內(nèi)核架構(gòu)意義凸顯RISC~V現(xiàn)新機(jī)

1、正文目錄 HYPERLINK l _TOC_250023 CPU 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心,架構(gòu)是 CPU 的基石 4 HYPERLINK l _TOC_250022 從數(shù)千晶體管到百億晶體管,CPU 在過去近五十年飛速發(fā)展 4 HYPERLINK l _TOC_250021 指令集架構(gòu)是 CPU 控制和計(jì)算指令的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 5 HYPERLINK l _TOC_250020 處理器微架構(gòu)是指令集架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn) 7 HYPERLINK l _TOC_250019 產(chǎn)業(yè)分工細(xì)化，ARM 成為處理器 IP 授權(quán)領(lǐng)域王者 9 HYPERLINK l _TOC_250018 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)垂直分工催生芯片 IP

2、產(chǎn)業(yè) 9 HYPERLINK l _TOC_250017 ARM 與移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代互相成就 10 HYPERLINK l _TOC_250016 ARM 不出售芯片只授權(quán)架構(gòu)，商業(yè)模式開創(chuàng)半導(dǎo)體行業(yè)先河 10 HYPERLINK l _TOC_250015 ARM 通過指令集架構(gòu)授權(quán)在技術(shù)上與合作伙伴互相緊密對(duì)接 11 HYPERLINK l _TOC_250014 ARM 提供多樣化處理器內(nèi)核 IP 授權(quán)，與生態(tài)伙伴實(shí)現(xiàn)雙贏 11 HYPERLINK l _TOC_250013 ARM 助力國產(chǎn)芯片質(zhì)與量雙擊，收購案或刺激自主可控提速 13 HYPERLINK l _TOC_250012 智能

3、移動(dòng)設(shè)備普及，ARM Cortex-A 助力國產(chǎn)智能終端 SoC 崛起 13物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代 MCU 需求提升，本土廠商借助 ARM Cortex-M 卡位高端市場(chǎng) 14 HYPERLINK l _TOC_250011 中國智慧物聯(lián)市場(chǎng)前景廣闊，ARM 授權(quán)仍是雙贏選擇 16ARM 收購案或帶來技術(shù)供應(yīng)不穩(wěn)定性，國產(chǎn)處理器或?qū)⒓铀僮灾骺煽靥幚砥靼l(fā)展17 HYPERLINK l _TOC_250010 RISC-V 引產(chǎn)業(yè)關(guān)注，開源模式賦予國內(nèi)處理器換道超車機(jī)會(huì) 18 HYPERLINK l _TOC_250009 RISC-V 是新興精簡指令集，開源模式吸引關(guān)注 18 HYPERLINK l _TO

4、C_250008 RISC-V 架構(gòu)迎 AIoT 新機(jī)遇 18 HYPERLINK l _TOC_250007 CPU 自主可控道阻且長，發(fā)揮新型舉國體制優(yōu)勢(shì)布局 RISC-V 19 HYPERLINK l _TOC_250006 AIoT 爆發(fā)在即，國內(nèi)多方面推進(jìn) RISC-V 發(fā)展 20 HYPERLINK l _TOC_250005 政策陸續(xù)出臺(tái)，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展 20 HYPERLINK l _TOC_250004 產(chǎn)學(xué)研齊登場(chǎng)，積極投身國內(nèi)外合作 21 HYPERLINK l _TOC_250003 科研機(jī)構(gòu)發(fā)力，展開多領(lǐng)域研究 21 HYPERLINK l _TOC_250002 企業(yè)

5、積極投身產(chǎn)業(yè)化，自主產(chǎn)品不乏亮點(diǎn) 22 HYPERLINK l _TOC_250001 國內(nèi) MCU 和 RISC-V 產(chǎn)業(yè)鏈重點(diǎn)公司情況 23 HYPERLINK l _TOC_250000 風(fēng)險(xiǎn)提示 24圖表目錄圖表 1： 世界首款商用 CPU-Intel 4004 4圖表 2： 英特爾第十一代酷睿處理器芯片 4圖表 3： 蘋果最新發(fā)布的 A14 Bionic SoC 搭載 6 核 CPU 5圖表 4： 指令集是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件和軟件之間交互的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn) 6圖表 5： ARMv8 指令集加法指令示意 6圖表 6： 馮諾伊曼計(jì)算機(jī)體系基本結(jié)構(gòu) 7圖表 7： 馮諾伊曼計(jì)算機(jī)體系中 CPU 工作流

6、程 7圖表 8： ARM Cortex-A77 處理器架構(gòu)圖 8圖表 9： AMD Zen2 處理器架構(gòu)圖 8圖表 10： 部分先進(jìn)處理器芯片架構(gòu)對(duì)比 8圖表 11： AMD Ryzen 3970 x 處理器 8圖表 12： 華為海思麒麟 9000 5G SoC 8圖表 13： 不同制程工藝設(shè)計(jì)成本預(yù)測(cè) 9圖表 14： 2019 年半導(dǎo)體 IP 以功能分類市場(chǎng)份額 9圖表 15： 2019 年全球十大半導(dǎo)體 IP 供應(yīng)商 10圖表 16： ARM 商業(yè)模式 10圖表 17： ARM 授權(quán)體系 10圖表 18： 復(fù)雜指令集和精簡指令集對(duì)比 11圖表 19： 蘋果和安卓旗艦智能機(jī)芯片 Geekbe

7、nch 單核跑分比較 11圖表 20： 三星 Exynos 4412 SoC 架構(gòu)圖 12圖表 21： 兆易創(chuàng)新 GD32E503 系列 MCU 架構(gòu)圖 12圖表 22： ARM Cortex 系列處理器 IP 12圖表 23： 2020Q2 中國智能手機(jī)處理器市場(chǎng)份額 13圖表 24： 2020Q2 全球智能手機(jī)處理器市場(chǎng)份額 13圖表 25： 華為海思?xì)v代旗艦手機(jī)芯片 13圖表 26： 部分中國本土基于 ARM 處理器的 SoC 產(chǎn)品 14圖表 27： 2019 年全球 MCU 應(yīng)用市場(chǎng)構(gòu)成 15圖表 28： 2019 年中國 MCU 應(yīng)用市場(chǎng)構(gòu)成 15圖表 29： 2015-2022E

8、中國 MCU 市場(chǎng)規(guī)模和同比增長速度 15圖表 30： 部分中國本土 32 位 MCU 供應(yīng)商和代表產(chǎn)品 16圖表 31： 中國物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè) 17圖表 32： 2019-2030 中國人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模及規(guī)劃 17圖表 33： 中國主要自主研發(fā) CPU 簡況 17圖表 34： RISC-V 大事件匯總 18圖表 35： RISC-V 內(nèi)核需求數(shù)量構(gòu)成預(yù)期 19圖表 36： RISC-V 和其他架構(gòu)授權(quán)模式比較 19圖表 37： 基于 RISC-V 已形成三種知識(shí)產(chǎn)權(quán)模式 20圖表 38： OpenHW Group 加盟成員 21圖表 39： 部分國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)基于 RISC-V 研

