本文对 SoC 进行不完全总结。

更新：2022 / 02 / 25

行业观察 | SoC

总览
- 概念
- 组成
- 周期
- 原因
产业链及市场
- 上游
- 下游
- - 产品
  - 厂商
SoC V.S MCU
- MCU
- SoC
- MCU V.S SoC
参考链接

总览

概念

SoC ¹‘ ²’ ³’ ⁴, 全称 System On Chip，又称 系统级芯片、片上系统，也就是由多个具有特定功能的集成电路组合在一个芯片上形成的系统或产品，其中包含完整的硬件系统及其承载的嵌入式软件。

任何 SoC 的设计都是性能、功耗、稳定性、工艺难度等几方面的平衡。但是越是集成度高，封装、调试难度就越大。

组成

SoC 芯片作为系统级芯片，通常会集成：

CPU（负责管理运行速度）；
GPU（管理性能）；
NPU（管理人工智能）等关键芯片的功能；
存储器，比如 SRAM、DRAM、ROM 之类的；
基带芯片（管理信号）；
ISP
DSP
WiFi
蓝牙
外设接口

CPU、GPU 的频率很大程度上会影响手机性能。频率越高，速度越快，体验越好。
硬件的大概组成是核心（ Core ）、存储、外设接口（高速外设和低速外设）、总线、中断模块、时钟模块等。在验证阶段，这些都是用 verilog 代码实现的。
外设接口是芯片对外的通信接口。
总线就像一条藤，而核心、存储、外设等就像挂在藤上的葫芦娃，而总线就是这些葫芦娃与外界交流的窗口。

SoC 包含了系统软件运作测算、图形相遇及屏幕上显示与运算、AI与运算、基带信号解决、摄像头拍照和拍摄解决、音频处理、WiFi连接管理方法等手机运作所必需的绝大多数作用的处理。

SoC 是一个整体的概念，再细化一下便到了每个模块。在一个 SoC 成型前，设计工程师用 verilog 代码把每个模块敲出了，粗略进行模块级的验证。在模块级的验证通过之后，会通过总线把每个模块集成在一起了。
目前来说，应用比较广泛的总线协议是 AMBA 总线，包括 AXI、ASB、AHB、APB。

AXI 主要挂一些高速的核心外设、DDR 之类的。
APB 主要挂一些低速的外设。

挂的概念就是通过例化相互间的信号线连在一起。因为国内很多公司都是买的 IP、也就是模块，然后把这些 IP 集成到一起组成一个 SoC 芯片。默认情况下这些 IP 都是好的，所以这类公司的验证工程师干的活就是验证连接性，也就是验证集成是否正确、功能是否达到。这种包括核心、外设、总线和存储等的验证，也就是系统级的验证。

周期

SoC 芯片的设计分为硬件和软件两部分。
随着电子系统级设计（ ESL Electronics System Level Design ）工具的发展，软硬件协同设计逐渐被采用。

SoC 设计完成后，进行流片测试。
芯片测试成功后即进入量产阶段。

生产过程：a) 晶圆生产；b）涂层后光刻；c）蚀刻、离子注入、金属填充；d）晶圆切片、封装测试。

原因

SoC 芯片和普通芯片相比，主要特征是集成化程度高，而高度集成化是未来芯片行业发展的必然方向，这也是芯片封装成 SoC 的原因。

从手机制造商的角度来看，手机在想着越来越轻薄的方向发展，所以手机内部的空间寸土寸金，高度集成的芯片可以有效地提高手机内部空间的利用率，降低手机的设计难度；同时也缩短了手机的开发时间，有利于产品更快上市。

从芯片制造商的角度来看，提高手机芯片的集成度也有利于产品的成本控制以及提高竞争力。因为如果采用单独芯片设计的话，前期的晶圆开发成本就会非常高。

芯片封装成 SoC 符合双方的利益，因此成了手机行业的主流设计。

产业链及市场

SoC 技术始于 20 世纪 90 年代中期，遵循摩尔定律，现在已进入纳米阶段。
相较于独立器件，SoC 在性能、成本、功耗、可靠性以及生命周期与适用范围各方面都有明显的优势。

