浅谈物联网应用处理器芯片和摄像机芯片

近年来，人工智能技术与物联网技术逐步深入融合发展，通过物联网产生、收集海量数据存储于设备终端、边缘端和云端，再通过机器学习对数据进行智能化分析，最终实现了万物数据智联化，AIoT（智慧物联网）应运而生。作为AIoT设备的核心部件，芯片的重要性日益凸显。

随着物联网、人工智能和电子终端的普及，SoC芯片已经成为当前集成电路设计研发的主流方向。智能手机应用处理器芯片中苹果A系列芯片、高通“骁龙系列”芯片和联发科“天玑系列”芯片均为SoC芯片。SoC芯片主要通过采用更先进的工艺制程优化芯片的“PPA”三个核心指标。

但随着摩尔定律逐渐接近极限，晶圆制造的工艺制程演进度变慢，SoC芯片的设计开始转向芯片内部体系架构的创新和封装方面的创新。此外，根据多样化的下游应用市场，并不是全部的SoC芯片均需要采用最先进的工艺制程。

通过芯片体系架构的创新，采用相对成熟工艺制程制造的SoC芯片，也可能达到先进一代的工艺制程才能取得的“PPA”。

物联网智能终端设备的主控芯片属于SoC芯片。视频和音频是物联网智能终端产品的两大应用方向。与视频或和音频相结合应用的相关主要产品是物联网摄像机，其主要形态包括智能家居中的家用摄像机、可视门铃、婴儿监视器，智慧零售中的视觉采集设备，智慧安防中的安防摄像机、看店监控器，智慧办公中的视频会议系统，智能汽车中的全景摄像机、倒车后视镜、行车记录仪、视觉感知器，工业应用中的工业视觉系统等。仅与音频相关的应用包括TWS耳机、蓝牙音箱等。包括ISP、NPU、图像信号预处理器、系统控制、音频编解码器、模数转换器、加密模块以及众多的外设接口和人机接口。

物联网智能终端还包括其它产品形态。例如智慧办公中的门禁考勤，智慧安防中的楼宇可视对讲、智能门锁、控制面板，智能零售中的扫码枪，工业物联网中的显控器等。此外，随着物联网技术的普及，各种形态的物联网产品还将层出不穷。

SoC芯片作为各类物联网智能硬件的主控芯片，决定了下游应用产品性能强弱、功能复杂简单、价格高低的核心部件，其技术发展趋势取决于下游应用产品的需求情况。

近年来，随着5G、物联网、人工智能、大数据等技术的成熟和普及，物联网智能硬件在形态、功能、性能等方面得到大幅度提升，传统关于视频和音频的多媒体处理算法需要与深度学习算法融合，并在SoC芯片体系架构上创新，为SoC芯片带来了大量的市场需求和空前的发展机遇。

（1）物联网摄像机芯片

物联网摄像机产品

物联网摄像机是由视频编码技术、无线网络传输技术及智能追踪与识别技术、云存储技术等相结合产生的新一代摄像机。物联网摄像机对视频信息进行采集、编码后可以通过蜂窝网络或者Wi-Fi等无线通讯技术联网传输和存储，并且内嵌人脸识别、移动侦测、夜视切换、语音识别交互等智能技术。

与传统的模拟摄像机相比，物联网摄像机的一大特征是增加了无线网络接入功能，将数字化的视频信号转换成符合网络传输协议的数据流，支持上传至云端并形成用户的私有云空间；另一大特征是提升了智能化水平，物联网摄像机可以利用人工智能进行深度学习，精确识别和检测人形移动、哭声等异动、异响情形，自动跟踪拍摄异常情形运动轨迹，并向用户推送报警信息。物联网摄像机还能够利用红外夜视技术，自动切换白天、黑夜模式，实现全天候拍摄；物联网摄像机还增加了语音交互功能，可以实现双向语音通话，利用内置的遥控模块，实现对其他物联网智能硬件的控制。

近年来，随着物联网和人工智能技术的提升，物联网摄像机与其他家用产品有效融合，形成众多以视觉技术为基础的AIoT产品，例如婴儿监视器、智能猫眼、可视门锁、可视宠物喂食器、视觉扫地机器人等，应用场景不断拓宽。

