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)（NVDA US，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 Limited。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）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。控制器則是主要用來對(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740kHz。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。

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。現(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CPU集合在智能手機(jī)芯片中最為常見。

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)。

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 Research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。

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競爭計(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-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)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，但是共用地址和數(shù)據(jù)總線。現(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。

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)。

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。

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)2020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)。

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。

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。基于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。

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

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)咨詢服務(wù)的費(fèi)用。

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)特競爭力同時(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。

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。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位四核方案上競爭的安卓陣營。蘋果A系列處理器內(nèi)核性能力壓所有安卓陣營競爭對(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。

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，從硬件上得到充分自主，做到差異化競爭優(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。客戶可以直接將內(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。客戶也可以對(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。

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。

現(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)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。

半導(dǎo)體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爭。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。

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爭對(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。

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。

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代MCU需求提升，本土廠商借助ARMCortex-M卡位高端市場(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148億元人民幣，占整個(gè)中國MCU市場(chǎng)的55%。

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ARMCortex-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)、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。

ARM收購案重塑全球產(chǎn)業(yè)格局，自主替代或?qū)⒓铀?/strong>