最全应用处理器芯片(APU)科普

电子工程世界 2020-11-29

APU(应用处理器)概述

APU定义

APU(Application Processor Unit),又名应用处理器芯片,是在低功耗中央处理器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,在智能设备在起着运算及调用其他功能构件的作用,集成了中央处理器、图形处理器、视频编解码器、内存子系统等多个模块。


上世纪70年代,Intel研发出第一款处理器芯片CPU并成为市场领导者。随后进入智能移动时代,智能手机、智能可穿戴等设备开始兴起,CPU逐渐向移动端发展,从注重高算力、高功耗的CISC向低功耗RISC转变,相应诞生出了APU,主要运用于智能手机、平板、智能手表等领域。ARM作为全球最大的APU IP厂商,占据了APU市场90%以上的份额。


APU:应用领域

APU应用处理器的主要应用领域是智能移动领域与智能物联领域,包括智能手机、智能平板等。早期的应用处理器以微缩版形式出现,随着对功耗要求的不断提高以及对小体积芯片的追求,应用处理器芯片逐渐成为便携式消费电子的首选芯片。


有更高图像处理能力的高端APU应用处理器芯片通常被使用在智能物联硬件中,包括汽车电子、智能显示屏等。由于智能物联硬件对图像处理器的要求更高,应用处理器芯片在图像方面的技术也随之快速发展。


指令集:APU生态底层核心


全球主要指令集介绍

指令集架构又称架构或处理器架构,可以使用不同的处理器硬件实现方案来设计不同性能的处理器。在不同内核上,软件无须做任何修改便可以完全运行在任何一款遵循同一指令集架构实现的处理器上。因此指令集可以当做在处理器底层硬件以及其上软件之间的桥梁和接口。


处理器指令集架构一直是以x86与ARM双巨头垄断为格局,2010年后随着RISC-V架构的诞生,指令集架构市场开始出现三足鼎立的发展势头。其中x86架构主要占据传统PC市场,善于处理大数据;ARM占据移动市场,善于处理快数据;而RISC-V则依靠自己精简的优势在数据传输领域占据优势。除此之外,其他指令集架构也占据部分市场如MIPS、Power等。


APU:指令集架构

处理器依靠指令来控制系统和完成数据运算,目前主要分为复杂指令集(CISC)及精简指令集(RISC)两种。


复杂指令集(Complex Instruction Set Computing)早期计算机部件昂贵、速度慢,为了扩展硬件功能而不得不将更多更复杂的指令加入操作系统以提高计算机的处理能力,程序的各条指令按顺序串执行,每条指令中的各个操作也按顺序串执行,主要以Intel、AMD的x86架构为代表。


精简指令集(Reduced Instruction Set Computing)随着半导体技术进步,80年代开始逐渐直接通过硬件方式,而非扩充指令来实现复杂功能,指令规模逐渐缩小,指令进一步简化,主要为ARM、MIPS以及RISC-V等架构。


ARM指令集

目前APU处理器主要使用精简指令集(RISC),其中ARM占据了大部分市场。ARM体系架构具有RISC体系架构的一般特点:指令格式长度固定;使用单周期指令流水线操作执行;使用大量寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作;只有存储指令访问存储器等,提高指令的执行效率。


早期ARM处理器所支持的指令集较简单,低功耗、低成本,适用于移动设备等,因此被广泛的应用于嵌入式领域。在ARMv7之前,由于性能的局限性只能专注于功耗比较敏感的移动设备,而从ARMv7开始,在Cortex-A9之后,ARM处理性能得到很大提升,逐渐进入企业设备、服务器等领域,目前最新ARMv8架构在内存、虚拟化以及安全性方面均有突破。


ARM指令集

从应用领域划分,ARM产品主要分为三个系列:Cortex-A、Cortex-R以及Cortex-M,分别针对应用操作系统(Application)、实时(Real-Time)和嵌入式(Embedded)。Cortex-A系列,被广泛应用于移动设备、网络基础设施、家庭和消费设备、车载信息娱乐和自动化系统,以及嵌入式设计等领域;Cortex-R系列具有高可靠性、高安全性等特点,主要应用于医疗及航空航天等领域;Cortex-M系列是为物联网应用而开发的可扩展、高效率、易于使用的智能嵌入式应用处理器系列,可以帮助开发人员在短时间内,以较低的成本,通过代码复用,标准安全机制和高效率的开放平台开发出各种满足市场要求的产品。


RISC-V指令集

在精简指令集中,除了ARM,RISC-V架构近年来也逐渐兴起。RISC-V架构是一个基于精简指令集的开源指令集架构,具备开源、架构简单、易于移植、模块化设计易扩展以及完整工具链等特点。与其他指令集相比,RISC-V可以自由地用于任何目的,允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片或软件,并且无需支付任何专利费用。


RISC-V最大的特性即在于“精简”,作为新兴架构,没有向后兼容的历史包袱,架构短小精悍,更加适合现如今越加火热的IoT领域。面对IoT市场对AI芯片的高计算、低延迟性能要求,RISC-V架构的开源可以有效降低开发成本,让用户自由修改、定制,满足市场“碎片化”需求。主要运用于智能手机、服务器、存储市场。

MIPS指令集

MIPS(Millions of Instructions Per Second)是一种简洁、优化的RISC架构,出身名门由斯坦福Hennessy领导开发。自从1981年由MIPS科技公司开发并授权后,MIPS架构曾经作为最受欢迎的RISC架构被广泛应用在许多电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。在嵌入式设备与消费领域占据很大份额,如SONY、Nintendo的游戏机、Cisco的路由器以及SGI的超级计算机等。


错失智能手机领域,被ARM后来居上。由于MIPS早起在市场的成功,使得其主要深耕电视、机顶盒以及游戏机等细分市场。在智能移动市场,由于重视程度不够,迟迟未能发布MIPS版Android,错失手机市场,2012年、2017年相继被迫卖出后,逐渐淡出市场。

Power指令集

Power架构是IBM开发的一种RISC架构指令集。1980年IBM推出了全球第一台基于RISC架构的原型机,证明RISC相比CISC在高性能领域的明显优势。1994年IBM基于此推出PowerPC604处理器,性能一度处于世界领先水平。2013年IBM联合NVIDIA等公司成立OpenPower开放联盟,积极推动Power架构体系。


