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1、芯片行业深度报告芯片行业深度报告行业概述创新可信和维持先进性需求中美摩擦背景下，底层计算架构“卡脖子”问题亟待解决。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。我国在这些核心技术，特别最底层的 核心芯片领域的技术缺位，导致近年来频繁受到美国技术霸权的欺压

2、。比 如自 2016 年开始，美国对我国中兴和华为两大通信巨头不断打压，延缓两 家企业发展，并逐渐升级为国家间的技术较量。发展我国创新可信的底层 计算芯片摆脱“卡脖子”问题，已然不仅仅是企业和行业的发展需要，而 是上升为国家层面的战略需求。正如习总书记曾说：“核心技术是国之重器， 在别人的墙基上砌房子，再大再漂亮也可能经不起风雨，甚至会不堪一击。而核心技术受制于人，是我们最大的隐患”。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

3、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

4、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

5、 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

6、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。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

7、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

8、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

9、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%。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

10、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、Broad

11、com、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、台湾新唐科技、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

12、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、

13、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

14、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

15、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 I

16、ntel 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

17、台式机、笔记本、一体机、加固本等各类型终端和板卡 的研制。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。基于 CISC 的 X86 架构处理器为了满足电脑产业发展而不断加入指令集， 处理器日益庞大；而 ARM 架构则大幅简化架构，仅保留所需要的指令， 可以让整个处理器更为简化。ARM 的优势在于效率，ARM 采用 RISC 流

18、 水线指令集，在完成综合性工作方面处于劣势，但是在任务相对固定的应 用场景中，占据较大优势。ARM 拥有高并发处理效率，升级速度快。目前 ARM 已经做到高密度整合， 由于 ARM授权的弹性以及核心架构的简洁，ARM架构与 GPU、多媒体译 码核心、基频调制解调器、I/O 控制等架构整合，透过 SoC（System On a Chip，系统单芯片）的方式，ARM架构应用处理器完成近年 x86 架构处理器积极跨足的单芯片设计，并且通过各种不同的核心分工各司其职，相较 于传统处理器有更好的并发处理效率。目前 ARM 已经明确了其针对数据 中心的 Neoverse 架构迭代升级策略，每一代性能提升都

19、在 30%以上，远 远超过 X86 架构 CPU 每一代性能提升的幅度。未来，ARM 在性能上与 X86 之间的差距将不断缩小，产品性能将逐渐优越。ARM 在 5G网络基础设施市场加速推进，市占率达 28%。在网络基础设施 建设领域 ARM不断推进。2020 年 4 月，ARM宣布加入 O-RAN联盟，ORAN 联盟由全球五大主流电信运营商于 2018 年在 MWC（世界移动通信 大会）期间成立，致力于接口开放化、硬件白盒化和软件开源化。ARM 加 入 O-RAN有望进一步深化 5G 基础设施领域的布。目前，基于 ARM 的处 理器在基础设施市场中占比约 28%，并且越来越多地部署在蜂窝基站中

20、， 2020 年 3 月包括 Marvell 最新一代的 Octeon 处理器系列产品搭载了 ARM 芯片，有望大幅改善 5G 无线网络带宽和时延，以及 Ampere 宣布推出了 业内第一款 80 核 ARM 架构 64 位处理器 Altra，比 Intel 28 核至强可扩展 （Cascade Lake）铂金处理器 8280，性能更快了 1.23 倍，主要用于云和 边缘计算数据中心。AI 时代，数据处理层面优势。在云端市场，随着人工智能、云计算、物联 网等新一代科技领域的兴起，云端计算架构拐点已至。在以上领域，云端 计算对 intel X86 服务器 CPU依赖较弱，Arm凭借在 CPU和

21、GPU处理器 领域领先技术优势，为 ARM 服务器 CPU 带来了新机遇。“目前，ARM设 计的 ML 处理器架构已成功补全 AI 市场空白，Arm 专用机器学习处理器在 设计时很好结合了在 CPU 与 GPU方面的领先技术，实现了高效的卷积、 高效的数据移动与可编程性和灵活性，有望在 7nm 制程工艺之下，实现 3TOPs/W 的性能。据 Ian Bratt 介绍，Arm 第一代 ML 处理器设计的高峰 吞吐量是每秒 4.6 TOPs，同时有针对激活和权重专门的硬件压缩，利用了 Cortex-M 的技术来支持 Android NNAPI 和 Arm NN 计算节点。同时 Arm 也专门配置了

