10月9日，聯(lián)發(fā)科新一代MediaTek天璣旗艦芯片——天璣9400正式亮相，成為安卓陣營(yíng)首顆采用臺(tái)積電第二代3nm制程的手機(jī)SoC。

平靜已久的手機(jī)SoC賽道，由此畫出了一道全新的起跑線。

全球智能手機(jī)在2016年以后進(jìn)入存量市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)手機(jī)品牌帶頭圍繞相機(jī)、折疊屏做硬件創(chuàng)新，在不斷拉長(zhǎng)的換機(jī)周期爭(zhēng)取珍貴的單機(jī)利潤(rùn)增長(zhǎng)，而作為性能引擎的手機(jī)SoC，這些年來(lái)卻少有令人印象深刻的進(jìn)步。

去年問世的天璣9300成為最近幾年為數(shù)不多的令人驚艷的手機(jī)SoC之一，各項(xiàng)性能跑分力壓同期的蘋果A17 Pro和高通驍龍8Gen3。以天璣9300為開端，三巨頭之間開始彌漫的硝煙，為新一輪競(jìng)爭(zhēng)周期打了個(gè)前瞻。

2024年是智能手機(jī)新一輪換機(jī)潮的開始。伴隨著各類硬件創(chuàng)新陷入同質(zhì)化瓶頸，智能手機(jī)的較量回歸最硬核的主線——手機(jī)SoC。而迎面趕上的生成式AI浪潮，也將給穩(wěn)固已久的手機(jī)SoC競(jìng)爭(zhēng)格局，帶來(lái)不小的變數(shù)。

手機(jī)SoC的新競(jìng)爭(zhēng)是從3nm的博弈開始的。

今年第二季度開始，全球芯片行業(yè)進(jìn)入緩慢復(fù)蘇期，臺(tái)積電以營(yíng)收同比達(dá)40.1%的高增獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，去年下半年才正式開始接單營(yíng)業(yè)的3nm占據(jù)晶圓總收入的15%。

手機(jī)SoC作為臺(tái)積電3nm異軍突起的主要推手，對(duì)于制程工藝的選擇向來(lái)激進(jìn)。從2007年進(jìn)入智能手機(jī)時(shí)代開始，芯片制程每推進(jìn)一代，手機(jī)SoC總能最早吃到螃蟹，3nm也沒有例外。

臺(tái)積電3nm的第一單是蘋果A17 Pro，天璣9400是安卓陣營(yíng)首顆采用臺(tái)積電第二代3nm的SoC。業(yè)內(nèi)透露，臺(tái)積電3nm產(chǎn)能利用率已達(dá)100%，且嚴(yán)重供不應(yīng)求，未來(lái)不排除5nm產(chǎn)線轉(zhuǎn)換為3nm填補(bǔ)供應(yīng)[1]。

手機(jī)SoC向3nm蜂擁而至的背后，是智能手機(jī)在明顯放緩的硬件創(chuàng)新節(jié)奏中，越發(fā)尖銳的“性能-功耗”矛盾。

衡量手機(jī)SoC性能，簡(jiǎn)單理解就是單位時(shí)間里干的活越多，性能越高，但同時(shí)功耗也就越大，這就會(huì)直接影響手機(jī)的續(xù)航。

手機(jī)品牌在硬件上的“過分努力”加劇了這種矛盾。一個(gè)例子是折疊屏手機(jī)，其展開后屏幕尺寸相較于直板手機(jī)成倍增長(zhǎng)，代價(jià)卻是同樣倍增的功耗，所以手機(jī)品牌才會(huì)急著將電動(dòng)車還沒普及的硅碳電池安上手機(jī)，核心就是為了解決功耗問題。

但由于存在SoC “性能-功耗”劃定的硬件創(chuàng)新上限，種種手段不過是在螺獅殼里做道場(chǎng)，成全這個(gè)總要犧牲那個(gè)，而制程升級(jí)是個(gè)昂貴卻能夠一勞永逸的辦法。

制程數(shù)字越小，代表晶體管體積越小，同樣面積的芯片內(nèi)能塞更多的晶體管，而電信號(hào)能在更短的距離內(nèi)傳輸，提高了芯片的工作頻率和運(yùn)行速度，兩廂綜合，能帶來(lái)芯片整體性能質(zhì)的飛躍；同時(shí)由于制程越小、工作電壓更低，使得功耗降低。

芯片行業(yè)有一句老話，“一代產(chǎn)品，一代工藝”，說(shuō)的就是制程提升所帶來(lái)的產(chǎn)品端性能和功耗的飛躍。

全球第一顆采用臺(tái)積電4nm的手機(jī)SoC是天璣9000，問世至今已有3年，過去幾年手機(jī)SoC發(fā)展進(jìn)入瓶頸期，怪臺(tái)積電不夠努力也并非毫無(wú)道理。

