1、1794157619432026204321392212050010001500200025002019202020212022202320242025ARM是智能移动领域的绝对霸主，是智能移动领域的绝对霸主，构构筑了城宽池阔的筑了城宽池阔的软软件生态环件生态环境境。智能移动领域APU有着高性能、低能耗的要求。相较于x86，出身RISC的ARM能效比更高，通过授权IP的方式能够有效满足手机厂商 不同的功能需求且费用也更低。此外ARM是市场上唯一能够完全支持Android与iOS系统的APU架构，在灵活在灵活性性、能、能效效比比、低成、低成本本以及以及生态生态领域都领域都占占据了据了绝对绝对优优
2、势势。至今至今为为止止，ARM架构已架构已经经应用到全应用到全球球85%的的智智能能移移动设备动设备中中，其中有超过其中有超过95%的的智智能能手手机都基机都基于于ARM设设计。计。此此外外，ARM已与高通、谷歌和微软等国际厂商建立合作关系形成强大的生态联盟，已成已成为智为智能移能移动动APU的的不不二选择二选择。图：全图：全球智能移动球智能移动端端APU出货出货量（百万）量（百万）图：使图：使用用ARM架架构构企企业业APU销售额销售额（亿美元）（亿美元）41588312016021028037047058070082090080070060050040030020010002019 202
3、0 2021 2022 2023 2024 2025 2026 2027 2028 2029 20301智能移动智能移动领域领域ARM占据占据APU主要市场份额主要市场份额12ARM架构在物联架构在物联网网设备芯片中也设备芯片中也占据占据主导地主导地位位。ARM架构芯片聚焦于最佳能效，目前Cortex-M处理器系列已在物联网市场有广泛应用，可给物联网场景提供良好支撑，下游APU产品甚至将按照M0、M3以 及M4等ARM内核种类来划分。伴随边缘计算的发展，万物互联向万物智联的转变，IoT设备性能要求也 不断提高，如智能音箱、智能家居等均开始支持AI语音及人脸识别功能，国产厂商龙头如全志科技、瑞
4、芯微等均采用了ARM架构的APU。图图：ARM Cortex广泛广泛应用于物联网终端应用于物联网终端图：图：ARM微架构系列微架构系列物联网应物联网应用领域用领域2.1 ARM占据占据APU主要市场主要市场份额份额21ARM与与APU厂厂商互惠互利商互惠互利，ARM能够能够为为APU厂厂商提商提供供IP。作为全球最具影响力的处理器IP厂商，ARM通过其 独特的授权模式，吸引了众多APU生产厂商如手机APU厂商苹果、高通，国内物联网应用APU龙头全志科技、晶晨股份等。通过与ARM合作，APU厂商能够直接使用ARM架构或内核，并且在SoC开发阶段得到借鉴与指 导，降低芯片研发门槛与成本，同时减少芯
5、片设计时间。APU厂商帮厂商帮助助ARM完完善其生善其生态态体体系系。ARM本身不生产芯片，其生态体系建设大多依靠下游芯片厂商完成。APU厂商通过其产品不断渗透，建立软件生态，提高市场对ARM的黏性，从而绑定某一应用领域。如苹果新款MAC将使用ARM架构，会助力其PC生态体系建设；华为ARM架构服务器助力ARM完善服务器生态；物联 网领域，随着国产厂商的发展渗透，国产龙头如全志、晶晨有望助力ARM在未来完善IoT应用领域生态建设。图：全图：全志推出志推出ARM AI语音专用芯片助语音专用芯片助力生态建设力生态建设图：苹图：苹果将推出果将推出ARM架构架构MACARM与与芯片厂商芯片厂商互互惠互
6、惠互利利2.2 ARM生生态产业态产业链链32.2 ARM生生态产业态产业链链（2）内内核授权核授权ARM芯片芯片厂商厂商（1）指令集授权）指令集授权（3）芯片使用授权）芯片使用授权苹果MAC等华为鲲鹏等苹果A14、华为麒麟9000国产厂商代表 全志科技瑞芯微PC服务器智能手机智能平板 嵌入式设备全志科技 富瀚微 瑞芯微 北京君正 晶晨股份芯片授芯片授权权费费ARM为厂商提供为厂商提供IP授授权权、厂商、厂商 基于基于ARM研发研发APU芯片芯片厂商通厂商通过过直接直接出出售芯售芯片或片或出售出售 含有含有经过经过自自身二身二次次开发开发的的ARM 架构芯架构芯片片产品产品两两种方种方式来式来