IBM的Power架构一直是高性能的代言。基于Power架构的IBM Power服务器系统在可靠性、可用性和可维护性等方面表现出色,使得IBM从芯片到系统所设计的整机方案有着独有的优势。Power架构的处理器在超算、银行金融、大型企业的高端服务器等多个方面应用十分成功。IBM至今仍在不断开发新的Power架构处理器如Power8、Power9等。


APU市场概况


智能手机市场巨头垄断,IoT市场百花齐放


智能手机、平板APU市场:高通、华为海思、苹果三强鼎立,其中高通凭借基带芯片方面优势,占据绝对优势,2020年一季度三家分别占据40%,20%、15%市场份额。而华为海思因受美国制裁等原因,预计未来APU市场占比将会呈现较大下滑。智能平板领域同样呈现寡头垄断局面,苹果凭借IPad占据绝对优势,2020年一季度占全球45%市场份额。


IoT APU市场:物联网下游应用具有碎片化的特征,产品应用功能多样化,芯片更加注重低功耗,主要涉及智能家居、智能音箱、智能可穿戴、智能安防等领域。国产厂商在此领域较早布局,凭借国内巨大市场空间,在全球处于领先水平,如全志科技、瑞芯微、富瀚微等。


物联网下游放量,APU迎发展契机


随着PC出货量总体趋于稳定,以Intel、AMD为代表的x86 CPU市场增长放缓。而智能手机和平板电脑等移动设备进入快速增长期,拉动APU迎来爆发式增长。据IDC数据显示,2019年全球移动APU市场规模达340亿美金,全球移动端APU出货量接近18亿个,预计2025年全球移动端APU市场规模将会达到560亿美元,出货量将突破22亿。


IoT设备快速增长成为APU主要增长点。物联网、5G等新兴技术的发展积极推动IoT市场需求增长,2019年全球物联网设备出货量约为83亿台,据IDC预测,物联网的全球市场规模将扩大近两倍,2020年物联网全球规模将达到约1.7万亿美元。APU作为IoT领域主要处理器芯片,将畅享发展红利,市场前景广阔。


ARM统治智能移动APU市场

5G与物联网的发展不断推动应用处理器需求增长。应用处理器领域范围非常广泛,是处理器除了服务器 和PC领域之外的主要应用范围。随着技术发展,目前主要划分为移动手持设备(Mobile Device)、实时 (Real Time)嵌入式领域以及深嵌入式领域(Deep Embedded)。


移动手持设备主要分为智能手机与手持设备,随着技术发展,移动领域逐渐发展成为规模匹敌甚至超过PC领域的独立市场,其主要被ARM Cortex-A系列处理器架构所垄断。由于手机、平板领域的处理器需要加载Linux操作系统及复杂的软件生态,具有同PC领域相似的软件生态依懒性,因此ARM牢牢占据市场统治地位,其他处理器架构难以进入。


嵌入式领域,ARM占据较大优势


实时嵌入式领域主要包括工业控制、军事设备以及航空航天等领域,因下游应用对系统的响应时间要求苛刻,因此需要嵌入式实时系统(Embedded Real-time Operation System,RTOS)。在这一领域,ARM凭借IP授权模式的成功,也占据大部分市场份额。


深嵌入式领域指传统嵌入式领域包括智能家居等领域,下游需求量巨大,但更加注重低功耗、低成本以及高能效比,且无需加载如Linux类型的大型应用操作系统,软件大多采用定制裸机程序或者简单ROTS,软件生态依赖性相对较低,因此处理器架构很难形成绝对垄断。目前这一领域仍然以ARM的Cortex-M处理器占据绝大多数市场份额,但RISC-V凭借简单高效的架构,未来有望抢占市场空间。


APU王者,ARM生态圈剖析


ARM占据APU主要市场份额


智能移动领域

ARM是智能移动领域的绝对霸主,构筑了城宽池阔的软件生态环境。智能移动领域APU有着高性能、低能耗的要求。相较于x86,出身RISC的ARM能效比更高,通过授权IP的方式能够有效满足手机厂商不同的功能需求且费用也更低。此外ARM是市场上唯一能够完全支持Android与iOS系统的APU架构,在灵活性、能效比、低成本以及生态领域都占据了绝对优势。


至今为止,ARM架构已经应用到全球85%的智能移动设备中,其中有超过95%的智能手机都基于ARM设计。此外,ARM已与高通、谷歌和微软等国际厂商建立合作关系形成强大的生态联盟,已成为智能移动APU的不二选择。


ARM占据APU主要市场份额


ARM架构在物联网设备芯片中也占据主导地位。ARM架构芯片聚焦于最佳能效,目前Cortex-M处理器系列已在物联网市场有广泛应用,可给物联网场景提供良好支撑,下游APU产品甚至将按照M0、M3以及M4等ARM内核种类来划分。伴随边缘计算的发展,万物互联向万物智联的转变,IoT设备性能要求也不断提高,如智能音箱、智能家居等均开始支持AI语音及人脸识别功能,国产厂商龙头如全志科技、瑞芯微等均采用了ARM架构的APU。

ARM生态产业链


ARM与芯片厂商互惠互利

ARM与APU厂商互惠互利,ARM能够为APU厂商提供IP。作为全球最具影响力的处理器IP厂商,ARM通过其独特的授权模式,吸引了众多APU生产厂商如手机APU厂商苹果、高通,国内物联网应用APU龙头全志科技、晶晨股份等。通过与ARM合作,APU厂商能够直接使用ARM架构或内核,并且在SoC开发阶段得到借鉴与指导,降低芯片研发门槛与成本,同时减少芯片设计时间。


APU厂商帮助ARM完善其生态体系。ARM本身不生产芯片,其生态体系建设大多依靠下游芯片厂商完成。APU厂商通过其产品不断渗透,建立软件生态,提高市场对ARM的黏性,从而绑定某一应用领域。如苹果新款MAC将使用ARM架构,会助力其PC生态体系建设;华为ARM架构服务器助力ARM完善服务器生态;物联网领域,随着国产厂商的发展渗透,国产龙头如全志、晶晨有望助力ARM在未来完善IoT应用领域生态建设。