如今3nm雖遲但到，越早用上的也就在手機(jī)SoC新一輪競(jìng)賽中確立了優(yōu)勢(shì)。

相比于蘋果A17 Pro采用的初代3nm，天璣9400采用的第二代3nm在技術(shù)上更加成熟，而相比于采用4nm的天璣9300，在整體設(shè)計(jì)上也徹底放開了手腳。

CPU采用了“1+3+4”全大核架構(gòu)，其中“1”是指Cortex-X925（代號(hào)黑鷹），是Arm全新一代超大核，對(duì)比上代X4性能提升36%，AI性能提升41%，是Arm五代超大核中性能提升最大的，直接對(duì)齊PC級(jí)CPU。

GPU采用了最新Immortalis-G925，是Arm史上性能最高、效率最高的GPU。同時(shí)成為業(yè)內(nèi)首顆將PC端頂級(jí)OMM追光引擎引入移動(dòng)端的SoC。

AI加速方面，全新搭載的NPU 890 AI性能跑分超過6700分，功耗降低了35%，具備率先支持端側(cè)LoRA訓(xùn)練和端側(cè)高畫質(zhì)視頻生成，并面向開發(fā)者提供AI智能體化的能力。

臺(tái)積電第二代3nm給了聯(lián)發(fā)科更鋒利的武器，但天璣9400的突破還在于日臻成熟的設(shè)計(jì)哲學(xué)，在“既要且要”的行業(yè)語(yǔ)境下，有了更明確的取舍和堅(jiān)持。

衡量手機(jī)SoC性能有一個(gè)基本公式：性能=時(shí)鐘頻率（每秒執(zhí)行多少個(gè)周期） × IPC（每一時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行多少指令）。產(chǎn)品迭代也主要圍繞這兩個(gè)維度做提升。

天璣9400的CPU部分沿用了天璣9300“1+3+4”的架構(gòu)，主核“黑鷹”Cortex-X925時(shí)鐘頻率為3.62GHz，較9300的Cortex-X4的3.25GHz穩(wěn)步提升，但更讓業(yè)內(nèi)矚目的卻是IPC進(jìn)一步提升了15%。

外界常常將時(shí)鐘頻率視衡量性能更直觀的標(biāo)尺，但高頻的代價(jià)往往是更高的功耗和更嚴(yán)重的發(fā)熱問題，卡住了智能手機(jī)的脖子。

作為一種對(duì)便攜性要求很高的設(shè)備，智能手機(jī)一方面不能像PC一樣長(zhǎng)期插電使用，電池容量又受限于體積，續(xù)航本就捉襟見肘；另一方面由于體積小，散熱差，對(duì)發(fā)熱極其敏感，如果GPU一樣暴力堆核心懟性能，那大概率會(huì)收獲一面能煎蛋的“平底鍋”。iPhone早期被詬病的發(fā)熱問題就來(lái)源于此。

因此更科學(xué)的設(shè)計(jì)思路，是在一定時(shí)鐘頻率的基礎(chǔ)上，首先考慮盡可能地做IPC提升。

類似于CMOS圖像傳感器的“底大一級(jí)壓死人”，IPC就是手機(jī)SoC的“底”，而提升IPC，考驗(yàn)的是芯片的架構(gòu)設(shè)計(jì)，也是芯片設(shè)計(jì)公司內(nèi)功的體現(xiàn)。

天璣9400的IPC提升主要來(lái)源于“黑鷹”Cortex-X925，作為Arm最新一代超大核，聯(lián)發(fā)科深度參與了“黑鷹”的設(shè)計(jì)，新的架構(gòu)帶來(lái)最新優(yōu)化的指令集，通過更科學(xué)的資源調(diào)度，例如線程分配，在不同場(chǎng)景中盡可能“物盡其用”，減少性能的冗余。

比如在瀏覽網(wǎng)頁(yè)等一些無(wú)需高算力輸出的場(chǎng)景下，SoC能夠在相對(duì)低頻的情況下，游刃有余地完成任務(wù)，使得整體功耗進(jìn)一步下探。

IPC和功耗以外，天璣9400還突破了手機(jī)SoC在算力時(shí)代的另一個(gè)痛點(diǎn)——存儲(chǔ)。

一顆SoC的基本運(yùn)算流程是：CPU從內(nèi)存調(diào)取數(shù)據(jù)，根據(jù)指令分配給GPU/NPU做對(duì)應(yīng)的計(jì)算工作，再把結(jié)果重新返回給內(nèi)存/緩存。

