苹果供应链研究之:苹果之“芯“蚂蚁撼大象--ARM对Intel的逆袭

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上世纪90年代,蓝白标志加上“灯,等灯等灯”的广告配乐走入了千家万户的荧屏,这是有史以来第一次有硬件公司耗费巨资打造品牌形象,它帮助了许多消费者认识了英特尔这家身处各电脑品牌背后的 toB 的公司,许多人甚至将英特尔与芯片等同起来。可以说,凭借着特色的品牌形象和出色的产品性能,英特尔牢牢地控制着整个PC时代脉搏的跳动。

作者: 上善若水研究院

新时代的来临

上世纪90年代,蓝白标志加上“灯,等灯等灯”的广告配乐走入了千家万户的荧屏,这是有史以来第一次有硬件公司耗费巨资打造品牌形象,它帮助了许多消费者认识了英特尔这家身处各电脑品牌背后的 toB 的公司,许多人甚至将英特尔与芯片等同起来。可以说,凭借着特色的品牌形象和出色的产品性能,英特尔牢牢地控制着整个PC时代脉搏的跳动。

Clipboard Image.png恶搞-ARM inside

然而随着2007年6月,苹果推出了第一代iPhone,带动了智能手机行业的兴起,PC时代就逐渐被移动时代所取代。为苹果提供芯片底层指令和架构的ARM公司,凭借着其独特的商业模式以及低成本、低功耗和高效率的指令和架构,不断地挑战着是自身八倍市值的英特尔的地位,最终成为整个移动时代风光无限的霸主,上演了一出蚂蚁撼大象的奇迹。

Clipboard Image.png

 使用ARM架构的苹果A5芯片

(ARM标记在芯片正面上缘)

芯片产业链有哪些环节?

芯片虽小,但它支撑着整个电子器件的处理和运算,其加工过程也非常复杂。为了理解蚂蚁为什么能够撼动大象,我们需要对ARM和Intel所处的产业链生态进行一定的了解。

芯片是集成电路的载体,虽然有不同的指令集和架构,但都要经历芯片设计、晶圆生产、芯片封装和芯片测试等环节。具体流程如下图所示:

Clipboard Image.png 图芯片产业链环节

0. 指令和架构(底层路线)

代表企业:Intel、ARM

格局:分领域内一家独大

要设计芯片,首先就需要有指令集(Instruction Set Architecture)和架构(microarchitecture),不同的指令集和架构从根本上决定了芯片的性能和功耗。

所谓指令集指的是CPU可以理解的指令的集合,而架构是建立在指令集上CPU执行任务的逻辑。我们可以简单将其理解为单词和语法,而CPU执行任务则是做阅读理解的过程。目前具备指令集和架构的研发能力的主流公司有两家:英特尔、ARM。

由此产生了以Intel派系:复杂指令集(Complex Instruction Set Computer)为基础的X86指令架构,以及ARM派系:精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)为基础的指令架构阵营。

Clipboard Image.png ARM与Intel所开发的指令集对比

1. 芯片设计

代表企业:Intel、苹果、英伟达、高通

格局:百家争鸣

芯片设计是芯片的研发过程,具体来说,是通过系统设计和电路设计,将设定的芯片规格形成设计版图的过程。设计版图是一款芯片产品的最初形态,决定了芯片的性能、功能和成本,因此在芯片的生产过程中处于至关重要的地位,是集成电路设计企业技术水平的体现。设计版图完成后进行光罩制作,形成模版,光罩成功则表明芯片设计成功,可以进入晶圆生产环节。

2. 晶圆生产

代表企业:台积电、三星、Intel

格局:三分天下

晶圆生产过程是利用晶圆裸片,将光罩上的电路图形信息大批量复制到晶圆裸片上,在晶圆裸片上形成电路的过程,即晶圆的量产。晶圆生产后通常要进行晶圆测试,检测晶圆的电路功能和性能,将不合格的晶粒标识出来。