9、究項(xiàng)目 22圖表 40： 阿里巴巴平頭哥玄鐵 910 算力全球第一 22圖表 41： 兆易創(chuàng)新全球首顆 RISC-V 內(nèi)核 32 位 MCU 22圖表 42： 中國本土部分設(shè)計(jì)企業(yè)及其基于 RISC-V 架構(gòu)的芯片產(chǎn)品 22圖表 43： 報(bào)告中提及公司信息概覽 24CPU 是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心,架構(gòu)是 CPU 的基石美國太平洋時(shí)間 2020 年 9 月 13 日，美國圖形處理器和人工智能芯片巨頭英偉達(dá)（NVDAUS，無評(píng)級(jí)）在官網(wǎng)宣布計(jì)劃以總價(jià)為 400 億美元的英偉達(dá)股票和現(xiàn)金從日本的軟銀和軟銀愿景基金收購全球最大處理器內(nèi)核 IP（Intellectual Property）供應(yīng)商 ARM L

10、imited。據(jù) ARM 官網(wǎng)介紹，全球超過 95%的智能手機(jī)基于 ARM IP 開發(fā)，中美貿(mào)易摩擦的時(shí)代背景下，繼 X86 架構(gòu)被美國牢牢掌控之后，ARM 架構(gòu)或同時(shí)被美國公司掌控，引發(fā)市場(chǎng)對(duì)中國缺少自主處理器架構(gòu)和芯片產(chǎn)業(yè)鏈安全廣泛關(guān)注。因此，我們對(duì)處理器發(fā)展史、ARM 公司、ARM 與中國的合作以及處理器架構(gòu)自主可控發(fā)展等方面進(jìn)行研究分析，我們認(rèn)為中國芯片公司和 ARM 在移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代合作中實(shí)現(xiàn)雙贏，國產(chǎn)智能手機(jī)、多媒體領(lǐng)域 SoC 達(dá)到世界領(lǐng)先，高端 32 位 MCU 實(shí)現(xiàn)了突破。未來智慧物聯(lián)時(shí)代帶來極為豐富的應(yīng)用場(chǎng)景和智能設(shè)備需求，基于 ARM 架構(gòu)的國產(chǎn) MCU、SoC應(yīng)用有廣闊的

11、發(fā)展空間。同時(shí)，我們認(rèn)為英偉達(dá)收購 ARM 或?qū)⒅厮苋蛐酒a(chǎn)業(yè)格局，在中美貿(mào)易摩擦背景下，ARM 架構(gòu)因其技術(shù)和市場(chǎng)地位有成為管制技術(shù)的潛在可能性。我們認(rèn)為這種不確定性或?qū)⒋碳ぶ袊灾骰M(jìn)程提速。RISC-V 架構(gòu)憑借開源和開放等優(yōu)點(diǎn)，有望成為中國 AIoT 領(lǐng)域自主可控處理器架構(gòu)的最佳選擇。從數(shù)千晶體管到百億晶體管,CPU 在過去近五十年飛速發(fā)展中央處理器單元（CPU，Central Processor Unit）是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。CPU 的功能主要為處理指令、執(zhí)行操作、控制時(shí)間、處理數(shù)據(jù)。中央處理器主要包括邏輯運(yùn)算器、控制器和寄存器等部件。同時(shí)，CPU 還包括高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache

12、）及實(shí)現(xiàn)它們之間聯(lián)系的數(shù)據(jù)、控制的總線。其中，邏輯運(yùn)算器是多功能的運(yùn)算單元，主要進(jìn)行相關(guān)的邏輯運(yùn)算，如執(zhí)行移位操作和邏輯操作。除此之外，邏輯運(yùn)算器還可以執(zhí)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算操作，以及地址運(yùn)算和轉(zhuǎn)換等命令?？刂破鲃t是主要用來對(duì)指令進(jìn)行分析并且能夠發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)。寄存器則是用來暫存指令、數(shù)據(jù)和地址信息。1971 年 11 月 15 日，美國英特爾公司（INTC US,無評(píng)級(jí)）推出世界第一款商用計(jì)算機(jī)微處理器 Intel 4004，被認(rèn)為是 CPU 發(fā)展史的開端。作為 4 位處理器，Intel 4004 由 10um制程工藝在 2 英寸晶圓上打造，集成了 2300 個(gè)晶體管，主頻為 740kH

13、z。而到了 49 年后的 2020 年，第十一代酷睿處理器芯片基于英特爾 10nm 工藝打造，將集成超過百億個(gè)晶體管，最高主頻可高達(dá) 4.8Ghz。這顆 CPU 芯片不再是單一的 CPU，而是集成了全新架構(gòu)的Willow Cove 內(nèi)核、Iris X 圖形處理器、內(nèi)存控制器、圖像處理器、媒體解碼器、電源管理、神經(jīng)元加速器和各類高速接口控制器等各種組件。其中 Willow Cove 內(nèi)核正是這顆 CPU 芯片集成的傳統(tǒng)意義上的 CPU。圖表1： 世界首款商用 CPU-Intel 4004圖表2： 英特爾第十一代酷睿處理器芯片資料來源：Intel,華泰證券研究所資料來源：Intel,華泰證券研究所

14、現(xiàn)代 CPU 成為處理器（processor）芯片的核心組件之一，而不僅僅是唯一組件。在過去 50 多年間，芯片制程工藝在摩爾定律的指引下從數(shù)十微米演進(jìn)至 5 納米，芯片的集成度不斷提升?，F(xiàn)代的應(yīng)用處理器芯片（AP，application processor）、微處理器（MPU，Microprocessor Unit）、微控制器（MCU、Microcontroller Unit）、片上系統(tǒng)（SoC，System on Chip）等數(shù)字邏輯運(yùn)算芯片在 CPU 外圍集成了其他功能多樣的組件。這些超大規(guī)模集成電路的 CPU 模塊被稱為處理器內(nèi)核（Core）。2020 年 10 月 14 日發(fā)布的蘋果

15、 5nm 移動(dòng)終端處理器芯片 A14 Bionic 集成了 118 億個(gè)晶體管，2020 年 10 月 22 日，華為發(fā)布的麒麟 9000 5G SoC 集成了超過 150 億個(gè)晶體管。多核技術(shù)的出現(xiàn)，在芯片基板上集成多個(gè) CPU 內(nèi)核，進(jìn)一步提升了現(xiàn)代處理器芯片的性能。多個(gè)內(nèi)核集成為一個(gè) CPU 集合（cluster）共享一級(jí)高速緩存。2012 年，ARM 又引入大小核技術(shù)（big.LITTLE technology）, 在 SoC 的 CPU 集合里同時(shí)集成了高性能的大核（Cortex-A7x）和低功耗小核（Cortex-A5x），在不同應(yīng)用場(chǎng)景下切換，從而達(dá)到性能和待機(jī)時(shí)長兼顧。大小核的

16、 CPU 集合在智能手機(jī)芯片中最為常見。圖表3： 蘋果最新發(fā)布的 A14 Bionic SoC 搭載 6 核 CPU資料來源：Apple，華泰證券研究所指令集架構(gòu)是 CPU 控制和計(jì)算指令的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)指令（Instruction）是計(jì)算機(jī)硬件直接能識(shí)別的命令。指令是由一串二進(jìn)制數(shù)碼組成。一條指令通常由兩個(gè)部分組成：操作碼和地址碼。操作碼指明該指令要完成的操作的類型或性質(zhì)，如取數(shù)、做加法或輸出數(shù)據(jù)等；地址碼指明操作對(duì)象的內(nèi)容或所在的存儲(chǔ)單元地址。計(jì)算機(jī)程序在硬件上執(zhí)行是由成千上萬條指令組成的。一段程序通過編譯翻譯成匯編語言，而后通過匯編器翻譯成一條一條機(jī)器碼。這些機(jī)器碼是由 0 和 1 組成