7、盈利盈利使用使用ARM架构架构芯片的各类芯片的各类 终端市场终端市场二次开发后，直接售卖APU芯片 给终端设备厂商，如高通。将芯片运用到自身产品中，售卖 使用ARM架构芯片产品，如华 为、苹果。芯片设计、制造芯片出售芯片版芯片版权权费费405101520252.3 ARM主导主导APU行业生态行业生态RISC Machine1978年1990年1993年1997年1998年2004年2008年2011年2013年2015年2016年2018年表表 ：A R M 发展历发展历程程时时间间事件事件1ARM概概述：处理述：处理器器架构新架构新王者王者ARM(Advanced RISC Machine
8、s)是是一一家诞生家诞生于于英国英国的处的处理器设理器设计计与软与软件公件公司司，总部位于英国剑桥，最早由Arcon、Apple和VLSI合资成立，主要出售芯片设计技术的授权。目前，ARM架构处理器已架构处理器已在在高性高性能能、低功、低功 耗、耗、低低成成本本的的嵌入嵌入式应式应用用领领域域占占据领据领先地先地位位。自。自2000年以年以来来，全全球球算算力结力结构构发发生生巨巨大大变变化化，2020年年ARM总总算力算力输出输出已已达到达到全全球球82%，成为成为世界世界最最大算大算力力架构。架构。ARM是全球最大的是全球最大的IP厂厂商，未来商，未来10年年ARM将会重将会重写写x86辉
9、煌辉煌。2019年基于ARM授权的芯片出货量出货量达达228亿颗亿颗，全球采用ARM授权IP开发的芯片出货量总计超1800亿颗。在智能手机市场，ARM占据绝对优势，与Android 联合形成软硬件生态体系，占全占全球球智智能手能手机机市市场场90%以以上份上份额额。除此之外，ARM积极布局IoT、PC及服务器 领域，苹果日前于WWDC20会议上宣布将MAC产品线向ARM平台迁移，预计两年时间完成。22.8BnARM前身Acorn RISC Machine在英国剑桥成立Acorn、Apple和VLSI共同出资建造了ARM，公司正式更名为正式更名为Advanced Cirrus Logic和德州仪
10、器公司先后加入ARM，当年ARM7问世ARM里程碑产品ARM9发布，标志着ARM处理器正式进入微处理器领域ARM分别在英国伦敦证交所和美国纳斯达克上市Cortex系列处理器诞生，分别以A、R、M三类面向不同的市场ARM芯片的出货量正式突破100亿片ARM退出来旗下首款64位架构的ARMv8，将高性能与节能相结合ARM收购光引擎技术公司Geomerics，扩大在图形技术行业的领先地位推出基于ARMv8架构的面向企业级市场的全新平台标准，并开始在物联网领域发展 软银以243亿英镑的价格收购ARM，ARM成为软银子公司5ARM正式进入中国市场，成立ARM中国2ARM授授权模权模式式ARM的成功一方的
11、成功一方面面来自于处来自于处理理器自器自身身的优良性的优良性能能，具，具有有体积体积小小、低低功耗功耗等等特特点点，另，另一一方面方面也也得益于其得益于其独独特特 的公司运作模的公司运作模式式。最初由于在处理器市场的劣势地位，ARM仅出售自身的知识产权（IP内核）给各大芯片 公司。目前全世界有几十家大型半导体公司都使用ARM公司的授权，从ARM公司购买其设计的ARM处理器 核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM处理器芯片进入市场。ARM IP授权费用主要包括两部分：芯片公司每设计一款芯片都需要支付一笔前期授权费授权费（Upfront LicenseFee）；之后芯
12、片大规模生产销售后，则每卖出一片芯片均需要按其售价向ARM公司支付一定比例版税版税（Royalty Fee），由由于于ARM架构现已占据架构现已占据绝绝大多大多数的数的市场份市场份额额，形，形成完成完整软件整软件生生态环态环境境，在移动在移动和和嵌入式嵌入式 领域领域的芯的芯片片厂商厂商，购买购买ARM处处理理器器IP成为其成为其首首选。选。图：图：ARM授权模式授权模式示意图示意图62.3 ARM主导主导APU行业生态行业生态2.3 ARM主导主导APU行业生态行业生态73三类授权三类授权模式模式简简介介ARM公公司司的的授权方授权方式式主要主要有有三三种种，按按照照自主自主程程度以度以及及
