【2020年芯片行業研究報告】

CPU 是計算機系統的核心，架構是 CPU 的基石

美國太平洋時間 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（NVDA US，無評級）在官網宣布計劃以總價為 400 億美元的英偉達股票和現金從日本的軟銀和 軟銀愿景基金收購全球最大處理器內核 IP（Intellectual Property）供應商 ARM Limited。據 ARM 官網介紹，全球超過 95%的智能手機基于 ARM IP 開發，中美貿易摩擦的時代背 景下，繼 X86 架構被美國牢牢掌控之后，ARM 架構或同時被美國公司掌控，引發市場對 中國缺少自主處理器架構和芯片產業鏈安全廣泛關注。

因此，我們對處理器發展史、ARM 公司、ARM 與中國的合作以及處理器架構自主可控發 展等方面進行研究分析，我們認為中國芯片公司和 ARM 在移動互聯時代合作中實現雙贏， 國產智能手機、多媒體領域 SoC 達到世界領先，高端 32 位 MCU 實現了突破。未來智慧 物聯時代帶來極為豐富的應用場景和智能設備需求，基于 ARM 架構的國產 MCU、SoC 應用有廣闊的發展空間。同時，我們認為英偉達收購 ARM 或將重塑全球芯片產業格局， 在中美貿易摩擦背景下，ARM 架構因其技術和市場地位有成為管制技術的潛在可能性。我們認為這種不確定性或將刺激中國自主化進程提速。RISC-V 架構憑借開源和開放等優 點，有望成為中國 AIoT 領域自主可控處理器架構的最佳選擇。

X86 架構是目前唯一的主流復雜指令集，壟斷個人計算機和服務器處理器市場。X86 架構 是英特爾公司在 1978 年發布。在過去四十多年，x86 家族不斷壯大，從桌面轉戰筆記本、 服務器、超級計算機。目前，X86 架構授權被英特爾、超微半導體（AMD US，無評級） 和臺灣威盛三家把持。其中，英特爾和 AMD 的 X86 處理器在桌面電腦和筆記本市場占據 主導地位。據 2017 年 IDC 的報告統計，X86 處理器在服務器市場占有率也高達 96%。根 據 Mercury Research 統計，2019 年臺灣威盛僅占有 0.1%的 X86 桌面處理器市場份額

ARM 指令集架構作為目前最成功 RISC 架構，主導了智能手機和物聯網芯片處理器市場。 根據英偉達公告，基于 ARM 架構的芯片已累計出貨 1800 億顆。ARM 架構處理器在智能 手機芯片、車載信息芯片、可穿戴設備、物聯網微控制器等領域占到 90%以上市場份額。90 年代，MIPS 和 Alpha 作為知名 RISC 在與 X86 競爭計算機市場中失敗，又在錯過智能 終端高速發展的機遇中走向衰弱。2010 年發布的 RISC-V 作為從發明伊始即以開源為最 大特色的 RISC ISA 受到全球學界、產業界的高度關注。全球頂級學府、科研機構、芯片 巨頭紛紛參與，各國政府出臺政策支持 RISC-V 的發展和商業化。RISC-V 有望成為 X86 和 ARM 之后 ISA 第三極。

處理器微架構是指令集架構的物理實現

馮·諾依曼體系結構是現代計算機的基礎。1946 年美籍匈牙利科學家馮·諾伊曼提出存儲程 序原理，把程序本身當作數據來對待，程序和該程序處理的數據用同樣的方式存儲，并確 定了存儲程序計算機的五大組成部分和基本工作方法。馮·諾依曼體系結構主要由 CPU、 存儲器（Memory）和輸入輸出設備（I/O Device）組成。在該體系結構下，指令和數據需 要從同一存儲空間存取，經由同一總線傳輸，無法重疊執行。馮·諾依曼體系的 CPU 工 作分為 5 個階段：取指令階段（instruction fetch）、指令譯碼階段（instruction decode）、 執行指令階段（execute）、訪存取數（read memory）和結果寫回（write back）。

哈佛結構是另一種主要計算機架構體系。與馮諾依曼處理器相比，哈佛結構的指令和數據 存在兩個相互獨立的存儲器模塊，使用兩條獨立的總線連接 CPU 和存儲模塊。而在改進 型哈佛結構（Modified Harvard Architecture）中，指令和數據存在兩個相互獨立的存儲器 模塊，但是共用地址和數據總線?，F代的復雜芯片上，已經看到純粹的馮·諾伊曼體系或 者哈佛體系，而大多數能看到是兩者融合或者并存的體系。

實現指令集架構的物理電路被稱為處理器的微架構（Micro-architecture）。因此，通俗來 講處理器架構就是處理器電路。通常，具備獨立設計處理器微架構的企業被認為有處理器 研發能力。大多數情況下，一種處理器的微架構是針對一種特定指令集架構進行物理實現。少部分處理器架構設計為了更好的兼容性，會在電路設計上實現多個指令集架構。雖然， 指令集架構可以授權給多家企業，但微架構的設計細節，也就是對指令的物理實現方式是 各家廠商絕對保密的。由于處理器的功能要求、使用場景不同、各家企業設計技術的差異 等因素，即使基于同一指令集架構，各個企業也會設計生產出不同的處理器架構。