ARM主导APU行业生态


ARM概述:处理器架构新王者

ARM(Advanced RISC Machines)是一家诞生于英国的处理器设计与软件公司,总部位于英国剑桥,最早由Arcon、Apple和VLSI合资成立,主要出售芯片设计技术的授权。目前,ARM架构处理器已在高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域占据领先地位。自2000年以来,全球算力结构发生巨大变化,2020年ARM总算力输出已达到全球82%,成为世界最大算力架构。


ARM是全球最大的IP厂商,未来10年ARM将会重写x86辉煌。2019年基于ARM授权的芯片出货量达228亿颗,全球采用ARM授权IP开发的芯片出货量总计超1800亿颗。在智能手机市场,ARM占据绝对优势,与Android联合形成软硬件生态体系,占全球智能手机市场90%以上份额。除此之外,ARM积极布局IoT、PC及服务器领域,苹果日前于WWDC20会议上宣布将MAC产品线向ARM平台迁移,预计两年时间完成。


ARM授权模式

ARM的成功一方面来自于处理器自身的优良性能,具有体积小、低功耗等特点,另一方面也得益于其独特的公司运作模式。最初由于在处理器市场的劣势地位,ARM仅出售自身的知识产权(IP内核)给各大芯片公司。目前全世界有几十家大型半导体公司都使用ARM公司的授权,从ARM公司购买其设计的ARM处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的ARM处理器芯片进入市场。


ARM IP授权费用主要包括两部分:芯片公司每设计一款芯片都需要支付一笔前期授权费(Upfront License Fee);之后芯片大规模生产销售后,则每卖出一片芯片均需要按其售价向ARM公司支付一定比例版税(Royalty Fee),由于ARM架构现已占据绝大多数的市场份额,形成完整软件生态环境,在移动和嵌入式领域的芯片厂商,购买ARM处理器IP成为其首选。


三类授权模式简介

ARM公司的授权方式主要有三种,按照自主程度以及费用越来越高分别为使用层级授权、内核架构授权以及指令集架构授权。使用授权、内核授权:中小型公司大多购买使用层级或者内核架构授权,授权费用相对较低,甚至ARM对Cortex-M3和M0还免除前期授权费,以鼓励更多小公司购买;


指令集架构授权:ARM架构授权价格极其昂贵(高达千万美元量级),远远高于直接购买“ARM IP”所需的前期授权费,同时深度定制自研处理器需要解决极高的技术难度与投入高昂的研发成本。只有实力最为雄厚的芯片公司才具备购买能力,目前仅有“苹果”“高通”“华为”等巨头。凭借独特授权模式,ARM已与众多合作伙伴一起构建出了强大的ARM阵营。


独特授权模式构建ARM生态

独特商业模式使得ARM强者恒强。ARM从未自己生产商用芯片,只将处理器源代码的知识产权(IP)授权给合作商,也正是因为这一独特的商业模式,使得ARM能够借鉴Intel的经验,构建出自身的软硬件生态平台。从Nokia Symbian系统的ARM7TDMI,到MTK山寨机的ARM9,再到iPhone4的Cortex A8,最终到现在统治苹果及Android手机市场的Cortex A系列,无论合作厂商成功与否,ARM始终是移动处理器领域的霸主,相较于x86,ARM授权模式所建立的生态体系甚至更加全面。


积极布局物联网领域,抢先构建生态体系。2013年ARM收购芬兰物联网软件公司Sensinode,并积极推广NanoStack等产品,目标将从硬件到软件完整的覆盖整个物联网领域。目前ARM的Cortex-A和Cortex-M已分别成为移动与物联网领域的王者。


ARM主流内核架构

Cortex-A是一组用于高性能低功耗应用处理器领域的32位和64位RISC处理器系列,其中Cortex-A9作为首款支持ARMv7-A架构的多核处理器,成为当时智能手机市场标配。Cortex-A系列性能强大且更新迭代速度快,年均一款新品的频率使其竞品还未推出便已过时,导致众多巨头纷纷放弃自研处理器业务。目前已有超过95%的智能手机搭配ARM架构,强大的生态护城河使得其他架构处理器基本失去进入手机市场可能。


Cortex-M是一组用于低功耗微处理器领域的32位RISC处理器系列,包括Cortex-M0、M7及M33等。其中M3是Cortex产品中应用最广泛的一款,体积小可广泛应用于各类嵌入式智能设备。Cortex-M3与Cortex-M0的合计出货量己经超过200亿片,据称每30分钟的出货量就可以达到25万片,至今全球已有超过60家公司获得Cortex-M授权,中国大陆厂商近10家。


ARM生态圈:完善生态体系降低客户设计成本


复刻Wintel,构建完善生态体系

复刻Intel成功秘笈,构建嵌入式软硬件护城河。上世纪Intel在PC及服务器处理器市场大杀四方,取得统治性的地位,除自身高超的CPU设计水平与工艺制造水平外,还要归功于与微软构建“Wintel”联盟从而形成软硬件生态平台。


在健全的CPU生态体系中,配套企业将适应关键软硬件的开发进度进行技术研发与适配:Intel的CPU芯片革新拉动微软为X86芯片适配新一批的Windows系统以及应用程序等软件,而新的操作系统发布有又将进一步带动PC需求,从而刺激更高技术CPU的研发与需求。软硬件相互协同,使得Wintel联盟垄断桌面端长达20多年。不难看出,一款处理器能否成功不光取决于其性能,是否有软件生态支持以及ISA根基是关键。

复刻Wintel,构建完善生态体系

同Intel与微软建立PC端软硬件生态系统类似,ARM在智能移动市场也建立了自己的生态体系。通过大量的架构授权,ARM打通了客户间的软件生态体系。1993年ARM获得德州仪器订单从而进入诺基亚手机芯片给ARM带来绝佳发展机遇,此次ARM获得极大成功并证明了其在手机市场极高的适用性,吸引了数百家客户。在同时期Intel相继拒绝高通、苹果的合作邀请,MIPS还在专攻高清盒子、路由器等市场时,ARM已在手机市场得到诺基亚以及苹果等公司支持,随着移动手机的井喷式爆发,ARM也进入高速发展轨道。


苹果作为ARM早期股东之一,其产品一直使用ARM架构,随着iPhone开启智能手机时代,App Store的崛起也让全球移动应用彻底绑定ARM架构,伴随Android也开始支持ARM,ARM智能移动霸主地位彻底确立,其建立的ARM生态体系也让其他处理器架构难以进入智能移动市场。