17、的機(jī)器語言表示，也就是計(jì)算機(jī)指令。指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture）是指一種類型 CPU 中用來計(jì)算和控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一套指令的集合。指令集架構(gòu)主要規(guī)定了指令格式、尋址訪存（尋址范圍、尋址模式、尋址粒度、訪存方式、地址對(duì)齊等）、數(shù)據(jù)類型、寄存器。指令集通常包括三大類主要指令類型：運(yùn)算指令、分支指令和訪存指令。此外，還包括架構(gòu)相關(guān)指令、復(fù)雜操作指令和其他特殊用途指令。因此，一種 CPU 執(zhí)行的指令集架構(gòu)不僅決定了 CPU 所要求的能力，而且也決定了指令的格式和 CPU 的結(jié)構(gòu)。X86 架構(gòu)和 ARMv8 架構(gòu)就是指令集架構(gòu)的范疇。指令集架構(gòu)以其復(fù)雜性可被分類為

18、復(fù)雜指令集架構(gòu)（CISC，Complex Instruction Set Computer）和精簡指令集架構(gòu)（RISC, Reduced Instruction Set Computer）兩大類。 CISC 和 RISC 指令集架構(gòu)是計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的優(yōu)化發(fā)展中先后出現(xiàn)。在計(jì)算機(jī)發(fā)展初期，計(jì)算機(jī)的優(yōu)化方向是通過設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以此來提高計(jì)算機(jī)的執(zhí)行速度，這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就被稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。20 世紀(jì) 80 年代，盡量簡化計(jì)算機(jī)指令功能的基本思想被提出，功能簡單、能在一個(gè)節(jié)拍內(nèi)執(zhí)行完成的指令被保留，而較復(fù)雜的功能用一段子程序來

19、實(shí)現(xiàn)，這種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就被稱為精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。圖表4： 指令集是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中硬件和軟件之間交互的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)資料來源：華泰證券研究所X86 架構(gòu)是目前唯一的主流復(fù)雜指令集，壟斷個(gè)人計(jì)算機(jī)和服務(wù)器處理器市場(chǎng)。X86 架構(gòu)是英特爾公司在 1978 年發(fā)布。在過去四十多年，x86 家族不斷壯大，從桌面轉(zhuǎn)戰(zhàn)筆記本、服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)。目前，X86 架構(gòu)授權(quán)被英特爾、超微半導(dǎo)體（AMD US，無評(píng)級(jí)）和臺(tái)灣威盛三家把持。其中，英特爾和 AMD 的 X86 處理器在桌面電腦和筆記本市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。據(jù) 2017 年 IDC 的報(bào)告統(tǒng)計(jì)，X86 處理器在服務(wù)器市場(chǎng)占有率也高達(dá) 96%。根據(jù) Mercury R

20、esearch 統(tǒng)計(jì)，2019 年臺(tái)灣威盛僅占有 0.1%的 X86 桌面處理器市場(chǎng)份額。圖表5： ARMv8 指令集加法指令示意資料來源：ARMv8 架構(gòu)手冊(cè)，華泰證券研究所ARM 指令集架構(gòu)作為目前最成功RISC 架構(gòu)，主導(dǎo)了智能手機(jī)和物聯(lián)網(wǎng)芯片處理器市場(chǎng)。根據(jù)英偉達(dá)公告，基于 ARM 架構(gòu)的芯片已累計(jì)出貨 1800 億顆。ARM 架構(gòu)處理器在智能手機(jī)芯片、車載信息芯片、可穿戴設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)微控制器等領(lǐng)域占到 90%以上市場(chǎng)份額。90 年代，MIPS 和 Alpha 作為知名 RISC 在與 X86 競(jìng)爭(zhēng)計(jì)算機(jī)市場(chǎng)中失敗，又在錯(cuò)過智能終端高速發(fā)展的機(jī)遇中走向衰弱。2010 年發(fā)布的 RISC

21、-V 作為從發(fā)明伊始即以開源為最大特色的 RISC ISA 受到全球?qū)W界、產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。全球頂級(jí)學(xué)府、科研機(jī)構(gòu)、芯片巨頭紛紛參與，各國政府出臺(tái)政策支持 RISC-V 的發(fā)展和商業(yè)化。RISC-V 有望成為 X86和 ARM 之后 ISA 第三極。處理器微架構(gòu)是指令集架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。1946 年美籍匈牙利科學(xué)家馮諾伊曼提出存儲(chǔ)程序原理，把程序本身當(dāng)作數(shù)據(jù)來對(duì)待，程序和該程序處理的數(shù)據(jù)用同樣的方式存儲(chǔ)，并確定了存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的五大組成部分和基本工作方法。馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)主要由 CPU、存儲(chǔ)器（Memory）和輸入輸出設(shè)備（I/O Device）組成。在該體系結(jié)

22、構(gòu)下，指令和數(shù)據(jù)需要從同一存儲(chǔ)空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，無法重疊執(zhí)行。馮諾依曼體系的 CPU 工作分為 5 個(gè)階段：取指令階段（instruction fetch）、指令譯碼階段（instruction decode）、執(zhí)行指令階段（execute）、訪存取數(shù)（read memory）和結(jié)果寫回（write back）。哈佛結(jié)構(gòu)是另一種主要計(jì)算機(jī)架構(gòu)體系。與馮諾依曼處理器相比，哈佛結(jié)構(gòu)的指令和數(shù)據(jù)存在兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，使用兩條獨(dú)立的總線連接 CPU 和存儲(chǔ)模塊。而在改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)（Modified Harvard Architecture）中，指令和數(shù)據(jù)存在兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，

23、但是共用地址和數(shù)據(jù)總線?，F(xiàn)代的復(fù)雜芯片上，已經(jīng)看到純粹的馮諾伊曼體系或者哈佛體系，而大多數(shù)能看到是兩者融合或者并存的體系。圖表6： 馮諾伊曼計(jì)算機(jī)體系基本結(jié)構(gòu)圖表7： 馮諾伊曼計(jì)算機(jī)體系中 CPU 工作流程資料來源：Computer Architecture，華泰證券研究所資料來源：Computer Architecture，華泰證券研究所實(shí)現(xiàn)指令集架構(gòu)的物理電路被稱為處理器的微架構(gòu)（Micro-architecture）。因此，通俗來講處理器架構(gòu)就是處理器電路。通常，具備獨(dú)立設(shè)計(jì)處理器微架構(gòu)的企業(yè)被認(rèn)為有處理器研發(fā)能力。大多數(shù)情況下，一種處理器的微架構(gòu)是針對(duì)一種特定指令集架構(gòu)進(jìn)行物理實(shí)現(xiàn)。少

24、部分處理器架構(gòu)設(shè)計(jì)為了更好的兼容性，會(huì)在電路設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)多個(gè)指令集架構(gòu)。雖然，指令集架構(gòu)可以授權(quán)給多家企業(yè)，但微架構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，也就是對(duì)指令的物理實(shí)現(xiàn)方式是各家廠商絕對(duì)保密的。由于處理器的功能要求、使用場(chǎng)景不同、各家企業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)的差異等因素，即使基于同一指令集架構(gòu)，各個(gè)企業(yè)也會(huì)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出不同的處理器架構(gòu)。圖表8： ARM Cortex-A77 處理器架構(gòu)圖圖表9： AMD Zen2 處理器架構(gòu)圖資料來源：ARM,華泰證券研究所資料來源：AMD,華泰證券研究所在計(jì)算機(jī)時(shí)代，英特爾和 AMD 等主要處理器廠商研發(fā)處理器架構(gòu)僅供應(yīng)自家處理器芯片。作為壟斷個(gè)人電腦和服務(wù)器的 X86 架構(gòu)陣營，英特爾和

