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，成為安卓陣營首顆采用臺積電第二代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，國產(chǎn)手機(jī)品牌帶頭圍繞相機(jī)、折疊屏做硬件創(chuàng)新，在不斷拉長的換機(jī)周期爭取珍貴的單機(jī)利潤增長，而作為性能引擎的手機(jī)SoC，這些年來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，為新一輪競爭周期打了個前瞻。
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競爭格局，帶來不小的變數(shù)。
手機(jī)SoC的新競爭是從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，臺積電以營收同比達(dá)40.1%的高增獨領(lǐng)風(fēng)騷，去年下半年才正式開始接單營業(yè)的3nm占據(jù)晶圓總收入的15%。
手機(jī)SoC作為臺積電3nm異軍突起的主要推手，對于制程工藝的選擇向來激進(jìn)。從2007年進(jìn)入智能手機(jī)時代開始，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。
臺積電3nm的第一單是蘋果A17 Pro，天璣9400是安卓陣營首顆采用臺積電第二代3nm的SoC。業(yè)內(nèi)透露，臺積電3nm產(chǎn)能利用率已達(dá)100%，且嚴(yán)重供不應(yīng)求，未來不排除5nm產(chǎn)線轉(zhuǎn)換為3nm填補供應(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，簡單理解就是單位時間里干的活越多，性能越高，但同時功耗也就越大，這就會直接影響手機(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，代價卻是同樣倍增的功耗，所以手機(jī)品牌才會急著將電動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，成全這個總要犧牲那個，而制程升級是個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，而電信號能在更短的距離內(nèi)傳輸，提高了芯片的工作頻率和運行速度，兩廂綜合，能帶來芯片整體性能質(zhì)的飛躍；同時由于制程越小、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”，說的就是制程提升所帶來的產(chǎn)品端性能和功耗的飛躍。
全球第一顆采用臺積電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，怪臺積電不夠努力也并非毫無道理。
如今3nm雖遲但到，越早用上的也就在手機(jī)SoC新一輪競賽中確立了優(yōu)勢。
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（代號黑鷹），是Arm全新一代超大核，對比上代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，直接對齊PC級CPU。
GPU采用了最新Immortalis-G925，是Arm史上性能最高、效率最高的GPU。同時成為業(yè)內(nèi)首顆將PC端頂級OMM追光引擎引入移動端的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)計哲學(xué)，在“既要且要”的行業(yè)語境下，有了更明確的取舍和堅持。
衡量手機(jī)SoC性能有一個基本公式：性能=時鐘頻率（每秒執(zhí)行多少個周期） × IPC（每一時鐘周期內(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%。
外界常常將時鐘頻率視衡量性能更直觀的標(biāo)尺，但高頻的代價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)熱問題就來源于此。
因此更科學(xué)的設(shè)計思路，是在一定時鐘頻率的基礎(chǔ)上，首先考慮盡可能地做IPC提升。
類似于CMOS圖像傳感器的“底大一級壓死人”，IPC就是手機(jī)SoC的“底”，而提升IPC，考驗的是芯片的架構(gòu)設(shè)計，也是芯片設(shè)計公司內(nèi)功的體現(xiàn)。
天璣9400的IPC提升主要來源于“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，新的架構(gòu)帶來最新優(yōu)化的指令集，通過更科學(xué)的資源調(diào)度，例如線程分配，在不同場景中盡可能“物盡其用”，減少性能的冗余。
比如在瀏覽網(wǎng)頁等一些無需高算力輸出的場景下，SoC能夠在相對低頻的情況下，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在算力時代的另一個痛點——存儲。
一顆SoC的基本運算流程是：CPU從內(nèi)存調(diào)取數(shù)據(jù)，根據(jù)指令分配給GPU/NPU做對應(yīng)的計算工作，再把結(jié)果重新返回給內(nèi)存/緩存。
決定整個過程速度的除了CPU/GPU/NPU的計算速度之外，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)首個搭載了三星LPDDR5X 10.7Gbps，后者是目前全球最快的移動內(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)傳輸耗費的時間更短。
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采用臺積電4nm，到9300系列果斷拋棄大小核設(shè)計、領(lǐng)先業(yè)內(nèi)采用全大核設(shè)計，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，重新對照消費者的真實需求，對紙面性能數(shù)字的實際效益進(jìn)行了更深入的思考，和面向更長遠(yuǎn)未來的設(shè)計預(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。而在研報和手機(jī)品牌新品會上被頻繁提及的“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，智能手機(jī)作為過去十幾年體量最大的移動終端被賦予了重任：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)新的增長點。
但相較于手機(jī)品牌和機(jī)構(gòu)的熱鬧，消費者對AI手機(jī)的概念仍然模糊，體驗仍然雞肋，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)需要擁有集成或獨立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算單元（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，符合要求的所剩無幾，因為算力“過線”的手機(jī)SoC，在很長時間里只有天璣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)首個在端側(cè)實現(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，但這種模式也面對諸如數(shù)據(jù)安全、傳輸速度等問題，始終會犧牲一部分消費者體驗，例如流暢性。
天璣9400的解決思路是，在端側(cè)直接實現(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)可以在消費者夜間休息時，通過NPU做到低功耗訓(xùn)練，“睡醒的時候就越懂消費者一點?！?/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)的競爭與手機(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，但這其實只是個基線。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在于AI操作系統(tǒng)（AIOS）的應(yīng)用。
有機(jī)構(gòu)測算，以蘋果開發(fā)的多模態(tài)大語言模型Ferret-UI（參數(shù)量130億）為例，以手機(jī)屏幕分辨率1920*1080、用戶允許最長推理時間2s、硬件算力利用率60%測算，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SoC算力的需求只會越來越大。
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，帶來近年來同領(lǐng)域內(nèi)最大的一場革新。
性能向個別指標(biāo)的傾斜，也將徹底顛覆SoC傳統(tǒng)的設(shè)計思路，賽道的重塑已箭在弦上，看似熱鬧的AI手機(jī)SoC大軍中，拿到入場券的實則比想象中更少。
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，通話半小時。
DynaTAC 8000X
1995年，LSI Logic為索尼PlayStation設(shè)計了第一顆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，芯片制程的推進(jìn)、晶體管的微縮得以讓越來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)級增長的銷售額?；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)以及更不可測的未來，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終端的未來圖景里力爭一隅。
參考資料
[1]?臺積電Q2財報全方位超預(yù)期將重點擴(kuò)產(chǎn)先進(jìn)制程，上調(diào)全年資本開支，科創(chuàng)板日報
[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)研究報告，千際投行
[5]?警惕高價AI手機(jī)，遠(yuǎn)川科技評論
作者：何律衡
編輯：李墨天
視覺設(shè)計：疏睿
責(zé)任編輯：何律衡
封面圖片來自ShotDeck