2020年芯片行业深度研究报告

2020年芯片行业深度研究报告一、行业概述（一）创新可信和维持先进性需求目前，全球IT 信息产业依然是由x86 架构的Intel 底层芯片和Windows 操作系统组成的底层Wintel 体系主导：2018 年，全球CPU 领域Intel 占比90.41%，操作系统领域微软Windows 占比达88.17%。

同时，围绕他们形成了一整套产业生态，包括一系列的配套软硬件如服务器、存储、数据库、中间件、应用软件等，长期居于市场垄断地位。

CPU 最重要的是内核，对指令集的消化吸收和创新程度决定了创新可信的程度。

CPU 主要由控制器、运算器、存储器和连接总线构成。

其中，控制器和运算器组成CPU 的内核，内核从存储器中提取数据，根据控制器中的指令集将数据解码，通过运算器中的微架构（电路）进行运算得到结果，以某种格式将执行结果写入存储器。

因此，内核的基础就是指令集（指令集架构）和微架构。

指令集是所有指令的集合，指令集可以扩充（如从32 位扩充至64 位），它规定了CPU可执行的所有操作，目前，市场主流的指令集是以x86 为代表的复杂指令集（CISC）和以ARM 为代表的简单指令集（RISC）。

微架构是完成这些指令操作的电路设计，相同的指令集可以有不同的微架构，如Intel 和AMD 都是基于X86 指令集但微架构不同。

因此，可以看出一个企业对指令集架构消化吸收和创新的越多，其实现创新可信的可能性越大。

国产芯片种类繁多，基于ARM 架构授权的芯片厂商有可能形成创新可信程度高的自主指令集。

由于指令集的复杂性和重要性，自主研发一套新的指令集可行性不大。

国内CPU企业大多选择购买国外的架构授权，以实现不同程度的创新可信。

目前，国产CPU架构大体可以分为三类：第一类，以龙芯为代表的MIPS指令集架构和以申威为代表的申威64核心架构，已基本实现完全创新可信（龙芯已在原始MIPS 指令集的基础上完成了较大的扩充改造，基本形成自己的指令集，申威64 是在Alpha 架构的基础上形成的完全创新可信架构）。

第二类，是以飞腾和华为海思为代表的基于ARM 指令集授权的国产芯片。

ARM 主要有三种授权等级：使用层级授权、内核层级授权和架构/指令集层级授权，其中指令集层级授权等级最高，企业可以对ARM 指令集进行改造以实现自行设计处理器，如苹果在ARM v7-A架构基础上开发出苹果Swift 架构，其他如高通Krait、Marvell 等都是基于ARM 指令集或微架构进行的改造所得。

因此，已经获得ARM V8 永久授权的海思、飞腾等厂家凭借自身的研发能力，有可能发展出一套自己的指令集架构。

第三类，是以海光、兆芯为代表的获得x86 授权的国产CPU，英特尔、AMD 的X86 授权通常在内核层，则一方面获得授权后的芯片仍有相对“黑盒子”的部分，其次在此基础上扩展形成自主指令集的难度也较大。

因此，在自主可和可控这两个维度上比较，我们认为申威、龙芯>海思、飞腾>海光、兆芯。

但考虑到鲲鹏和飞腾已经获得ARM V8 的指令集永久授权，双方均有望在未来形成自己的指令集，且在未来无法再获得ARM新授权的情况下，继续维持先进性。

二、ARM产业生态成熟，应用场景丰富ARM是一个精简指令集家族，预期每8 年迭代一个架构版本。

ARM 架构是一个精简指令集（RISC）处理器架构家族，其广泛应用于嵌入式系统设计，特点为低成本、高效能及低耗电等，覆盖消费性电子产品、可携带装置、电脑附件设备、军用设施等。

经过多年发展，ARM 已由v1 演进至最新的v8，其中，从ARMv3 到ARMv7 支持32 位空间和32 位算数运算，大部分架构的指令为定长32 位，而2011 年发布的ARMv8-A 架构添加了对64 位空间和64 位算术运算的支持，同时也更新了32 位定长指令集。

目前，ARM 架构处理器在所有32 位嵌入式RISC 处理器占比达75%，为占全世界最多数的32 位架构之一。

据ARM估算，新一代架构从研发到商用普及大约需8 年时间，预计ARMv9 会在近1、2 年内推向市场。

ARM 产品线丰富，目前主流的为Cortex 产品系列。

由于相同指令集的微架构可以不同，因此每个ARM 架构版本可以衍生出多种处理器内核，针对不同应用场景推出不同产品。

目前，ARM 主流产品是基于ARMv7 和ARMv8 架构的Cortex 系列产品，主要包括Cortex-A、Cortex-R、CortexM 等，分别对应不同应用领域。

其中，Cortex-A 系列主要适用于具有高计算要求、运行丰富操作系统以及提供交互媒体和图形体验的应用领域，应用包括智能手机、智能本和上网本、电子阅读器、数字电视、家用网络、家用网关和其他各种产品。

Cortex-R 则主要面向深层嵌入式实时应用，对低功耗、良好的中断以及与现有平台的高兼容性这些需求进行了平衡考虑，应用领域有汽车制动系统、动力传输解决方案、大容量存储控制器、联网和打印机等。

Cortex-M 主要针对微控制器领域开发，应用领域包括微控制器、混合信号设备、智能传感器、汽车电子和气囊等。

2017 年，软银世界大会公布的ARM 市场份额显示，ARM 应用于智能手机＞99%、调制解调器＞99%、车载信息设备＞95%、可穿戴设备＞90%。

（一）ARM 通过三大层级授权联合行业伙伴，扩展产业应用生态。

ARM对合作伙伴分三级授权模式：使用层级授权：是最低的授权层级，可以使用封装完毕的ARM处理器核心，可通过增加封装之外的DSP 核心的形式实现更多的功能和特性，例如频率、功耗等，不可改变原有设计，ARM 对大多中国背景的企业采用这一级别的授权。