在計算機時代，英特爾和 AMD 等主要處理器廠商研發處理器架構僅供應自家處理器芯片。作為壟斷個人電腦和服務器的 X86 架構陣營，英特爾和 AMD 繼續延續只為自家處理器芯 片設計供應處理器內核的模式。2016 年，AMD 和中國服務器企業海光合作，授權給海光 的 Zen 架構正是處理器微架構。這個授權物實際就是 AMD 根據 X86 架構設計完成的處理 器電路，并不是 X86 指令集架構。即使是以這種 IP 授權方式的合作，在 X86 陣營中也是 極少的個例。

在智能移動設備興起的近 20 年，以 ARM 模式為代表的內核微架構 IP 授權模式興起。ARM 開發內核微架構后，將它們以 IP 形式上架出售，芯片廠商以 ARM 授權的內核為基礎設計 芯片使用或對外銷售?；?ARM 精簡指令集架構的 ARM 內核微架構 IP 選擇多樣、設計 精簡可靠、在低功耗領域表現優異，這種授權模式在以手機、平板為代表的移動終端芯片、 機頂盒、視頻監控等應用媒體芯片等應用為代表移動智能領域獲得廣泛的成功。ARM 因 此也成為移動互聯時代的處理器 IP 授權霸主。

產業分工細化，ARM 成為處理器 IP 授權領域王者

半導體產業垂直分工催生芯片 IP 產業

20 世紀 90 年代開始，信息產業核心從個人計算機向手機產業過渡，信息時代從互聯網為 主體的階段向移動互聯階段過渡。智能移動終端和智能多媒體產品更加復雜多樣，對芯片 功能和性能需求差異化增加了設計的復雜度。另一方面，隨著摩爾定律推進，先進工藝制 程芯片設計研發資源和成本持續增加。根據 2020 年 IBS 報告預測，一款先發使用 5nm 制 程芯片設計成本將高達 4.97 億美元,相比 16nm 增長多達 5 倍；即使 5nm 將來成為成熟制 程，單款芯片設計成本也將高達 2.5 億美元，接近 7nm 的先發芯片設計成本。全球半導 體產業在 fabless+foundry+OSAT（無晶圓設計+晶圓代工+封裝測試）的分工大趨勢下繼 續細化分工，芯片設計產業進一步拆分出芯片 IP（Intellectual Property）產業。

半導體 IP（Intellectual Property）指已驗證的、可重復利用的、具有某種確定功能的集成 電路模塊。IP 供應商專注開發 IP 微架構，通過收取 IP 架構授權費、版稅進行盈利。設計 公司在芯片設計中將得到授權的 IP 直接集成到芯片中實現功能，避免重新開發。根據 Markets and Markets 預測,半導體 IP 市場到 2024 年將達到 65 億美元規模，市場增長的 推動因素是消費電子領域不斷進步的多核技術和現代 SoC 設計領域持續增加的需求。根 據 IP 功能細分，處理器 IP 占據整最大的 IP 市場份額，根據 IPnest 統計，2019 年包括 CPU、GPU、NPU、VPU、DSP 和 ISP 六大類處理器 IP 占全市場 51%份額。

ARM 與移動互聯時代互相成就

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 電腦集團和 VLSI Technology 的合資公司。ARM 不制造芯片， 也不銷售實際的芯片給終端客戶，而是通過授權其 RISC ISA 和處理器設計方案，由合作 伙伴生產出各具特色的芯片。ARM 公司利用架構授權的模式與伙伴達成雙贏，迅速成了 全球性的精簡指令集微處理器標準的締造者。2016 年 7 月，日本軟銀（Softbank）宣布 斥資 243 億英鎊收購 ARM 公司，但在業務上仍然保持獨立運營。

ARM 憑借在通用處理器 IP 領域壟斷優勢，在 IP 營收上穩居全球 IP 供應商排名榜首?；?于 ARM 指令集開發的 ARM 處理器內核被廣泛應用于智能手機、電視機、汽車、智能家 居、智慧城市和可穿戴等設備上。據軟銀 2017 年世界大會公布的 ARM 市場份額顯示， 超過 99%的智能手機、調制解調器，超過 95%的車載信息設備和超過 90%的可穿戴設備 搭載了 ARM 架構處理器。

ARM 不出售芯片只授權架構，商業模式開創半導體行業先河

作為半導體企業，ARM 獨特的商業模式是不設計和制造整芯片，而是專注處理器內核架 構的授權。ARM 一直以來保持作為處理器 IP 供應商的中立地位。中立地位幫助 ARM 通 過架構授權廣泛推廣了基于 ARM 架構的生態系統。ARM 處理器架構授權主要分為指令集 授權和處理器架構授權兩個層次：一是 ARM 指令集架構授權，二是 ARM 處理器架構授 權。公司收入來源包括：1）對半導體公司的授權費用，一定時間范圍內是一次性的；2） 半導體公司向其他客戶銷售芯片的 royalty 費用，客戶每生產一顆芯片 ARM 都有一定百分 點的版稅收入；3）向半導體公司、用戶提供技術咨詢服務的費用。

ARM 通過指令集架構授權在技術上與合作伙伴互相緊密對接

ARM 指令集架構授權指 ARM 將 ARM RISC 精簡指令集授權給受讓方。受讓方可以對 ARM 指令集進行大幅度改造，甚至可以對 ARM 指令集進行擴展或縮減。之后，受讓方根 據自己改進過的指令集研發處理器架構，從而在根源上做到了對處理器架構的差異化設計， 保持對自研芯片的掌控力，達成獨特競爭力同時又兼容 ARM 的完善生態環境。而 ARM 在這種合作模式中與合作伙伴結成高度緊密的技術合作關系。

