芯片行业研究报告

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1、 芯片行业研究报告 【2020年芯片行业研究报告】CPU 是计算机系统的核心，架构是 CPU 的基石美国太平洋时间 2020 年 9 月 13 日，美国图形处理器和人工智能芯片巨头英伟达（NVDA US，无评级）在官网宣布计划以总价为 400 亿美元的英伟达股票和现金从日本的软银和 软银愿景基金收购全球最大处理器内核 IP（Intellectual Property）供应商 ARM Limited。据 ARM 官网介绍，全球超过 95%的智能手机基于 ARM IP 开发，中美贸易摩擦的时代背 景下，继 X86 架构被美国牢牢掌控之后，ARM 架构或同时被美国公司掌控，引发市场对 中国缺少自主处

2、理器架构和芯片产业链安全广泛关注。因此，我们对处理器发展史、ARM 公司、ARM 与中国的合作以及处理器架构自主可控发 展等方面进行研究分析，我们认为中国芯片公司和 ARM 在移动互联时代合作中实现双赢， 国产智能手机、多媒体领域 SoC 达到世界领先，高端 32 位 MCU 实现了突破。未来智慧 物联时代带来极为丰富的应用场景和智能设备需求，基于 ARM 架构的国产 MCU、SoC 应用有广阔的发展空间。同时，我们认为英伟达收购 ARM 或将重塑全球芯片产业格局， 在中美贸易摩擦背景下，ARM 架构因其技术和市场地位有成为管制技术的潜在可能性。我们认为这种不确定性或将刺激中国自主化进程提速。

3、RISC-V 架构凭借开源和开放等优 点，有望成为中国 AIoT 领域自主可控处理器架构的最佳选择。X86 架构是目前唯一的主流复杂指令集，垄断个人计算机和服务器处理器市场。X86 架构 是英特尔公司在 1978 年发布。在过去四十多年，x86 家族不断壮大，从桌面转战笔记本、 服务器、超级计算机。目前，X86 架构授权被英特尔、超微半导体（AMD US，无评级） 和台湾威盛三家把持。其中，英特尔和 AMD 的 X86 处理器在桌面电脑和笔记本市场占据 主导地位。据 2017 年 IDC 的报告统计，X86 处理器在服务器市场占有率也高达 96%。根 据 Mercury Research 统计

4、，2019 年台湾威盛仅占有 0.1%的 X86 桌面处理器市场份额ARM 指令集架构作为目前最成功 RISC 架构，主导了智能手机和物联网芯片处理器市场。 根据英伟达公告，基于 ARM 架构的芯片已累计出货 1800 亿颗。ARM 架构处理器在智能 手机芯片、车载信息芯片、可穿戴设备、物联网微控制器等领域占到 90%以上市场份额。90 年代，MIPS 和 Alpha 作为知名 RISC 在与 X86 竞争计算机市场中失败，又在错过智能 终端高速发展的机遇中走向衰弱。2010 年发布的 RISC-V 作为从发明伊始即以开源为最 大特色的 RISC ISA 受到全球学界、产业界的高度关注。全球顶

5、级学府、科研机构、芯片 巨头纷纷参与，各国政府出台政策支持 RISC-V 的发展和商业化。RISC-V 有望成为 X86 和 ARM 之后 ISA 第三极。处理器微架构是指令集架构的物理实现冯诺依曼体系结构是现代计算机的基础。1946 年美籍匈牙利科学家冯诺伊曼提出存储程 序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据用同样的方式存储，并确 定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。冯诺依曼体系结构主要由 CPU、 存储器（Memory）和输入输出设备（I/O Device）组成。在该体系结构下，指令和数据需 要从同一存储空间存取，经由同一总线传输，无法重叠执行。冯诺依曼体系的

