2024AI芯片行业报告：ARM架构的机遇与挑战

1、公司简介：因移动终端趋势而生的IP核龙头，成为芯片设计环节的技术基底

1.1 简介：公司拥有ARM架构，出售芯片IP核

Arm（全称AdvancedRISCMachinesLtd），中文名称安谋公司，成立于1990年11月，是一家总部位于英国剑桥的半导体设计公司。Arm是ARM架构（全称Acorn RISC Machine）的IP所有者和开发商，该架构被用于全球绝大多数智能手机CPU内核。Arm的主要业务是向半导体设计公司设计和授权各类芯片IP核，简化芯片设计流程。2016年7月，软银斥资240亿英镑（折合320亿美元），以全现金方式收购Arm；2023年9月14日，软银出售Arm10%的少数股份以帮助Arm实现在美国纳斯达克市场上市，软银保留其余的约90%股份。

1.2 业务：IP核是芯片设计的技术基石，助力半导体产业加速迭代

IP核被称为“半导体皇冠上的明珠”，提供芯片设计的核心技术底座。Arm主要业务是为芯片设计厂商提供IP核授权。IP核是芯片中具有独立功能的集成电路模块的成熟设计，如果将集成电路设计看作搭建房屋的过程，IP核就相当于施工中所需的图纸。芯片设计厂商等客户获得Arm IP授权后，可将外购的多个IP核与自主设计的电路部分拼接成一个复杂芯片。通过在芯片设计环节采用成熟且经过验证的IP核，可降低设计门槛、缩短设计周期、降低设计成本和失败风险，帮助芯片厂商快速响应市场需求。

IP核种类丰富。按照交付方式，可分成软核、固核和硬核。1）IP软核：经过行为级功能验证和优化的RTL代码，不含任何物理实现信息，只以HDL文本形式提交给用户，后续结构设计灵活度高，类似房屋的设计图纸而不涉及具体施工细节；2）IP固核：以网表形式提供，完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节，但布线设计仍有调整空间，类似房屋渲染效果图，而实际成品仍可改动；3）IP硬核：提供形式为版图，与成套工艺绑定，确保了产品实施路线的稳定性，但不具备任何应用灵活度，类似具体的房屋施工图。客户可以根据自身的业务需求和技术实力，选择合适的IP核类型和设计灵活度。按照设计产品的类型，可分成处理器IP、接口IP、存储IP和模拟IP等。其中Arm主要以处理器IP为主。IP行业集中度高，Arm位居绝对龙头。IP核行业于90年代开始快速发展，行业主要厂商几经更迭，当前市场竞争格局稳固，行业高度集中，2022年IP行业CR3与CR10分别高达66.1%和80.3%。处理器IP（包括CPU、DSP以及GPU）市场营收占总IP市场营收的近50%，而Arm作为处理器IP市场的绝对龙头，在IP核市场营收占比高达41.1%，远高于第二名Synopsys的19.7%。

1.3 发展史：乘移动互联网之风，ARM成长为IP核龙头

1.3.1 半导体产业分工细化趋势下，IP核行业应运而生三次产业转移推动半导体产业分工细化，芯片设计环节进一步拆分出IP核。自20世纪60年代半导体产业在美国发源以来，全球半导体行业经历了三次产业转移。第一次产业转移中，半导体系统装配、封装测试等低利润环节转移到日本，借助家电市场的发展，IDM模式迅速崛起。其后，台积电和联电的诞生推动了第二次产业转移，使美、日半导体产业由IDM模式逐渐过渡发展出专注设计的Fabless模式。

21世纪初，随着终端平台从PC向手机端迈进，产品复杂度上升，芯片设计难度加大，研发资源和成本增加，全球半导体产业分工继续细化，芯片设计产业进一步分拆为IP核、EDA工具及设计咨询服务等子行业。IP核加快芯片设计、制造到出货的流程，成为芯片设计的技术支撑。EDA工具的成熟使得IP核行业迅速发展，成为了半导体设计环节的重要组成之一。产业转移与技术升级同时带来了成本、风险和设计难度的提升。芯片设计公司需要快速响应市场、持续高频迭代产品，使其满足低成本、低风险、高性能、灵活设计的需求，IP核可提供经过验证、可重复使用的芯片设计模块，从而缩短设计周期、减少设计成本以及降低失败风险，因此IP核逐渐被芯片设计厂商采用。

