arm传感器 “芯”慌未定，ARM进击，移动处理器“新贵”如何破局？
“芯”慌未定，ARM进击，移动处理器“新贵”如何破局？
图片来源@视觉中国
文丨头豹
2021年，智能手机、笔记本电脑已成为大部分人生活、工作中的必需品。如何“科学地”挑选一款“使用流畅、性能强劲”的智能手机或笔记本电脑？移动端处理器至关重要。
首先，提及手机品牌，人们一定会想到华为、苹果、三星等名声如雷贯耳的大牌，然而细分到手机处理器领域却不尽相同。
根据数据机构Counterpoint最新研究报告显示，2021年第三季度全球手机处理器市场份额的40%都被一家公司占据，不仅如此，这家公司与苹果华为三星均没有任何关系，却已持续一年多占据市场份额领先地位。
这家企业便是联发科技股份有限公司（以下简称：“联发科”）。背靠着台积电的强大实力和国产品牌小米、中兴、OPPO等的强劲销量，长期以卓越性价比和高性能著称的联发科一跃成为了“全球缺芯”状态下逆势增长的移动端芯片企业。
12月16日联发科正式发布天玑9000处理器，据悉，Redmi K50系列机型将搭载此芯片。
除手机处理器外，笔记本电脑端处理器市场同样引人注目。自本世纪以来，“英特尔”、“AMD”双寡头品牌几乎占据了笔记本电脑端处理器的全部市场份额，二者处于“你追我赶”的竞争状态中。
但随着以苹果M1 Max为代表搭载ARM架构处理器桌面端产品的入场，“新贵”ARM架构能否依靠强大的生态背景挑战“老牌”X86架构？未来，纵观移动端处理器产业链，又存在着哪些机遇和壁垒？
本文，头豹研究院将带您深入剖析全球移动处理器的产业链现状，提供基于数据研究和市场调研的独家分析观点。
移动处理器相比台式处理器更注重能源效率
移动处理器专门针对包括笔记本电脑、智能手机、平板电脑等移动智能终端，除了追求性能，也追求低热量和低耗电，最早的笔记本电脑直接使用台式机的CPU，但是随CPU主频的提高，笔记本电脑狭窄的空间不能迅速散发CPU产生的热量，还有笔记本电脑的电池也无法负担台式CPU庞大的耗电量，所以开始出现专门为笔记本设计的移动处理器。
笔记本的处理器在制作工艺上要比同时代的PC处理器要更加的先进，笔记本处理器要具备PC处理器不具备的电源管理技术，所以要使用更高的微米精度,所以各个要求都要大于普通PC处理器上的要求。
使用场景中，移动处理器架构在越来越轻薄的笔记本与智能手机等移动终端上，对能源效率的高要求越来越明显，倒逼处理器技术的发展。
ARM架构大放异彩，进军PC端
英特尔X86主导计算机、服务器市场，ARM架构垄断手机市场，看似二者分境而治，实则业界对于二者谁能主宰未来市场的讨论一直进行着。
ARM架构将贯穿从IoT领域、移动端到桌面端最后占领服务器领域，从而取得全面的胜利；另一方则认为X86架构强大之处在于英特尔积累的服务器芯片以及部分闭源的专业级领域生态系统几乎不可撼动。另外也有中立者认为二者并不具备可比性，ARM在功耗上的优势与X86在性能上的优势都是不可替代的。
ARM架构的处理器在移动端消费电子上作为旗舰笔记本的处理器已日趋成风，主打能耗的ARM架构正在不断加强性能的供给，并逐渐在性能上与X86移动处理器平分秋色。苹果新推出的基于ARM的M1 Max芯片在维持低能耗的特质上，通过扩大晶体管规模发挥了突破消费电子天花板的性能表现。
在节能的时代趋势下，追求性能为第一位的桌面处理器若开始对节能提出要求，ARM进场桌面PC处理器将势同ARM最初从手机端处理器进入笔记本电脑处理器的场面。
而随着亚马逊AWS、华为、阿里等云厂商在开发基于ARM的服务器的进程的推进，一线厂商的选择也代表了ARM在服务器领域的巨大潜力。
移动处理器进入集成多种芯片的大整合时代， 异构计算和SoC成为主流
摩尔定律指的是：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的电脑性能，将每隔18-24个月翻一倍以上。
这一定律到今天为止，基本上准确预测了半导体行业的发展节奏。此前摩尔定律几乎每年都会推动微处理器的性能提升50%，而半导体的物理学限制却让其放慢了脚步。如今，CPU的性能每年只能提升10%左右。
在移动互联网时代，单一芯片应对不同形式计算力不从心，异构计算成为主流。移动设备或者云平台需要处理各种各样的信息，包括通讯、执行程序、处理图片、娱乐游戏、处理各种传感器的信息等等。传统依靠类似 CPU 这样通用处理器来处理这些信息的效率非常低。CPU 这种为顺序计算而设计的处理器，一旦被占用，其他处理请求就只能等待，导致时间效率低。
ARM类处理器在消费类电子市场份额扩大， 驱动SoC的市场份额增长
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，因此它是集成电路设计发展的必然趋势。在性能和功耗敏感的终端芯片领域，SoC已占据主导地位；而且其应用正在扩展到更广的领域。单芯片实现完整的电子系统，是IC产业未来的发展方向。