ARM产业生态:减少芯片设计时间与成本

通过独特的授权模式,ARM像Intel一样建立了强大的ARM架构阵营,构建了自己的生态体系。目前全世界几乎大多数主流芯片公司都直接或间接地在使用ARM架构处理器。相较于“Wintel”联盟的软硬件生态体系,ARM在更深层的软硬件开发方面建立了独特的生态优势,对于业界SoC设计团队来说,ARM提供的生态体系更是成为不可或缺的氧气。


对于SoC开发来说,设计验证、物理设计以及软件开发是影响硬件开发及软件堆层的三大关键因素。ARM积极构建的生态体系对于购买其授权的合作伙伴提供了芯片设计及开发所需的广泛工具和支持,可以将设计人员连接到由兼容CPU核心、工具、中间件和应用程序软件组成的庞大生态系统,能够大大缩短芯片的设计成本并缩短上市时间。


ARM产业生态:优化验证环节,提供IP模块简化流程

设计验证(Design Verification)包括辅助逻辑设计和测试的硬件和软件工具。SoC经常混合授权和内部设计的内核,除非以前产品直接没有更改的使用了内部设计,否则工程团队通常会花费大量时间来验证其RTL设计是否能够达到要求;而在组合不同来源的核心交互时也常会因细微的问题导致调试交互、设计更改,大大延长开发时间造成进度风险。


相较于其他处理器架构,ARM在这一问题方面完全验证了RTL核心,通过不断地生产测试芯片来确保质量,以此来支持购买其IP授权的合作伙伴。同时ARM还提供许多IP模块,这些模块事先经过预验可以一起工作,同时采用标准SoC接口等,以此为开发者简化设计过程,另外提供参考设计来为设计人员提供完整的RTL用于整个芯片,使设计人员可以根据需求修改和扩展平台,无需从头开始创建芯片。


ARM产业生态:统一物理设计规则要求

物理设计(Physical Design)包括帮助RTL转换为可制造芯片的设计流程和物理IP。当RTL验证完成后,研发团队需要开发物理布局,对多个设计来源的核心需要不同的设计流程来正确编译,同时还要满足fab的设计规则,而初始布局往往不能满足所有过程变化的时间安排因此必须迭代布局直到满足所有的设计规则和时间要求,因此物理设计往往是开发过程当中最耗费时间的阶段之一。


在此方面ARM为EDA公司提供参考流程,帮助设计者在满足设计规则的同时,更快的生成布局,确保功率分配、定时以及噪音等指标的确定,帮助设计者完成最终设计;对于想要更简单流程的客户,也可以选择与ARM的设计服务供应商合作,以此更快的完成ARM IP的物理设计。

ARM产业生态:统一生态,建立软件生态体系

软件生态(Software Ecosystem)包括开发工具、操作系统、驱动程序和保证运行在兼容CPU上的应用程序。丰富的软件生态能够决定一款处理器的成败,因此芯片设计公司的软件工程师和硬件工程师往往一样多,来为客户提供应用程序代码。


ARM作为最受开发人员欢迎的指令集架构提供了广泛的代码开发工具。操作系统方面,ARM覆盖从Android到Zephyr的各个领域,其Mbed操作系统包括用于安全性和连接性的中间件,是运用于物联网嵌入式领域的重要功能;与此同时,像Microchip、NXP、瑞萨、意法半导体以及德州仪器等厂商均提供包含ARM处理器的开发板,使得程序员能够快速测试和调试代码,加速SoC研发进度,使产品更快进入市场。也正是这些兼容性使得ARM在过去几十年吸引了大量软件开发者,建立了一个繁荣的生态体系。

ARM产业生态:减少芯片设计时间与成本

经过几十年的发展,ARM建立了一套成功的生态体系并实现良性循环。因为支持众多设计与开发人员,使得越来越多的第三方想要将软件、工具及开发板融入ARM,这种芯片基础设施建设的广泛性也鼓励了更多的设计开发人员进入ARM生态体系。


虽然得到ARM的生态支持需要购买其授权,但对于大多数厂商来说,处理器的授权费只是设计预算的一小部分,选择开源的低成本架构往往可能会产生更多的隐性成本,如创建验证模型、工具流和库代码等,同时因任何bug导致的进度延迟及软件问题都有可能造成更大的损失。据ARM统计数据显示,开发一款28nm SoC,ARM生态系统能够为其节约近千万美元成本,同时缩短开发时间。

APU

产业趋势一:物联网时代,APU应用多点开花


AIoT应用百花齐放,驱动APU需求增长


AIOT时代,物联网下游空间广阔

5G有大带宽高速率、低时延高可靠和海量连接三大特点,其中超低时延的特性可支持单向空口时延最低1ms级别、高速移动场景下可靠性接近100%的连接;同时,5G网络每平方公里连接数达到百万级别,可满足物联网通信所需的低成本和低功耗要求。5G以大带宽、低时延、广连接的优势使得海量数据的有效传输成为可能,为物联网产业提供了更安全、更可靠的网络连接。


5G网络构筑AIOT万物智联的基础设施。AIOT是AI与IoT的结合,二者通过广泛持续的连接,获取AI人工智能深度学习所需要的海量数据,AI将取得的数据进行智能识别处理,最终实现特定功能,让物联网设备的简单连接上升为智能连接。在AIOT时代,物联网下游应用空间广阔。

物联网应用场景日渐丰富,拉动APU需求不断增长

应用处理器APU在嵌入式物联网领域有着广泛的应用,主要包括智能家居、智能音箱、智能机顶盒以及智能安防等。在手机应用处理器领域,因技术相对复杂,工艺制程限制,国产厂商仅华为海思一家处于世界先进水平,而国产APU厂商主要覆盖物联网领域,如全志科技、瑞芯微以及晶晨股份等。


随着AIoT技术进步,物联网领域出货量逐步提高,拉动APU需求不断增长。据IDC数据显示,2019年全球智能家居设备市场同比增长26.9%,出货量将达到8.327亿台;2016年智能音箱全球出货量约为590万台,2019年出货量增至1.47亿台,增幅近25倍。随着AIoT技术成熟,多样化下游应用的不断发展,应用处理器在物联网领域的需求将会随着物联网产品出货量的增长而不断提高。