6、 CPU 工 作分为 5 个阶段：取指令阶段（instruction fetch）、指令译码阶段（instruction decode）、 执行指令阶段（execute）、访存取数（read memory）和结果写回（write back）。哈佛结构是另一种主要计算机架构体系。与冯诺依曼处理器相比，哈佛结构的指令和数据 存在两个相互独立的存储器模块，使用两条独立的总线连接 CPU 和存储模块。而在改进 型哈佛结构（Modified Harvard Architecture）中，指令和数据存在两个相互独立的存储器 模块，但是共用地址和数据总线。现代的复杂芯片上，已经看到纯粹的冯诺伊曼体系或 者哈

7、佛体系，而大多数能看到是两者融合或者并存的体系。实现指令集架构的物理电路被称为处理器的微架构（Micro-architecture）。因此，通俗来 讲处理器架构就是处理器电路。通常，具备独立设计处理器微架构的企业被认为有处理器 研发能力。大多数情况下，一种处理器的微架构是针对一种特定指令集架构进行物理实现。少部分处理器架构设计为了更好的兼容性，会在电路设计上实现多个指令集架构。虽然， 指令集架构可以授权给多家企业，但微架构的设计细节，也就是对指令的物理实现方式是 各家厂商绝对保密的。由于处理器的功能要求、使用场景不同、各家企业设计技术的差异 等因素，即使基于同一指令集架构，各个企业也会设计生产

8、出不同的处理器架构。在计算机时代，英特尔和 AMD 等主要处理器厂商研发处理器架构仅供应自家处理器芯片。作为垄断个人电脑和服务器的 X86 架构阵营，英特尔和 AMD 继续延续只为自家处理器芯 片设计供应处理器内核的模式。2016 年，AMD 和中国服务器企业海光合作，授权给海光 的 Zen 架构正是处理器微架构。这个授权物实际就是 AMD 根据 X86 架构设计完成的处理 器电路，并不是 X86 指令集架构。即使是以这种 IP 授权方式的合作，在 X86 阵营中也是 极少的个例。在智能移动设备兴起的近 20 年，以 ARM 模式为代表的内核微架构 IP 授权模式兴起。ARM 开发内核微架构后

9、，将它们以 IP 形式上架出售，芯片厂商以 ARM 授权的内核为基础设计 芯片使用或对外销售。基于 ARM 精简指令集架构的 ARM 内核微架构 IP 选择多样、设计 精简可靠、在低功耗领域表现优异，这种授权模式在以手机、平板为代表的移动终端芯片、 机顶盒、视频监控等应用媒体芯片等应用为代表移动智能领域获得广泛的成功。ARM 因 此也成为移动互联时代的处理器 IP 授权霸主。产业分工细化，ARM 成为处理器 IP 授权领域王者半导体产业垂直分工催生芯片 IP 产业20 世纪 90 年代开始，信息产业核心从个人计算机向手机产业过渡，信息时代从互联网为 主体的阶段向移动互联阶段过渡。智能移动终端和

10、智能多媒体产品更加复杂多样，对芯片 功能和性能需求差异化增加了设计的复杂度。另一方面，随着摩尔定律推进，先进工艺制 程芯片设计研发资源和成本持续增加。根据 2020 年 IBS 报告预测，一款先发使用 5nm 制 程芯片设计成本将高达 4.97 亿美元,相比 16nm 增长多达 5 倍；即使 5nm 将来成为成熟制 程，单款芯片设计成本也将高达 2.5 亿美元，接近 7nm 的先发芯片设计成本。全球半导 体产业在 fabless+foundry+OSAT（无晶圆设计+晶圆代工+封装测试）的分工大趋势下继 续细化分工，芯片设计产业进一步拆分出芯片 IP（Intellectual Property

11、）产业。半导体 IP（Intellectual Property）指已验证的、可重复利用的、具有某种确定功能的集成 电路模块。IP 供应商专注开发 IP 微架构，通过收取 IP 架构授权费、版税进行盈利。设计 公司在芯片设计中将得到授权的 IP 直接集成到芯片中实现功能，避免重新开发。根据 Markets and Markets 预测,半导体 IP 市场到 2024 年将达到 65 亿美元规模，市场增长的 推动因素是消费电子领域不断进步的多核技术和现代 SoC 设计领域持续增加的需求。根 据 IP 功能细分，处理器 IP 占据整最大的 IP 市场份额，根据 IPnest 统计，2019 年包括