25、AMD 繼續(xù)延續(xù)只為自家處理器芯片設(shè)計(jì)供應(yīng)處理器內(nèi)核的模式。2016 年，AMD 和中國服務(wù)器企業(yè)海光合作，授權(quán)給海光的 Zen 架構(gòu)正是處理器微架構(gòu)。這個(gè)授權(quán)物實(shí)際就是 AMD 根據(jù) X86 架構(gòu)設(shè)計(jì)完成的處理器電路，并不是 X86 指令集架構(gòu)。即使是以這種 IP 授權(quán)方式的合作，在 X86 陣營中也是極少的個(gè)例。在智能移動(dòng)設(shè)備興起的近 20 年，以 ARM 模式為代表的內(nèi)核微架構(gòu) IP 授權(quán)模式興起。ARM開發(fā)內(nèi)核微架構(gòu)后，將它們以 IP 形式上架出售，芯片廠商以 ARM 授權(quán)的內(nèi)核為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)芯片使用或?qū)ν怃N售。基于 ARM 精簡指令集架構(gòu)的 ARM 內(nèi)核微架構(gòu) IP 選擇多樣、設(shè)計(jì)精簡可

26、靠、在低功耗領(lǐng)域表現(xiàn)優(yōu)異，這種授權(quán)模式在以手機(jī)、平板為代表的移動(dòng)終端芯片、機(jī)頂盒、視頻監(jiān)控等應(yīng)用媒體芯片等應(yīng)用為代表移動(dòng)智能領(lǐng)域獲得廣泛的成功。ARM 因此也成為移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代的處理器 IP 授權(quán)霸主。圖表10： 部分先進(jìn)處理器芯片架構(gòu)對(duì)比芯片品牌項(xiàng)目代號(hào)生產(chǎn)廠商發(fā)布時(shí)間指令集架構(gòu)處理器微架構(gòu)終端應(yīng)用麒麟 9000Hi36A0華為2020 年ARMCortex-A77+A55智能手機(jī)驍龍 865SM8250高通2019 年ARMKryo 585智能手機(jī)、平板電腦十一代酷睿Tiger Lake英特爾2020 年X86Wilow Cove筆記本、桌面電腦Ryzen 3970X-超微2020 年X86

27、Zen 2桌面電腦資料來源：各公司官網(wǎng)，華泰證券研究所圖表11： AMD Ryzen 3970 x 處理器圖表12： 華為海思麒麟 9000 5G SoC資料來源：AMD 官網(wǎng)，華泰證券研究所資料來源：華為官網(wǎng)，華泰證券研究所產(chǎn)業(yè)分工細(xì)化，ARM 成為處理器 IP 授權(quán)領(lǐng)域王者半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)垂直分工催生芯片 IP 產(chǎn)業(yè)20 世紀(jì) 90 年代開始，信息產(chǎn)業(yè)核心從個(gè)人計(jì)算機(jī)向手機(jī)產(chǎn)業(yè)過渡，信息時(shí)代從互聯(lián)網(wǎng)為主體的階段向移動(dòng)互聯(lián)階段過渡。智能移動(dòng)終端和智能多媒體產(chǎn)品更加復(fù)雜多樣，對(duì)芯片功能和性能需求差異化增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。另一方面，隨著摩爾定律推進(jìn)，先進(jìn)工藝制程芯片設(shè)計(jì)研發(fā)資源和成本持續(xù)增加。根據(jù) 2

28、020 年 IBS 報(bào)告預(yù)測(cè)，一款先發(fā)使用 5nm 制程芯片設(shè)計(jì)成本將高達(dá) 4.97 億美元,相比 16nm 增長多達(dá) 5 倍；即使 5nm 將來成為成熟制程，單款芯片設(shè)計(jì)成本也將高達(dá) 2.5 億美元，接近 7nm 的先發(fā)芯片設(shè)計(jì)成本。全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在 fabless+foundry+OSAT（無晶圓設(shè)計(jì)+晶圓代工+封裝測(cè)試）的分工大趨勢(shì)下繼續(xù)細(xì)化分工，芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步拆分出芯片 IP（Intellectual Property）產(chǎn)業(yè)。圖表13： 不同制程工藝設(shè)計(jì)成本預(yù)測(cè)美元)早期應(yīng)用時(shí)期主流應(yīng)用時(shí)期成熟應(yīng)用時(shí)期(百萬 600500400300200100065nm40nm28nm22nm1

29、6nm10nm7nm5nm資料來源：IBS，華泰證券研究所半導(dǎo)體 IP（Intellectual Property）指已驗(yàn)證的、可重復(fù)利用的、具有某種確定功能的集成電路模塊。IP 供應(yīng)商專注開發(fā) IP 微架構(gòu)，通過收取 IP 架構(gòu)授權(quán)費(fèi)、版稅進(jìn)行盈利。設(shè)計(jì)公司在芯片設(shè)計(jì)中將得到授權(quán)的 IP 直接集成到芯片中實(shí)現(xiàn)功能，避免重新開發(fā)。根據(jù)Markets and Markets 預(yù)測(cè),半導(dǎo)體 IP 市場(chǎng)到 2024 年將達(dá)到 65 億美元規(guī)模，市場(chǎng)增長的推動(dòng)因素是消費(fèi)電子領(lǐng)域不斷進(jìn)步的多核技術(shù)和現(xiàn)代 SoC 設(shè)計(jì)領(lǐng)域持續(xù)增加的需求。根據(jù) IP 功能細(xì)分，處理器 IP 占據(jù)整最大的 IP 市場(chǎng)份額，根

30、據(jù) IPnest 統(tǒng)計(jì)，2019 年包括 CPU、GPU、NPU、VPU、DSP 和 ISP 六大類處理器 IP 占全市場(chǎng) 51%份額。圖表14： 2019 年半導(dǎo)體 IP 以功能分類市場(chǎng)份額Other Digital 8%Other Physical 19%Interface 22%Processor 51%資料來源：IPnest，華泰證券研究所ARM 與移動(dòng)互聯(lián)時(shí)代互相成就ARM 英文全稱 Advanced RISC Machines，總部位于英國劍橋。該公司成立于 1990 年11 月，是蘋果電腦，Acorn 電腦集團(tuán)和 VLSI Technology 的合資公司。ARM 不制造芯片，也

31、不銷售實(shí)際的芯片給終端客戶，而是通過授權(quán)其 RISC ISA 和處理器設(shè)計(jì)方案，由合作伙伴生產(chǎn)出各具特色的芯片。ARM 公司利用架構(gòu)授權(quán)的模式與伙伴達(dá)成雙贏，迅速成了全球性的精簡指令集微處理器標(biāo)準(zhǔn)的締造者。2016 年 7 月，日本軟銀（Softbank）宣布斥資 243 億英鎊收購 ARM 公司，但在業(yè)務(wù)上仍然保持獨(dú)立運(yùn)營。ARM 憑借在通用處理器 IP 領(lǐng)域壟斷優(yōu)勢(shì)，在 IP 營收上穩(wěn)居全球 IP 供應(yīng)商排名榜首?；?ARM 指令集開發(fā)的 ARM 處理器內(nèi)核被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電視機(jī)、汽車、智能家居、智慧城市和可穿戴等設(shè)備上。據(jù)軟銀 2017 年世界大會(huì)公布的 ARM 市場(chǎng)份額顯示，超