根据艾瑞咨询数据显示，2020年中国家用智能视觉产品市场规模为331亿元，自2016年以来的年复合增长率高达53.5%，预计市场规模将在2025年达到858亿元，2020~2025年间的年复合增长率为21%。作为家用智能视觉的核心产品，2020年全球家用摄像机出货量为8,889万台，未来五年全球市场的年复合增长率为19.3%，预计在2025年出货量将突破2亿台。

物联网摄像机除家用外，逐步移植应用于小微实体门店，例如便利店、小型超市和餐饮小店等。运用人形识别、动作检测与跟踪技术，对小微实体门店人员出入进行监控，在商品防丢、财产防盗，门店纠纷等意外事件的证据追溯和店员的远程监督管理等方面起积极作用。根据Omdia数据显示，2020年度全球网络摄像机（不包含车载和家用）出货量为11,704万台，预计2025年出货量将达到18,675万台。

物联网摄像机凭借性能优异、综合性价比高的特点，在家用领域市场规模呈现爆发式增长的态势，并与其他家用AIoT产品交互融合，满足消费者不同的便利需求。此外，物联网摄像机已经应用于小微实体门店中，随着性能进一步提升，将逐步扩展到社区、小型工厂、智慧零售等安防领域以及更广阔的应用场景，发展前景广阔。

物联网摄像机芯片

摄像机镜头捕捉的实景画面经传感器采集为图像数据，传输至物联网摄像机芯片进行处理：

（1）图像数据先由SoC芯片中的ISP进行处理，通过3A算法、CFA插值、2/3D去噪、宽动态等一系列算法对图像噪声、亮度、色度等方面进行优化，使图像得以复原和增强；

（2）然后SoC芯片中的NPU会对复原和增强的图像进行人形、人脸智能分析；

（3）最后SoC芯片中的音视频编码器对处理后的音视频数据进行压缩，压缩后的音视频码流以及智能分析结果通过无线通信传输至云平台，与手机等智能终端互动，实现实时观看；或者在云端存储，用户可以随时解码观看。

物联网摄像机经历了100万像素（高清，720P）、200万像素（全高清，1080P）的发展历程，目前，300-400万像素的物联网摄像机已经成为行业主流产品。随着5G和Wi-Fi6技术的普及，无线通信传输速度将大幅提升，数据延时将降低，推动视频清晰度向超高清发展（4K、8K）发展，进一步改善家用摄像机的清晰度和用户体验。物联网摄像机也可以与更多智能家居产品进行融合，产生更多的市场需求。另一方面，随着物联网摄像机向超高清发展，将改变原有传统安防摄像机的数据传输、存储和计算模式。物联网摄像机芯片可以内嵌在各种不同设备中，安防摄像机的产品样式将多样化，不仅以枪机、球机的样式存在，提升物联网摄像机芯片在安防摄像机的渗透率。因此，具有4K、8K超高清分辨率视频编码能力的物联网摄像机SoC芯片将得到快速发展。

物联网摄像机从最初的图像采集功能逐步发展为能够对采集图像进行一些基础的识别算法处理。近年来，随着基于深度学习算法的智能处理能力开始融入物联网摄像机，集成了人工智能分析能力的物联网摄像机将是一个重要的发展趋势。故具备图像智能分析算法和语音智能识别的摄像机芯片是未来的发展方向。物联网摄像机的智能化发展包括图像智能化处理和智能化分析两个方面：图像智能化处理需要增强ISP的智能处理能力，在低照度、宽动态、抖动环境下均能保证图像清晰。智能化分析要求芯片需要集成NPU，提高智能分析算力，从“看得见”、“看得清”升级为“看得懂”，从“听得见”、“听得清”升级为“听得懂”，从视觉和听觉两方面提升芯片的智能化分析水平。

目前，市场上的主流物联网摄像机主要记录固定场景的二维图像和接收固定方向的声音，即便增加了旋转功能或者采用鱼眼镜头，也仅增加了视角宽广度，记录的图像仍是二维的，接收的声音方向仍是固定的。AR（AugmentedReality，增强现实）技术与VR（VirtualReality，虚拟现实）技术，简称为XR技术。具有XR技术的物联网摄像机，能够通过摄像头阵列或者多摄像头对周围景象的采集，通过麦克风阵列对周边声音的采集，用户可以在普通显示器（例如智能手机、平板电脑或者个人电脑）和音箱上，从虚拟的角度和方向观看与倾听感兴趣的内容，并进行实时交互。因此，物联网摄像机芯片未来需要能够支持多摄像头接口，具备多路视频处理、麦克风阵列与远场拾音、图像拼接、畸变矫正、深度检测等技术能力。

