数字芯片之系统级芯片SoC

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文章首发于公众号：价值盐选
上回我们分析应用处理器 APU 时提到，应用处理器其实是一种 SoC 芯片，那这个 SoC 芯片是个什么芯片呢？这还得从 CPU 开始说起。
01SoC 符合后摩尔时代需求
我们知道，CPU 就是电子产品里的处理器，随着互联网进入移动互联时代，市场对移动处理器的需求开始超过传统桌面处理器。
相比于台式处理器，移动处理器要满足笔记本与智能手机越来越薄的便携需求，还要满足越来越高的续航要求，因此移动处理器以低热量、低耗电为特点，对能源效率的要求也越来越高。
这需要移动处理器具备桌面处理器不具备的电源管理技术，使用更高的微米精度，工艺制作上要比同时代的 PC 更先进。
然而，随着制程工艺逼近物理极限，延续了半个世纪的摩尔定律开始失灵，过去一块钱能买到的芯片性能，每隔 18–24 个月就会翻一倍，现在 CPU 的性能每年只能提升 10%左右。
而用户对移动设备的性能需求却依然在提高，单纯依靠 CPU 这样的通用处理器来处理这些信息的效率却非常低，因为 CPU 是为顺序计算而设计的处理器，一旦被占用，其他处理请求只能等待。
因此系统级芯片 SoC 应运而生，就是把多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的产品，是智能设备的“大脑”。



02SoC 芯片配置更灵活
不同于同种芯片单纯叠加，SoC 在性能和功耗上优势明显，能够满足移动处理器多样化计算需求。各种芯片组合使用也能大大提升移动设备各项功能的响应速度。
比如一个 SoC 处理器可能内置各种芯片，有加速 3D 的 GPU，处理照片的 ISP，处理通信的基带芯片，处理视频音频的编解码器，外设接口控制器，加速向量计算的 DSP 以及各类高速模拟接口等功能模块。
在 SoC 外部连接上，一般有闪存接口、动态存储器接口、显示接口、网络接口以及各种高速、低速外部设备接口。
SoC 还可以根据不同产品和应用的需要进行差异化设计，比如人工智能视觉处理器，就增加了人工智能运算核心，即神经网络处理器(NPU)，突出图像处理和视频编码能力。
针对智能语音的处理器，除了内置满足智能语音运算的 CPU 或数字信号处理器（DSP），还增加了丰富的音频接口，可以实现麦克风阵列的语音信号处理和语音识别、智能控制等功能。
此外，不同类型的 SoC 有不同的应用场景。
围绕微控制器（MCU）构建的系统级芯片一般用于计算性能要求不高的消费电子、家电和 IoT 产品。
基于微处理器（MPU）的 SoC 在性能和功能方面相对较高，比如手机的应用处理器。
还有一种可以编程的 SoC（PSoC），其部分功能可以灵活编程，就像 FPGA 一样。针对某些特定应用领域而定制开发的 SoC 就更复杂了。



但是，SoC 只是通过芯片之间分工协作来提高的效率，相当于将所有信号分门别类，每个芯片处理自己分内的任务，以此来弥补单块芯片性能提高放缓的问题，实际上单块芯片的性能提升还是不如以前快的。
03SoC 设计存在壁垒
尽管原理很简单，但 SoC 设计难度是非常大的，需要有全面的设计能力。
由于 SoC 是超大规模系统级芯片，硬件规模庞大，设计通常基于 IP 设计模式，需要多种关键技术协同应用。设计的复杂性主要体现在芯片验证和测试难度提高，IP 复用、混合电路设计的难度也在加大。
SoC 构建于 CPU 之上，主要基于 ARM 架构开发，随着 ARM 类处理器在消费电子的市场份额扩大，SoC 的市场份额将保持增长。预计 2023 年，SoC 总体市场规模将达到 2070 亿美元。
但又一种新架构 RISC-V 也在崛起。国内外已有多家芯片企业投入大量资金研发 RISC-V 在 IoT 领域的应用。
SoC 软件比重也很大，需要进行软硬件协同设计。而且 SoC 的电路较为复杂，对研发设计、制造工艺以及软硬件协同开发技术的要求比较高。
SoC 芯片也对封装技术提出了新的要求，称为系统级封装 SiP。系统级封装相比原来的独立封装更节省空间，产品上市时间更快，同时封装质量更高，使得封装总成本减少，封装难度当然也更大。
04SoC 在物联网领域里的应用
随着互联网从移动互联发展到万物互联时代，SoC 也广泛渗透到物联网各领域当中。