決定整個(gè)過程速度的除了CPU/GPU/NPU的計(jì)算速度之外，還有數(shù)據(jù)從內(nèi)存調(diào)取以及輸送的速度。隨著CGN（CPU、GPU、NPU）性能的瘋漲，與內(nèi)存?zhèn)鬏斔俣戎g的差距也越來(lái)越大，也就是所謂的“內(nèi)存墻”，決定了芯片算力的上限。

為此，天璣9400業(yè)內(nèi)首個(gè)搭載了三星LPDDR5X 10.7Gbps，后者是目前全球最快的移動(dòng)內(nèi)存，性能較上一代提升了25%，功耗降低了25%。并以“黑鷹”架構(gòu)為底，提升了緩存容量，緩存較內(nèi)存距離CGN更近，數(shù)據(jù)傳輸耗費(fèi)的時(shí)間更短。

自2021年推出天璣9000系列起，聯(lián)發(fā)科在高端手機(jī)SoC的發(fā)展駛?cè)肓丝燔嚨馈?/span>

從天璣9000采用臺(tái)積電4nm，到9300系列果斷拋棄大小核設(shè)計(jì)、領(lǐng)先業(yè)內(nèi)采用全大核設(shè)計(jì)，聯(lián)發(fā)科逐漸從追逐者轉(zhuǎn)變成為了技術(shù)引領(lǐng)者——截至今年上半年，天璣9300仍霸占各大手機(jī)SoC性能天梯圖、跑分排行榜的榜首位置。

天璣9400站在前代的肩膀上，重新對(duì)照消費(fèi)者的真實(shí)需求，對(duì)紙面性能數(shù)字的實(shí)際效益進(jìn)行了更深入的思考，和面向更長(zhǎng)遠(yuǎn)未來(lái)的設(shè)計(jì)預(yù)埋。

在大模型入端浪潮迭起、即將深刻改變終端設(shè)備的當(dāng)下，這種反思是必要且及時(shí)的。

隨著各大機(jī)構(gòu)公開上半年銷售數(shù)據(jù)，智能手機(jī)的復(fù)蘇被一再確定。而在研報(bào)和手機(jī)品牌新品會(huì)上被頻繁提及的“AI手機(jī)”，成為這一波復(fù)蘇不可或缺的推手。

大模型入端是AI大模型浪潮的下半場(chǎng)，智能手機(jī)作為過去十幾年體量最大的移動(dòng)終端被賦予了重任：既要為大模型變現(xiàn)，又要利用大模型為智能手機(jī)貢獻(xiàn)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

但相較于手機(jī)品牌和機(jī)構(gòu)的熱鬧，消費(fèi)者對(duì)AI手機(jī)的概念仍然模糊，體驗(yàn)仍然雞肋，根源在于AI手機(jī)的硬件核心——SoC還沒到位。

調(diào)研機(jī)構(gòu)IDC和Counterpoint都給出過AI手機(jī)的定義，共同將手機(jī)SoC列入“準(zhǔn)入門檻”。

IDC認(rèn)為，AI手機(jī)是搭載了滿足AI算力需求的移動(dòng)端芯片，并加載了深度學(xué)習(xí)AI功能的智能手機(jī)，且NPU算力必須大于30 TOPS[2]，Counterpoint規(guī)定AI手機(jī)需要擁有集成或獨(dú)立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算單元（如APU/NPU/TPU），本身具備強(qiáng)大的AI算力[3]。

按這樣的標(biāo)準(zhǔn)在市面上所謂的AI手機(jī)中挑挑揀揀，符合要求的所剩無(wú)幾，因?yàn)樗懔Α斑^線”的手機(jī)SoC，在很長(zhǎng)時(shí)間里只有天璣9300、蘋果A17 Pro、高通驍龍8Gen3，而搭載這幾款芯片的AI手機(jī)其實(shí)并不算多。

圖源：千際投行

天璣9400預(yù)告已久，早前就被傳出已經(jīng)被多家頭部手機(jī)品牌旗艦機(jī)型鎖定，也反映了這種“僧多粥少”的窘境。

作為AI手機(jī)SoC的新晉成員，天璣9400確實(shí)不負(fù)眾望。除了算力的成倍提升和功耗可觀的下降外，天璣9400的更大突破在于業(yè)內(nèi)首個(gè)在端側(cè)實(shí)現(xiàn)了推理和訓(xùn)練，并面向開發(fā)者提供AI智能體化的能力。

受制于電池容量、內(nèi)存大小等硬件配置，目前終端設(shè)備執(zhí)行復(fù)雜的生成式AI任務(wù)，大多是依靠云端協(xié)同的方式，即云端訓(xùn)練模型、終端用模型進(jìn)行推理，但這種模式也面對(duì)諸如數(shù)據(jù)安全、傳輸速度等問題，始終會(huì)犧牲一部分消費(fèi)者體驗(yàn)，例如流暢性。