32、過 99%的智能手機(jī)、調(diào)制解調(diào)器，超過 95%的車載信息設(shè)備和超過 90%的可穿戴設(shè)備搭載了 ARM 架構(gòu)處理器。圖表15： 2019 年全球十大半導(dǎo)體 IP 供應(yīng)商2019 年排名公司名稱國家/地區(qū)2019 年市占率1ARM英國40.80%2Synopsys美國18.20%3Cadence美國5.90%4SST美國2.90%5Imagination英國2.60%6CEVA以色列2.20%7Verisilicon中國大陸1.80%8Achronix美國1.30%9Rambus美國1.20%10eMemory Tech中國臺(tái)灣1.20%資料來源：IPnest，華泰證券研究所ARM 不出售芯片只授

33、權(quán)架構(gòu)，商業(yè)模式開創(chuàng)半導(dǎo)體行業(yè)先河作為半導(dǎo)體企業(yè)，ARM 獨(dú)特的商業(yè)模式是不設(shè)計(jì)和制造整芯片，而是專注處理器內(nèi)核架構(gòu)的授權(quán)。ARM 一直以來保持作為處理器 IP 供應(yīng)商的中立地位。中立地位幫助 ARM 通過架構(gòu)授權(quán)廣泛推廣了基于 ARM 架構(gòu)的生態(tài)系統(tǒng)。ARM 處理器架構(gòu)授權(quán)主要分為指令集授權(quán)和處理器架構(gòu)授權(quán)兩個(gè)層次：一是 ARM 指令集架構(gòu)授權(quán)，二是 ARM 處理器架構(gòu)授權(quán)。公司收入來源包括：1）對(duì)半導(dǎo)體公司的授權(quán)費(fèi)用，一定時(shí)間范圍內(nèi)是一次性的；2）半導(dǎo)體公司向其他客戶銷售芯片的 royalty 費(fèi)用，客戶每生產(chǎn)一顆芯片 ARM 都有一定百分點(diǎn)的版稅收入；3）向半導(dǎo)體公司、用戶提供技術(shù)咨詢服

34、務(wù)的費(fèi)用。圖表16： ARM 商業(yè)模式圖表17： ARM 授權(quán)體系資料來源：ARM、華泰證券研究所資料來源：ARM、華泰證券研究所ARM 通過指令集架構(gòu)授權(quán)在技術(shù)上與合作伙伴互相緊密對(duì)接ARM 指令集架構(gòu)授權(quán)指 ARM 將 ARM RISC 精簡指令集授權(quán)給受讓方。受讓方可以對(duì)ARM 指令集進(jìn)行大幅度改造，甚至可以對(duì) ARM 指令集進(jìn)行擴(kuò)展或縮減。之后，受讓方根 據(jù)自己改進(jìn)過的指令集研發(fā)處理器架構(gòu)，從而在根源上做到了對(duì)處理器架構(gòu)的差異化設(shè)計(jì)，保持對(duì)自研芯片的掌控力，達(dá)成獨(dú)特競(jìng)爭(zhēng)力同時(shí)又兼容 ARM 的完善生態(tài)環(huán)境。而 ARM 在這種合作模式中與合作伙伴結(jié)成高度緊密的技術(shù)合作關(guān)系。圖表18： 復(fù)

35、雜指令集和精簡指令集對(duì)比對(duì)比項(xiàng)X86ARMISA 類型復(fù)雜指令集精簡指令集指令集復(fù)雜度復(fù)雜龐大簡單精簡指令寬度變長定長數(shù)據(jù)類型多而復(fù)雜少而簡潔微架構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)難度高、成本高設(shè)計(jì)難度相對(duì)低、成本低軟件系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間較短較長應(yīng)用領(lǐng)域個(gè)人計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、超級(jí)計(jì)算機(jī)智能終端設(shè)備、智能穿戴、工業(yè)/IoT 微控制器資料來源：CSDN，華泰證券研究所蘋果的 A 系列處理器是基于 ARM 指令集架構(gòu)授權(quán)自研內(nèi)核的成功典范。2012 年 9 月，蘋果隨 iPhone5 上市發(fā)布了 A6 處理器 SoC，這顆 SoC 基于 ARMv7 架構(gòu)打造的 Swift 內(nèi)核微架構(gòu)開啟了蘋果基于 ARM 架構(gòu)自研處理器內(nèi)核的序幕

36、。2013 年 9 月，蘋果率先發(fā)布搭載基于 ARMv8 架構(gòu)研發(fā)的 64 位 Cyclone 架構(gòu)的雙核 A7 處理器。A7 作為世界首款 64位智能手機(jī)處理器，在性能表現(xiàn)力壓還在 32 位四核方案上競(jìng)爭(zhēng)的安卓陣營。蘋果 A 系列處理器內(nèi)核性能力壓所有安卓陣營競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手序幕由此開啟，并延續(xù)至今。2020 年，蘋果宣稱新發(fā)布的 A14 Bionic 芯片性能已經(jīng)堪比部分筆記本處理器。圖表19： 蘋果和安卓旗艦智能機(jī)芯片 Geekbench 單核跑分比較芯片名稱廠商處理器大核制程發(fā)布時(shí)間GKB5 單核分?jǐn)?shù)GKB4 單核分?jǐn)?shù)A13 Bionic蘋果LightningN7+201954531328A1

37、2 Bionic蘋果VortexN7201847951115A11 Bionic蘋果MonsoonN1020174266930Snapdragon 865高通Kryo 585（A77 改）N720194270918Kirin 990 5G海思Cortex-A76 改N7+20193967783資料來源：Geekbench，各公司官網(wǎng)，華泰證券研究所蘋果在今年WWDC2020 宣布 Mac 電腦將轉(zhuǎn)向使用公司自主開發(fā)的基于ARM 架構(gòu)處理器。我們認(rèn)為，蘋果結(jié)束與英特爾長達(dá) 15 年的合作，轉(zhuǎn)而使用自研 ARM 處理器最重要目的是 進(jìn)一步封閉蘋果的軟硬件生態(tài)。蘋果希望如同 iPhone 的成功一樣

38、，從硬件上得到充分自 主，做到差異化競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。從 ARM 角度來看，蘋果一旦成功也將幫助 ARM 實(shí)現(xiàn)一直以 來希望撕開 X86 壟斷的個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的野心。ARM 提供多樣化處理器內(nèi)核 IP 授權(quán)，與生態(tài)伙伴實(shí)現(xiàn)雙贏ARM 處理器架構(gòu)授權(quán)指 ARM 將自行設(shè)計(jì)的處理器內(nèi)核 IP 授權(quán)給客戶?？蛻艨梢灾苯訉?nèi)核 RTL（Register Transition Level）代碼在芯片前端設(shè)計(jì)時(shí)集成在芯片處理器模塊中?？蛻粢部梢詫?duì)處理器緩存、核數(shù)、頻率進(jìn)行配置。通過系統(tǒng)總線與其他的功能模塊、外設(shè)接口、主存儲(chǔ)接口模塊等連接，生成完整的芯片。ARM 為各種應(yīng)用場(chǎng)景提供多樣化的家族化處理器 IP 解決方