（2）、物联网应用处理器芯片

物联网应用处理器产品

①楼宇对讲

楼宇对讲系统是指应用于住宅及商业建筑，具有呼叫、对讲、可视等功能，并能够控制开锁的电子系统，能够在多层或高层建筑中实现访客、住户和物业管理中心相互通话、并对小区或单元出入口通道进行控制等功能。楼宇对讲系统应用的典型场景包括住宅小区、别墅、医院、银行、学校等区域。随着城镇化和智慧城市的建设，新建住房向高端精装房以及旧楼改造将带动楼宇对讲行业发展，楼宇对讲行业需求具有持续性，市场前景广阔。

②智能门锁智能门锁是在传统机械锁的基础上智能化改进后的产品，在安全性、识别性和管理性方面更加智能、安全、便捷。智能门锁通常具备指纹开锁、密码开锁、蓝牙开锁、物联网等功能，解决了人们忘带钥匙、带钥匙麻烦、丢钥匙等传统机械锁的核心痛点，经过数代产品的迭代，智能门锁产品品类不断拓宽，价格也更加多元化，产品消费环境渐趋成熟，已经广泛应用于住宅小区、别墅、长租公寓以及商业店铺中，且呈现高速发展趋势，2021年中国智能门锁市场规模达到1,695万套，同比增长5.9%，但渗透率为仍低于韩国、日本以及欧美国家，随着我国居民消费升级和用户需求增长，市场前景广阔。

物联网应用芯片

随着物联网、人工智能和大数据技术的成熟，物联网智能硬件的功能逐渐复杂化，以满足人们日益丰富的需求，这就要求物联网智能硬件主控SoC芯片向高集成度发展。以智能门锁行业为例，开锁方式逐渐丰富，除了刷卡、指纹方式开锁外，还增加了蓝牙、密码、人脸识别等方式。因此，芯片厂商需要提升芯片的集成度，在降低下游产品综合成本的同时，减少下游客户的产品开发时间。

与传统消费电子类产品相比，物联网工业级的芯片产品的使用寿命更长，使用温度范围更广、使用环境更加复杂，还需要具备防静电和抗电磁干扰能力，这要求物联网芯片在可靠性和抗干扰能力上进一步提升。

降低芯片的功耗一直是物联网应用处理器芯片的发展趋势。采用更加先进的工艺制程可以减少芯片的功耗，但随着工艺制程的演进，漏电流问题日益突出，需要从芯片设计端采用低功耗的设计技术。在芯片设计层面，可以采用多阈值设计、多电压设计、动态频率电压缩放（DVFS）、时钟门控、可感知功耗的内存以及功率门控等方式降低芯片功耗。随着“双碳目标”在全社会的普及和实施，低功耗设计将成为芯片行业愈发重要的发展趋势。

芯片设计的三个核心指标

芯片的设计主要需要考虑三个核心指标“PPA”，从而实现产品的最优化设计。“PPA”分别指功耗（PowerConsumption）、性能（Performance）和面积（Area，或称晶粒面积，DieSize）。更低的功耗、更强的性能和更小的晶粒面积是芯片研发追求的目标，但同时追求三个指标难度较大，因为芯片性能的提升通常会带来面积和功耗的增加。因此，每款芯片的研发过程实际是追求上述三个核心指标的平衡点。

芯片的功耗主要包括两种形式：动态功耗和漏电功耗。动态功耗是由晶体管状态切换造成；漏电功耗由晶体管尺寸缩小后的量子效应产生。在“碳达峰”和“碳中和”的大背景下，减少芯片的动态/漏电功耗已经成为芯片行业的共识。除了积极探索芯片的新材料外，在芯片设计阶段，研制工艺制程更加先进的芯片、开发低功耗的芯片设计与验证流程、合理的芯片架构、自研电源管理IP均有助于降低芯片功耗。