物联网架构大体分为三层，感知层，网络层，应用层。主要是对物理世界的监测和连接，期望实现万物互联的自动化。
物联网产品多种多样，消费类物联网以各种智能家居产品和可穿戴设备为主，连接数量巨大，技术和场景高度碎片化，宅经济和疫情加速了智能家居及数字化的发展。还有安防、机顶盒也是物联网两个重要的应用市场。
传感技术和连接技术是物联网发展的前置条件，目前连接技术多样化且已经先后成熟。
随着云计算、边缘计算、AI 算法的大力发展，当 IoT 加入了 AI 的能力后，物联网的三个层次都有了大幅度的能力提升，最终实现智能化的万物互联，因此 SoC 在物联网领域的应用会持续发展下去。
虽然 AIoT 是个很大的市场，但这个市场高度碎片化，单靠一种芯片或一个芯片平台很难满足如此多细分的市场，公司产品矩阵化运作才是发展之道。



视频与音频是目前 SoC 两大核心应用方向，与视频相关的应用场景包括商业显示、安防、汽车电子、智慧家居、智慧零售等。与音频相关的应用场景包括可穿戴设备、智慧家居、汽车电子等。
视频占据互联网总流量的 90%，而视频中大部分都是监控内容，因此视频监控系统安全也成为物联网安全的重要组成部分。
随着视频像素越来越高，视频传输和存储的压力也越来越大，视频编解码技术越发重要，也推动了芯片往更先进制程迭代。
还有视频的智能处理技术，不仅需要更先进的芯片工艺来提高处理速度并降低功耗，还需要在智能分析算法方面具有很强的技术积累。
音频中的智能语音交互场景正变得越来越多，主要依赖于智能耳机和智能音箱大发展。
未来 AIoT 时代，智能终端都需要具备一定的边缘计算能力，不能都依赖云端，因此智能音频 SoC 芯片的应用范围将扩展到除耳机和音箱以外的其他智能终端设备中，说话就能控制的设备在增多。
音频 SoC 正在向更强的算力、更低的功耗、和更多的功能不断迈进，蓝牙连接技术的稳定性也在变得更强。
05SoC 下游应用
SoC 下游应用非常碎片化，很多之前分析 APU 的时候已经分析过了，对这个领域感兴趣的可以回看：数字芯片之应用处理器 APU。这里再简单说一说。
SoC 下游几个主要应用包括泛安防产品、智能电视、网络机顶盒、商业显示、TWS 耳机、智能手表、VR、智能家居等，每个领域增速各不相同。
安防正在从传统安防过渡到泛安防产品时代，2011 年到 2017 年复合增速 8.15%，其中 SoC 市场空间大概 100 亿元人民币。
智能电视已经进化到智慧屏时代，目前智能电视 SoC 中，联发科市占率第一，2020 年出货量占比达到 54%，第二名的晶晨股份出货量占比为 15%。
网络机顶盒也是智能家居的重要入口之一，目前国内电信运营商市场是机顶盒的主战场，智能电视与网络机顶盒 SoC 在 2020 年的市场规模预计为 123.3 亿元。
商业显示是一种公共环境中使用的新型智能终端，目前应用已经非常广泛，其中的 SoC 出货量由 2015 年的 0.98 亿片增长至 2019 年的 1.30 亿片，预计到 2024 年将增长至 1.42 亿片。
以上这几个市场相对成熟，增长也比较平稳，近几年保持着个位数增长，还有几个新兴市场正处于爆发阶段，增长迅猛。
比如 TWS 耳机，2020 年获得了井喷式增长，出货量达 2.33 亿副，相比 2019 年增长 78%，2021 年出货量大概能达到 3.1 亿副。其中 SoC 全球市场规模 21 年约为 50 亿元人民币。
智能手表目前以白牌为主，赛道正处于爆发前夕，增长潜力巨大，进入玩家众多，大部分消费者购买智能手表主要在于它的健康监测功能，而且功能在持续丰富。
VR 产业在 20 年迎来爆发式增长，出货量达到 670 万台，同比增长 72%。预计 21 年全球出货量达到约 800 万台,22 年 1480 万台。分为主打游戏和观影两种。