SoC 是在集成电路（ IC ）向集成系统（ IS）转变大方向下生产的。

1994 年 Motorola 发布的 FlexCore 系统和 1995 年 LSLogic 公司为 Sony 设计的 SoC，是 SoC 设计的最早报道。

SoC 的技术发展趋势是 SoC、MEMS 和 SiP 这三者技术融合。

上游

产能供给是任何一家 IC 设计企业的重中之重，关于企业经营的正常运作以及新产品能否很快抢占市场。
产能没保障比卖不出货更为致命。
产能供给紧张时期，芯片设计厂家的主要任务就是去和晶圆厂要产能。IC 设计企业使用 EDA 等软件设计出集成电路版图，之后交与晶圆代工厂生产。IC 设计企业与晶圆代工厂签订代工合同，即业界常说的获取产能。

衡量晶圆代工厂的制造工艺水平，通常从晶圆尺寸和制程两个方面判断。

晶圆尺寸
晶圆尺寸是指晶圆的直径，尺寸越大，代表单个晶圆可以生产出更多的芯片，成本随之降低。

制程
制程是指晶体管的线宽，以 CMOS 工艺为例，其线宽一般为该工艺制作的晶体管的栅极长度。制程越小，芯片功耗越低。

晶圆代工厂市场呈现寡头局面，以台湾台积电和韩国三星为巨头，2020 年合计占比达 71%。

下游

全球 SoC 市场规模从 2017 年的 1318.13 亿美元增长到 2023 年的 2072.1 亿美元，复合年增长率为 8.3%。

产品

SoC 下游应用广泛，智能手机为最大应用。SoC 主要应用于消费电子、IT、通信及汽车。
在过去几年，消费电子占最大市场份额，对智能手机、4K 电视等电子设备及 TWS 耳机、手表等智能可穿戴设备的需求不断增长，推动消费电子市场的增长。

智能手机
如果在 PC 时代，我们说一个电脑的核心是 CPU，那么在智能终端时代手机的核心是这个 SoC。
SoC 芯片是手机上非常重要的一部分，像经常听到的高通骁龙、华为麒麟，都是属于 SoC 芯片。
现在的手机 SoC 中，CPU 部分只占芯片面积的 15%，其他 85% 则被图像处理器（ GPU ）、数字信号处理器（ DSP ）等等芯片或者模块占据，不过 CPU 依然是手机 SoC 的核心。
换句话说，除开电源管理、射频解决等为数不多的作用外，SoC 大部分包办代替其他全部手机的功能的完成。因此，SoC 芯片是手机上最为关键的一部分，假如一些手机芯片中并不包含之上提及的一些程序模块，那么这款手机就不可以称作 SoC，而缺少的控制模块一般会以外挂的形式存在，但不可以没有。
手机厂家在设计中端产品的时候也会根据自己的需求 部分 采用 SoC 当中集成的功能。但是比如苹果一直选择将 Modem 模块放在 A 系列处理之外，不封装在 SoC 中，或多或少是不希望长期受制于高通，如下所示：

智能平板
平板中智能化设备的芯片。
智能家居
智能家电智能化设备的核心芯片。

厂商

高通：手机 SoC + 智能座舱 SoC 龙头厂商

高通（ Qualcomm ）1985 年创立于美国加利福尼亚，是一家研发卡车定位的公司成长为移动设备和无线设备通信技术的全球龙头。

高通凭借整合基带的 AP 芯片而成为全球第一大 IC 设计公司。AP，App Processor，应用处理器，即未集成基带芯片（ Baseband Processor，BP ）的 SoC。

高通 21Q2 年营收 79.35 亿美元，其中 QCT 业务营收 62.81 亿美元，占总营收的 79.12 %，同比增长 53 %，QTL 业务营收 16.14 亿美元，占总业务的 20.34 %，同比增长 40 %。物联网营收 10.73 亿美元，同比增长 71 %。

智能手机 SoC 市场占比率全球第二。高通手机 SoC 全球市场占比率近年一直呈现下滑趋势，但总体来说均处于第二的位置，2020 年全球智能手机 SoC 市场份额为 28 %。

