SOC芯片架构技术分析（三）

SOC芯片架构技术分析（三）

3.1 汽车：汽车平台未来需要高算力

1）汽车半导体涵盖了汽车芯片、功率器件、传感器等重要电子零部件。汽车的计算芯片包括传统的MCU芯片和SoC芯片。 MCU芯片一般包含CPU一个处理器单元；而汽车SoC一般包含多个处理单元。

2）ECU（Electronic Control Unit）即电子控制单元，随着汽车市场规模的逐渐扩大，ECU需求迅速上升，带动MCU芯片需求 持续增加。需求的推动加上芯片产能不足导致近期汽车MCU芯片供不应求。

3）随着汽车算法算力和交互效率的不断提升，汽车电子不断发展，倒逼MCU芯片升级为SoC芯以承载大量非结构化算力需 求。汽车SoC一般应用于高级驾驶辅助系统(ADAS)、自动驾驶两大领域。

3.1 汽车：未来汽车E/E架构将向集中化趋势发展

1）在传统汽车分布式E/E架构（汽车电子电气架构）下，ECU相互孤立，车载功能的升级依赖ECU数量的增加。随着汽车电 子智能化、自动化的发展，ECU在算法算力、数量、总线长、软件开发模式、生产成本等方面受到阻碍。

2）随着计算芯片的算力需求大幅提升，汽车E/E架构向集中化趋势发展，也对芯片提出了更高要求。特斯拉Model3中央集 成化的发展将多个ECU功能整合在一起，逐步实现一台嵌入式高性能计算机统一控制多项功能。在新架构下，不同ECU对 应的算法可实现整合，开发流程和成本可大幅缩短，高算力需求向中央集成化的“车-云计算”方向发展演变，快速反映 仍需要分布式架构辅助。

3.1 汽车：未来汽车电子市场规模将持续扩大

1）自动驾驶技术、IoT的发展促使汽车电子渗透率不断提高。根据中国产业信息网数据，2020年汽车电子占整车比重将 达到50%，目前汽车电子在纯电动汽车中国占比最高（65%），随着未来新能源汽车的成熟和普及，汽车电子渗透率 有望继续提高。

2）智能汽车、车联网、无人驾驶等创新技术不断发展的背景下，我国汽车电子的市场规模及发展前景巨大。全球汽车 电子市场规模2017-2022 CAGR为8%，到2022年将达到21399亿元规模；中国汽车电子市场规模2017-2022 CAGR为 12.6%，到2022年将达到9783亿元规模，中国增速高于全球。

 3.1 汽车：汽车电子市场集中度高，国产替代潜力大

1）汽车电子产业链：上游为芯片厂商及电子元器件厂商；下游为整车厂(OEM)；中游为汽车电子生产和制造商。中游厂商 中，欧美日等发达国家汽车产业起步时间早，占据优势，市场集中度高，国内汽车电子发展潜力巨大。2018年，三巨头 博世、大陆、电装的市场份额占比最高，合计达51%，全球CR10为74%，竞争格局集中。

2）国产替代：智能座舱、自动驾驶领域的高级芯片SoC市场，是目前全球玩家争夺的终端，国内创业公司有望占领市场份 额。受益于无人驾驶技术，国内汽车电子厂商可以跳过传统Tier 1厂商，直接对接主机厂。当前，除了英伟达、高通、华 为等消费电子巨头，还有以技术取胜的中国本土创业公司如地平线、芯驰科技、黑芝麻等半导体公司加入汽车SoC市场的 争夺，虽面临车规级认证和目前车厂开发架构兼容性的障碍，但未来发展潜力巨大。

3.1 汽车：智慧座舱推动汽车SoC需求

1）汽车电子逐渐向自动化、智能化和网联化发展，拉动汽车SOC市场需求。随着汽车座舱技术不断进步，汽车电子人机 交互、一芯多屏和平台化发展成为重要技术趋势。交互系统、操作系统及车载娱乐是汽车SoC的核心组成。

2）在驾驶体验升级的同时，消费者对车载娱乐的需求日益强烈，车载娱乐系统作为人机交互的端口拥有广阔的市场空 间。车载娱乐系统功能的增加对主控SoC的性能提出更高要求。