智能家居通过物联网技术将家中的各种设备连接到一起，并实现对多种设备的控制。目前正在从单品智能走向全屋智能，全球市场规模预计将从 2020 年的 783 亿美元增长到 2025 年的 1353 亿美元，复合年增长率为 11.6％。



06SoC 各领域主要公司
SoC 领域比较突出的上市公司有瑞芯微、晶晨股份、博通集成、北京君正、全志科技、恒玄科技、汇顶科技、乐鑫科技、国科微、富瀚微、中科蓝讯、星宸科技等。
其中很多在上一篇分析 APU 的文章里已经介绍得比较详细了，这次再补充一下其他几家公司。
1.博通集成
博通集成主要研发无线通讯集成电路，可分为无线数传和无线音频两种。主要用于蓝牙音箱、无线键盘鼠标、游戏手柄、无线话筒、车载 ETC 单元等终端，
作为国内领先的集成电路芯片设计公司，经过十多年的积累，公司目前已拥有完整的无线通讯产品平台。
并且为多个世界知名品牌在内的国内外客户提供低功耗高性能的无线射频收发器和集成微处理器的无线连接系统级 SoC 芯片，并为智能交通和物联网等多种应用场景提供完整的无线通讯解决方案。
2.恒玄科技
恒玄科技主营业务为智能音频 SoC 芯片的研发、设计与销售。
公司为客户提供 AIoT 场景下具有语音交互能力的边缘智能主控平台芯片，产品广泛应用于智能蓝牙耳机、Type-C 耳机、WiFi 智能音箱等低功耗智能音频终端产品。
公司的产品已经进入全球主要安卓手机厂商，同时也进入了众多专业音频厂商，并在阿里、百度、谷歌、安克创新等互联网及电商公司的智能音频产品中得到应用。
3.汇顶科技
汇顶科技原本是一家从事指纹识别模块的手机部件供应商，现在已经拥有生物识别、人机交互、语音及音频、IoT 四大产品线，全力布局智能终端、物联网和汽车电子三大业务。
公司的产品不仅广泛用于国内外主流手机厂商，还应用于别克、现代、日产等车企，以及谷歌、亚马逊等互联网巨头。
4.乐鑫科技
乐鑫科技是一家专业的物联网整体解决方案供应商，采用 Fabless 经营模式。除芯片硬件设计以外，公司还从事相关的编译器、工具链、操作系统、应用开发框架等一系列软硬件结合的技术开发，形成研发闭环。
公司产品主要围绕“处理”+“连接”领域展开。“处理”是以 MCU 为核心，包括 AI 计算，“连接”以无线通信为核心，目前已包括 Wi-Fi 和蓝牙技术。
目前公司产品已经广泛应用于智能家居、电工、照明、智能音箱、消费电子、移动支付等物联网领域。同时芯片产品正在向 AIoT 领域发展。
5.中科蓝讯
中科蓝讯主营业务为无线音频 SoC 芯片的研发、设计与销售，主要产品包括 TWS 蓝牙耳机芯片、非 TWS 蓝牙耳机芯片、蓝牙音箱芯片等。
公司的产品同样得到了众多知名手机品牌、音频厂商、电商及互联网客户的认可。未来公司会将产品拓展到智能耳机、智能可穿戴设备、智能家居等更多的智能终端设备中，目前公司正筹备在科创板上市。
6.星宸科技
星宸科技专注于视频监控芯片领域，产品覆盖 IP Cam、USBCam、NVR、DVR、车载电子、运动相机、智能家居等。
公司在 SoC 设计全流程中经验丰富，坚持主要 IP 自主研发，在图像信号处理(ISP)，音视频编解码等领域具有领先优势，并积极投入人工智能等新领域芯片研发。
公司在全高清行车记录仪细分市场、数字网络摄像机和网络录像机市场出货量稳居前列。在安防 IPC 及 NVR 芯片领域，到 2018 年公司出货量已经达到全球行业前三，覆盖安防、智能家居、门禁、视频会议等多个领域。
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