蘋果的 A 系列處理器是基于 ARM 指令集架構授權自研內核的成功典范。2012 年 9 月， 蘋果隨 iPhone5 上市發布了 A6 處理器 SoC，這顆 SoC 基于 ARMv7 架構打造的 Swift 內 核微架構開啟了蘋果基于 ARM 架構自研處理器內核的序幕。2013 年 9 月，蘋果率先發布 搭載基于 ARMv8 架構研發的 64 位 Cyclone 架構的雙核 A7 處理器。A7 作為世界首款 64 位智能手機處理器，在性能表現力壓還在 32 位四核方案上競爭的安卓陣營。蘋果 A 系列 處理器內核性能力壓所有安卓陣營競爭對手序幕由此開啟，并延續至今。2020 年，蘋果 宣稱新發布的 A14 Bionic 芯片性能已經堪比部分筆記本處理器。

蘋果在今年 WWDC2020 宣布 Mac 電腦將轉向使用公司自主開發的基于 ARM 架構處理器。我們認為，蘋果結束與英特爾長達 15 年的合作，轉而使用自研 ARM 處理器最重要目的是 進一步封閉蘋果的軟硬件生態。蘋果希望如同 iPhone 的成功一樣，從硬件上得到充分自 主，做到差異化競爭優勢。從 ARM 角度來看，蘋果一旦成功也將幫助 ARM 實現一直以 來希望撕開 X86 壟斷的個人計算機市場的野心。

ARM 提供多樣化處理器內核 IP 授權，與生態伙伴實現雙贏

ARM 處理器架構授權指 ARM 將自行設計的處理器內核 IP 授權給客戶?？蛻艨梢灾苯訉?內核 RTL（Register Transition Level）代碼在芯片前端設計時集成在芯片處理器模塊中?？蛻粢部梢詫μ幚砥骶彺妗⒑藬?、頻率進行配置。通過系統總線與其他的功能模塊、外設 接口、主存儲接口模塊等連接，生成完整的芯片。ARM 為各種應用場景提供多樣化的家 族化處理器 IP 解決方案，覆蓋高性能計算、高性能實時、低功耗嵌入式、云端計算、硬 件安全和高性能機器學習等場景。ARM 的處理器 IP 授權模式為合作伙伴提供可靠處理器 的同時降低芯片開發成本，推動應用的創新。而廣泛的合作伙伴豐富了 ARM 的生態，奠 定 ARM 在智能時代中智能手機、物聯網等領域處理器主導地位。

ARM Cortex 系列處理器內核是 ARM 家族中占據處理器 IP 市場的核心系列。其中， Cortex-A 系列面向高性能計算需求、運行豐富操作系統和程序任務的應用領域。例如智能 手機、平板電腦、機頂盒、數字電視、路由器和監控 SoC 芯片等。Cortex-A 目前有 A7x 系列為代表的性能大核產品線和 A5x 系列為代表低功耗小核產品線。

現代多核 SoC 為了兼顧性能峰值表現和低功耗，經常同時集成一定數量大核和小核。其 中大核運行短時間的高性能需求任務；小核運行低性能需求的任務或者在待機狀態支持背 景任務運行。目前，除了蘋果自研處理器內核以外，以高通、海思、聯發科為首的安卓智 能機 SoC 芯片設計企業都采用 Cortex-A7x 和 A5x 搭配作為內核集合（cluster）配置。其 中，高通和華為會在架構上做不同程度的優化。

相比 Cortex-A 處理器內核，Cortex-M 處理器內核被設計成面積更小，能效比更高。通常 這些處理器的流水線很短，設計簡單，最高時鐘頻率很低，功耗表現優異。Cortex-M 系 列在目前智能互聯時代應用前景非常廣闊，覆蓋智能測量、人機接口設備、汽車和工業控 制系統、大型家用電器、消費性產品和醫療器械等應用需求，Cortex-M 在目前全球 32 位 MCU 市場占據主導地位。Cortex-R 處理器是面向實時應用的高性能處理器系列，運行在 比較高的時鐘頻率，其響應延遲非常低。主要應用于硬盤控制器，汽車傳動系統和無線通 訊的基帶控制等領域。

ARM 助力國產芯片質與量雙擊，收購案或刺激自主可控提速

智能移動設備普及，ARM Cortex-A 助力國產智能終端 SoC 崛起

根據 CINNO Research 發布的最新數據顯示，2020 年上半年，國內市場智能機銷量約 1.4 億部，其中華為（含榮耀）市場份額達到 40.2%。另據市場調研機構 Counterpoint 發布的 報告顯示，2020Q2海思麒麟芯片占據41%的國內智能手機芯片市場份額，成為國內第一。同時，海思麒麟芯片在全球智能機芯片市場份額提升到 16%，超過蘋果和三星。近年來華 為手機質和量形成雙擊，特別是旗艦手機得到全球市場廣泛認可。除去全球疫情蔓延和美 國打壓帶來的國貨消費潮等偶然因素，我們認為內在主因是基于硬件上的自主創新獲得的 用戶體驗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 硬件創新的核心之一。