3.1 汽车：国内外自动驾驶AI芯片快速发展

自动驾驶领域，车载AI芯片快速发展，算力、功耗、生态等成 为各厂商竞争车载AI领域的核心竞争力。NIVIDA具备完善的软 件工具和应用生态，深入布局AI SoC；Mobileye（英特尔收 购）凭借一体式解决方案和自动驾驶平台在AI领域占有一定份 额；国内企业如地平线、黑芝麻、华为等发展迅猛，形成了自 身的核心竞争力，有望逐步实现国产替代。

3.2 智能手机：智能手机是SoC最大的终端应用市场

1）智能手机是SoC最大的应用市场。智能手机CPU都基于Arm架构，通常以八核、六核的配置出现，其中大核具有强大性 能，满足多种应用程序运行需求，小核则平衡发热和耗电问题。目前，最常用的智能手机CPU有苹果A系，骁龙系列， 三星猎户座，华为海思麒麟，联发科以及小米的澎湃系列等。

2）手机SoC领域中主要GPU为Arm的Mali，高通Adreno，以及苹果GPU。

3.2 智能手机：智能手机SoC不断向先进制程迈进

1）智能手机SoC在工艺节点发展上将不断向4/5nm甚至3nm迈进。根据Counterpoint预测，到2025年全球60%的智能手机SoC 将采用5nm及以下代工节点，N5节点将是代工厂路线图上的长节点，这成为台积电和三星扩产的驱动力之一。

2）主流5G智能手机的主要代工节点为6/7nm，联发科、高通和苹果为主要厂商。苹果的A系列和M系列芯片在5nm节点产能 份额上处于绝对领先地位。

 3.2 智能手机：5G是智能手机市场的重要推动力

1）根据Statista数据显示，2009-2016年，全球智能手机总出货量迅速增长，达到14.7亿台。此后2020年受疫情等多方面影响 出货量下降至12.8亿部。

2）随着大数据、AI、IoT不断发展，智能手机更新换代有了新的需求。2020年是我国5G商用元年，根据Wind数据显示，自 2019 年第三季度推出第一款5G 智能手机以来，我国5G智能手机出货量截止至2021Q1已累积达到24661.5万部，5G手机 的商用和普及成为智能手机市场的重要推动力。

3.2 智能手机：联发科、高通是手机SoC市场最主要厂商

1）根据Counterpoint数据，联发科受益于高通对三星的供应限制、美对华为禁令等因素，将在2021年继续保持在智能手机 SoC的领先地位，市场占比将达37%。2020年高通芯片市场占比28%，2021年提升至31%。海思在2020年市场份额为 10%，2021年将下降至2%。 2）根据Counterpoint数据显示，2019Q4至2020Q3，华为在中国智能手机市场保持绝对市场领先，2020Q4开始市场份额下 降，2021Q1仅有15%市占率。Vivo和oppo在2021Q1成为最主要厂商，占领了近一半的市场份额。

3.2 智能手机：华为和苹果的SoC搭载了AI专用模块NPU

1）智能手机中加入的专用AI模块能够在图像处理、语音助手、电池管理等方面 提供硬件加速支持。

2）华为和苹果均搭载了嵌入式神经网络处理单元（NPU），专用于处理AI计 算。华为最早在Mate10采用外挂的寒武纪NPU，后在990系列上采用自研的 达芬奇NPU。苹果从A11 SoC开始加入Neural engine，最新公布的A14 SoC 中，NPU算力已有巨大提升，Neural engine结合CPU上的机器学习加速器能 够大大提高AI应用体验。

3.3 平板、笔记本电脑：宅经济+疫情推动平板电脑需求，ARM为主流架构

1）2010年苹果推出第一代ipad后，全球平板电脑市场快速增长。2015年开始，智能手机逐渐挤占平板电脑的份额，出货 量逐年下降；2020年，受疫情影响，居家办公和学习再次推动平板电脑的需求。根据Wind数据显示，2020年全球平板 电脑出货量1.641亿台，同比增长13.6%。

2）根据Business wire数据显示，2020Q2，苹果在平板电脑处理器市场占据领先地位，占比高达43%，随后分别为英特尔 （18%）和高通（15%）。全球平板电脑CPU主要采用ARM架构，仅有小部分追求高性能的Windows系统平板电脑采用 英特尔X86架构。