13、费费用用越来越来越越高分高分别别为为使使用层用层级级授授权、权、内内核核架构授架构授权权以以 及指令集架构授权。使用授权、内核授权及指令集架构授权。使用授权、内核授权：中小型公司大多购买使用层级或者内核架构授权，授权费用相 对较低，甚至ARM对Cortex-M3和M0还免除前期授权费，以鼓励更多小公司购买；指指令令集集架架构构授授权权：ARM架构授权价格极其昂贵（高达千万美元量级），远远高于直接购买“ARM IP”所 需的前期授权费，同时深度定制自研处理器需要解决极高的技术难度与投入高昂的研发成本。只有实力最 为雄厚的芯片公司才具备购买能力，目前仅有“苹果”“高通”“华为”等巨头。凭借独特授权
14、模式，ARM已与众多合作伙伴一起构建出了强大的ARM阵营。图：图：三种主流架构对三种主流架构对比比 图：图：ARM内核性能内核性能图图表表 ：A R M 架构发展历架构发展历史史时间时间架构版本架构版本内核家族内核家族1985年ARMv1ARM11986年ARMv2ARM2、ARM31990年ARMv3ARM6、ARM600、ARM610、ARM7、ARM700、ARM7101993年ARMv4Strong ARM、ARM8、ARM810、ARM7-TDMI、ARM9-TDMI1998年ARMv5ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale2001年ARMv6ARM112004年ARM
15、v7Cortex-A5/7/8/9/15/17、Cortex-R4/5/7/8、Cortex-M0/0+/3/4/72011年ARMv8Cortex-A32/35/53/57/72/73、Cortex-R52、Cortex-M23/332.3 ARM主导主导APU行业生态行业生态84独特独特授权模授权模式式构构建建ARM生态生态独特商业模式使独特商业模式使得得ARM强强者恒者恒强强。ARM从未自己生产商用芯片，只将处理器源代码的知识产权（IP）授权给合作商，也正是因为这一独特的商业模式，使得ARM能够借鉴Intel的经验，构建出自身的软硬 件生态平台。从Nokia Symbian系统的ARM7
16、TDMI，到MTK山寨机的ARM9，再到iPhone4的Cortex A8，最终到现在统治苹果及Android手机市场的Cortex A系列，无论合作厂商成功与否，ARM始终是移动处 理器领域的霸主，相较于x86，ARM授权模式所建立的生态体系甚至更加全面。积极布局物联网领积极布局物联网领域域，抢先构建生态体，抢先构建生态体系系。2013年ARM收购芬兰物联网软件公司Sensinode，并积极 推广NanoStack等产品，目标将从硬件到软件完整的覆盖整个物联网领域。目前ARM的Cortex-A和 Cortex-M已分别成为移动与物联网领域的王者。5Cortex-A是是一组一组用用于高于高性性
17、能能低低功耗功耗应应用处用处理理器器领领域域的的32位位和和64位位RISC处理器系处理器系列列，其其中中Cortex-A9作为作为 首款支首款支持持ARMv7-A架构的多核处理器，成为当时智能手机市场标架构的多核处理器，成为当时智能手机市场标配配。Cortex-A系列性能强大且更新迭代速 度快，年均一款新品的频率使其竞品还未推出便已过时，导致众多巨头纷纷放弃自研处理器业务。目前已 有超过95%的智能手机搭配ARM架构，强大的生态护城河使得其他架构处理器基本失去进入手机市场可能。Cortex-M是一是一组组用于用于低低功耗微功耗微处处理器领理器领域域的的32位位RISC处处理理器器系系列，列，
18、包包括括Cortex-M0、M7及及M33等。等。其中M3是Cortex产品中应用最广泛的一款，体积小可广泛应用于各类嵌入式智能设备。Cortex-M3与 Cortex-M0的合计出货量己经超过200亿片，据称每 30 分钟的出货量就可以达到 25 万片，至今全球已有超过60家 公司获得Cortex-M授权，中国大陆厂商近10家。表表 ：A R M Cortex-M系列各处理器发布时间和特系列各处理器发布时间和特点点型号型号发布时间发布时间流水线深度流水线深度描述描述Cortex-M320043级面向标准嵌入式市场的高性能低成本的ARM处理器Cortex-M120073级专门面向FPGA中设计
