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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。
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ARMv7-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ARMV8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ARMV8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%。
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ARMv7-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、CirrusLogic、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Spec2006测试中，FT-2000+/64与IntelXeonE5－2699v3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。
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（SystemOnaChip，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，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Intel28核至强可扩展（CascadeLake）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intelX86服务器CPU依赖较弱，Arm凭借在CPU和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IanBratt介绍，Arm第一代ML处理器设计的高峰吞吐量是每秒4.6TOPs，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AndroidNNAPI和ArmNN计算节点。
同时Arm也专门配置了一套开源软件堆栈实现在ML处理器上成功便捷的部署ML。
ArmNN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ProjectTrillium项目，该项目包括ArmML处理器与OD（ObjectDetection）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2020“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（CloudPhone，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，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）、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，2019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，
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