3. 芯片封装

代表企业:日月光

格局:台湾为主

芯片封装是将生产出来的合格晶圆进行切割、焊线、塑封,使芯片电路与外部器件实现电气连接,并为芯片提供机械物理保护的工艺过程。针对指纹识别芯片的技术特点和要求,在此环节对指纹识别芯片需要进行晶圆级封装:晶圆级封装是对未切割的晶圆上每颗IC进行过孔、重布线、生成焊盘和植上可焊接锡球等动作,实现芯片3D堆叠或封装最小化。

4. 芯片测试

代表企业:日月光

格局:台湾为主

芯片测试是指利用集成电路设计企业提供的测试工具,对封装完毕的芯片进行功能和性能测试。测试合格后,即形成可供整机产品使用的芯片产品。

芯片行业有哪些商业模式?

早期的芯片生产大多一家包揽上述所有过程,也即Intel的垂直整合模式。后来由台积电开创晶圆代工之后,才形成了产业链的分工。(台积电的故事我们会在下一篇中讲到)

目前,芯片行业已形成Fabless、Foundry、封装和测试以及IDM等企业类型,各类型的特征及代表性企业如下:

1. Fabless (只负责芯片设计)

Fabless指的是无晶圆厂的集成电路设计企业,其主要从事集成电路的设计和销售,而将晶圆制造、封装及测试环节通过委外方式进行。该模式下,集成电路设计企业可以专注于集成电路的研发,而不必投资大量资金建设晶圆生产线、封装测试工厂等。目前,全球绝大多数集成电路企业均为Fabless模式,包括美国高通、Synaptics(新突思)等。

2. Foundry (只代工)

Foundry指的是晶圆委外加工厂商,其自身不设计集成电路,而是受集成电路设计企业的委托,为其提供晶圆制造服务。由于晶圆生产线的投入很大,且工艺水平要求较高,这类企业一般具有较强的资金实力和工艺水平。由于这一环节固定成本极高,因此有极强的规模效应。采用此类模式的企业包括台积电、三星等。

3. 封装、测试企业 (封测)

封装和测试企业负责晶圆生产出来后的封装和测试工作,本身不从事集成电路的设计,而是接受集成电路设计企业的委托,为其提供封装测试服务。该模式也要求较大的资金投入进行生产线的建设。采用此类模式的企业包括日月光、长电科技等。

4. IDM (垂直一体化)

IDM指的是垂直整合制造商,即涵盖了集成电路设计、晶圆制造、封装和测试所有环节的模式。该模式对技术和资金实力均具有很高的要求,只有少数国际大型企业所采纳,如英特尔、三星、德州仪器等。

ARM:芯片设计+指令授权

ARM比较特殊,它与上述所有类型有所不同。它虽然也属于芯片设计环节,但主要商业模式指令集授权,是一家知识产权供应商。这与同样做指令集开发的Intel十分不同。

历史重演:移动端对PC端的逆袭

精简指令集规模较小,大部分工作都可以通过执行一条指令,在一个操作内完成;而复杂指令机的规模较大,通常需要3-4个指令,进行多次操作来实现一个意图。相较之下,以精简指令集为基础的ARM要功耗更低,而以复杂指令机为基础的X86计算能力更为卓越但也更加耗能。

PC时代,人们追求的是运算速度,因而X86指令和架构几乎包揽了整个电脑处理器的市场,ARM只是一个无人问津的非主流小众公司。

而在移动时代,人们更注重运算能力与功耗的平衡,这给了ARM这些研发精简指令集和架构的公司一个麻雀变凤凰的机会。

Clipboard Image.pngPC时代与移动时代商业需求与模式对比

事实上,移动端对于PC的端的逆袭的本质逻辑历史上也上演过多次。PC对于大型计算机的颠覆,走入千万家庭的过程,非常类似于当年微软对于IBM的颠覆。只是,这一次,windows+intel的PC联盟,被Apple+ARM的移动智能设备联盟挑战了。

ARM.vs. Intel-概览

ARM 的历程

目前,移动芯片领域呈现ARM一家独大的格局。数据显示,2015年ARM芯片出货量高达148亿,全世界超过85%的智能手机芯片都在使用ARM的指令集和架构。在一些新兴领域,如VR、自动驾驶汽车、智能手表以及无人机中也都有它的身影出现。通过移动设备芯片指令集授权业务,ARM公司的收入随着智能手机出货量的增长水涨船高。