22、一套开源软件堆栈实现在 ML 处理器上成功便捷的部署 ML。Arm NN神经网络 SDK则铺平了个别神经网络框架在 Arm 架构核心上执行 的道路。2018 年 2 月，Arm 为了实现在边缘的 AI/ML 工作负载推出了 Project Trillium 项目，该项目包括 Arm ML 处理器与 OD（Object Detection）处理器在内的高度可扩展处理器的 IP 组合，能够在大量提升计 算需求的同时，也保持出色的能效表现；2018 年 6 月，Arm发布全新计算 和多媒体 IP 套件，将高性能计算力由移动端覆盖到笔记本端。目前，Arm 凭借技术先发优势，补全了 AI 市场的空白，能

23、够应对几乎所有应用场景的 AI/ML 需求。云端市场为 ARM 架构迎来新机遇。目前，云端一体化趋势明显，5G 时代 的到来使得云手机以及 IoT 成为可能。云端指令集若与手机端指令集一致， 效率将远远高于使用不同架构的指令集，由于 ARM 架构在手机移动端呈 垄断态势，因此在这一新场景，ARM 架构相较于 X86 架构将有很大优势。从 2017 年开始 ARM 计划在四年（2017-2020 年）实现 1000 亿的芯片发 货量（上一个 1000 亿花了 26 年），然后向 1 万亿放量目标前进。云手机可能成为 ARM 拓展计算生态的突破口据多家媒体 3 月 5 日消息，华为云近期发布 20

24、20“新旗舰”鲲鹏云 手机。所谓云手机，通俗理解即用户可以通过物理手机随时随地登入登出 一台或者多台云上虚拟手机，将部分应用通过云手机来执行，释放物理手 机资源，实现手机分身，让手机不仅可以握在手里，更可以放在云上。这 样一方面可以避免物理手机容易发热、耗电量大、易丢失等问题,另一方面 可以发挥公有云的安全可靠,随需随用,批量运维和自动化运行等优势,让移 动端和云端完美结合。华为云鲲鹏云手机（Cloud Phone，简称 CPH）是基于华为云裸金属服务 器（由 ARM 架构鲲鹏 920 芯片驱动的泰山服务器），虚拟出带有原生安卓操作系统，同时具有虚拟手机功能的云服务器，本质是将手机上的应用转

25、移到云上的虚拟手机来运行的仿真手机服务。简单来说就是拥有手机系统 的云服务器，可以作为物理手机的延伸和拓展。华为云鲲鹏云手机适用于 多种行业的应用场景，如面向互联网行业的应用托管服务、面向有戏行业 的云手游服务、面向直播行业的直播互动服务以及面向政企/金融行业的移 动办公服务。华为云鲲鹏云手机产品优势：1、端云同构，运行性能大幅提升 80%，同 时还搭载了专业级 GPU 加速，使用者可以无压力运行大型游戏；2、兼容 32/64 位的 app，能够运行主流应用以及游戏，操作流畅；3、依靠华为云 的集群化部署和运营能力，无缝对接公有云服务，满足海量业务需求；4、 可根据需求灵活配置不同规格云手机，

26、使云上管理更便捷；5、独家 Monbox 软件技术架构，可以使鲲鹏云手机达到密度提升一倍、低时延、 少带宽的效果；6、业务数据存储于云端，提供企业级云上安全防护，专业 级防护防止数据的丢失和泄露。在互联网行业中，华为云鲲鹏云手机适用于应用托管、流量压测、自动化 仿真测试、数据采集分析以及新媒体运营等场景，可以达到每天 24 小时时 刻在线，无折旧成本。同时可以实现批量模拟成千上万台虚拟的仿真手机， 节约测试的成本。在游戏行业中，使用华为云鲲鹏云手机可以实现游戏免下载试玩、手游云 游戏、游戏智能辅助、24 小时运行不掉线不发烫等功能，用户无需担心手 机性能的问题，还可以根据游戏需要灵活调整云手机

27、配置。在政企、金融行业中，华为云鲲鹏云手机为注重信息安全管理的企业提供 服务，使用云手机可以将企业核心数据保存在服务器云端，使得信息安全 更有保障。在直播行业中，华为云鲲鹏云手机可以提供手机画面直播共享、手机控制 权灵活转移、丰富平台与用户互动方式等服务，可应用于直播互动、远程 医疗会诊、在线教育、设计原型交互等场景。云手机也许会成为手机界的一场革命。云手机使得传统物流手机的性能显 得不再重要，4G 时代，因为传输速率的限制，云手机有局限性，随着 5G 的落地，云手机有望得以普及，在 5G、6G以及更高的 WiFi能力下，物理 手机可以只运行信息收集（相机、麦克风）、信息展示（屏幕、扬声器）、