SoC的下游应用领域分布于消费电子、智能家居、智能安防、智能商显、汽车电子。消费电子包括智能手机、平板电脑和便携电脑是SoC市场占据最大份额且未来应用方向种最重要的赛道。
ARM架构在SoC之上，随着ARM类处理器在消费类电子的市场份额的扩大，将驱动SoC的的市场份额的增长。预计2023年，SoC总体市场规模将达到2,070亿美元。
SiP技术崛起，与消费类电子的需求相契合
伴随着集成电路(Integrated Circuit)微缩(Scaling)技术的蓬勃发展，将各式功能的电子零件整合在同一集成电路芯片上而成为一个子系统，此即为系统级芯片技术(System on Chip, SoC)的基本概念。
将各式不同功能的芯片及组件整合在同一封装的技术，即统称为系统级封装(System in Package, SiP)。两者皆是为了提升各种电子系统效能、降低成本而 发展出的系统整合技术。
消费性电子产品如智能手机、数字相机、平板计算机、智能电视等，很多应用上要求的特性与SiP的优势能有相辅相成的效果，因此也是最多使用 SiP 产品的领域。
传统 CMOS 的制造技术一直遵循着摩尔定律进行制程尺寸微缩，并且广泛应用在中央处理器(CPU)、记忆体(Memory)与逻辑(Logic) 芯片上。然而，就系统而言，多样化不同功能的组件，例如模拟电路、RF电路、无源元件等，才能因应人类感官与环境感知越来越多的需求。SoC技术加上SiP技术将“异质”的芯片整合在一起，将能创造更高价值的系统。
上游产业链，全球化分工
单个处理器芯片的生产可能涉及1000多个步骤、70个独立的跨境合作和一系列专业公司，全球化分工模式已成为半导体产业的重要特征。包含各个核心环节的大部分处理器产业链巨头分布在海外。
国产处理器产业链正在各个环节逐步替代进口，且在部分环节如IC设计和封测上达到世界一流水平。
但是其他环节如设备、材料、EDA、IP、制造等环节仍与海外龙头差距较大，目前中国以“外循环为主+内循环为辅”的模式为移动处理器产业链的常态。
在芯片的生产成本和工艺难度的综合作用下，全球芯片生产对台积电TSMC和三星电子有着巨大的依赖。半导体生产链条的复杂和高投入属性决定了规模扩产的不灵活性。
2020年，当Covid-19大流行推进了居家时代的到来创造了消费电子的巨大需求，中美紧张关系下的厂商囤积库存，多个半导体工厂遭遇意外停产都是造成缺芯潮的原因之一。
产业链中游“玩家”商业模式解析
IP供应商的商业模式是通过收取Fabless厂商授权费来支付IP供应商的开发费用、运作成本和人员成本。同时Fabless需根据处理器芯片销售按1-3%比例支付版税给IP供应商。IP供应商代表有ARM、Imagination等。
在半导体制造业逐渐呈现出产业垂直分工模式，形成了专业的IP核、无生产线的IC设计（Fabless）、晶圆代工（Foundry）以及封装测试厂商。该模式下，仅有Fabless厂商需要直接面对客户需求服务，IP核、封装测试及Foundry的厂商都为Fabless厂商服务。联发科、高通、AMD、英伟达、海思都是Fables厂商。
IDM模式的企业覆盖产业链上游设计开发到下游的品牌营销，具有较强资源调配和控制成本优势，IDM模式成为当前具备较高盈利水平的商业模式，目前全球主要的手机芯片制造商业模式是IDM模式。英特尔、三星均采用IDM商业模式。
联发科、高通出货量长期占市场50%以上， 三星、华为海思市场份额缩水
高通产能依赖于三星，而三星无法满足高通的产能需求，且甚至暴风雪侵袭德州晶圆厂时高通产品供应受了影响。三星制程良率问题致使高通移动处理器效能变差。
在市场产能普遍不足情况下，联发科背靠台积电代工厂，结合主打性价比的产品市场竞争力，联发科天玑系列紧靠小米、荣耀、OPPO、vivo、中兴等品牌出货广受欢迎。
移动处理器与桌面处理器最大的区别在于对能效的高要求，以减少对电池容量和散热单元的依赖，在这个基础上提高处理器性能。
在SPECint2017针对手机处理器搭建的评测环境中，苹果A15 Bionic P-core的评分几乎超越锐龙5950X是2020年AMD发布的一款消费级桌面处理器，且已经超越了笔记本处理器酷睿11980HK的表现。虽然这个评测是在测试P-core单核的极限性能，其结果与日常使用相距甚远，但却从技术和工艺构成上体现了手机端的移动处理器的高性能。
同样骁龙888，三星E2100，天玑1200等各大手机端移动处理器厂商的旗舰与次旗舰产品在性能、功耗和能效上的表现也不相上下。需要提及的是，六大手机处理器厂商都采用了ARM指令集+SoC架构的方案。
