SOC芯片行业研究：行业概况、产业链、成长驱动力

　　（报告出品方作者：海通国际，郑宏达、华晋书）
　　1。SoC概况
　　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（SystemonChip），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（ApplicationProcessor）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。
　　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。
　　SoC简介：RISCV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RISCV，并以BSD授权的方式开源。近两年RISCV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RISCV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。
　　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NeuralEngine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。
　　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。
　　2。SoC产业链
　　产业链上游概况：设计工具寡头竞争
　　设计工具寡头竞争，上游议价能力强。SoC产业链上游可分为知识产权核（IP核）和相关EDA工具；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MentorGraphics。上游设计工具行业集中度较高，当前全球核心IP主要由ARM、Synopsys、Cadence提供，合计占比近65，全球EDA产业主要由Cadence、Synopsys和西门子旗下的MentorGraphics垄断，三大EDA企业占全球市场的份额超过60，上游厂商议价能力较强。
　　产业链上游概况：IP核行业行业集中度高
　　行业集中度高，国内厂商市占率较低。全球IP核供应商以国外厂商为主，行业集中度相对较高：国内集成电路设计企业所需的IP核大多来自境外供应商，每年进口金额10亿美元以上，占全球市场的13左右。中国大陆的IP核供应商有50家左右，普遍实力较弱。国内也有规模较大的企业，如总部在上海的芯原（Verisilicon），市场占有率已跻身全球前十，但与欧美“三巨头”相比还有很大差距。IP核本身是产业链不断专业化的产物，是芯片设计知识产权的重要体现，也是半导体产业链下一步升级的重要方向。产业每一轮专业化升级都有其内在的供需原因，且往往是追求规模成本效应的结果。
　　产业链上游概况：国内EDA企业在部分细分领域具有优势
　　经过三十余年长足发展，目前三大EDA企业占全球市场的份额超过60。在中国市场，EDA销售额的70以上由大EDA企业瓜分，还有部分被Ansys等其它外国公司占据，但国内EDA企业在部分细分领域具有优势，个别点工具功能强大。
　　产业链中游情况：高端SoC芯片架构核心最先进
　　目前高端SoC芯片多以一个超大核心加多个中核心、小核心架构设计，经过多年来迭代更新，基于ARM的CPU核心不断升级，在制程工艺、主频、性能上大幅度提升。同时高端SoC芯片尤其是移动端芯片一般会添加集成式或外挂式基带，以此实现移动接入、电话等传统移动终端功能。
　　高端SoC芯片如天玑1200采用A78构架，1个A78主频3。0GHz的大核心，3个A78主频2。6GHz的中核心和4个A55主频2。04GHz的小核心。骁龙865CPU采用CortexA77主频2。84GHz超级大核和三个CortexA772。84GHz普通大核四个CortexA551。8GHz小核心架构。麒麟9000CPU架构为一个3。13GHzA77大核心、三个2。54GHzA77中核心、四个2。04GHzA55小核心。
　　产业链下游：芯片制造头部效应明显
　　晶圆制造环节作为半导体产业链中至关重要的工序，制造工艺高低直接影响半导体产业先进程度。FablessFoundryOSAT的模式成为趋势，Foundry在整个产业链中的重要程度也逐步提升。
　　同时半导体制造行业呈现非常明显的头部效应，根据ICInsights的数据显示，在全球前十大代工厂商中，台积电一家占据了超过一半的市场份额，前八家市场份额接近90。
　　产业链终端应用：下游需求决定市场规模
　　SoC芯片应用领域广泛，消费电子和智能物联是SoC芯片需求的两大领域。在消费电子市场，智能手机、平板电脑等消费类电子的爆发式增长，催生出大量芯片需求，推动了芯片行业的巨大发展；智慧商显、智能零售、汽车电子等新的应用场景和应用领域不断出现，为芯片设计厂商提供了良好的发展机遇；物联网及人工智能时代，创新科技产品的诞生为集成电路设计行业带来了更为广阔的市场机会。
　　3。成长驱动力
　　汽车：汽车平台未来需要高算力
　　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。ECU（ElectronicControlUnit）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。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。
　　汽车：未来汽车电子市场规模将持续扩大
　　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。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20172022CAGR为8，到2022年将达到21399亿元规模；中国汽车电子市场规模20172022CAGR为12。6，到2022年将达到9783亿元规模，中国增速高于全球。
　　智能手机：智能手机是SoC最大的终端应用市场
　　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。手机SoC领域中主要GPU为Arm的Mali，高通Adreno，以及苹果GPU。
　　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
　　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。根据Businesswire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。
　　服务器：服务器市场规模呈上升趋势
　　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，20102020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。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。
　　AIoT：AIIoT成为大势所趋，新应用领域不断拓展
　　AIoT在物联网的基础上加入AI技术，近年来发展速度迅猛。物联设备快速增长，全球智能硬件厂商争相布局，根据TransformaInsights数据，2030年全球物联设备将超过254亿台。根据艾瑞咨询数据，2018年中国AIoT市场规模达2590亿元，2022年AIoT业务将超过7500亿元。
　　商用安防：正朝数字化、高清化和智能化方向发展
　　视频监控是安防行业最重要的业务之一。视频监控系统分为模拟监控系统分为模拟监控和网络监控，其对应的前端芯片分别为ISP芯片、IPCSoC芯片，后端芯片分别为DVRSoC芯片、NVRSoC芯片。前端设备负责采集图像、语音等视频信号，传输到监控系统中；后端设备负责控制视频信号的显示切换、对终端设备输出显示，以及存储。
　　VRAR：市场有望迎来新一轮增长
　　5G、AI、超高清视频、云计算的高速发展提升了VRAR设备的体验感，随着娱乐、医疗、教育培训等应用需求不断增长，VRAR产业有望迎来新一轮增长。根据BCG、MordorIntelligence数据显示，2020年VRAR产业市场规模为307亿美元，2024年将达到2969亿美元。VRAR产品需要高集成化半导体元件支持，有望推动主控SoC发展。
　　报告节选：
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　　精选报告来源：【未来智库】。