28、 通讯等功能，而处理器、内存、存储空间等基础软硬件部分均可以由云端 来替代完成处理。鲲鹏云手机是鲲鹏生态的重要落地场景。根据公开消息，华为在 18 年 11 月就推出了业界首个基于 ARM 框架的云手机解决方案。众所周知，在移 动端 ARM 架构芯片占据主导，Android 操作系统基于 ARM 架构适配， ARM+Android 生态成熟。因此，基于 ARM 底层框架搭建的云手机系统， 使得从云到端都运行着同一套指令集，Android 应用运行无需 X86 模拟器 （如果使用 X86 底层架构搭建云手机系统，移动端 Android 应用与云端 X86 底层不适配，需要通过 X86 模拟器进行

29、指令集翻译）指令集翻译，云 端无缝连接免去了多重指令翻译和转换的环节，运行性能可以较 X86 模拟 器架构方案提升数倍。19 年 7 月，华为云发布鲲鹏凌云伙伴计划，全力打 造鲲鹏计算生态，在计算领域，华为鲲鹏与强大的竞争对手英特尔 X86 架 构相比，最为缺乏的就是生态体系，鲲鹏架构缺乏可以落地的场景。随着 5G 到来，云手机有望普及，鲲鹏云手机将成为鲲鹏生态落地的重要场景，且在该场景下，基于 ARM 架构的鲲鹏生态相较于 X86 生态具有明显优势， 前景可期。重点关注公司简析中国长城：携手飞腾共筑 PK产业生态实际控制人中国电子合计持股 41.72%。公司股权结构较为集中，实际控制 人为中

30、国电子信息产业集团（CEC），中国电子直接持有公司 40.59%的股 权。同时，通过中国电子有限公司、中电金投控股有限公司、湖南计算机 厂有限公司等三家全资及控股子/孙公司间接持有 1.13%的股权，合计持有 41.72%的股权。经营业绩：营收及盈利能力持续提升，未来飞腾生态带来新增长点营收增速不断提升。2017 年，公司资产重组及置出冠捷科技后导致收 入减少，全年营收 95.07 亿元，同比下降 87.18%。2018-19 年，营收 稳步增长，分别实现 100.09 亿元和 108.44 亿元，同比增长 5.29%和 8.32%。净利润逐年增加。2017-19 年，公司分别实现归母净利润

31、5.81 亿元、 9.87 亿元和 11.15 亿元。近年来，公司营业利润持续增长趋势，经营 状况稳定，收购天津飞腾 35%股权后，未来随着飞腾生态及全产业链 的布局，公司营收及净利润有望迎来新增长点。主要费用率稳中有降，研发投入持续增大。2014-19，公司销售费用率 呈整体稳中有降的趋势，财务费用率逐年降低，管理费用率不断提升。同时，随着国家推进自主创新进程，公司近年来亦不断提高研发投入， 2018 年研发金额投入达到 6.45 亿元，同比增长 19.89%，在网络安全 与信息化、高新电子及电源领域均取得积极的进展。毛利率提升，盈利能力不断增强。2017-19，公司毛利率逐年提升， 201

32、9 年公司毛利率提升至 24.67%。同时，公司净利润率亦不断提升， 2017-19 年公司净利率分别为 6.11%、9.86%和 10.28%，盈利能力不 断增强，预计未来随着公司与飞腾的合作以及飞腾产业链的布局，高 新电子及信息安全整机业务占比不断扩大，毛利率、净利率仍有上升 空间。技术人员占比超 30%，人均创收与人均创利持续增加。截至 2019 年 底，公司员工总数达 13571 人，较上年缩减了 257 人，但其中技术人 员 4240 达人，较 2018 年底增加了 663 人，表明公司加大研发力度的 决心。精简队伍，加大研发带动整体人均创收和人均创利不断增加， 2019 年公司人均创收 72.29 万元，同比增长 10.53%，人均创利达 8.22 万元，同比增长 15.29%。中国长城入股天津飞腾奠定自主安全领域的行业领军地位。作为 PK 体系 的倡导者，中国长城一直是中国电子持续打造的信息安全专业子集团，定 位于中国电子集团“网络安全与信息化工程”业务的整合平台。中国电子 董事长曾明确表示，在条件成熟的情况下，围绕自主安全的其他资产和服 务将逐步整合注入中国长城。2019 年，长城完成对天津飞腾 35%股权 （目前持股 31.5%）的收购，实现向产业链上游的布局。此次收购，一方 面，