芯片的性能是指芯片完成特定任务的能力，不同芯片的性能衡量指标不同。例如CPU通常用MIPS（每秒处理百万机器语言指令数）、工作频率、Cache容量、指令位数、线程等指标衡量；NPU通常用OPS（每秒执行运算的次数）、硬件利用率两个指标来衡量。在芯片设计阶段，提高芯片的性能除了芯片体系架构、算力算法创新外，还需要高端的EDA软件及相关设备的支持。

单片晶圆的面积是固定的，目前主流的晶圆面积为8寸和12寸。若单颗晶粒面积越小，单片晶圆产出的芯片也就越多。因此，在实现相同功能与性能的情况下，晶粒面积越小，成本优势更加明显。在当前制造工艺条件下，可以通过芯片体系架构创新、芯片设计优化和布局布线版图工艺制程来减少芯片的晶粒面积。

SoC芯片设计的特点

SoC芯片作为系统级芯片，具有两个显著特点：一方面是SoC芯片的晶体管规模庞大，一颗芯片的晶体管数量为百万级至百亿级不等；另一方面，SoC可以运行处理多任务的复杂系统，即SoC芯片需要软硬件协同设计开发。

SoC芯片庞大的硬件规模导致其设计时通常采用IP复用的方式进行设计，IP是指SoC芯片中的功能模块，具有通用性、可重复性和可移植性等特点。在SoC芯片研发过程中，研发人员可以调用IP，减少重复劳动，缩短研发周期，降低开发风险。此外，SoC芯片设计企业需要搭建软件部门，针对SoC芯片配套的软件系统进行开发。

SoC芯片设计难度高、体系架构复杂，涉及SoC芯片总体架构，中央处理器、音视频编解码、ISP等各种关键IP以及无线连接技术等多个领域的技术。对SoC芯片设计企业的研发人员素质要求较高，需要具备一支掌握信号处理、半导体物理、工艺设计、电路设计、计算机科学、电子信息等多个专业领域知识的研发团队，设计时需要综合考虑多个性能指标，综合性强、设计难度大。

SoC芯片下游应用领域广阔，细分市场较多，呈现多样化特征。下游应用产品更新迭代速度较快，故芯片设计企业需要持续投入资源对芯片进行深化和优化，在原有基础上不断更新升级。此外，AIoT技术的成熟对芯片的智能算力、功耗和集成度提出了更高的要求，将进一步增加SoC芯片设计的复杂程度。

物联网摄像机芯片行业主要企业

（1）德州仪器（TXN.O）

德州仪器成立于1930年，总部位于美国德克萨斯州，是世界上最大的模拟电路技术部件制造商，是全球领先的半导体跨国公司。除半导体业务外，德州仪器主要从事创新型数字信号处理与模拟电路方面的研究、制造和销售，还提供包括教育产品和数字光源处理解决方案。德州仪器在美国纳斯达克证券交易所上市。根据其披露的定期报告，2022财年，德州仪器实现营业收入200.28亿美元，净利润87.49亿美元。

（2）恩智浦（NXPI.O）

恩智浦创立于2006年，总部位于荷兰埃因霍温，是全球前十大非存储类半导体公司，以及全球最大的汽车半导体供应商。恩智浦主要从事安全互联汽车、移动设备、工业互联网、智慧城市、智慧家居、通信基础设施等领域解决方案的研发。2010年，恩智浦于美国纳斯达克上市。2022财年，恩智浦实现营业收入132.05亿美元，净利润28.33亿美元。

（3）安霸股份（AMBA.O）

安霸股份成立于2004年，总部位于美国加州，是一家低功耗、超高画质影音压缩与影像处理半导体的解决方案龙头供应商，是高清视频及高清监控摄像机业界的技术领导者。安霸股份在美国纳斯达克证券交易所上市。根据其披露的定期报告，2022财年，安霸股份实现营业收入3.32亿美元，净利润-0.26亿美元。

（4）深圳市海思半导体有限公司

深圳市海思半导体有限公司成立于2004年，总部位于广东省深圳市。致力于为智慧城市、智慧家庭、智慧出行等多场景智能终端打造性能领先、安全可靠的半导体基石，服务智慧视觉、智慧IoT、智慧媒体、智慧出行、显示交互、手机终端、数据中心及光收发器等多个领域。