Clipboard Image.png   ARM财务摘要

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Intel 的历程

与ARM形成鲜明对比,曾经风光无限的英特尔却陷入开源不利、裁员节流的境地。一方面,PC市场的整体数据在下滑;另一方面,英特尔在智能手机芯片领域虽然努力了若干年,但没有任何数据上的表现和实质性进展。电脑出货量的逐年下降,让Intel在其传统业务中苦苦挣扎。

Clipboard Image.png Intel财务摘要

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ARM的崛起于Intel的式微

上文我们提到,由于ARM和Intel的底层指令集不同,导致两种芯片所适用的场景不同。

1990年,微软利用英特尔的386芯片推出轰动全球的视窗3.0操作系统,彻底改变计算技术。此后Wintel联盟制定的技术规范成为了整个PC产业事实上的标准,90%以上的电脑都采用英特尔的X86处理器和Windows操作系统,该联盟造就了PC产业的“双寡头垄断”格局。

然而随着移动时代的到来,Wintel这一超强吸金组合受到了来自ARM、IOS和Android等的挑战。2007年,采用ARM芯片的第一代iPhone 推出,带动智能手机行业发展,App Store的迅速崛起让全球移动应用彻底绑定在ARM指令集上。随后,谷歌推出Android系统,也是基于ARM指令集。至此,ARM已经奠定了在智能手机市场的霸主地位。

ARM虽然牺牲了一定的计算能力,但其超低的功耗水平使得其在移动设备端所向睥睨。Intel的高性能芯片由于高功耗的制约,仍旧只能称霸PC端市场。

Clipboard Image.png                                            PC时代与移动时代商业需求与模式对比

这是一个典型的抓住新市场后弯道超车的案例。讽刺的是,这个“新市场”由于技术水平低、价值量低等诸多原因,是被"老龙头"战略放弃的市场。从而才能上演“蚂蚁撼大象”的一幕。

事实上,Intel与ARM在历史上曾有几次险些达成的合作和交锋。1985年,ARM的前身Acorn公司曾向Intel公司索要80286芯片资料,最后被拒绝,无奈之下被迫自行研发RISC指令集计算机,推出第一代处理器简称ARM1(Acorn RISC Machine,32位,6MHZ)。

1998年,英特尔曾通过收购DEC公司的半导体业务进入移动处理器市场,随后推出了面向掌上电脑和手机的XScale型处理器,但这些基于ARM架构的产品市场反响未达预期。后来2006年英特尔将ARM处理器Xscale以6亿美元出售给了由华人创办的Marvell半导体公司。从而彻底与移动设备芯片失之交臂。

Clipboard Image.png ARM财务指标与智能手机出货量

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英特尔财务指标与PC出货量

类似的“蚂蚁撼大象”的案例还出现在摄像头、声学领域等等。手机摄像头市场以及微型声学器件市场也是传统的光学巨头和声学巨头所不屑的。因此在迅速成长的移动设备光学声学器件市场中,也上演了许多蚂蚁撼大象的故事,其中涉及诸如大立光、歌尔声学、瑞升科技等等。这里就不再赘述。

ARM的崛起和英特尔的陨落,究其根本是时代更替的必然结果。PC时代,运算速度是决胜关键,英特尔是“摩尔定律”的绝对奉行者,在与竞争对手AMD的CPU运算速度比拼中绝大多数占据了上风,成为了PC时代当之无愧的霸主。

而在移动时代,移动性是决胜关键,人们追求的是运算能力和功耗之间的平衡,因而采用低功耗、高效率的精简指令集的ARM迎来了属于自己的春天。此外移动时代更加提倡开放、分享的精神,CPU、GPU、内存等被集成在SOC上,传统的封闭式全产业链商业模式难以适用,轻资产的IP授权商业模式受到更多厂商的青睐。

ARM vs. Intel: 业务解析

在了解了ARM和英特尔所处的产业链地位和发展历程以后,我们要对二者的产品特点和商业模式进行更详细的分析。在我们看来,ARM的产品固然在移动时代有一定优势,但商业模式才是拉开两个公司差距的关键。