19、实现的ARM处理器Cortex-M020093级面积最小和能耗极低的ARM处理器Cortex-M420103级在M3基础上增加单精度浮点、DSP功能以满足数字信号控制市场的ARM处理器Cortex-M0+20122级在M0基础上进一步降低功耗的ARM处理器Cortex-M720146级超标量设计，配备分支预测单元，不仅支持单精度浮点，还增加了硬件双精度浮点能力，进一步提升计算性能和DSP处理能力，主要面向高端嵌入式市场Cortex-M2320162级可以简单理解为在Cortex-M0+的基础上增加了硬件整数除法器与安全特性（TrustZone Security）2.3 ARM主导主导APU行业
20、生态行业生态Cortex-M3320163级可以简单理解为在Cortex-M4的基础上增加了安全特性（TrustZone Security）ARM主主流内核架流内核架构构9操作系统ODM终端企业终端企业CPU芯片应用程序应用程序1复刻复刻Wintel，构构建完建完善善生态体生态体系系复刻复刻Intel成功成功秘秘笈笈，构建构建嵌嵌入式入式软软硬硬件件护城护城河河。上世纪Intel在PC及服务器处理器市场大杀四方，取得 统治性的地位，除自身高超的CPU设计水平与工艺制造水平外，还要归功于与微软构建“Wintel”联盟 从而形成软硬件生态平台。在健全的CPU生态体系中，配套企业将适应关键软硬件的开
21、发进度进行技术研发与适配：Intel的CPU 芯片革新拉动微软为X86芯片适配新一批的Windows系统以及应用程序等软件，而新的操作系统发布有 又将进一步带动PC需求，从而刺激更高技术CPU的研发与需求。软硬件相互协同，使得Wintel联盟垄 断桌面端长达20多年。不难看出，一款处理器能否成一款处理器能否成功功不光取决于其性不光取决于其性能能，是否有软件，是否有软件生态生态支持以支持以及及ISA根基根基是关是关键键。图：图：Wintel联盟软硬件构成联盟软硬件构成图：个人图：个人PC操作系统市场份额操作系统市场份额102.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系系降低降低客客户设户设
22、计计成成本本软件联盟软件联盟IBM PC支持支持2同同Intel与微软建立与微软建立PC端软硬件生态系统类端软硬件生态系统类似似，ARM在智能移动市场也建在智能移动市场也建立立了自己的生态体了自己的生态体系系。通过大量。通过大量 的架构授权的架构授权，ARM打通了客户间的打通了客户间的软软件生态体件生态体系系。1993年ARM获得德州仪器订单从而进入诺基亚手机芯 片给ARM带来绝佳发展机遇，此此次次ARM获获得得极极大大成成功功并并证证明明了了其其在在手手机市机市场场极极高高的的适适用用性，性，吸吸引引了了数数百百家家 客客户户。在同时期Intel相继拒绝高通、苹果的合作邀请，MIPS还在专攻
23、高清盒子、路由器等市场时，ARM 已在手机市场得到诺基亚以及苹果等公司支持，随着移动手机的井喷式爆发，ARM也进入高速发展轨道。苹果作为ARM早期股东之一，其产品一直使用ARM架构，随随着着iPhone开启智能手机时代开启智能手机时代，App Store的的 崛崛起也让起也让全全球移动球移动应应用彻底用彻底绑绑定定ARM架架构构，伴伴随随Android也也开始开始支支持持ARM，ARM智智能移能移动动霸主霸主地地位位彻彻底底 确立确立，其建立的ARM生态体系也让其他处理器架构难以进入智能移动市场。图：图：Wintel联联盟盟图：图：“AA”联盟联盟硬硬件支持件支持11硬硬件支持件支持IOS支持
24、支持Android支持支持2.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系系降低降低客客户设户设计计成成本本复刻复刻Wintel，构构建完建完善善生态体生态体系系3ARM产产业生业生态态：减减少芯片少芯片设设计时计时间间与成与成本本通过独特的通过独特的授授权模权模式式，ARM像像Intel一样建立了强一样建立了强大大的的ARM架构阵架构阵营营，构构建了自己的生态体建了自己的生态体系系。目前全 世界几乎大多数主流芯片公司都直接或间接地在使用ARM架构处理器。相较于“Wintel”联盟的软硬件 生态体系，ARM在在更深层的软更深层的软硬硬件开发方面建立件开发方面建立了了独特的生态优独特的生态优
