SOC芯片架构技术分析（一）

SOC芯片架构技术分析（一）

框架总览

 SOC芯片研究框架

1. SoC概况

1.1 SoC简介

1.2 SoC发展历程及未来发展趋势

1.3 SoC市场概况

2. SoC产业链

2.1 SoC产业链概况

2.2 产业链上游情况

2.3 产业链中游情况

2.4 产业链下游及终端应用  

3. 成长驱动力

3.1 前述：AI

3.2 汽车

3.3 智能手机

3.4 平板与笔记本电脑

3.5 服务器

3.6 AIoT

3.7 安防

3.8 AR/VR

4. 总结

 1.1 SoC简介：SoC在一块芯片上集成整个信息处理系统

片上系统SoC（System on Chip），即在一块芯片上集成一整个信息处理系统，简单来说 SoC芯片是在中央处理器CPU的 基础上扩展音视频功能和专用接口的超大规模集成电路，是智能设备的“大脑”。

应用处理器AP（Application Processor）是SoC中包含CPU在内的所有计算芯片的集成物。智能手机SoC通常包含AP和基带 处理器BP等，AP负责应用程序的运行，BP负责收发无线信号。有时将AP和SoC混用。

随着半导体工艺的发展，传统MCU已经不能完全满足智能终端的需求，SoC应运而生，凭借其性能强、功耗低、灵活度 高的特点，使单芯片能够完成完整的电子系统。SoC在移动计算（例如智能手机和平板电脑）和边缘计算市场中非常普 遍。它们也常用于嵌入式系统，如WiFi路由器和物联网。

当前 SoC已成为功能最丰富的硬件，集成了 CPU、GPU、RAM、ADC、DAC、Modem、高速DSP 等各个功能模块，部分 SoC还集成了电源管理模块、各种外部设备的控制模块，同时还需要考虑各总线的分布利用等。

 1.1 SoC简介：IP核是构成SoC的基本单元 Ø IP 核（Intellectual Property Core），即知识产权核，在集成电路设计行业中指已验证、可重复利用、具有某种确定功 能的芯片设计模块。SoC是以IP模块为基础的设计技术，IP是SoC应用的基础。

IP 核可以划分为CPU、GPU、DSP、VPU、总线、接口等6个类别，也可按软核、固核、硬核分类。

1.1 SoC简介：IP核授权技术的诞生和发展为SoC奠定了基础

SoC的概念和设计技术始于20世纪90年代中期。早期芯片设计难度较低，半导体公司多为集设计、制造、封测为一体的 IDM厂商。随着半导体产业和工艺的进步，往后芯片随着摩尔定律不断更新迭代，晶片设计和制造的成本和难度均大幅 上升，单一厂商难以承担高额研发及制造费用。20世纪80年代，台积电的成立不断引导半导体产业朝“Fabless（设计） +Foundry（制造）+OSAT（封测）”分工方向发展。

1990年IP龙头Arm诞生，开创了IP核授权模式。Arm负责芯片 架构设计，并将IP核授权给Fabless厂商。随着超大规模集成 电路的发展，集成电路（IC）逐渐向集成系统（IS）转变，IC 设计厂商趋向于将复杂功能集成到单硅片上，SoC的概念逐 渐形成。例如，三星等厂商根据产品需求将基于ARM架构的 CPU处理器和各类外围IP组合得到包含许多组件的SoC，根据 不同应用需求，内部组件封装不尽相同。1994 年Motorola发 布的Flex Core系统和1995年LSILogic公司为Sony公司设计的 SoC, 是基于IP核完成SoC设计的最早报导。

1.1 SoC简介：IP核复用技术利于IC设计行业发展

一般来说，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。

IP核授权模式能够在SoC中调用已设计好的具有独立功能的模块，一方面能够简化设计流程、加快了设计速度，降低设 计难度，另一方面符合半导体分工发展的模式，使IC设计公司能摆脱IDM模式的束缚和壁垒，专注芯片设计，从而带动 IC设计行业的发展。