半導體產業 fabless+foundry+OSAT 分工體系從工程上成就了包括麒麟芯片在內的海思芯 片的成功。華為對海思不斷持續巨額投入帶來的芯片設計能力提升成功對接全球最先進的 制程工藝和封裝工藝。而在芯片設計領域，ARM 的處理器 IP 授權模式成為歷代麒麟芯片 成功的重要因素之一。ARM 的授權模式對麒麟芯片積極影響有以下幾方面：一是在創業 初期，ARM 的授權模式可以幫助作為后發者的海思在處理器內核性能上直接拉到和安卓 陣營競爭對手同一個層級。二是對于 ARM 在智能手機領域的主導地位，使海思自研手機 芯片能夠借助 ARM 完善的生態，幫助華為手機快速進入主流智能機市場。三是基于消費 電子市場的特點，ARM 的處理器授權有效縮短了包括海思在內的企業開發周期和成本。

除了基于 ARM 公版內核架構開發芯片以外，華為已經具備基于 ARM 指令集架構的處理 器內核開發能力。海思在麒麟 990 官方發布和配置表都宣稱為使用“基于 A76”（A76 Based） 內核，顯示海思已經對 ARM 處理器內核和指令集有深入了解，掌握了自行對架構修改的 能力。2019 年 1 月，華為跟進一步發布自研服務器芯片鯤鵬 920。該服務器芯片搭載了 64 顆海思基于 ARMv8 架構自研的泰山內核。整體服務器性能較市場現有競品提升 20%。2019 年 5 月，華為宣布獲得 ARMv8 架構永久授權，并且強調華為海思有持續自行開發設 計基于 ARM 授權架構的處理器。

近年來，智能手機 SoC 以外的國產智能終端 SoC 芯片也借助 Cortex-A 系列處理器 IP 逐 步實現國產替代。國產搭載 ARM 架構處理器的 SoC 涵蓋了智能高清機頂盒、IPC、網絡 攝像頭、車載娛樂信息設備等。根據格蘭研究院數據，2018 年華為海思和晶晨股份（688099， 無評級）分別占據國內 60.7%和 32.6%的 IPTV/OTT 機頂盒芯片市場。而在 2013 年，歐 洲芯片巨頭意法半導體還占據國內機頂盒芯片市場 30%以上。在安防領域，以海思為代表 的國內廠商已經實現 IPC 芯片實現低端替代到全檔次布局。

物聯網時代 MCU 需求提升，本土廠商借助 ARM Cortex-M 卡位高端市場

根據 IC Insights 數據，2019 年 MCU 全球銷售額為 164 億美元。產品主要用于汽車電子、 工控/醫療、計算機網絡和消費電子等領域，占比分別為 33%、25%、23%和 11%。IC Insights 同時預計 MCU 在經歷 2019 年和 2020 年下滑后，將在 2021 年出現溫和復蘇，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 MCU 收入將創下 188 億美元的新高。全球 MCU 市場主要由瑞薩電子（日本）、恩智浦（荷 蘭）、英飛凌（德國）、微芯科技（美國）、三星電子（韓國）、意法半導體（意法）、賽普 拉斯（美國）占據。

根據 HIS 和 ASPENCORE 數據，2019 年中國 MCU 市場規模達到 256 億人民幣。中國 MCU 應用市場主要集中在家電/消費電子、計算機網絡、汽車電子、智能卡、工控等領域， 市場占比分別為 25.6%、18.4%、16.2%、15.3%和 11.2%。受益于國內物聯網和新能源 車行業的增長領先于全球，中國 MCU 市場規模在 2008 年到 2018 年間 CAGR 為 7.2%， 領先全球。同時，HIS 預計 2022 年，中國 MCU 市場規模將達到 319 億人民幣，增速繼 續超過全球。預計 2020 年國產 MCU 廠商的銷售額將達到 148 億元人民幣，占整個中國 MCU 市場的 55%。

ARM Cortex-M 處理器助力國內廠商卡位 MCU 市場的價值鏈上游。目前，國內 MCU 廠 商在消費電子、智能卡和水電煤氣儀表等中低端應用領域實現國產替代。隨著物聯網終端 需求推進，物聯網時代任務的復雜化對計算能力的要求將使 MCU 往 16 或 32 位設計。32 位 MCU 是基于未來物聯網的市場發展方向。既滿足廠商上述要求又具有豐富生態系統資 源的 ARM Cortex-M 系列處理器內核成為 32 位 MCU 內核市場主導。兆易創新、中穎電 子等國內 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 內中高端市場，向產業價值鏈上游卡位。國產 32 位 MCU 已經開始進入國外傳統廠商所 壟斷的高端 MCU 市場。

作為國產 IC設計領軍企業，兆易主要提供基于 ARM Cortex-M 系列 32 位通用 MCU 產品， 其 GD32 是 ARM? Cortex-M3 及 Cortex-M4 內核通用 MCU 產品系列，也是目前中國 32 位通用 MCU 主流產品，廣泛應用于工業自動化、人機互動、電機控制、安防家弄、智能 家居家電及物聯網等領域。根據公司 2020 年中報，兆易 MCU 產品包括 330 余個產品型 號、23 個產品系列和 11 種不同封裝類型，累計出貨已超過 4 億顆。2020 年 7 月，兆易 創新發布基于全新 Arm Cortex-M33 內核的 GD32E5 系列高性能微控制器，確定以無線連 接、電池供電設備以及便攜式、可穿戴設備、汽車級 MCU 幾大方向的產品路線。