产品特点

首先来看产品特点。ARM所采用的指令集是精简指令集(Reduced Instruction Set Computer-RISC),而英特尔所采用的指令集是复杂指令集(Complex Instruction Set Computer-CISC)。

通俗而言,精简指令集规模较小,更接近原子操作,而复杂指令集规模较大,更加复杂。所谓原子操作,是指每条指令的工作大都可以由处理器在一个操作内完成,例如对两个寄存器做加法。在PC时代,高性能的英特尔X86指令集符合了人们追求运算速度的需要。而在移动时代,低功耗的ARM指令集平衡了运算速度和功耗,满足了人们对移动性的追求。

Clipboard Image.png ARM与Intel所开发的指令集对比

商业模式

ARM所采取的是IP授权的商业模式,收取一次性技术授权费用和版税提成。

而Intel采取的是全产业链的商业模式,包揽从上游的指令集、架构开发到下游的芯片生产封测等,不进行IP授权。

具体来说ARM有三种授权方式:处理器、POP以及架构授权。

处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的处理器,对方不能改变原有设计,但可以根据自己的需要调整产品的频率、功耗等。

POP(processor optimization pack,处理器优化包)授权是处理器授权的高级形式, ARM出售优化后的处理器给授权合作厂商,方便其在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器。

架构授权是ARM会授权合作厂商使用自己的架构,方便其根据自己的需要来设计处理器,例如高通的Krait架构和苹果的Swift架构就是在取得ARM的授权后设计完成的。

Clipboard Image.png  ARM商业模式

注:license是一次性技术授权,royalty是版税提成。

资料来源:AnandTech

ARM的收入来源有一次性技术授权费用和版税提成费用,其中版税提成占50%,一次性技术授权占33%,其余为软件工具和技术支持费用收费方式一次性技术授权费用在100万-1000万美元之间,办税提成比例一般在1%-2%之间。                                                         

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ARM授权方式

注:POP授权是针对晶圆厂收费的,收取每个晶圆的0.5%。资料来源:AnandTech

ARM所倡导的IP授权商业模式极大地降低了自身的研发成本和研发风险,它以风险共担、利益共享的模式形成了一个以ARM为核心的生态圈,使得低成本创新成为可能,这是半导体产业链进一步分工细化的结果。

与ARM的轻资产商业模式不同,英特尔一直以来坚持的都是重资产的全产业链商业模式,这也是英特尔在移动时代表现不尽如人意的原因。表面上来看,英特尔的移动业务推进缓慢是因为其丧失了发展的先机和后续追赶劲头不足。2006年英特尔拒绝了与苹果的合作机会,在基于ARM指令的IOS和Android系统兴起后基本输掉了移动市场的先机。2007年以后,英特尔推出的Atom处理器因功耗高等问题未被市场认可,加上内部资源分配不合理,对移动领域业务重视不足,使得英特尔在移动领域的发展力不从心。

但从根本上来说,英特尔在移动领域的发展落后主要是由于其IP保护意识强,IDM(垂直一体化)思维固化。移动 SoC 经常需要集成多家厂商的 IP 块于一片上,而Intel不愿意授权自己的IP给其他厂商。此外Intel向来以全产业链生产为主,不愿意将投入巨资研发的生产线轻易让与他人使用,这都阻碍了英特尔在移动时代的发展。

ARM vs. Intel: 财务分析

规模

从收入和历史市值上来看,将ARM和英特尔分别比喻为蚂蚁和大象是相当形象的。2015年英特尔收入554亿美元,而ARM仅有15亿美元,约为英特尔的1/37。同年,英特尔市值1653亿美元,ARM仅有216亿美元,约为英特尔的1/8。

Clipboard Image.png ARM和Intel规模对比

注:橙色代表ARM,蓝色代表Intel

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 ARM vs. Intel 收入规模对比

资料来源:Bloomberg

Clipboard Image.pngARM vs. Intel 历史市值对比

资料来源:Bloomberg

盈利能力

从盈利能力上来看,牢牢把握住产业链最顶端的ARM在毛利率和净利率上均高于全产业链的英特尔。2015年,ARM毛利率达96%,英特尔为63%。同年,ARM净利率达35%,英特尔为20%。