IP复用类似于“拼图”

 1.1 SoC简介：SoC结构

典型的SoC包括以下部分：

• 一个或多个处理器内核，可以是MCU、MPU、数字信号处理器或专用指 令集处理器内核;

• 存储器：可以是RAM、ROM、EEPROM或闪存;

• 用于提供时间脉冲信号的振荡器和锁相环电路;

• 由计数器和计时器、电源电路组成的外设;

• 不同标准的连线接口，如USB、火线、以太网、通用异步收发;

• 用于在数字信号和模拟信号之间转换的ADC/DAC;

• 电压调理电路及稳压器。

在外设内部，各组件通过芯片上的互联总线相互连接。ARM公司推出的 AMBA片上总线主要包括高性能系统总线AHB、通用系统总线ASB、外围互 联总线APB、可拓展接口AXI。AHB主要针对高效率、高频宽及快速系统模 块；ASB可用于某些高速且不必要使用AHB 总线的场合作为系统总线；APB 主要用于低速、低功率的外围，AXI在AMBA3.0协议中增加，可以用于ARM 和FPGA的高速数据交互。

基于ARM的SoC

1.1 SoC简介：SoC vs. MCU

MCU(Micro Control Unit)微控制器，芯片级的芯片。MCU将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成 在一片芯片上，只提供最少的内存、接口、处理能力等，专注于小型嵌入式控制系统或控制应用程序。

SoC是系统级的芯片，可能包含许多MCU，适用于具有更多要求和更复杂的应用程序。SoC是一个完整的单芯片计算机 系统，能够执行具有更高资源需求的复杂任务。

1.1 SoC简介：指令集

指令集是CPU的一种设计模式，分为精简指令集RISC和复杂指令 集CISC两种。其中，ARM、MIPS、Power、Alpha等均是基于RISC 架构，X86则是基于CISC的架构。

X86架构占据了服务器和桌面领域的垄断地位，ARM架构占据了 嵌入式领域的绝大部分市场，而MIPS、Power、RISC-V等也在相 关特殊领域占有一定的市场份额。

SoC处理器内核通常都使用ARM、RISC-V指令集架构，因为在嵌 入式和移动计算市场中面积和功率通常受严格限制。

1.1 SoC简介：ARM指令结构已发展到第九代

ARM开发了ARM架构并授权其他公司使用并自主开发SoC，当前ARM架构在移动端核心CPU占据绝对主导份额。从1985 年ARMv1架构诞生起到2021年，ARM架构已发展到第九代。2021年正式推出的ARMv9指令集，在兼容ARMv8的基础上 进一步提升处理器性能、安全性、矢量计算、机器学习和数字信号处理。基于ARMv9发开的处理器将在2022年正式商 用，可能应用于下一代骁龙等SoC。

1.1 SoC简介：ARM Cortex系列针对不同应用领域

ARMv7架构开始，ARM改以Cortex命名，并分为“应用”配置Cortex-A 系列，“嵌入式”配置Cortex-R系列、“微处理器”配置ARM Cortex-M 系列。Cortex-A面向高性能应用处理器内核，如智能手机、平板电脑、 机顶盒、网络设备、服务器等。Cortex-R针对高性能实时应用场景，如 汽车应用、消费电子等。Cortex-M系列主要面向嵌入式设备和IoT设备， 对功耗和尺寸要求较高，应用于微控制器、传感器、通信模组、智能 家居等。

 1.1 SoC简介：ARM两类核心收费模式

近20年，智能移动设备兴起，基于精简指令集架构的ARM内核IP凭借着低成本、高性能、低功耗的特点和IP授权模式，在 智能手机、平板电脑等移动终端SoC等下游领域取得成功，占据了绝大部分市场份额，有强势定价权。国内主要半导体厂 商和用户如华为、小米、中兴、瑞芯微等设计的商用SoC和物联网设备绝大多数使用ARM技术。