39、案，覆蓋高性能計(jì)算、高性能實(shí)時(shí)、低功耗嵌入式、云端計(jì)算、硬件安全和高性能機(jī)器學(xué)習(xí)等場(chǎng)景。ARM 的處理器 IP 授權(quán)模式為合作伙伴提供可靠處理器的同時(shí)降低芯片開發(fā)成本，推動(dòng)應(yīng)用的創(chuàng)新。而廣泛的合作伙伴豐富了 ARM 的生態(tài)，奠定 ARM 在智能時(shí)代中智能手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域處理器主導(dǎo)地位。圖表20： 三星 Exynos 4412 SoC 架構(gòu)圖圖表21： 兆易創(chuàng)新 GD32E503 系列 MCU 架構(gòu)圖資料來源：三星，華泰證券研究所資料來源：兆易創(chuàng)新，華泰證券研究所ARM Cortex 系列處理器內(nèi)核是 ARM 家族中占據(jù)處理器 IP 市場(chǎng)的核心系列。其中， Cortex-A 系列面向高性能計(jì)算

40、需求、運(yùn)行豐富操作系統(tǒng)和程序任務(wù)的應(yīng)用領(lǐng)域。例如智能手機(jī)、平板電腦、機(jī)頂盒、數(shù)字電視、路由器和監(jiān)控 SoC 芯片等。Cortex-A 目前有 A7x系列為代表的性能大核產(chǎn)品線和 A5x 系列為代表低功耗小核產(chǎn)品線?，F(xiàn)代多核 SoC 為了兼顧性能峰值表現(xiàn)和低功耗，經(jīng)常同時(shí)集成一定數(shù)量大核和小核。其中大核運(yùn)行短時(shí)間的高性能需求任務(wù)；小核運(yùn)行低性能需求的任務(wù)或者在待機(jī)狀態(tài)支持背景任務(wù)運(yùn)行。目前，除了蘋果自研處理器內(nèi)核以外，以高通、海思、聯(lián)發(fā)科為首的安卓智能機(jī) SoC 芯片設(shè)計(jì)企業(yè)都采用 Cortex-A7x 和 A5x 搭配作為內(nèi)核集合（cluster）配置。其中，高通和華為會(huì)在架構(gòu)上做不同程度的優(yōu)

41、化。相比 Cortex-A 處理器內(nèi)核，Cortex-M 處理器內(nèi)核被設(shè)計(jì)成面積更小，能效比更高。通常這些處理器的流水線很短，設(shè)計(jì)簡單，最高時(shí)鐘頻率很低，功耗表現(xiàn)優(yōu)異。Cortex-M 系列在目前智能互聯(lián)時(shí)代應(yīng)用前景非常廣闊，覆蓋智能測(cè)量、人機(jī)接口設(shè)備、汽車和工業(yè)控制系統(tǒng)、大型家用電器、消費(fèi)性產(chǎn)品和醫(yī)療器械等應(yīng)用需求，Cortex-M 在目前全球 32 位 MCU 市場(chǎng)占據(jù)主導(dǎo)地位。Cortex-R 處理器是面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用的高性能處理器系列，運(yùn)行在比較高的時(shí)鐘頻率，其響應(yīng)延遲非常低。主要應(yīng)用于硬盤控制器，汽車傳動(dòng)系統(tǒng)和無線通訊的基帶控制等領(lǐng)域。圖表22： ARM Cortex 系列處理器 IP資

42、料來源：ARM、華泰證券研究所ARM 助力國產(chǎn)芯片質(zhì)與量雙擊，收購案或刺激自主可控提速智能移動(dòng)設(shè)備普及，ARM Cortex-A 助力國產(chǎn)智能終端 SoC 崛起根據(jù) CINNO Research 發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，2020 年上半年，國內(nèi)市場(chǎng)智能機(jī)銷量約 1.4億部，其中華為（含榮耀）市場(chǎng)份額達(dá)到 40.2%。另據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu) Counterpoint 發(fā)布的報(bào)告顯示，2020Q2 海思麒麟芯片占據(jù)41%的國內(nèi)智能手機(jī)芯片市場(chǎng)份額，成為國內(nèi)第一。同時(shí)，海思麒麟芯片在全球智能機(jī)芯片市場(chǎng)份額提升到 16%，超過蘋果和三星。近年來華為手機(jī)質(zhì)和量形成雙擊，特別是旗艦手機(jī)得到全球市場(chǎng)廣泛認(rèn)可。除去全球

43、疫情蔓延和美國打壓帶來的國貨消費(fèi)潮等偶然因素，我們認(rèn)為內(nèi)在主因是基于硬件上的自主創(chuàng)新獲得的用戶體驗(yàn)提升和形成差異化競(jìng)爭(zhēng)。搭載 ARM 處理器的華為海思自研的麒麟芯片是一系列硬件創(chuàng)新的核心之一。圖表23： 2020Q2 中國智能手機(jī)處理器市場(chǎng)份額圖表24： 2020Q2 全球智能手機(jī)處理器市場(chǎng)份額13%紫光4%蘋果13%海思16%聯(lián)發(fā)科26%高通28%三星其他聯(lián)發(fā)科13%19%高通27%海思41%資料來源：Counterpoint，華泰證券研究所資料來源：Counterpoint，華泰證券研究所半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè) fabless+foundry+OSAT 分工體系從工程上成就了包括麒麟芯片在內(nèi)的海思芯片

44、的成功。華為對(duì)海思不斷持續(xù)巨額投入帶來的芯片設(shè)計(jì)能力提升成功對(duì)接全球最先進(jìn)的制程工藝和封裝工藝。而在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ARM 的處理器 IP 授權(quán)模式成為歷代麒麟芯片成功的重要因素之一。ARM 的授權(quán)模式對(duì)麒麟芯片積極影響有以下幾方面：一是在創(chuàng)業(yè)初期，ARM 的授權(quán)模式可以幫助作為后發(fā)者的海思在處理器內(nèi)核性能上直接拉到和安卓陣營競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手同一個(gè)層級(jí)。二是對(duì)于 ARM 在智能手機(jī)領(lǐng)域的主導(dǎo)地位，使海思自研手機(jī)芯片能夠借助 ARM 完善的生態(tài)，幫助華為手機(jī)快速進(jìn)入主流智能機(jī)市場(chǎng)。三是基于消費(fèi)電子市場(chǎng)的特點(diǎn)，ARM 的處理器授權(quán)有效縮短了包括海思在內(nèi)的企業(yè)開發(fā)周期和成本。圖表25： 華為海思?xì)v代旗艦手機(jī)芯

45、片麒麟 SoC 型號(hào)CPU 架構(gòu)發(fā)布時(shí)間K3V1單核 ARM9E2009K3V2四核 A92012Kirin 910四核 A92014H1Kirin 920四核 A15+四核 A72014H2Kirin 930四核 A53+四核 A532015Q1Kirin 935八核 A532015Q1Kirin 950四核 A72+四核 A532015Q4Kirin 955四核 A72+四核 A532016Q1Kirin 960四核 A73+四核 A532016Q4Kirin 970四核 A73+四核 A532017Q3Kirin 980雙核 A76 大核+雙核 A76+四核 A552018Q3Kirin