Clipboard Image.pngARM vs. Intel 毛利润对比

资料来源:Bloomberg

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ARM vs. Intel 净利润对比

资料来源:Bloomberg

研发投入

从研发投入的数量级上来看,ARM和英特尔同样不在一个层次,2015年英特尔研发投入121亿美元,ARM研发投入4亿美元。不过ARM相对于英特尔的研发投入占比要更高,2015年ARM研发投入占比29%,英特尔为22%。

Clipboard Image.pngARM vs. Intel 研发开支对比

资料来源:Bloomberg


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 ARM vs. Intel 研发开支占比对比

资料来源:Bloomberg

ARM VS Intel:历史走势

Intel

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 Intel 股价走势

资料来源:Bloomberg

2000.8-2002.12跌幅79.1% 

•  互联网泡沫破裂

2002.8-2003涨幅106.5%

•  估值修复

2004-2008跌幅50.2% 面临AMD的挑战

•  2004年一系列新产品推出延期取消

•  2005-2007年AMD起诉

•  2006将旗下ARM处理器Xscale出售给Marvell

•  2007年iPhone推出,智能手机迅速发展

•  2008年金融危机

2009年-至今涨幅316.1%

•  2010和2011收入同比增长24.19%和23.79%,得益于企业/新兴市场业务强劲和云计算服务器需求增长

•  2013年Brian Krzanich上台,对主要产品群进行了重新定位,承诺将加速开发针对智能手机和平板电脑的凌动芯片。

•  2014年4月8日以后,微软宣布将停止对XP和Windows7系统支持。

ARM

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ARM 股价走势

资料来源:Bloomberg

2009.1-2016.7涨幅680%

随着智能手机的放量,ARM股价水涨船高

2016.7-2016.9涨幅50.3%

软银320亿美元收购ARM进军物联网

2016年7月18日,软银宣布以314亿美元收购ARM,其中200亿美元现金来自于出售所持有的阿里巴巴、Supercell股份,另外95亿美元现金来自于新借债务。软银此次收购的目的是为了进一步发展其物联网业务,推动人工智能。

Clipboard Image.png收购ARM的资本结构

软银以软件起家,近年来大量地投资电信产业,CEO孙正义非常看好物联网和人工智能的前景。软银通过收购ARM可以完善自己在物联网和人工智能方面的布局,同时ARM也可以突破一直卖IP的局限,二者的结合是为了争取在未来成为 IOT 产业的定义者。

此前ARM一直被称为“最不可能被收购的公司”,曾有传闻三星、苹果等公司计划收购但最后都不了了之,因为ARM这样以技术授权为生的公司一旦被单一的芯片厂商收购就可能对其客户造成威胁从而失去垄断地位。软银在糟糕的财务状况下,不惜出售优质资产收购ARM的举动不被市场上的很多人看好。我们认为收购ARM其实是孙正义为公司未来科技发展所下的一个重注。未来ARM能否与软银现有资产相互配合,产生1+1>2的协同效应,还要看新兴行业的发展状况和软银未来的发展战略。

移动设备的未来与ARM

作为标准制定者,芯片基层架构具有极强的先发优势和规模效应,几乎难以被颠覆。然而,在移动设备的新时代中,ARM通过新赛道完成对于Intel的逆袭,Intel就这样被曾经它所看不起的ARM挑战了霸主地位。这样的案例不是第一个,更不会是最后一个。

ARM的崛起不能全归功于ARM,即便是苹果手机也是由许多外界因素对的协同发展(如蜂窝网络)等等才得以成全。甚至公司本身都没有意识到它所在市场的外在因素已经为它的爆发做好了准备。

孙正义与世人所看好的物联网的未来,会是ARM的天下,还是另外一个潜在竞争对手和全新商业模式的天下,仍在存在不确定性。在更新迭代极为快速的电子产业,新产品新市场就意味着新的游戏规则与格局。

苹果

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