ARM核心收费模式：授权费（license fee）、版税（royalty）。ARM授权技术给芯片设计公司，设计公司缴纳授权费，生 产芯片后，发芯片给OEM终端客户，并按芯片发货量缴纳版税给ARM，终端厂商付费给芯片代工厂；ARM也会为终端厂 商提供技术和业务支持。

1.1 SoC简介：RISC-V指令结构

AI、5G、边缘计算的发展对计算技术提出新的需求，但绝大多数指令集架构都受到专利保护，如x86、MIPS、Alpha，遏制 了创新发展。先前的指令集架构较复杂，且应用领域较单一，且不便于对特定应用进行自定义扩展，缺乏适用于多个领域 的统一架构。为此，加州大学伯克利分校研究人员设计了新的指令集架构RISC-V，并以BSD授权的方式开源。近两年RISC-V 架构大热，生态也发展较快，比较适合低功耗的应用场景，其开源、精简、可修改等特点决定了RISC-V将在物联网时代拥 有巨大的发展前景，未来很可能发展成为世界主流指令结构之一。

1.1 SoC简介：国内许多企业已成为RISC-V基金会会员

1.1 SoC简介：我们预计未来采用RISC-V结构的芯片将持续增加

RISC-V已有多个版本的处理器内核和SoC芯片，其中部分是开源免费，部分是商业公司开发用于内部项目。RISC-V发展已 经过国内许多商业化应用验证，也是我国发展自主可控国产CPU的重要途径，但软件生态还需不断完善。

Semico Research研究结果显示，未来RISC-V将被大量运用于包括计算机、消费、通讯、运输和工业市场在内的细分市场， 到2025年，采用RISC-V架构的芯片数量将增至624亿颗，复合增长率高达146%。

1.1 SoC简介：香山开源RISC-V处理器

香山是RISC-V联盟联合业界企业开发的开源高性能RISC-V处理器，基于硬件设计语言Chisel，支持RV64GC指令集，运用支 持敏捷设计的流程工具，开源协议选择木兰宽松版许可证（MulanPSLv2），于2020年6月11日在GitHub上建立代码仓库， 其理念为代码开源、流程开放、文档公开，满足了业界对高性能处理区的需求。香山第一版架构“雁栖湖”于2021年4 月完成代码，计划7月基于28nm流片，未来目标性能和ARM Cortex-A76齐平。第二版架构“南湖”计划2021年年底基于 14nm流片。

1.2 SoC发展历程及未来发展趋势

分工细化：部分IC设计厂商专注于IP核设计，部分厂商将不同功能的 IP 核集成，设计出符合市场需求的SoC芯片。

制程迭代：SoC一直遵循摩尔所指示的规律推进，如今硅芯片已逼近物理和经济成本上的极限，半导体发展制程迭代放缓 ，进入后摩尔时代。

高端SoC不断追求算力提升：SoC的发展是性能、算力、功耗、工艺难度几方面的平衡。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（单位算力的成本和功耗）极为重要 。以苹果A14SoC为例，A14使用5nm工艺，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 提升则接近100%。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。

苹果M1SoC CPU性能vs功耗

1.3 未来全球处理器市场规模将持续扩大

SoC在追求高性能和低功耗的智能手机、平板电脑等芯片领域已占据主导地位，在自动驾驶、AIoT等领域也已得到应用， 随着AIoT、5G的不断发展，未来还将向更为广阔的应用领域扩展。此外，数据大爆炸时代对边缘计算算力提出更高要求， 智能硬件需求量也将持续上涨。据Yole预计，2019年全球应用处理器 AP市场规模为340亿美元，2025年将增长到560亿美 元，复合增长率8.7%，市场规模有望持续扩大。

能够抓住趋势精准布局的IC设计厂商将在市场大潮中快速占领市场份额。从国内厂商来看，瑞芯微、全志科技等在平板 电脑市场、晶晨股份等在机顶盒市场、国科微等在卫星电视市场、富瀚微等在模拟监控摄像头ISP芯片市场、博通集成等 在2019年汽车ETC市场都抓住了机会。