ARM 收購案重塑全球產業格局，自主替代或將加速

美國太平洋時間 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（NVDA US，無評級）在官網宣布計劃以總價為 400 億美元的英偉達股票和現金從日本的軟銀和 軟銀愿景基金收購全球最大處理器 IP（Intellectual Property）供應商 ARM Limited。英偉 達表示本次收購計劃旨在結合英偉達大的人工智能技術和 ARM 龐大的計算生態系統，推 動英偉達成為從云端、智能手機、PC、自動駕駛汽車和機器人深入到邊緣物聯網的全球 領先的 AI 公司。英偉達同時承諾延續 ARM 的開放式授權模式，保持其客戶中立性，并 利用 NVIDIA 技術擴展 ARM 的 IP 授權組合。無論如何整合，作為世界最大的處理器 IP 供應商 ARM 收購案將重塑全球芯片產業格局。

中國智慧物聯市場前景廣闊，ARM 授權仍是雙贏選擇

“十三五”期間中國物聯網市場穩步增長，未來市場前景樂觀。中商產業研究院發布的 《2020-2025 年中國物聯網產業市場前景及投資機會研究報告》預計，2020 年中國物聯 網市場規模將突破 2 萬億，達到 22165 億元，“十三五”期間年均復合增長率達 24%。另 根據工信部數據顯示，截至 2018 年 6 月底，全國物聯網終端用戶已達 4.65 億戶。預計智 能消費設備的普及以及人工智能技術的應用在未來仍將支撐中國物聯網規模的穩步增長 趨勢。

同時，中國人工智能產業規模快速增長。根據艾媒咨詢發布的《2020 上半年中國人工智 能產業專題研究報告》顯示，預計 2020 年國內人工智能核心產業規模將超過 1500 億元， 同比增長率達到 26.2％。截至 2020 年 6 月，全國已有 24 個省市發布了人工智能產業發 展規劃，其中有 18 個制定了具體的產業規模發展目標，這 18 個省市 2020 年的人工智能 核心產業規模目標達到近 4000 億，遠遠超過國家制定的 1500 億。

我們認為中國作為全球最大的電子和半導體市場，是目前 ARM 生態中的國內芯片廠商短 期不會受到收購案的沖擊的最有利因素。首先，英偉達為了實現繼續保持 ARM 在處理器 IP 授權的主導地位，兌現 ARM 中立性的承諾是成功的關鍵。其次，無論是從商業直接收 益角度，還是維持并擴展 ARM 產業生態，英偉達和 ARM 都不會錯過中國廣闊的智慧物 聯、人工智能市場。另外，由于中國在全球市場的地位，中國反壟斷監管部門的審批或將 ARM 收購案成功與否的決定因素之一。我們認為中美貿易摩擦和收購案導致半導體產業 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。倪光南院士公開預測中國商務部會否決本收購案。

ARM 收購案或帶來技術供應不穩定性，國產處理器或將加速自主可控處理器發展

我們認為 ARM 指令集架構和處理器內核架構在移動和智能物聯領域的技術優勢和市場壟 斷地位有可能為美國的管制技術。目前，美國已經在 X86 架構、EDA 工具、晶圓代工的 設備、材料等多個芯片產業關鍵環節扼住整個全球產業鏈。其中，作為壟斷個人計算機和 服務器的 X86 架構完全掌握在英特爾手中，只授權給 AMD 和臺灣威盛兩家。英特爾和 AMD 過去數十年在 X86 架構上的耕耘，已經建立起了堅固的專利墻。而 ARM 架構和處 理器 IP 授權智能終端、工業、車載、家居物聯網等領域芯片處理器內核的地位能夠進一 步提升美國對整個芯片產業的控制力。

因此，ARM 收購案帶來的不穩定性或刺激中國處理器自主化加速。結合過去幾年美國針 對中國頂尖科技企業進行“實體清單”管制的案例分析，ARM 的技術管制和許可證制度 是有可能被實施到各細分領域具備挑戰美國科技實力的頂尖中國公司。從歷史來看，即使 中國廣闊的智慧物聯市場是美國企業繼續合作的最強動力，但美國企業從來都是堅決配合 執行美國政府的出口管制。過去由于 X86 的計算機和服務器壟斷地位，國內自主 CPU 突破方向是以計算機和服務器處理器芯片為主。我們認為，ARM 的收購案或將推動國產 CPU 研發向智能終端、工業互聯、車規車載、家居物聯網等 AIoT 領域芯片處理器全方面擴展。

RISC-V 引產業關注，開源模式賦予國內處理器換道超車機會

RISC-V 是新興精簡指令集，開源模式吸引關注

2011 年，新興的開源架構 RISC-V 出現引起全球處理器產學研關注。RISC-V 是一種簡單、 開放、免費的全新精簡指令集架構，其最大的特點是“開放”。它的開放性允許它可以自 由地被用于任何目的、允許任何人設計、制造和銷售基于 RISC-V 的芯片或軟件，這種開 放性在處理器領域是徹底的第一次。RISC-V 起源于 2010 年加州大學伯克利分校的 David Patterson 教授與 Krste Asanovic 教授研究團隊準備啟動一個新項目。項目需要選 擇一種處理器指令集。由于當時已有的指令集 ARM、MIPS、SPARC、X86 存在設計越 來越復雜和知識產權問題，因此他們開始重新設計一套指令集。