随着5G的加速普及、AI技术的发展和消费升级，用户需求与应用需求的快速迭代将驱动手机端移动处理器技术的快速发展和市场空间的扩大。
笔记本移动处理器长期垄断， ARM厂商突破英特尔和AMD垄断地位
笔记本移动处理器市场参与者
笔记本市场由搭载不同的操作系统分类可出Windows笔记本、Linux笔记本、Chromebook和MacBook。英特尔在四个品类都有着长期以来的绝对市场地位，遥遥领先。
而英特尔和AMD双寡头在笔记本处理器领域占据了几乎全部市场份额。随着2021年第一季度AMD在桌面处理器的市场份额超越英特尔，AMD在2021年第二季度首度市场占有率超过了25%，压缩了英特尔的市场份额。AMD的市场份额上升在产品侧得益于其高性价比核心产品竞争力的凸显，在市场侧则得益于英特尔的供货能力疲弱和疫情带动教育领域对低价入门笔记本的需求激增。
苹果的笔记本产品在2020年开始采用自研ARM架构的M1处理器取代原来英特尔的处理器采购订单。在2021年11月随着新推出的M1 Max/Pro，苹果MacBook系列产品全部可选自主研发的 M 系列处理器, 开始迅速抢占台式机和笔记本电脑处理器的市场份额。
更多笔记本移动处理器厂商进场，ARM大放异彩
M1也已经搭载在了桌面级电脑iMac上，X86在苹果生态中将逐渐边缘化。随着苹果证明笔记本处理器甚至桌面处理器采用ARM架构的可行性后，吸引了更多厂商开始自行研发Arm架构笔记本处理器。同时Windows、Linux和Chromebook完成支持ARM的转型，使X86笔记本处理器龙头英特尔面临压力。而英特尔即将发布的第12代酷睿Alder Lake-P也在X86架构中采用了类似ARM架构的大小核设计。
高通继此前推出过的8cx和8cx Gen 2笔记本移动处理器后，高通自研架构的面向高性能笔记本的移动处理器SC8280或将会在2022年登场。三星即将推出的Galaxy Book 笔记型电脑也将搭载自研ARM 架构Exynos 2200 处理器，并有望2021第四季度发布。联发科也与AMD成立了合资公司，瞄准ARM架构的笔记本处理器市场。
苹果M1 Max跨越能效鸿沟
在不同的评测基准中，M1 Max的表现高于X86平台的高端笔记本处理器、且接近于高端台式机处理器的性能。并且在能效表现中，远低于intel i9-11980HK的能耗。
但M1 Max作为一枚高能效比的移动SoC，与带有独显的X86工作站平台相比，M1 Max难以完成许多人设想的越级挑战。
深度见解
随着5G的加速普及、AI技术的发展和消费升级，用户需求与应用需求的快速迭代将驱动手机端移动处理器技术的快速发展和市场空间的扩大。
而M1 Max作为ARM架构的移动处理器的性能天花板，也在探索着消费级移动处理器的上限。
在此设想，苹果的产品思路或许更为深远，通过在消费级产品上回收在ARM+SoC芯片上天价的投入，为嵌入式处理器的升级革命奠定基础：低功耗+高性能的嵌入式芯片将支持无人机、无人驾驶、机器人、虚拟现实和更多可以集成显示和计算的场景，或将如同iPhone那样完全改变未来的交互模式。
重点关注企业：
ARM、英特尔、联发科、高通、三星电子、苹果、华为海思。
史上第一次！ARM CPU也支持多线程了 面向自动驾驶
9月份，ARM发布了首款专门针对自动驾驶汽车的Cortex-A76AE CPU核心。现在，ARM又带来了一款新的Cortex-A65AE，同时也是史上第一款支持SMT同步多线程技术的ARM CPU核心。
A76AE核心基于Helios CPU架构，首次支持“split-lock”(分离-锁定) 技术，可以让两个CPU核心运行在可配置的锁步(lock-step)模式 上，并行处理同一任务并比较，以确保最终结果的高安全性，这对自动驾驶来说至关重要。
A76AE核心面向高性能应用，A65AE架构类似，但更偏向高能效、高吞吐量应用。
A65AE第一次给ARM家族带来了多线程技术，和Intel、AMD的完全一样都可以让单个CPU核心同时执行两个线程，不过技术细节公布得非常少，只是说是乱序执行流水线设计，吞吐量比A53高了3.5倍。
同时它也继承了A76AE的锁步模式，其中一个核心的两个物理线程与另外一个核心的两个物理线程并行，实现硬件级校验，同时对操作系统完全透明。
工艺方面，A65AE核心主要针对7nm优 化，但具体能达到多高的频率，ARM也没有明说。
ARM表示，A65AE CPU核心主要搭配去年发布的MaliCamera系列图像信号传感器家族的首款产品“Mali-C71 ”，联合带来更智能的自动驾驶体验。
ARM表示，第一款基于A65AE架构的芯片将在2020年面世。
那么，ARM的手机处理器核心啥时候才会也支持多线程呢？
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