46、 990（5G）雙核 A76 改（大）+雙核 A76 改（中）+四核 A552019Q3Kirin 9000A77 超大核+三核 A77 大核+4 核 A55 能效小核2020Q4資料來源：華為官網(wǎng)，海思官網(wǎng)，華泰證券研究所除了基于 ARM 公版內(nèi)核架構(gòu)開發(fā)芯片以外，華為已經(jīng)具備基于 ARM 指令集架構(gòu)的處理 器內(nèi)核開發(fā)能力。海思在麒麟 990 官方發(fā)布和配置表都宣稱為使用“基于 A76”（A76 Based）內(nèi)核，顯示海思已經(jīng)對(duì) ARM 處理器內(nèi)核和指令集有深入了解，掌握了自行對(duì)架構(gòu)修改的能力。2019 年 1 月，華為跟進(jìn)一步發(fā)布自研服務(wù)器芯片鯤鵬 920。該服務(wù)器芯片搭載了 64 顆海思

47、基于 ARMv8 架構(gòu)自研的泰山內(nèi)核。整體服務(wù)器性能較市場(chǎng)現(xiàn)有競(jìng)品提升 20%。2019 年 5 月，華為宣布獲得 ARMv8 架構(gòu)永久授權(quán)，并且強(qiáng)調(diào)華為海思有持續(xù)自行開發(fā)設(shè)計(jì)基于 ARM 授權(quán)架構(gòu)的處理器。近年來，智能手機(jī) SoC 以外的國產(chǎn)智能終端 SoC 芯片也借助 Cortex-A 系列處理器 IP 逐 步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。國產(chǎn)搭載 ARM 架構(gòu)處理器的 SoC 涵蓋了智能高清機(jī)頂盒、IPC、網(wǎng)絡(luò) 攝像頭、車載娛樂信息設(shè)備等。根據(jù)格蘭研究院數(shù)據(jù)，2018 年華為海思和晶晨股份（688099，無評(píng)級(jí)）分別占據(jù)國內(nèi) 60.7%和 32.6%的 IPTV/OTT 機(jī)頂盒芯片市場(chǎng)。而在 2013

48、年，歐洲芯片巨頭意法半導(dǎo)體還占據(jù)國內(nèi)機(jī)頂盒芯片市場(chǎng) 30%以上。在安防領(lǐng)域，以海思為代表的國內(nèi)廠商已經(jīng)實(shí)現(xiàn) IPC 芯片實(shí)現(xiàn)低端替代到全檔次布局。圖表26： 部分中國本土基于 ARM 處理器的SoC 產(chǎn)品代表公司代表產(chǎn)品CPU 內(nèi)核應(yīng)用華為海思Kirin 90004*Cortex-A77+4*A55旗艦 5G 智能手機(jī)Kunpeng 920基于 ARMv8.2 指令集自研 CPUARM 架構(gòu)服務(wù)器Hi3798Cortex-A534K UHD 機(jī)頂盒Hi35592*Cortex-A73+2*A55工業(yè)級(jí) 8K IPC SoC紫光展銳虎賁 T75204*Cortex-A76+4*A555G 智能手

49、機(jī)晶晨股份S912Cortex-A534K 機(jī)頂盒、智能家居T966Cortex-A53分離式智能電視，智能投影儀A111Cortex-A5智能音箱，智能家居全志科技A1334*Cortex-A53中低端平板電腦H6164*Cortex-A536K OTT 機(jī)頂盒T76*Cortex-A7車規(guī)級(jí)駕艙信息娛樂系統(tǒng)國科微GK6202SCortex-A53智能機(jī)頂盒、智能機(jī)頂盒音箱GK7205ARM1176H.265/264 全高清 IPC富瀚微FH8630DARM1176網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī) SoC資料來源：各公司官網(wǎng)，華泰證券研究所物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代 MCU 需求提升，本土廠商借助 ARM Cortex-M 卡位

50、高端市場(chǎng)根據(jù) IC Insights 數(shù)據(jù)，2019 年 MCU 全球銷售額為 164 億美元。產(chǎn)品主要用于汽車電子、工控/醫(yī)療、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子等領(lǐng)域，占比分別為 33%、25%、23%和 11%。IC Insights同時(shí)預(yù)計(jì) MCU 在經(jīng)歷 2019 年和 2020 年下滑后，將在 2021 年出現(xiàn)溫和復(fù)蘇，銷售額將增長 5%至 157 億美元，其次是 2022 年將同比增長 8%，2023 年將同比增長 11%。屆時(shí) MCU 收入將創(chuàng)下 188 億美元的新高。全球 MCU 市場(chǎng)主要由瑞薩電子（日本）、恩智浦（荷蘭）、英飛凌（德國）、微芯科技（美國）、三星電子（韓國）、意法半導(dǎo)體（意

51、法）、賽普拉斯（美國）占據(jù)。根據(jù) HIS 和 ASPENCORE 數(shù)據(jù)，2019 年中國 MCU 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 256 億人民幣。中國 MCU 應(yīng)用市場(chǎng)主要集中在家電/消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、汽車電子、智能卡、工控等領(lǐng)域，市場(chǎng)占比分別為 25.6%、18.4%、16.2%、15.3%和 11.2%。受益于國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)和新能源車行業(yè)的增長領(lǐng)先于全球，中國 MCU 市場(chǎng)規(guī)模在 2008 年到 2018 年間 CAGR 為 7.2%，領(lǐng)先全球。同時(shí)，HIS 預(yù)計(jì) 2022 年，中國 MCU 市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 319 億人民幣，增速繼續(xù)超過全球。預(yù)計(jì) 2020 年國產(chǎn) MCU 廠商的銷售額將達(dá)到 148 億

52、元人民幣，占整個(gè)中國 MCU 市場(chǎng)的 55%。圖表27： 2019 年全球 MCU 應(yīng)用市場(chǎng)構(gòu)成圖表28： 2019 年中國 MCU 應(yīng)用市場(chǎng)構(gòu)成工業(yè)控制/醫(yī)療 25%汽車電子33%其他8%計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)23%消費(fèi)電子11%工業(yè)控制11.2%智能卡15.3%汽車電子16.2%其他13.3%消費(fèi)電子25.6%計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)18.4%資料來源：IC Insights，華泰證券研究所資料來源：HIS，ASPENCORE，華泰證券研究所圖表29： 2015-2022E 中國 MCU 市場(chǎng)規(guī)模和同比增長速度3503002502001501005030%中國MCU市場(chǎng)規(guī)模（億元人民幣） 中國MCU市場(chǎng)規(guī)模增長率2

53、5%20%15%10%5%00%20152016201720182019202020212022資料來源：HIS，華泰證券研究所ARM Cortex-M 處理器助力國內(nèi)廠商卡位 MCU 市場(chǎng)的價(jià)值鏈上游。目前，國內(nèi) MCU 廠商在消費(fèi)電子、智能卡和水電煤氣儀表等中低端應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)替代。隨著物聯(lián)網(wǎng)終端需求推進(jìn)，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代任務(wù)的復(fù)雜化對(duì)計(jì)算能力的要求將使 MCU 往 16 或 32 位設(shè)計(jì)。32位 MCU 是基于未來物聯(lián)網(wǎng)的市場(chǎng)發(fā)展方向。既滿足廠商上述要求又具有豐富生態(tài)系統(tǒng)資源的 ARM Cortex-M 系列處理器內(nèi)核成為 32 位 MCU 內(nèi)核市場(chǎng)主導(dǎo)。兆易創(chuàng)新、中穎電子等國內(nèi) MCU 廠