伯克利大學團隊在指令集發布同時決定將 RISC-V 指令集徹底開放，使用 BSD License 開源協議設計了開源處理器核 Rocket Core。伯克利研究團隊認為，指令集作為軟硬件接 口的一種說明和描述規范，不應該像 ARM、PowerPC、X86 等指令集那樣需要付費授權 才能使用，而應該開放和免費。他們選擇的 BSD 開源協議給予使用者很大自由，允許使 用者修改和重新發布開源代碼，也允許基于開源代碼開發商業軟件發布和銷售。因此 BSD 開源協議對商業集成很友好，很多的企業在選用開源產品時都會首選 BSD 開源協議。

RISC-V 基金會于 2015 年由硅谷相關公司發起并成立，RISC-V 商業化進入快車道?；?會作為非盈利性組織，負責 RISC-V 指令集架構及其軟硬件生態的標準化、保護和推廣。RISC-V 成立時基金會董事會來自 Bluespec、谷歌、Microsemi、英偉達、恩智浦半導體、 加州大學伯克利分校和西部數據的七名代表組成。據 RISC-V 基金會統計，目前已有來自 25 個國家的 210 多個機構、學術和個人加入。中國企業和研究機構積極參與基金會，阿 里巴巴、華為、中興通訊和賽昉科技目前是基金會頂級成員。

RISC-V 架構迎 AIoT 新機遇

由于長期的發展，X86 和 ARM 形成了強大生態體系，RISC-V 在短期內難以在計算機領 域和移動互聯領域替代 X86 和 ARM。但在新興的 AIoT 時代，RISC-V 將迎來機遇。包括 ARM 在內的 CPU 架構經過幾十年的發展演變，已變得極為復雜和冗繁。即使是作為精簡 指令集的 ARM 架構文檔也長達數千頁。指令數目已經日趨復雜，并且版本眾多，彼此之 間既不兼容，也不支持模塊化。另外現有主流指令集還存在著高昂的專利和架構授權問題。作為設計之初就定位為完全開源架構的 RISC-V，后發優勢規避了計算機體系幾十年發展 的彎路。架構文檔只有二百多頁，基本指令數目僅 40 多條。模塊化使得用戶可根據需求 自由定制，配置不同的指令子集。

精簡和靈活使新興的 RISC-V 架構在智能物聯網市場有機會實現突破。智能物聯網（AIoT） 時代帶來的低延時大容量萬億設備互聯，場景豐富、萬物互聯、智能化將催生新的芯片市 場需求。但是豐富的應用場景也導致 AIoT 市場呈現碎片化和多樣化，對 CPU 的需求也極 為多樣?，F有的處理器設計并不能有效應對。RISC-V 架構的極致精簡和靈活的架構以及 模塊化的特性，可以針對不同應用靈活修改指令集和芯片架構設計。相比之下使用 ARM 往往只能做一個標準化設計，很難實現差異化。此外，很多智能設備對于成本較敏感， RISC-V 架構免費授權的特點對于芯片廠商也非常重要。

市場調研機構 Semico Research 研究結果顯示，預計到 2025 年，采用 RISC-V 架構的芯 片數量將增至 624 億顆。在包括計算機，消費者，通訊，運輸和工業市場在內的細分市場， 2018 年至 2025 年復合增長率高達 146%。Semico Research 與 RISC-V 基金會共同確 定了 34 個細分市場，并研究了每個市場的 CPU IP 內核的總可用市場和 RISC-V IP 內核 的服務可用市場，最終對 2025 年數據進行了預測。研究認為四個具有使用 RISC-V 內核 的高價值機會是高性能多核 SoC、高性價比多核 SoC、基礎 SoC 和 FPGA。

CPU 自主可控道阻且長，發揮新型舉國體制優勢布局 RISC-V

我們認為開放和合作使 RISC-V 有潛力成為中國處理器自主可控的指令集架構選擇。RISC-V 架構開源模式使該指令集架構避免如 X86 和 ARM 被極少數公司控制，從而在架 構源頭實現自主可控。廣闊的使用前景和未來潛在市場規模，吸引了全球著名企業、研究 機構和高等學府積極合作，多方投入合作有望促進 RISC-V 產業鏈成熟和生態的完善。生 態繁榮的前景有利于國內參與企業持續盈利，提高繼續投入積極性，進入良性發展循環。樂觀的市場預期、成熟的產業鏈和完善的開發生態，是 RISC-V 成為主流指令集架構，甚 至于成為 X86 和 ARM 外指令集架構第三極的必備條件。

全面布局指令集架構優化、處理器內核開發和終端芯片設計，是真正實現處理器自主可控 的客觀要求。RISC-V 強調完全開源的設計，并且讓取用者可任意加上專屬指令集，甚至 可以自由選擇將架構封閉還是維持開源。因此，雖然指令集架構是開源免費，但是基于指 令集衍生的專利、內核微架構并不是開源和免費。目前，RISC-V 指令集和微架構均已發 展出開放免費、可授權和封閉的三種知識產權模式。

目前，類似于 ARM 商業模式的 RISC-V 內核 IP 授權公司已經興起。美國 SiFive 由 RISC-V 創始人 Krste Asanovic 創立，是世界最大的 RISC-V 商業處理器 IP 授權公司。目前 SiFive 已完成 E 輪融資，股東除了專業 VC 以外還有高通、西部數據、SK 海力士等半導體行業 巨頭。SiFive 產品已涵蓋 MCU、邊緣計算、人工智能、物聯網、存儲器、AR/VR、機器 學習等領域。臺灣的晶心科技是另一家著名 RISC-V 內核 IP 提供商。2020 年 10 月，瑞 薩半導體（Renesas）宣布開始采用晶心旗下 AndesCore IP 32 位 RISC- V CPU 內核開 發新的特定應用標準產品。