（5）星宸科技股份有限公司

星宸科技股份有限公司成立于2017年，总部位于福建省厦门市。其主营业务为图像信号处理（ISP），音视频编解码的研发设计和销售，下游应用领域包括高清行车记录仪细分市场、数字网络摄像机和网络录像机等。2022年度，星宸科技股份有限公司实现营业收入23.68亿元，净利润5.64亿元。

（6）富瀚微（300613.SZ）

富瀚微成立于2004年，总部位于上海市，专注于以视频为核心的专业安防、智能硬件、汽车电子领域芯片的设计开发，为客户提供高性能视频编解码SoC芯片、图像信号处理器ISP芯片及完整的产品解决方案，以及提供技术开发、IC设计等专业技术服务。富瀚微在深圳证券交易所上市。根据其披露的定期报告，2022年度，富瀚微实现营业收入21.11亿元，净利润3.78亿元。

（7）北京君正（300223.SZ）

北京君正成立于2005年，总部位于北京市，主营业务为微处理器芯片和智能视频芯片的研发设计和销售，微处理器产品线主要应用于生物识别、二维码识别、商业设备、智能家居、智能穿戴、教育电子及其他物联网相关领域，智能视频产品线主要应用于安防监控、智能门铃、人脸识别设备等领域。北京君正在深圳证券交易所上市。根据其披露的定期报告，2022年度，北京君正实现营业收入54.12亿元，净利润7.79亿元。

（8）国科微（300672.SZ）

国科微成立于2008年，总部位于湖南省长沙市，主营业务产品包括高端固态存储主控芯片及相关产品、H.264/H.265高清安防芯片、直播卫星高清解码芯片、智能4K解码芯片、北斗导航定位芯片等一系列拥有核心自主知识产权的芯片等。主要应用于固态硬盘产品相关拓展领域、高清IPCamera产品、卫星智能机顶盒、有线智能机顶盒、IPTV、OTT机顶盒以及车载定位与导航、可穿戴设备等对导航/定位有需求的领域。国科微在深圳证券交易所上市，根据其披露的定期报告，2022年度，国科微实现营业收入36.05亿元，净利润1.53亿元。

2、物联网应用处理器芯片主要企业

（1）德州仪器（TXN.O）

（2）意法半导体（STM.N）

意法半导体成立于1987年，由意大利SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。意法半导体总部位于瑞士，是世界最大的半导体公司之一。意法半导体主要从事半导体专用产品和标准产品的设计制造，提供多媒体应用一体化和电源解决方案。意法半导体分别于纽约证券交易所、泛欧证券交易所和意大利米兰交易所上市。2022财年，意法半导体实现营业收入161.28亿美元，净利润39.66亿美元。

（3）英飞凌（IFXGn）

英飞凌成立于1999年，总部位于德国慕尼黑，是全球领先的半导体公司之一。英飞凌主要为汽车和工业功率器件、芯片卡和安全应用提供半导体和系统解决方案。英飞凌在德国法兰克福证券交易所和美国柜台交易市场上市。2022财年，英飞凌实现营业收入142.18亿欧元，净利润21.79亿欧元。

（4）联阳（3014.TW）

联阳成立于1996年，总部位于中国台湾新竹，主营业务为PC控制芯片、笔记本电脑内嵌式控制芯片、高速影音相关芯片和应用处理器系统芯片等。根据其披露的定期报告，2022年度，联阳实现营业收入新台币52.12亿元，净利润新台币12.18亿元。

（5）全志科技（300458.SZ）

全志科技成立于2007年，总部位于广东省珠海市，主营业务为智能应用处理器SoC、高性能模拟器件和无线互联芯片的研发与设计。主要产品为智能应用处理器SoC、高性能模拟器件和无线互联芯片。公司产品广泛适用于智能硬件、平板电脑、智能家电、车联网、机器人、虚拟现实、网络机顶盒以及电源模拟器件、无线通信模组、智能物联网等多个产品领域。全志科技在深圳证券交易所上市，根据其披露的定期报告，2022年度，全志科技实现营业收入15.14亿元，净利润2.11亿元。

编辑：黄飞