内核层级授权：可以以内核为基础添加外设，比如USART、GPIO、SPI、ADC 等，最终都形成了新的MCN，代表厂商为三星、德州仪器、博通、飞思卡尔、富士通等。

架构/指令集层级授权：可以对ARM架构或ARM指令集进行改造以实现自行设计处理器，如苹果在ARM v7-A 架构基础上开发出苹果Swift 架构，代表厂商为高通Krait、Marvell 以及华为、飞腾等。

截至2020 年2 月，基于ARM授权的芯片出货量已达1600 亿颗，2016 至2019 年平均每年出货量为220 亿颗。

目前，持有ARM 授权的半导体公司包括：Atmel、Broadcom、Cirrus Logic、Freescale（于2004 从摩托罗拉公司独立出来）、富士通、英特尔（借由和Digital 的控诉调停）、IBM、NVIDIA、新唐科技、英飞凌、任天堂、恩智浦半导体（于2006 年从飞利浦独立出来）、OKI 电气工业、三星电子、Sharp、STMicroelectronics、德州仪器和VLSI等均拥有各个不同形式的ARM授权。

ARM 态度开放，开辟IP 授权的商业模式在手机移动市场建立起强大生态体系。

在移动端，最大的需求之一就是低能耗，ARM 的精简指令集设计充分满足了这一重大需求，同时ARM 只做底层ISA 设计，为芯片厂商赋能，因此手机厂商或其他芯片厂商拥有足够的空间去根据自身手机性能来设计优化芯片，正如X86 架构在服务器市场中凭借Wintel 联盟成功霸占市场，在智能手机领域，ARM 架构依靠苹果和三星打开市场后，逐渐形成壁垒，几乎垄断了移动端芯片市场。

此外，相对Wintel 体系的技术垄断及保守姿态，ARM 则对开发者持开放态度，特别是首次开辟了IP 授权的新赛道，并通过三种授权模式，不断扩大市场份额，目前在IP 市场ARM 为市场龙头，2018 年市场份额达44.7%。

华为基于ARM 架构，研发五大芯片族，实现全场景布局。

华为自研芯片主要包括手机SOC芯片麒麟系列、服务器芯片鲲鹏系列、人工智能芯片昇腾系列、5G 基站芯片天罡系列和5G 终端芯片巴龙系列等以及一系列专用芯片，如凌霄芯片、NB-IoT 芯片、视频编码解码芯片以及SSD 控制芯片等。

Kunpeng 处理器从指令集和微架构两方面进行兼容性设计，并兼容全球ARM 生态，并围绕Kunpeng 处理器打造了“算、存、传、管、智”五个子系统的芯片族，实现全场景处理器布局，已累计投入超过2 万名工程师。

最新鲲鹏920 芯片已实现通用计算最强算力，性能优于其他厂商的同类型芯片。

2019 年，华为发布最新鲲鹏920 处理器，采用7nm 制程工艺，在典型主频下，鲲鹏920 的SPECintBenchmark 评分超出业界标杆25%，能效比优于业界标杆30%。

目前，鲲鹏920 单晶片集成内核数量分为32、48 和64 核等三种，从整体性能上看，48 核鲲鹏920 与Intel 至强8180 性能相当，而64 核的鲲鹏920 测试性能要优于至强8180。

飞腾产品覆盖高性能服务器CPU、高能效桌面CPU 和高端嵌入式CPU 等。

飞腾已先后推出多款国产高性能CPU，包括应用于入门级服务器的FT1500A/16、桌面终端的FT-1500A/4、应用于高端服务器和高性能计算的FT-2000+、应用于嵌入式工控的FT-2000A/2 和FT-2000+64 核高性能通用微处理器以及最新发布的自研新一代桌面处理器FT-2000/4 等。

截至2019 年8 月，天津飞腾已联合500 余家软硬件合作伙伴，研制了6 大类300 余种整机产品，移植、优化了1000 余种软件，基于国际主流技术标准、具有中国特色的全国产飞腾生态体系基本成形，为国家信息安全和重要工业安全提供了有力支撑。

飞腾CPU 性能在各自对应的领域处于国内领先地位。

高效能服务器CPU 领域，2016 年飞腾发布FT-2000+/64 主要应用于高性能、高吞吐率服务器领域。

在公布的Spec 2006 测试中，FT-2000+/64 与Intel Xeon E5－2699v3 性能相当，是国产服务器芯片首次在性能上追平Intel，打破了国外巨头长期垄断，也是当年全球性能最高的ARM 架构服务器芯片之一。

高效能桌面CPU 领域，2019 年9 月，飞腾发布自主研制的新一代桌面处理器FT-2000/4，相比上一代FT-1500A/4 功耗降低33%，进一步缩小了与国际主流桌面CPU 的性能差距。

目前，FT-2000/4 已和国产银河麒麟操作系统（PC 版）完成了全部适配，并与包括联想、长城、同方、浪潮、曙光等整机厂商，以及宝龙达、联达、创智成、研祥、汉为等ODM 厂商开展基于FT-2000/4 的台式机、笔记本、一体机、加固本等各类型终端和板卡的研制。

（二）ARM 技术性能的优势ARM 专注低能耗、低成本、高性能。

ARM 使用精简指令集（RISC），RISC 支持的指令比较简单，功耗较小、价格便宜，而X86 则使用复杂指令集（CISC），CISC 指令集的指令系统丰富，命令一般较为复杂，对于操作发出的指令具有针对性，执行效率更高，综合性能超其他架构的CPU。