智能家居:多品类拉动需求


国内智能家居快速放量,市场规模达6000亿

智能家居市场的产品主要包括智能照明、智能音箱、智能开关等智能单品和扫地机器人、智能家电等智能设备。近年来,随着无线连接技术以及低功耗芯片设计技术的发展与成熟,智能家居的价格逐渐开始减低,消费市场渐渐接受,智能家居行业也开始真正快速发展。根据IDC全球智能家居数据报告显示,2022年全球智能家居出货量将达到13亿台,行业规模将达到2769.82亿美元。


我国智能家居市场空间广阔。相较于欧美智能家居市场,我国智能家居市场方兴未艾,市场空间巨大,近年来随着国家政策的鼓励支持、行业技术的成熟发展,智能家居市场的渗透率以及市场规模将会不断扩大。预计2020年我国智能家居渗透率将持续上升,市场规模达到6000亿元。


智能家居渗透率不断提升,拉动APU高增长

嵌入式应用处理器成为主流。智能家居发展经历了许多阶段,起初由于智能化程度低,功能相对较少,一般选择以单芯片为核心的微控制器。随着家电智能化的发展,边缘计算等技术的兴起,计算核心也逐渐向嵌入式应用处理器转变,具有操作内核小、效率高,高度的模块化和扩展性等特点,主流有ARM Cortex-M系列。


智能家居有望拉动APU高增长。Cortex-M系列是目前智能家居市场主流APU芯片内核,由于其体积小功耗极低,非常适合于嵌入式智能设备如智能家居温控器以及智能灯泡等。近年来智能家居行业的爆发,基于Cortex-M3及Cortex-M0的APU芯片累计出货量已超过200亿片。目前相较于发达国家,国内智能家居行业还处于初级阶段,随着将来渗透率的不断提升,APU市场规模有望进一步提高。目前国内智能家居APU芯片供应商包括有全志科技、晶晨股份、乐鑫科技等。



智能音箱:智能升级,芯片算力需求不断提升


智能化场景入口,2020市场超1800亿元

智能音箱是近年来市场增速最快的智能产品之一。智能音箱市场在亚马逊、苹果、谷歌、阿里巴巴、百度、京东、小米等互联网巨头的强力推广下,一个新的智能语音交互生态系统已经形成雏形。据Strategy Analytics数据显示,2016年智能音箱全球出货量约为590万台,2019年出货量增至1.47亿台,增幅近25倍。


国内智能音箱渗透率低,市场前景广阔。预计到2020年底,美国的智能音箱普及率将会达到50%,成为世界上首个达到这一级别的国家,未来四年将会有八个欧美国家达到这一门槛。我国智能音箱市场普及率仍然较低,2019年约为10%,与发达国家差距明显,市场发展空间巨大。


连接无线化,芯片算力逐渐提升

音箱的发展是一个从有线到无线,从单一连接到云端连接的过程。最初的传统音箱仅仅可以满足音频的播放功能,连接需要配置音频线;由于蓝牙的出现,音箱开始可以与手机等终端通过蓝牙信号进行无线连接。而Wi-Fi连接方式的出现使得智能音箱可通过该信号进行云端连接,语音交互功能也因此在多个终端得以实现。


边缘计算兴起,音频智能芯片对算力需求越来越高。随着智能音箱的发展,功能逐渐多样化,新的音频芯片需逐渐成为独立的智能化运算平台,需要同时具备支持多个功能,包括语音唤醒、实时翻译等。而基于ARM架构的APU满足低功耗,性能高等要求,逐渐成为智能音箱首选。

多功能音箱成为主流,APU国产厂商具备技术优势

为了能够更好的与云端实现交互,智能音箱的主要核心技术还在向智能唤醒与交互快速发展,对内置处理器的算力要求逐步提升。从2014年亚马逊第一代Echo智能音箱开始,市场逐步开始支持语音唤醒功能。该功能对处理器芯片的计算能力有明显的要求提升,包括对关键词的识别、回波消除等。智能交互则要求处理器芯片可独立处理完成后的音频数据,再上传到云端后在进行理解,从而做出相应的控制。


主动降噪成为了智能音箱必要技术。由于主动降噪不同于以往的环境降噪,其需要通过声学算法反向抵消噪声,单芯片需要拥有较高的算力才可以达到这一功能,因此对APU算力要求不断提高。在智能音箱芯片领域,国内厂商包括全志科技、瑞芯微以及晶晨股份等,其中全志科技在行业具有技术领先优势。


智能机顶盒:数字时代,全球机顶盒快速增长


机顶盒智能化发展,APU技术要求不断提高

机顶盒作为智能家居中不可缺少的终端硬件,会在超高清视频的趋势下得以快速发展。自数字时代以来,我国4k电视机渗透率逐年递增,预计到2021年底达到70%的渗透率。为应对4k电视的全面普及,机顶盒需从单一解码设备向集成众多功能于一身的智能终端进行转变从而来满足对超高清视频的转化。


未来机顶盒对内部APU的技术要求会逐步升高,从而来满足机顶盒智能化、平台化的趋势发展。随着物联网、5G产业的不断发展,机顶盒将成为电视、网络和程序之间的智能设备,并配合各类应用终端来扩展基于家庭通信、娱乐和生活应用的各项服务,例如高清机顶盒的多媒体应用功能,高清解码功能以及录像功能等。


全球出货量稳步提升,国产制造位于世界前列

机顶盒作为智能控制终端在智能家居领域得到广泛应用,全球机顶盒出货量稳步上升。据中商情报网数据显示,2017年,全球机顶盒市场需求量为3.15亿台,预测2022年全球电视机顶盒市场需求将达到3.37亿台,其需求呈稳步增长的态势。


中国的机顶盒制造产业一直处于全球前列,并以制造机顶盒占全球机顶盒出货总量的85%以上成为全球最大的机顶盒制造基地。据格兰研究数据显示,截至2019年第一季度,中国机顶盒市场累计出货量已超过8.2亿台,2019年第一季度机顶盒累计出货量增长率为2.0%,整体呈现缓慢增长的态势。