1.3.2 紧抓PC向移动端转型大势，Arm依赖RISC指令集崛起终端设备向移动端转型的趋势助力Arm业务快速增长。1985年，Arm的前身Acorn研发出基于RISC的ARM架构，但在PC领域难以与当时的行业标准x86架构抗衡，后续与苹果合作的掌上电脑微处理器也并未得到市场认可。屡屡受挫后，Arm开始转向IP授权模式。进入21世纪，随着手机市场的高速发展，PC行业开始向移动终端转型，对低功耗、高效能芯片的需求完美契合ARM架构的优势，因此ARM架构打败x86架构占据移动端市场。同时，具有开创意义的IP授权商业模式也帮助Arm迅速获得市场份额，先后与诺基亚、三星、苹果、高通等合作开发处理器芯片，逐渐形成其在移动互联网时代的统治地位。

Arm采用契合移动终端需求的RISC架构。ARM架构所使用的RISC即精简指令集，与复杂指令集CISC相比，RISC架构更加简化，每条指令执行时间短，通过更多的寄存器进行操作。RISC架构能够在提供高性能的同时减少功耗，使其更符合移动设备对功耗和能效的双重需求。此外，RISC架构由于其精简设计，更容易实现高度优化的编译器，进一步提升了其在手机应用场景下的性能表现。持续收购完善生态体系，ARM逐步成长为IP核行业龙头。在移动终端市场取得成功后，Arm开始加速收购步伐，在IP核、芯片设计领域继续补齐技术实力，并收购软件开发工具、调试厂商和一些重点下游应用（如物联网）厂商，持续完善公司生态布局。经过多年技术积累和市场深耕，Arm成长为处理器IP核市场的绝对龙头，以2022年41.1%的市占率稳居总IP核行业第一。

1.3.3 ARM成为移动互联网时代的芯片设计底座，重要战略地位促成ARM高估值上市

软银、英伟达两大收购案凸显Arm重要战略地位。Arm在处理器IP市场的优异表现吸引了软银的兴趣，软银看好未来人工智能和物联网市场的潜力以及Arm在芯片产业链上游所具有的技术能力，于2016年以320亿美元对Arm完成全部股份收购；但随后软银以80亿美元的价格将ARM25%的股份出售给其旗下的愿景基金。2020年，英伟达公开表示计划以总价值400亿美元的股票和现金从软银手中收购Arm，以加强其在CPU领域的布局，并构建云到端的全面竞争优势。然而鉴于Arm作为核心技术战略地位突出，英伟达对Arm的收购案最终在竞争对手和各国反垄断调查的影响下被迫终止。

布局基础设施与汽车领域，半导体复苏与重要市场地位促成高估值上市。软银入主后围绕物联网业务制定的市场策略收效甚微，在英伟达收购失败后，Arm调整了业务重心，开始转向数据中心、网络设备和汽车领域。得益于5G智能手机、5G基站网络设备和服务器出货量的增长，公司全球业务开始恢复增长。2023年8月，软银从其所属的愿景基金以640亿美元的估值收购Arm25%的股权，为上市铺路；2023年9月14日，ARM通过美股IPO上市，作为芯片设计行业的技术底座，发行价高达51美元，发行市盈率104倍，对应市值高达545亿美元，成为2023年全球最大IPO。Arm的上市还吸引包括台积电、英特尔、联发科等公司分别投资约1亿、6000万和2500万美元作为基石投资者，共同构建基于ARM架构的庞大芯片生态。