高通汽车产品 SoC 布局久远：2002 年便为通用汽车提供 CDMA 1x 车载联网解决方案，此后高通也将自己 3g、4g、5g 等技术用于车载领域，2014 年高通进入数字座舱领域，2020 年高通进入自动驾驶领域，预计 2023 年搭载高通自动驾驶平台的汽车将面世。全球多家汽车制造商采用通用汽车方案，高通汽车方案订单总估值超过 80 亿美元。

三星电子：积极布局车载 SoC

三星电子成立于 1969 年，总部设立在韩国，是韩国民族工业的代表，也是韩国最大的电子工业企业。同时，三星电子是全球前五大半导体公司。

公司手机产品采用三星自家 Exynos 处理器，同时也采用高通 SoC，因此整体来看三星 Exynos SoC 市场占有率不高，维持在 15 % 左右。公司积极布局车用领域 SoC，三星电子正在为汽车 IVI 系统开发下一代 SoC。例如，Exynos Auto V9 将配套 2021 年的奥迪车载信息系统。预计未来有可能也会为英伟达、高通、英特尔、Mobileeye一样，进入自动驾驶平台领域。

英伟达：ADAS 和自动驾驶领域领先
英伟达成立于 1993 年，总部位于美国加利福尼亚州圣克拉拉市，是国际知名芯片设计公司。
英伟达的 SoC 主要用于 3 个领域，用于超级计算机的 tesla 系列、用于嵌入式系统的 Tegra 系列以及作为游戏图形处理器的 GeForce 系列。

汽车计算机化和驾驶辅助系统普及，加速了嵌入式 Tegra 系列被汽车的电子仪表采用。
之后英伟达为 GPU 开发的并行处理架构 CUDA（ Compute Unified Device Architectures ）在深度学习方面表现非常优异，在当前 AI 系统中确立了压倒性的地位，特别是 ADAS 和自动驾驶技术。

2021 年 4 月，英伟达发布时尚最强自动驾驶芯片 Atlan，单颗 SoC 的算力达 1000 TOPS，比上一代 Orin SoC 算力提升接近 4 倍，比如今大多数 L4 级自动驾驶车辆整车的算力还要强，预计于 2025 年开始上车。

SoC V.S MCU

MCU

MCU 就是微控制器，别名 单片机，如下图所示：

MCU 只是一个芯片，需要配合外围电路才能完成最终产品功能。
如下图所示：

比如上图这个开发板，MCU 就像大脑，其他乱七八糟的按键、蜂鸣器、LED 灯、数码管等等就相当于 手、眼睛、嘴巴、脚 等等。

我们可以根据电路原理图用 C 语言和汇编写程序，程序编译好以后下载到单片机中，就可以控制外围的电路（按键、蜂鸣器、LED 灯、数码管）去作相应动作了。

下面介绍一些 MCU 的特性：

内部集成：

上图是最简单的 51 内核 MCU 的内部组成，有 CPU、RAM、ROM、定时器（计数器）、串口、外部中断组成。

还有 ARMv7 架构 Cortex-M3 内核的 STM32，内部组成会更复杂。

MCU 一般最多运行实时操作系统 RTOS，不会上 Linux，更多地是裸机编程。

SoC

低端的 SoC 就是内部集成了 MCU + 特定功能模块外设。
高端的 SoC 就是内部集成 MPU / CPU + 特定功能模块外设。

SoC 芯片都有一个共同特点：为了更方便、更低成本、更稳定解决特定行业的需求。

MCU V.S SoC

低端的 SoC 本质是 MCU 内核，只是在 51 / ARM 内核基础上增加了特定功能外设模块重新封了一款芯片。
因为如果用 MCU 去完成一些特定功能，比如说蓝牙协议、Zigbee 协议、电量计量等等会比较麻烦，研发周期长，稳定性差，成本也更高。

参考链接

什么是SOC芯片？ ↩︎
soc芯片是什么？（附Soc产业链分析） ↩︎
soc是什么意思 SOC芯片的作用与功能 ↩︎
什么是soc？SOC与MCU的区别是什么？ ↩︎

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