以中美貿易摩擦為鑒，安卓式的開源陷阱需要被避免：谷歌利用安卓開源免費的框架，吸 引智能手機廠商使用安卓。再把 GMS（Google Mobile Service）閉源做成授權模式，成 為自己盈利模式。在美國對華為進行“實體清單”制裁時，谷歌毫不猶豫停止 GMS 授權， 使華為智能手機因無法下載、更新、使用 Gmail、Youtube、Google Map 等廣泛普及的應 用，在海外市場陷入被動。

從處理器發展史來看，一款指令架構的成功，不僅僅在于芯片設計成功，更需要完善的軟 硬件生態系統。英特爾推動的 x86 架構市場龐大，從傳統 PC 到數據中心規模的服務器 都在使用基于 x86 架構的處理器，同時相關軟件帶動的應用服務也有長達 40 年的優化 發展歷史。ARM 的 IP 授權模式已經趨于完善，ARM 架構已催生龐大的移動和智能設 備市場應用規模，加上有 EDA 公司、晶圓代工廠、軟件公司在 ARM 生態上的鼎力支持， 盡管授權費用高昂，各大芯片廠商依舊愿意進行合作。目前，RISC-V 生態剛開始起步， 操作系統、編譯器、開發工具、EDA 工具等配套逐漸起步完善。推動生態系統的深度發展， 有利于吸引更多企業使用 RISC-V 架構，將 RISC-V 打造成主流架構。

AIoT 市場碎片化以及 RISC-V 架構本身開源靈活的特點，更需要國內外通過開放合作推 進 RISC-V 架構向標準化方向發展。維護 RISC-V 開放合作，更有利于 RISC-V 良性發展， 積極參與全球合作，中國企業可以提高自身技術能力，提高中國在處理器領域話語權；積 極推進國內生態企業合作，有效整合資源，形成完善的產業鏈，將自主可控處理器和龐大 豐富智能物聯網應用有效對接，形成雙擊。

AIoT 爆發在即，國內多方面推進 RISC-V 發展

政策陸續出臺，推動產業發展

上海在國內第一個出臺與 RISC-V 相關的扶持政策。2018 年 7 月，上海市經信委發布《上 海市經濟信息化委關于開展 2018 年度第二批上海市軟件和集成電路產業發展專項資金 （集成電路和電子信息制造領域）項目申報工作的通知》，將從事 RISC-V 相關設計和開 發的公司作為扶持對象。2018 年 10 月，樂鑫 ESP32-Marlin 物聯網芯片項目入選擬支持 項目。2020 年 2 月，廣東省人民政府辦公廳印發的《加快半導體及集成電路產業發展若 干意見的通知》中，明確將 RISC-V（基于精簡指令集原則的開源指令集架構）芯片設計 列入芯片設計重點發展方向。

產學研齊登場，積極投身國內外合作

除了參與 RISC-V 基金會以外，中國的企業和科研院所在國內外還以各類技術共享平臺、 論壇、產業聯盟等形式的參與合作。2018 年 10 月 17 日，由國內外 RISC-V 領域重點企 業、研究機構、和行業協會發起成立中國 RISC-V 產業聯盟。聯盟秉承開放、合作、平等、 互利的原則，致力于解決中國 RISC-V 領域共同面對的關鍵問題，建立中國國產自主、可 控、安全的 RISC-V 異構計算平臺，促進形成貫穿 IP 核、芯片、軟件、系統、應用等環 節的 RISC-V 產業生態鏈。

2018 年 11 月 8 日，中國開放指令生態（RISC-V）聯盟在烏鎮舉行的第五屆世界互聯網 大會上宣布成立，聯盟理事長由倪光南院士擔任。CRVA 聯盟旨在召集從事 RISC-V 指令 集、架構、芯片、軟件和整機應用等產業鏈各環節企事業單位及相關社會團體，自愿組成 一個全國性、綜合性、聯合性和非營利性的社團組織。此聯盟將圍繞 RISC-V 指令集，整 合各方資源，通過產、學、研、用深度融合，力圖推進 RISC-V 生態在國內的快速發展。同日，同樣在世界物聯網大會上，RISC-V 基金會在宣布成立中國顧問委員會將就 RISC-V 基金會的教育和應用推廣戰略提供指導。

2019 年，新的非營利性全球組織 OpenHW Group 成立，旨在通過提供合作平臺，創建生 態系統發展的焦點，以及促進開源處理器的采用，以及為處理器內核提供開源基于 RISC-V 架構的 Core-V IP。包括阿里巴巴、華為、恩智浦、英偉達、Silicon Labs 和蘇黎世聯邦理 工大學、美國猶他大學在內的國內外頂尖企業和院校成為 OpenHW Group 的加盟成員。

科研機構發力，展開多領域研究

依托國內大學和研究機構，基于 RISC-V 架構研究在多領域內展開。在 2015 年之前，大 多數微結構和芯片相關的研究受限于指令集的授權問題而難以開展。隨著 RISC-V 開源開 放理念的流行，越來越多的科研項目受益于 RISC-V 而得以開展。