1.4 产品线：手机处理器IP作为拳头产品，多产品线拓展想象空间

以IP核产品为核心，Arm配备全面的产品矩阵与软件生态。Arm为芯片设计与制造提供一整套全面完整的解决方案。1）ARM架构作为一种低功耗、高性能的指令集架构，是公司IP核产品的底层技术支撑。2021年3月发布的Arm v9是十年来的第一次Arm架构更新，相比V8架构在性能、安全性和DSP及机器学习功能上有显著提升。2）基于ARM架构公司推出一系列IP核产品，涵盖芯片设计所需的各类逻辑或功能单元，以及经过验证和优化的物理IP。3）Arm同时配备庞大的芯片设计环节需要使用的软件生态和工具链，帮助客户显著缩短研发时间，或通过“BuiltonCortex”等定制服务满足客户特殊的产品需求。

移动端市场一枝独大，Cortex系列产品贡献主要营收。凭借高性能和低功耗的特性，Arm架构在移动设备、汽车、物联网等领域获得了广泛应用，其中Cortex系列更是成为移动端市场的主流处理器IP。为了满足客户多元化的产品需求，Cortex旗下有四大子产品线：1）面向应用场景的Cortex-A系列，针对高性能计算、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如智能手机、平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等产品。2）面向实时应用的Cortex-R系列，主要针对汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等实时应用。3）面向各类嵌入式应用的Cortex-M系列，主要针对成本和功耗敏感的应用，如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器等。4）针对客户高性能需求、主打定制化的Cortex-X系列。Cortex-X Custom(CXC)计划允许客户在通用Cortex-A性能、功耗和面积设计范围的基础上进行调整，针对客户需求打造定制化处理器IP，Cortex-X被广泛使用在三星、高通、谷歌和联发科等大型客户的高端智能手机设计中。

2023年5月推出的Cortex-X4是Arm迄今为止性能最高的处理器核心。GPU双系列并行发力，覆盖大多数端侧应用场景。图形处理GPU方面，Arm具有两大GPU IP：Mali系列和Immortalis系列。Mali系列提供高性能图形处理能力以及灵活的配置选项，适用于移动设备、物联网设备和嵌入式系统等多种应用场景，已搭载到主流手机芯片如三星Exynos、联发科天玑、海思麒麟中。Immortalis系列则是Arm专为旗舰智能手机推出的高性能GPU系列，优化了机器学习能力和节能技术，强调手机顶尖的游戏效果及图形体验。2022年6月推出的Immortalis-G715是第一款在安卓移动设备上支持硬件光追功能的GPU，联发科天玑9200搭载了此款处理器，拥有11个图形计算核心，性能较上一代提升32％，功耗降低41％，GPU能效接近苹果A16水平。

顺应云计算及AI发展趋势，Arm发展服务器和NPU产品线。由于高性能和软件生态，服务器CPU市场长期由英特尔和AMD等x86 CPU供应商主导，Arm市占率较低。为加大渗透服务器市场，Arm推出了针对基础设施终端市场的Neoverse系列解决方案。该系列IP由追求极致性能的V系列、注重能耗均衡的N系列以及专门为吞吐量需求设计的E系列组成，适用于高扩展性的云端至边缘基础设施。以AmazonGraviton2搭载的Neoverse-N1为例，相较Cortex-A72，Neoverse-N1在数据中心负载下有2倍的矢量性能表现以及5倍的机器学习向量性能提升。Neoverse系列对比x86架构产品具备成本和能耗优势，预计Arm在服务器领域的市占率将呈现逐步上升趋势。Arm还注意到AI浪潮下机器学习能力向边缘端迁移的趋势，适时推出用于加速神经网络推理过程的Ethos NPU系列IP，已推出三个产品，其中Ethos-U55及Ethos-U65专为面积受限的嵌入式及物联网设备打造，Ethos-N78则面向多个市场，可以满足手机、个人电脑、AR/VR、汽车ADAS系统等多应用场景的机器学习需求。