3.3 平板、笔记本电脑：X86仍是笔记本电脑主流架构

1）未来笔记本将不断向智能化、便携化和专业化趋势发展，随着5G时代的到来和二合一、可折叠屏等新兴技术的推进，笔 记本电脑行业有望迎来新一轮的增长。根据Statista预测，笔记本电脑市场2018年出货量为162.3百万台，2025年将达到 272.4百万台，复合增长率为7.7%。2020Q3全球笔记本电脑市场出货量前五名厂商分别为惠普、联想、戴尔、Acer和华 硕，其中惠普占据第一（26%）。

2）X86仍是当前笔记本市场的主流架构，英特尔占领绝对的市场份额。目前包括苹果MacBook Pro16英寸在内的主流笔记本 均使用英特尔的X86 CPU。

3.3 平板、笔记本电脑：苹果M1 & Microsoft SQ 1/2 处理器

在Arm、高通、苹果及微软等厂商的推动下，基于Arm的SoC在笔记本电脑市场的空间进一步打开。苹果于2020年11月推出 的M1芯片是苹果第一款基于ARM指令结构的笔记本/台式电脑SoC。M1SoC的中央处理器有四个高性能核心和四个低功耗 核心，极大程度优化了能效比，并采用苹果16 核NPU，能大幅提升ML应用的处理和计算速度。微软2019年10月发布的 Surface Pro X笔记本首次搭载ARM架构高通定制版 Microsoft SQ 1 处理器。ARM架构能够进一步满足笔记本轻薄、高续航等 方面需求，优化手机、电脑的协同性，将是笔记本SoC未来发展的重要趋势。

3.4 服务器：服务器市场规模呈上升趋势

1）近年来，IoT、5G、大数据的发展推动了服务器市场规模的增长。根据IDC数据显示，2010-2020年全球服务器市场规模总 体呈增长态势，虽然2019年受全球贸易摩擦的影响市场规模呈现小幅下降，但2020年市场规模保持稳步上升，达到910.2 亿美元。

2）2020Q3，戴尔以16.65%占据服务器厂商最大的市场份额，随后分别为惠普（15.94%）、浪潮（9.37%）、联想（5.88%） 和华为（4.87%）。随着我国新基建的发展和对国产服务器的部署，中国厂商市场份额有望进一步提升。

3.4 服务器：可分成IA架构服务器和RISC架构服务器

1）服务器根据体系结构可分成IA架构服务器和RISC架构服务器。IA架构采用CISC指令集架构，RISC主要为ARM架构，其他 MIPS、ALPHA、POWER等架构在服务器市场生态系统较孱弱。在后摩尔时代，AI、5G、大数据增加了云端计算的需 求，X86架构的优势逐渐减少，ARM架构的热潮逐渐兴起。

2）X86服务器主流微架构包括英特尔的Sky Lake、Cascade Lake、Cooper Lake、Ice Lake，ARM服务器微架构主要包括 Neoverse N1、Neoverse V1（Zeus）。

3.4 服务器：X86仍为主流架构，但ARM架构正迅速崛起

1）根据ITCandor数据，2019年H1全球X86架构仍是服务器处理器架构的主流，占比为87.1%。其中，英特尔占据X86架构绝大 部分市场份额，但随着AMD服务器处理器EPYC的销量逐渐扩大，AMD的市场份额有望继续上升。

2）近年来，Arm架构服务器SoC迅速崛起：Ampere基于ARM v8.2架构的Altra和AltraMax；亚马逊基于Arm Neoverse的64核 Graviton2比第一代基于X86架构的服务器芯片性能提升40%；华为应用于泰山服务器的64核鲲鹏920处理器能效比超出同 类产品30%；天津飞腾的S2500、FT-2000+/64、 FT-1500A/16等产品 。

3.4 服务器：日本富岳Fugaku是首台采用ARM架构SoC的超级计算机

1）2020年11月，新一期全球超级计算机TOP500榜单公布，日本富岳Fugaku（富士通）的48核A64FX SoC再次蝉联榜首，这也是 该榜单首个采用ARM架构SoC的超级计算机。此外，大部分超算搭载英伟达GPU和InfiniBand无线宽带技术。

2）根据TOP 500官网统计，X86仍是主流的超算架构，ARM架构超算仅有5台，其中4台搭载富士通A64FX SoC，1台搭载Marvell ThunderX2 SoC。