12、 CPU、GPU、NPU、VPU、DSP 和 ISP 六大类处理器 IP 占全市场 51%份额。ARM 与移动互联时代互相成就ARM 英文全称 Advanced RISC Machines，总部位于英国剑桥。该公司成立于 1990 年 11 月，是苹果电脑，Acorn 电脑集团和 VLSI Technology 的合资公司。ARM 不制造芯片， 也不销售实际的芯片给终端客户，而是通过授权其 RISC ISA 和处理器设计方案，由合作 伙伴生产出各具特色的芯片。ARM 公司利用架构授权的模式与伙伴达成双赢，迅速成了 全球性的精简指令集微处理器标准的缔造者。2016 年 7 月，日本软银（Soft

13、bank）宣布 斥资 243 亿英镑收购 ARM 公司，但在业务上仍然保持独立运营。ARM 凭借在通用处理器 IP 领域垄断优势，在 IP 营收上稳居全球 IP 供应商排名榜首。基 于 ARM 指令集开发的 ARM 处理器内核被广泛应用于智能手机、电视机、汽车、智能家 居、智慧城市和可穿戴等设备上。据软银 2017 年世界大会公布的 ARM 市场份额显示， 超过 99%的智能手机、调制解调器，超过 95%的车载信息设备和超过 90%的可穿戴设备 搭载了 ARM 架构处理器。ARM 不出售芯片只授权架构，商业模式开创半导体行业先河作为半导体企业，ARM 独特的商业模式是不设计和制造整芯片，而是专

14、注处理器内核架 构的授权。ARM 一直以来保持作为处理器 IP 供应商的中立地位。中立地位帮助 ARM 通 过架构授权广泛推广了基于 ARM 架构的生态系统。ARM 处理器架构授权主要分为指令集 授权和处理器架构授权两个层次：一是 ARM 指令集架构授权，二是 ARM 处理器架构授 权。公司收入来源包括：1）对半导体公司的授权费用，一定时间范围内是一次性的；2） 半导体公司向其他客户销售芯片的 royalty 费用，客户每生产一颗芯片 ARM 都有一定百分 点的版税收入；3）向半导体公司、用户提供技术咨询服务的费用。ARM 通过指令集架构授权在技术上与合作伙伴互相紧密对接ARM 指令集架构授权

15、指 ARM 将 ARM RISC 精简指令集授权给受让方。受让方可以对 ARM 指令集进行大幅度改造，甚至可以对 ARM 指令集进行扩展或缩减。之后，受让方根 据自己改进过的指令集研发处理器架构，从而在根源上做到了对处理器架构的差异化设计， 保持对自研芯片的掌控力，达成独特竞争力同时又兼容 ARM 的完善生态环境。而 ARM 在这种合作模式中与合作伙伴结成高度紧密的技术合作关系。苹果的 A 系列处理器是基于 ARM 指令集架构授权自研内核的成功典范。2012 年 9 月， 苹果随 iPhone5 上市发布了 A6 处理器 SoC，这颗 SoC 基于 ARMv7 架构打造的 Swift 内 核微

16、架构开启了苹果基于 ARM 架构自研处理器内核的序幕。2013 年 9 月，苹果率先发布 搭载基于 ARMv8 架构研发的 64 位 Cyclone 架构的双核 A7 处理器。A7 作为世界首款 64 位智能手机处理器，在性能表现力压还在 32 位四核方案上竞争的安卓阵营。苹果 A 系列 处理器内核性能力压所有安卓阵营竞争对手序幕由此开启，并延续至今。2020 年，苹果 宣称新发布的 A14 Bionic 芯片性能已经堪比部分笔记本处理器。苹果在今年 WWDC2020 宣布 Mac 电脑将转向使用公司自主开发的基于 ARM 架构处理器。我们认为，苹果结束与英特尔长达 15 年的合作，转而使用自研 ARM 处理器最重要目的是 进一步封闭苹果的软硬件生态。苹果希望如同 iPhone 的成功一样，从硬件上得