根據中國開放指令生態（RISC-V）聯盟不完全統計，截至 2019 年 2 月，圍繞 RISC-V 開 展科學研究或領域生態調研的科研機構包括但不限于：北京大學、南京大學、南開大學、 寧波中國科學院信息技術應用研究院、鵬城實驗室、清華大學、上海交通大學、上海科技 大學、天津大學、浙江大學、中國電子信息產業發展研究院、中國科學技術大學、中國科 學院計算技術研究所、中國科學院上海微系統所、中國科學院微電子所和中國科學院信息 工程研究所等。預計未來國內基于 RISC-V 的研究將越來越繁榮。

企業積極投身產業化，自主產品不乏亮點

根據中國開放指令生態（RISC-V）聯盟統計，截至 2018 年年底，可查詢到的與 RISC-V 芯片、硬件、軟件、投資、知識產權及生態相關的中國公司（含外資公司中國分公司）數 量已接近一百家。

近年來，國產 RISC-V 商業化產品不斷落地，其中不乏亮點。阿里巴巴旗下平頭哥半導體 推出的玄鐵 910 AI 向量加速引擎的 64 位 16 核處理器在性能方面優于 ARM Cortex-A73；玄鐵 902/903 已被應用于 IoT 和工業控制的 MCU。2018 年 9 月，華米科技（HMI.US） 正式發布了“黃山 1 號”，成為全球可穿戴領域的第一顆 AI 芯片。作為后續產品，黃山 2 號 RISC-V 智能可穿戴芯片，將于 2020Q4 量產。華米宣稱黃山 2 號相比于在可穿戴設備 中常見的 ARM Cortex-M4 架構處理器，整體運算效率提升了 38%。

國內出現本土基于 RISC-V 處理器 IP 核供應商與本土設計企業聯手先例。2019 年 8 月 22 日，兆易創新發布了全球首款基于 RISC-V 內核的 GD32VF103 系列 MCU。該款 MCU 采 用 Bumblebee 處理器內核是兆易創新攜手 RISC-V 處理器內核 IP 和解決方案廠商芯來科 技（未上市）面向物聯網聯合開發的一款商用 RISC-V 處理器內核。本次合作實現了本土 處理器 IP 供應商和本土芯片設計公司意義非凡的聯手。

國內 MCU 和 RISC-V 產業鏈重點公司情況

平頭哥半導體（未上市）：

芯片新型架構開發數據中心和嵌入式 IoT 芯片產品。其中，玄鐵 CPU C910 搭載 AI 向量 加速引擎的高性能 64 位 RISC-V 架構多核處理器；無劍 SoC 平臺采用軟硬融合、端云一 體的設計理念，全棧集成芯片、操作系統和算法等技術，賦能客戶開發出可規?；慨a的 芯片產品；含光 NPU 高性能 AI 推理芯片用于數據中心、邊緣服務器和大型端上。

兆易創新（603986 CH）：

兆易創新為國內領先的半導體芯片設計公司之一。根據公司 2020 年中報披露，MCU 產品 累計出貨數量已超過 4 億顆，客戶數量超過 2 萬家。報告期內，公司成功量產發布兩個系 列新產品，拓展 MCU 在物聯網和智能化產業的廣泛應用，滿足工業應用級別的高精度、 高可靠性需求：基于 Arm? Cortex?-M23 內核 MCU 的最新產品，GD32E232 系列超值型 微控制器和基于 Arm? Cortex?-M33 高精度實時工業控制 E507/E503 系列 MCU。此外， 公司繼續推進通用 RISC-V MCU GD32V 產品系列開發，為客戶提供完整的軟件包、開發 套件、解決方案等支持，在報告期內 GD32V 也已與主流 IDE 工具廠商 IAR、Segger 達 成合作，豐富了 GD32V 產品生態。

中穎電子 (300327 CH):

中穎電子是無晶圓廠的純芯片設計 Fabless 模式公司，主要從事自主品牌的集成電路芯片 研發設計及銷售，并提供相應的系統解決方案和售后的技術支持服務，主要產品為工業控 制級別的微控制器 MCU 芯片和 OLED 顯示驅動芯片。微控制器系統主控單芯片主要用于 家電主控、鋰電池管理、電機控制、智能電表及物聯網領域。

芯來科技（未上市）：

芯來科技是中國大陸首家專業 RISC-V 處理器內核 IP 和解決方案公司。自研推出的 RISC-V 處理器 IP 已授權多家知名芯片公司進行量產，實測結果達到業界一流指標。芯來 科技是本土 RISC-V 生態引領者，攜手合作伙伴發布了全球首顆基于 RISC-V 內核的量產 通用 MCU 產品，目前已經全面推向市場。芯來科技目前是 RISC-V 基金會銀級會員，中 國 RISC-V 產業聯盟（CRVIC）發起單位和副理事長單位，以及中國開放指令集生態 （RISC-V）聯盟（CRVA）會員單位。

匯頂科技（603160 CH）：

匯頂科技是一家基于芯片設計和軟件開發的整體應用解決方案提供商，目前主要面向智能 移動終端市場提供領先的人機交互和生物識別解決方案，并已成為安卓陣營全球指紋識別 方案第一供應商。匯頂科技目前 MCU 產品包括基于 ARM Cortex-M0 內核的 GMF03x 系 列 MCU 和基于 RISC-V 架構的高性能、低功耗 GM6x5x 系列指紋算法 MCU。

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