全球出货量稳步提升,国产制造位于世界前列

国内机顶盒市场主要分为IPTV市场和OTT市场,两者的主要区别在于传输媒介的不同,前者主要通过运营商所负责的IP专网来开展以电视为终端的视频业务,而后者主要通过互联网来传输视频业务。OTT机顶盒市场在近五年来年增长率保持在40%以上,而IPTV机顶盒市场则保持在20%的年均增长率。


在国内机顶盒芯片零售市场方面,晶晨股份作为行业龙头占据了主要市场份额,2018年国内零售市场高达市场的63%,且市场占有率呈现逐年提升的趋势;瑞芯微和联发科也占据了一定市场份额,分别为10%和12%。未来,受中美贸易战影响,华为海思芯片存在无法稳定供货的可能,其他国内厂商整体市场份额存在潜在提升空间。


智能安防:安防芯片格局重塑


APU是智能安防视频监控核心部件

应用处理器APU是安防视频监控设备的核心部件,会直接影响到系统的图像质量、码流控制能力、智能识别效率、稳定性以及功耗等性能表现。在智能安防领域,处理器芯片主要包括模拟摄像机中的ISP芯片、网络摄像机中的IPC SoC芯片,录像存储端对应的DVR SoC/NVR SoC芯片以及深度学习算法芯片。除高端算法芯片目前仍被国外大厂垄断,其他三种芯片已逐渐实现国产替代。


近年来,我国安防视频监控行业呈现快速发展趋势,视频监控设备放量推动处理器芯片增长。据Statista数据显示,2019年全球视频监控摄像市场规模236亿美元,2025年将会达到440亿美元。随着视频监控智能化、网络化的发展,网络摄像机以及模拟高清摄像机替代趋势明显,应用于其中的IPC SoC芯片以及ISP芯片未来5年将会取得快速增长。


芯片性能提升推动安防智能化发展

随着网络传输深度学习算法和芯片性能的提升,安防行业开始从“看得见”,“看得清”步入“看得懂”的智能化时代。视频监控智能化在部分应用领域已经展现出其强大的效能,如车辆违章自动抓拍、人员侵入自动报警等。未来,智能化分析凭借其即时、准确、低成本的优势,在更多视频监控应用场合取代人力将是大势所趋。


人工智能赋能安防,各类基于人工智能技术的垂直应用不断涌现。视频监控系统前后端均实现智能化,前端“智能化”,后端“云化”,并逐渐演变为“边缘节点”、“边缘域”、“云中心”三个层次,云边融合的产业生态圈成为安防系统正在发生的新趋势。

智能安防刺激视频监控需求

物联网对智能安防的技术支持主要体现在智能安防中的核心部分——安防视频监控。如平安城市的联网监控,物联网能够使分散的监控资源整合成为按地区区域划分的一体化监控资源,并将地区资源整合成为一个广域监控资源。更关键的是,物联网帮助智能安防监控衍生出各种智能视频分析技术,智能视频监控迎来巨大的发展机遇。


作为国内安防市场占比最高的子行业,我国视频监控市场维持强劲上涨态势,发展速度远超全球其他地区。据中商产业研究院数据显示,2012-2016年间我国视频监控市场均维持15%以上增长率,2017年我国视频监控市场首次突破2000亿元,2019年达到2790亿元。根据中商产业研究院统计,全国视频监控市场将在2020年底突破3000亿元。

安防监控:从模拟化到数字化,从高清化到智能化

安防行业经历了模拟监控、数字化、高清化、智能化几个阶段,在整个演变过程和未来发展脉络中安防芯片很大程度上影响着安防系统的整体功能、技术指标、稳定性、能耗、成本等。


具体而言,视频监控系统的前、后端设备都需要相应芯片的支持:前端设备完成对视频信号的获取,包括一台或多台摄像机及其配套设备,完成图像、语音、报警和状态信息的采集。摄像机将现场情况拍摄成为模拟/数字视频信号,传输到监控系统中,对应模拟摄像机需要ISP芯片,网络摄像机需要IPC APU芯片;后端设备包括控制、显示、存储等。控制端完成视频信号的显示切换、云镜的控制、资源的分配,实现调度管理的功能;显示端完成对视频信号终端设备的输出;录像存储端主要完成数字视频信号存储和回放,对应模拟摄像机需要DVR APU芯片,网络摄像机需要NVR APU芯片。


IPC APU芯片:视频监控网络摄像机的核心

IPC APU通常包含ISP模块和视频编码模块,经过摄像机前端图像传感器采集的视频原始数据经过ISP模块处理后,送到视频编码模块进行压缩。压缩后的视音频码流通过网线或者无线链路传输到后端NVR,NVR对视音频数据进行接收处理并存储,后期需要回溯时可调出存储的视音频数据进行检索回放。


IPC APU芯片:视频监控网络摄像机的核心

IPC结构复杂,包括多种功能模块。在前端IPC APU芯片领域,通常集成了嵌入式处理器(CPU)、图像信号处理(ISP)模块、视音频编码模块、网络接口模块、安全加密模块和内存子系统,部分芯片还集成了视频智能处理模块。一般而言,前端智能化的实现即通过在IPC APU中集成视频智能处理模块。据IHS数据显示,2013-2018年,中国视频监控处理器芯片市场规模复合增长率为15.1%,视频监控图像传感器市场规模复合增长率为11.9%。


IPC APU:国内安防芯片厂商竞争焦点

国内安防视频监控竞争格局呈现高集中度,其中海康威视、大华、宇视三大厂共占有56.4%的中国市场。国产安防监控终端的高集中度也推动IPC APU芯片的市场呈现高集中度。


IPC APU芯片市场提升空间大,是国内各大安防芯片厂商竞争的焦点。在安防监控网络化、智能化已成趋势的当下,应用IPC APU芯片的网络摄像机占比逐年提升,也是安防芯片厂商重点开拓的方向。根据前瞻产业研究院数据显示,2018年该市场最主要的玩家包括海思、星宸科技、德州仪器(TI)、安霸。其中德州仪器与海思凭借其出色的性价比,目前已占有较高的市场份额。此外,星宸科技、富瀚微、国科微、北京君正也将IPC芯片作为重点培育的方向,均不断有新产品落地,并获得了较高的营收增速,未来将成为IPC芯片领域有力的竞争者。