54、商也紛紛借助基于ARM Cortex-M 系列處理器的 32 位 MCU 積極布局國內(nèi)中高端市場(chǎng)，向產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈上游卡位。國產(chǎn) 32 位 MCU 已經(jīng)開始進(jìn)入國外傳統(tǒng)廠商所壟斷的高端 MCU 市場(chǎng)。作為國產(chǎn) IC 設(shè)計(jì)領(lǐng)軍企業(yè)，兆易主要提供基于 ARM Cortex-M 系列 32 位通用 MCU 產(chǎn)品，其 GD32 是 ARM Cortex-M3 及 Cortex-M4 內(nèi)核通用 MCU 產(chǎn)品系列，也是目前中國 32位通用 MCU 主流產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、人機(jī)互動(dòng)、電機(jī)控制、安防家弄、智能家居家電及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。根據(jù)公司 2020 年中報(bào)，兆易 MCU 產(chǎn)品包括 330 余個(gè)產(chǎn)品型號(hào)、

55、23 個(gè)產(chǎn)品系列和 11 種不同封裝類型，累計(jì)出貨已超過 4 億顆。2020 年 7 月，兆易創(chuàng)新發(fā)布基于全新 Arm Cortex-M33 內(nèi)核的 GD32E5 系列高性能微控制器，確定以無線連接、電池供電設(shè)備以及便攜式、可穿戴設(shè)備、汽車級(jí) MCU 幾大方向的產(chǎn)品路線。圖表30： 部分中國本土 32 位 MCU 供應(yīng)商和代表產(chǎn)品代表公司代表產(chǎn)品CPU 內(nèi)核應(yīng)用兆易創(chuàng)新GD32 系列 GD32F4 系列 GD32E50 xCortex-M3 Cortex-M4Cortext-M33工業(yè)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、報(bào)警系統(tǒng)等工業(yè)控制、嵌入式模塊、汽車導(dǎo)航、無人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)高精度工業(yè)控制領(lǐng)域擴(kuò)展，解決數(shù)字電源、

56、電機(jī)變頻、測(cè)量儀器、混合信號(hào)處理等中穎電子匯頂科技SH32F205 SH32F9803GMF03xCortex-M3 Cortex-M3Corttex-M0電機(jī) MCU家電電動(dòng)自行車控制器；空氣質(zhì)量檢測(cè)設(shè)備；智能交通、智慧城市、智能家居；帶觸摸按鍵的消費(fèi)類行業(yè)東軟載波ES32 M0ES32 M3Cortex-M0Cortex-M3家電、智能家居、儀器儀表、液晶面板控制器、工業(yè)控制儀器儀表、工業(yè)控制、安防監(jiān)控、智能變頻、打印機(jī)、掃地機(jī)、 汽車資料來源：各公司官網(wǎng)，華泰證券研究所ARM 收購案重塑全球產(chǎn)業(yè)格局，自主替代或?qū)⒓铀倜绹窖髸r(shí)間 2020 年 9 月 13 日，美國圖形處理器和人工智能

57、芯片巨頭英偉達(dá)（NVDAUS，無評(píng)級(jí)）在官網(wǎng)宣布計(jì)劃以總價(jià)為 400 億美元的英偉達(dá)股票和現(xiàn)金從日本的軟銀和軟銀愿景基金收購全球最大處理器 IP（Intellectual Property）供應(yīng)商 ARM Limited。英偉達(dá)表示本次收購計(jì)劃旨在結(jié)合英偉達(dá)大的人工智能技術(shù)和 ARM 龐大的計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)，推動(dòng)英偉達(dá)成為從云端、智能手機(jī)、PC、自動(dòng)駕駛汽車和機(jī)器人深入到邊緣物聯(lián)網(wǎng)的全球領(lǐng)先的 AI 公司。英偉達(dá)同時(shí)承諾延續(xù) ARM 的開放式授權(quán)模式，保持其客戶中立性，并利用 NVIDIA 技術(shù)擴(kuò)展 ARM 的 IP 授權(quán)組合。無論如何整合，作為世界最大的處理器 IP 供應(yīng)商 ARM 收購案將重塑

58、全球芯片產(chǎn)業(yè)格局。中國智慧物聯(lián)市場(chǎng)前景廣闊，ARM 授權(quán)仍是雙贏選擇“十三五”期間中國物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)穩(wěn)步增長，未來市場(chǎng)前景樂觀。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的2020-2025 年中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)前景及投資機(jī)會(huì)研究報(bào)告預(yù)計(jì)，2020 年中國物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模將突破 2 萬億，達(dá)到 22165 億元，“十三五”期間年均復(fù)合增長率達(dá) 24%。另根據(jù)工信部數(shù)據(jù)顯示，截至 2018 年 6 月底，全國物聯(lián)網(wǎng)終端用戶已達(dá) 4.65 億戶。預(yù)計(jì)智能消費(fèi)設(shè)備的普及以及人工智能技術(shù)的應(yīng)用在未來仍將支撐中國物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的穩(wěn)步增長趨勢(shì)。同時(shí)，中國人工智能產(chǎn)業(yè)規(guī)模快速增長。根據(jù)艾媒咨詢發(fā)布的2020 上半年中國人工智能產(chǎn)業(yè)專題研究報(bào)

59、告顯示，預(yù)計(jì) 2020 年國內(nèi)人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過 1500 億元，同比增長率達(dá)到 26.2。截至 2020 年 6 月，全國已有 24 個(gè)省市發(fā)布了人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，其中有 18 個(gè)制定了具體的產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展目標(biāo)，這 18 個(gè)省市 2020 年的人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模目標(biāo)達(dá)到近 4000 億，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家制定的 1500 億。我們認(rèn)為中國作為全球最大的電子和半導(dǎo)體市場(chǎng)，是目前 ARM 生態(tài)中的國內(nèi)芯片廠商短期不會(huì)受到收購案的沖擊的最有利因素。首先，英偉達(dá)為了實(shí)現(xiàn)繼續(xù)保持 ARM 在處理器IP 授權(quán)的主導(dǎo)地位，兌現(xiàn) ARM 中立性的承諾是成功的關(guān)鍵。其次，無論是從商業(yè)直接收益角度，還是維

60、持并擴(kuò)展 ARM 產(chǎn)業(yè)生態(tài)，英偉達(dá)和 ARM 都不會(huì)錯(cuò)過中國廣闊的智慧物聯(lián)、人工智能市場(chǎng)。另外，由于中國在全球市場(chǎng)的地位，中國反壟斷監(jiān)管部門的審批或?qū)?ARM 收購案成功與否的決定因素之一。我們認(rèn)為中美貿(mào)易摩擦和收購案導(dǎo)致半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)集中度大幅提升兩大重要因素或致使收購案在通過中國反壟斷審查的曲折程度超過 2018年高通-恩智浦收購案。倪光南院士公開預(yù)測(cè)中國商務(wù)部會(huì)否決本收購案。圖表31： 中國物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模統(tǒng)計(jì)及預(yù)測(cè)圖表32： 2019-2030 中國人工智能核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模及規(guī)劃(億元) 25,00020,00015,00010,0005,000(億元) 12,00010,0008,0006,0