Arm配备系统IP、安全IP和物理IP，确保芯片高效设计和制造。1）系统IP方面，Arm制定了名为AMBA的标准化总线架构规范，定义了在SoC中各个IP模块之间的通信接口和交互方式，并配套提供经过硅验证的互连、系统控制器、调试和跟踪等系统IP，搭配Cortex系列或Mali系列处理器使用，可在优化IP核性能的同时简化芯片设计过程。2）安全IP方面，Arm推出TrustZone安全方案，基于CryptoCell和Cryptoisland两大安全IP为Cortex-A和Cortex-M系列产品提供支持，通过专用的安全指令集以及高度隔离的安全域，保护敏感数据和外设免遭攻击。3）物理IP方面，Arm通过与EDA供应商及代工厂（三星、台积电和联华电子等）密切合作，优化其在250nm至3nm工艺节点上的技术，确保其处理器IP核的客户在不同制程工艺下均以最佳实践路径进行晶圆制造。

1.5 收费模式：按IP层级进行授权收费，版税收入贡献主要营收

Arm根据客户类型、授权权限、产品灵活度等维度，分成四种收费模式。分别为架构许可协议（ALA）、技术许可协议（TLA）、Arm Flexible Access（AFA）和Arm TotalAccess（ATA）：1）传统收费模式——TLA与ALA：Arm早期主要通过TLA模式向客户进行IP授权，客户需要支付被采用的IP核产品对应的授权费。而对于部分希望针对其特殊需求而定制的大型客户，Arm通过ALA授权允许其基于ARM指令集架构自行设计处理器IP核。根据Arm2015年披露的数据，共有Applied Micro、博通、凯为、苹果、华为、英伟达、AMD和三星八家公司获得了64位ALA授权。

2）订阅制收费模式——AFA与ATA：2019年Arm推出AFA计划，客户只需缴纳一定数额的年费即可访问AFA组合中的80多种产品，直到客户选定IP产品并完成芯片设计后，再支付具体IP授权费。2021年，Arm在AFA计划的基础上针对大型客户推出ATA计划，允许大客户根据自身情况任意选取产品组合范围，支付年费后即可随意访问并使用IP核产品，无需额外缴纳授权费。订阅制AFA&ATA计划灵活度更高，未来收费模式将由传统向订阅制转变。先设计后付款的机制显著降低了客户的风险成本，进而吸引更多潜在客户选择Arm产品进行开发和应用。同时，ATA将一次性授权费转化为年费交付的模式也使Arm的收入更加平滑。在亚马逊AWS、英飞凌科技、微软等大型公司陆续加入ATA计划的背景下，我们预计订阅制模式对应的收入贡献将继续增加。

Arm营业收入被拆分成授权和版税两部分。Arm设置了四类收费模式，但公司营收只分成授权收入和版税收入两项，其中授权收入在IP核被客户采用时一次性收取（ATA将授权费分摊到年费中），版税收入则是在芯片出货后，从每一笔芯片销售中按一定比例进行抽成。其中授权收入和版税收入根据合同具体情况有不同的金额/费率范围：授权收入根据技术先进程度、合同期限和使用范围等分为七个级别。最底层的Academic/Research和DesignStart仅用于研究，不可商用。Multi/Single Use允许客户在一个或多个芯片产品中使用单个IP核，如果客户希望将单个IP核应用于更多的项目，就需要升级成不对使用范围设限的Term许可。Perpetual在IP核的使用范围与Term许可类似，但取消了授权时长限制。Subscription提供Arm全IP产品组合的授权。Arm的最高级别授权是Architecture，客户可获得架构规格和兼容性测试套件并自行开发ARM架构IP核。每个许可级别都有其特点和适用范围，客户可根据具体预算、设计能力和需求进行选择。授权权限的级别越高，Arm收取的授权费也越高。通过分析Arm官方授权层级表，可以看出Arm针对授权年限越长、使用范围越大、IP核产品组合越多的授权合同，会收取更高的授权费。我们判断，由于ALA授权的产品是指令集架构，灵活度高且赋予客户更大定制修改权限，传统收费模式中ALA的授权会高于TLA；对于订阅制收费模式，由于计划涵盖的IP核更多且需要分摊一次性授权费，ATA的年费会高于AFA年费，因此ATA更适合产品线多元、芯片出货量高的成熟厂商，而AFA则为处于研发和探索阶段的初创公司提供了低风险选项。Arm版税收入主要受版税费率的影响，而版税费率与IP核技术先进程度以及交付类型相关。

