智能手机SoC厂商在早期的工作方向之一就是推动手机芯片CPU的频率提升，后来随着单芯片可集成的晶体管数量越来越多，则是推动多核CPU的发展为主。CPU内核都具有相同的内核，能够处理相同的指令并达到相同的时钟速度，其所有任务也都在这些核心之间处理和分配。过去的智能手机CPU其实并没有大小核概念，但因为智能手机CPU的性能不断提升，核心数越来越多，手机的发热和耗电也在显著增加，再这样下去就无法承受，为了同时满足CPU高性能和低功耗的要求，手机CPU厂商就开始尝试设计大小核并各自分工。
大小核设计早在2014年出现，业内喜欢称为“Big.Little”架构，这是ARM平台上首创的一种异构CPU设计，通过对CPU大小核资源的合理调用来使高性能与低功耗兼得，并且这样的设计也的确在一定程度上提升了手机的续航能力。2019年随着高通发布骁龙855，手机SoC迎来了如今广为接受的“1+3+4”超大核+大核+小核的CPU组合。过去十年里，高通、联发科等智能手机芯片厂商从一开始的“大小核”发展到近年来的“大中小核”设计，如联发科的前一代旗舰芯片天玑9200采用了“1+3+4”的八核设计。
随着终端对芯片性能更强的需求，且由于芯片上节能的小核在功耗表现上没有比大核好多少，促使手机厂商拥抱CPU“全大核”时代，以实现远超现有“大中小”CPU架构的性能水准，从而可以大幅拉开新款旗舰机型与现有产品的性能差距。联发科于23年10月推出的“全大核”天玑9300芯片采用了4 个最高频率可达 3.25GHz的Cortex-X4 超大核，以及 4 个主频为 2.0GHz 的 Cortex-A720 大核设计，峰值性能相较上一代提升 40%，功耗同比节省了33%。
科技创新赋能，把握投资机遇
手机SoC引领着手机的发展，作为手机的大脑在不断超高性能进化，成为人类最亲密的助手。苹果、三星、高通、华为、联发科等每年发布的芯片时刻都是芯片设计业界一流高手对决。高手对决三个要素：快、勇、智。高手对决要快，平均12个月迭代一款百亿晶体管量级的芯片；高手对决要勇，手机SoC芯片需求催着制程的发展从7nm进化到5nm到3nm，复杂的集成度下要同时实现低功耗；高手对决要智，从单核到多核化再到去大核化，手机SoC技术升级路线从未完成。如何保持特色，在性能，功耗，体验上得到用户的认可，成为最懂用户的芯片仍是手机SoC厂商时刻要思考的方向。
投资层面而言，展望2024年，消费电子有望实现复苏，端侧AI也将成为各大半导体厂商的布局重点，建议关注行业内或者产业链上具备强竞争力的标的，以及市场份额大的龙头企业，如高通、联发科等 。