APU

5G赋能,APU迎接智能新时代


智能手机:5G手机推动APU量价齐升


手机APU市场回暖,下半年有望高增长

根据Strategy Analytics的报告显示,2020年Q2全球智能手机应用处理器市场收益份额排名前五的分别是:高通,海思,苹果,联发科以及三星LSI。其中高通以32%的收益份额排名第一,海思和苹果以22%和19%的收益份额紧随其后。


2020年第二季度,全球智能手机应用处理器销售额达到58亿美元。上半年受疫情影响,智能手机APU出货量同比下降13%,但5G领域仍保持高增长。下半年随着疫情影响减弱,市场逐渐回暖以及iPhone 5G手机的发布,手机APU市场有望迎来高增长。


5G建设超预期,智能手机迎发展机遇

5G基站超50万,建设进度远超预期。据工信部日前发布报告称,我国5G商用已正式启动,建成5G基站超过50万个,5G终端连接数已超过1亿,平均每周新开通基站超1.5万个,“十三五”互联网普及率预期目标已提前完成。伴随着5G基础设施建设的加快,5G手机的出货量也将持续增长。


5G推动手机出货量增长,APU应用处理器市场需求广阔。随着5G基站的建设完成,我国5G用户目前已超1.1亿个,5G时代手机仍是移动端核心产品,渗透率将会不断提高。2020年1-8月,我国5G手机累计出货量达9367.9万部,占比46.3%。在4G手机发展饱和阶段,市场需要寻求突破,5G手机换机潮将会成为非常好的发展机遇,同时带动手机应用处理器市场需求不断提高。


全球5G手机规模高增长,中国市场占比超6成

全球智能手机市场规模超5000亿美元。自2016年以来,全球智能手机市场逐渐饱和,连续多年持续负增长态势,随着5G技术的发展与5G手机渗透率的逐步提高,全球智能手机市场将开始新一轮增长,据IDC数据显示,2019年全球智能手机出货量13.71亿台,预计2020年全球5G手机出货量约2.4亿台,其中中国市场5G手机出货量将超过1.6亿台,并且在未来5年内持续占据全球一半以上的市场份额。


随着5G时代的到来,5G手机在处理器、射频以及滤波器等组件方面将有明显提升。伴随5G手机销量的增长,我们预计5G手机产生的需求将持续拉动智能手机APU市场增长。


智能平板:线上应用拉动市场迎来新增长


学生平板出货量大增,推动APU放量

后疫情时代,在线教育火爆,平板电脑市场迎新增长点。2020年第二季度,中国平板电脑市场出货量约661万台,同比增长17.7%,其中消费市场出货约561万台,占比高达85%。疫情期间因在线教育产生的需求得到延续,智能平板迎来新增长点,进入发展快车道。


学生平板市场表现良好,出货量大增。2020年二季度中国学生平板电脑市场出货量约63万台,同比增长29.9%,其中步步高、读书郎、优学派、小霸王以及好记星分别占据行业前五份额。目前主流学生平板大多使用高通骁龙处理器芯片以及联发科APU芯片,而随着在线教育持续发展渗透,学生平板出货量有望进一步提升,将会积极推动APU放量。


智能平板:线上应用拉动市场迎来新增长


教育信息化、智慧课堂产生平板电脑设备需求

互联网+教育规模扩大,成为平板电脑成长主要驱动力。《2018年教育信息化和网络安全工作要点》中提出鼓励采取“同步课堂”、在线开放课程等方式,帮助缺乏师资的边远贫困地区学校利用信息化手段提高教学质量。在今年针对“新基础设施”的5G创新应用指标中,国家发展和改革委员会明确为智能教育提供关键支持。截至2020年3月,我国在线教育用户规模达4.23亿,较2018年底增长110.2%,占网民整体的46.8%。


平板电脑需求不断释放。智能教室和其他项目将在各级学校中得到持续推动,教育行业对平板电脑的需求将继续增长。2019年平板电脑市场规模约为384亿美元,预计到2024年将达到约600亿美元,在2019年至2024年之间的复合年增长率约为7.2%。


在线经济发展迅速,平板电脑需求逆势增长

全球平板电脑出货量呈正增长。新冠疫情的冲击给线上教育、办公、医疗等在线经济带来新一轮成长机会,终端设备尤其是平板电脑需求旺盛。根据MarketLine的数据,2019年全球平板电脑市场规模达到384亿美元,中国市场平板电脑市场规模为114亿美元。2020年二季度,全球平板出货量约为4330万部,环比上季上升34.06%,同比去年当季上升15.78%。


近两年中国平板电脑出货量呈上升趋势,苹果、华为出货量占据前两位。2019年,苹果在中国的平板电脑出货量约为856万台,华为约为737万台。

APU

中美贸易战加速RISC-V生态成熟


ARM优势减弱,RISC-V迎发展契机


物联网应用多样化,ARM传统模式优势减弱

物联网下游具有碎片化特征,多样化需求下ARM未来优势减弱。在智能手机APU市场,ARM凭借构筑的复杂生态体系,占据了绝对统治地位,而借助其APU IP商业推广的成功,在物联网领域ARM目前也占据了较大份额,但尚未形成垄断地位。随着物联网的发展,其碎片化特征逐渐明显,下游应用多点开花,各类需求也应运而生,单一的处理器内核授权难以满足所有需求,在此趋势下ARM未来优势减弱。


物联网下游厂商大多规模较小,目前行业仍处于起步阶段,相较高昂的APU IP授权费,更希望使用开源免费的架构。IoT市场众多,但很难再有某一领域成长为智能手机市场类似的巨大规模,直接购买内核IP难以满足各类需求,而架构授权高昂的授权费又让厂商难以承受,因此在物联网领域,ARM缺点逐渐明显。


物联网指数级增长,开源架构成未来主流

相较于ARM,开源的RISC-V更具未来。随着物联网时代逐渐开启,有分析称2020全球用户数量将会达到300亿以上。回顾历史,Intel通过硬件开发标准化,完成了5亿PC用户的普及;ARM通过芯片标准化,将芯片IP授权完成了25亿手机用户的推广。如今面对上百亿的IoT市场,数以千万计的不同应用需求,需要一种更开放的形式推动,即开源,只有开源,才能降低门槛,加快技术迭代速度,实现技术普及,满足市场需求。