1）架构迭代推动新系列产品费率增长。基于v7及之前架构的IP核版税费率在1%左右，而基于Arm v8架构的IP核版税费率可提升至2%及以上；根据Arm官方，基于v9架构IP核的版税费率为v8架构的两倍，截至FY24Q3，基于v9架构的版税收入已贡献总版税收入的15%，仍有提升空间。2）交付类型也影响版税费率，系产品完善程度不同对应的Arm预研发成本不同。指令集架构产品完备程度低，给予客户的定制空间更大，因此对应的版税率相较经过预先设计和验证的IP软核产品更低；同时IP软核只提供“设计图纸”，相较已完成结构设计和物理验证的IP硬核费率更低。当前，针对Arm的多元化产品线，Arm的平均版税费率在1~2%的区间内。

版税收入贡献Arm的主要营收。Arm在招股说明书中披露，FY21-FY23版税收入分别占总营收的65%/58%/63%，FY24Q3版税收入和授权收入分别占比57%和43%，版税为公司主要收入来源。版税收入一定程度上依赖半导体发展周期，芯片ASP与芯片出货量变动均会引发Arm版税收入变化，从而影响公司业绩。然而Arm中国不同于Arm整体收入结构，在FY23出现授权及其他收入大于版税收入的情况，FY23期间，中国地区授权及其他收入占比16%，版税收入占比8%，这可能是中国政策鼓励芯片设计初创公司发展，助推新签约许可客户数增加所致。

1.6 客户：客户集中度高，长约大客保障业绩稳定

收入高度集中，Arm寻求通过ATA模式加强大客户合作。Arm下游客户包括芯片设计厂商、晶圆代工厂商和IDM等，且收入高度集中于几家头部的芯片设计大厂客户。FY2023，Arm的前3大客户贡献约44%收入，其中第一大客户是Arm中国，占比24%。同时，更具灵活性的ATA模式的推出也帮助Arm进一步巩固与更多大型客户的合作，如亚马逊AWS、英飞凌、微软、恩智浦半导体等大厂均与Arm达成了ATA协议。

2、IP行业：下游芯片需求增长，半导体行业趋势赋予Arm长期增长潜力

2.1 AI算力+巨头自研芯片+芯片需求提升+Chiplet，赋予Arm长期增长动力

在下游周期复苏、v9架构迭代之外，强劲AI需求为Arm带来增长新动力：1）短期：AI帮助授权业务获得更多新签IP授权订单。FY24Q3授权业务营收3.54亿美元，同比增长18%，系AI趋势驱动客户加大技术投入，进而签订更多先进CPU和AI加速类产品(如NPU)的IP授权。我们预计AI对授权业务的助力有望至少持续到FY24Q4。2）中长期：英伟达GH200和GB200超级芯片逐步出货，Grace CPU帮助ARM架构向AI算力领域渗透。CPU+GPU超级芯片是专为高性能计算和AI打造的异构加速平台，将GPU的高性能与Grace CPU的多功能性结合在一起，使其在AI任务中具备更高性能和生产力。英伟达于23年8月发布GH200超级芯片，由基于Arm的GraceCPU和英伟达H200 GPU共同组成。24年3月，英伟达发布GB200超级芯片，单颗GB200由1颗基于Arm的GraceCPU和2颗英伟达B200 GPU共同组成，考虑到未来AI训练和推理需求持续强劲，驱动GH200和GB200出货量持续增长，进一步推动ARM架构芯片在大规模AI和高性能计算的渗透，Arm版税收入将受益于AI算力浪潮。

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