天璣9400的解決思路是，在端側(cè)直接實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練和推理兩條腿走路，既規(guī)避了數(shù)據(jù)安全和傳輸問題，又能讓手機(jī)“越用越懂”。根據(jù)介紹，通過搭載天璣9400，手機(jī)可以在消費(fèi)者夜間休息時(shí)，通過NPU做到低功耗訓(xùn)練，“睡醒的時(shí)候就越懂消費(fèi)者一點(diǎn)?！?/span>

過去的十幾年，相較于PC廠商跟隨芯片大廠處理器的迭代節(jié)奏亦步亦趨、將“首發(fā)XXX處理器”作為宣傳標(biāo)語(yǔ)大寫加粗，手機(jī)品牌在產(chǎn)品創(chuàng)新的維度上，總是有除了SoC以外更好的選擇。

生成式AI浪潮催生了AI手機(jī)的誕生，將智能手機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)與手機(jī)SoC前所未有地緊密聯(lián)系在一起，也將創(chuàng)新的壓力從手機(jī)品牌的手上移交給了SoC廠商。

“30 TOPS的NPU”卡住了絕大多數(shù)SoC廠商，但這其實(shí)只是個(gè)基線。如今大多數(shù)生成式AI的應(yīng)用還在APP層面，而大模型入端的未來(lái)在于AI操作系統(tǒng)（AIOS）的應(yīng)用。

有機(jī)構(gòu)測(cè)算，以蘋果開發(fā)的多模態(tài)大語(yǔ)言模型Ferret-UI（參數(shù)量130億）為例，以手機(jī)屏幕分辨率1920*1080、用戶允許最長(zhǎng)推理時(shí)間2s、硬件算力利用率60%測(cè)算，要AI生成一張高分辨率的圖像所需峰值算力是99 TOPS[4]。

由此得出搭載AI OS的的處理器算力門檻在100 TOPS。隨著AI大模型與手機(jī)軟硬件更加深度的融合，對(duì)SoC算力的需求只會(huì)越來(lái)越大。

業(yè)界首發(fā)端側(cè)視頻生成、端側(cè)LoRA訓(xùn)練、端側(cè)混合專家（MoE）模型…在移動(dòng)終端向著智能體化的發(fā)展路徑上，天璣9400已在AI要地完成戰(zhàn)略部署，帶來(lái)近年來(lái)同領(lǐng)域內(nèi)最大的一場(chǎng)革新。

性能向個(gè)別指標(biāo)的傾斜，也將徹底顛覆SoC傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，賽道的重塑已箭在弦上，看似熱鬧的AI手機(jī)SoC大軍中，拿到入場(chǎng)券的實(shí)則比想象中更少。

1983年，摩托羅拉生產(chǎn)了世界上第一部手機(jī)DynaTAC 8000X（大哥大），30多個(gè)電路板上的幾千顆晶體管，組成了重達(dá)2磅（907g）的機(jī)身，充電10小時(shí)，通話半小時(shí)。

1995年，LSI Logic為索尼PlayStation設(shè)計(jì)了第一顆SoC，將微處理器、JPEG視頻解碼器和3D圖像引擎集成在一塊電路板上，手機(jī)由此走上了“瘦身”之路，便攜性加身，得以飛入尋常百姓家。

以此為起點(diǎn)，芯片制程的推進(jìn)、晶體管的微縮得以讓越來(lái)越多的零部件被加入機(jī)身，手機(jī)的“功能箱”不斷壯大，兌現(xiàn)成每年指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的銷售額?；仡櫴謾C(jī)發(fā)展的歷史，每一部令人印象深刻的作品背后，都有一顆SoC作為創(chuàng)新的引擎。

如今，生成式AI為智能手機(jī)勾勒了嶄新的形態(tài)以及更不可測(cè)的未來(lái)，手機(jī)SoC再次擔(dān)負(fù)起了落地的重?fù)?dān)，為智能手機(jī)在AI終端的未來(lái)圖景里力爭(zhēng)一隅。

參考資料

[1]?臺(tái)積電Q2財(cái)報(bào)全方位超預(yù)期將重點(diǎn)擴(kuò)產(chǎn)先進(jìn)制程，上調(diào)全年資本開支，科創(chuàng)板日?qǐng)?bào)

[2]?The Future of Next-Gen AI Smartphones，IDC

[3]?Generative AI Phone Industry Whitepaper，Counterpoint

[4]?2024年AI手機(jī)行業(yè)研究報(bào)告，千際投行

[5]?警惕高價(jià)AI手機(jī)，遠(yuǎn)川科技評(píng)論

作者：何律衡

編輯：李墨天

視覺設(shè)計(jì)：疏睿

責(zé)任編輯：何律衡

封面圖片來(lái)自ShotDeck