开源免费构筑RISC-V未来。ARM被软银收购后,从自主可控角度出发,受制于人的潜在问题在所难免。相比于ARM,RISC-V完美解决了ARM的缺点:1)开源共享,不属于某一家公司,无受制于人隐忧;2)开发共赢作为基本原则,有统一的非营利组织制定规则,任何人都可以永久免费的使用架构,进行公平竞争。


RISC-V——后起之秀,大有可为


RISC-V概述

RISC-V指令集是基于精简指令集原理建立的开放指令集架构(ISA),由美国加州大学伯克利分校教授于2010年发明。因x86和ARM高昂的专利及授权问题,伯克利研究团队选择不出合适的指令集架构使用,最终决定研发出一款全新、简单且开发免费的指令集架构,于是诞生出RISC-V架构。


RISC-V诞生于高校,起初专为研究机构使用,因此也成为一种完全开发的指令集,可以被任何学术机构或商业组织所使用,同时也是一种真正适合硬件实现且稳定的标准指令集。作为指令集架构,RISC-V极大地降低了CPU设计准入门槛,在学术界与业界均获得众多支持,如伯克利、谷歌、英伟达等,2016年RISC-V基金会正式成立开始运作,其生态产业也开始进入快速发展期。


RISC-V优势一:模块化指令集满足AIoT差异化需求

与传统指令集架构不同,RISC-V的指令集使用模块化的方式进行组织,每一个模块使用一个英文字母表示。RISC-V最基本且唯一强制要求实现的指令集部分是有I字母表示的基本整数指令子集,能够实现完整的软件编译器。其他指令子集部分为可选模块,具有代表性的模块包括M/A/F/D/C等。


RISC-V为实现不同设计要求,可提供不同模块子集。为提高代码密度采用压缩指令子集用C表示,为进一步减少面积采用嵌入式架构用字母E表示。除此之外还有若干模块以满足各种不同需求,通过这些模块化指令集,开发者可以快速选择不同组合来满足不同的应用,简洁、模块化、可扩展,能够满足AIoT万亿级市场的差异化需求。


ARM生态产业链


RISC-V优势二:精简高效契合嵌入式场景

相较于x86与ARM架构数千页的架构文档,RISC-V简单直接,其架构文档分为指令集文档和特权架构文档,其中指令集文档100多页,特权架构文档不到百页,基本指令数目仅几十条,拥有短小精悍的架构特点。同时RISC-V拥有模块化特征,能够使开发者选择不同的模块进行组合,以满足不同应用场景的需求。针对小面积、低功耗的嵌入式场景,可选择RV32IC组合指令集,而针对高性能应用操作系统场景,则可选择RV32IMFDC指令集,大大降低开发难度。


此外,RISC-V还拥有简洁的存储器访问指令、可配置的通用寄存器组、规整的指令编码以及高效的分支跳转指令等优点,配合其简洁、模块化指令特点极其适合低功耗嵌入式场景领域。


RISC-V优势三:先进指令架构,多领域支撑市场发展


ARM概述:处理器架构新王者

处理器技术经历几十年发展演进,不断发展成熟,现阶段处理器往往需要(1)指令集尽可能规整以设计出更高的主频与更低面积(2)以IoT应用为主的极低功耗处理器更加苛求低功耗与低面积;(3)存储器资源也更加丰富,因此导致很多早期RISC架构设计理念过时,成为负担。同时作为商用架构需要保持向前和向后的兼容性,且在定义新架构部分时往往需要为适应旧定义而放弃简单化设计,因此架构十分冗长。早期RISC架构往往在高性能处理器硬件设计和及低功耗处理器设计两方面难以平衡。


RISC-V架构得益于后发优势,对于计算机发展多年暴露出的问题能够很好的规避,同时不存在向后兼容的历史包袱,设计理念先进,更加适合运用于新兴技术领域。


RISC-V优势四:灵活度高,满足物联网需求

物联网下游应用具有碎片化的特征,从技术方面来看RISC-V架构十分满足物联网下游应用需求。在灵活性与多样性方面,RISC-V架构预留了大量编码空间及用户指令,能够让用户自由修改、扩展以满足其不同应用需求;在功耗方面,物联网下游应对多数采用嵌入式处理器,相较性能更加注重芯片低功耗特点,RISC-V拥有精简的指令架构,十分满足下游需求。


物联网作为一个新兴领域,场景碎片化,芯片难以批量使用,因此重视研发成本,同时包含大量初创公司,难以支付高额授权费用,而相比于x86与ARM架构高昂的授权费及专利保护,RISC-V完全开源免费,能够有效降低开发成本,完美契合物联网特征


RISC-V优势五:开源免费,成国产契机

由于x86与ARM架构极高的授权壁垒,以及中美摩擦下,芯片国产自主化进程的加速,我国急需一种新的处理器架构以满足自主化需求。RISC-V架构有着(1)开发共享,不属于某一家商业公司私有;(2)以开放共赢为基本原则,任何公司和个人都可以永久免费使用等特征。目前中国已成为RISC-V阵营中坚力量,在我国半导体国产化进程加速大背景下,RISC-V有望成为国产处理器崛起契机。


英伟达收购ARM,或将利好RISC-V。随着英伟达宣布收购ARM,市场对于ARM能否继续保持中立产生怀疑态度,授权公司不得不开始寻求潜在解决方案,因此RISC-V有望进一步扩大自身市场份额。


RISC-V——国产芯片自主机遇


RISC-V:国产厂商现状

中国作为RISC-V阵营的中坚力量,一直致力于建立RISC-V生态体系。近年来,国产厂商相继发布多款基于RISC-V指令集的产品,包括华米科技、兆易创新、以及全志科技等。2018年9月,中国RISC-V产业联盟成立,同年11月中国RISC-V生态联盟成立,加速推动中国RISC-V产业化发展。


目前,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,2019年兆易创新携手芯来科技合作研发了基于RISC-V内核的量产通用MCU产品,面向物联网及其它超低功耗场景;另外全志科技已和阿里巴巴平头哥达成战略合作,共同布局RISC-V生态,研发全新计算芯片应用于工业控制、智能家居以及消费电子等领域,预计三年出货5000万颗。凭借开源、低功耗等特点,RISC-V有望成为国产APU发展新机遇。




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