25、势势，对于业界SoC设计团队来说，ARM提供的生态体系更是成为不可或缺的氧气。对对于于SoC开发来开发来说说，设，设计计验验证证、物物理理设计设计以以及软及软件件开开发发是影是影响响硬件硬件开开发发及及软件软件堆堆层层的的三大三大关关键因键因素素。ARM积极构建的生态体系对于购买其授权的合作伙伴提供了芯片设计及开发所需的广泛工具和支持，可以将设计人员连接到由兼容CPU核心、工具、中间件和应用程序软件组成的庞大生态系统，能能够够大大大缩大缩 短芯片短芯片的的设计设计成本成本并缩短并缩短上上市时市时间间。图：图：SoC芯芯片设计流程片设计流程122.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系
26、系降低降低客客户设户设计计成成本本4ARM产产业生业生态态：优优化验证化验证环环节，节，提提供供IP模块简模块简化化流流程程设设计计验验证证（Design Verification）包括包括辅辅助助逻逻辑辑设设计计和和测测试试的的硬硬件件和和软软件件工工具。具。SoC经常混合授权和内 部设计的内核，除非以前产品直接没有更改的使用了内部设计，否则工程团队通常通常会会花花费大费大量量时时间来间来验验 证证其其RTL设计是否能够达到设计是否能够达到要要求求；而在组合不同来源组合不同来源的的核心交互核心交互时时也常也常会会因细微的因细微的问问题导题导致致调试交调试交互互、设计更改设计更改，大大大延大延
27、长开发长开发时时间造间造成进成进度风度风险险。相较于其他处理器架构，ARM在这一问题方面完全验证在这一问题方面完全验证了了RTL核核心，通过不断地生产测试芯片来确保质心，通过不断地生产测试芯片来确保质 量，以量，以此此来支持购买来支持购买其其IP授权授权的的合作伙合作伙伴伴。同同时时ARM还还提供许提供许多多IP模模块，这些模块，这些模块块事先经过预验可以事先经过预验可以一一 起工起工作作，同同时采时采用用标标准准SoC接口等接口等，以此以此为为开开发发者简者简化化设计设计过过程程，另外提供参考设计来为设计人员提供提供 完整完整的的RTL用于整个用于整个芯芯片片，使设计人员可以根据需求修改和扩
28、展平台，无需从头开始创建芯片。图：图：ARM Juno设计示意设计示意图图图：图：CoreLink设计示意图设计示意图132.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系系降低降低客客户设户设计计成成本本图：图：S O C 设 计 各 环 节 成 本 占 比设 计 各 环 节 成 本 占 比图：图：E D A 提供提供IP助力芯片更快设计完成助力芯片更快设计完成5ARM产产业生业生态态：统统一物理一物理设设计规计规则则要要求求物理设物理设计计（Physical Design）包括包括帮帮助助RTL转换为可转换为可制制造芯片造芯片的的设计设计流程流程和物和物理理IP。当RTL验证完成后，研发
29、团队需要开发物理布局，对多个设计来源的核心需要不同的设计流程来正确编译，同时还要满足fab的 设计规则，而初始布局往往不能满足所有过程变化的时间安排因此必须迭代布局直到满足所有的设计规则 和时间要求，因此物理设计往往是开发过程当中最耗费时间的阶段之一。在此方面ARM为为EDA公公司司提供参考流提供参考流程程，帮助设计者在，帮助设计者在满满足设计规则的同足设计规则的同时时，更快的生成布，更快的生成布局局，确保功，确保功率率 分配、定时以及噪音等指标的确分配、定时以及噪音等指标的确定定，帮助设计者完成最终设计；对于想要更简单流程的客户，也可以选择 与与ARM的的设设计计服服务务供供应应商商合合作，
30、作，以以此此更更快快的的完完成成ARM IP的物的物理理设设计计。2.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系系降低降低客客户设户设计计成成本本1420%28%18%25%3%3%3%IP认证SoC设计 验证实体设计 软件原型验实/测试软件生态软件生态（Software Ecosystem）包括开发工具、操作系统、驱动程序包括开发工具、操作系统、驱动程序和和保证运行在兼保证运行在兼容容CPU上的应用上的应用 程序程序。丰富的软件生态能够决定一款处理器的成败，因此芯片设计公司的软件工程师和硬件工程师往往一 样多，来为客户提供应用程序代码。ARM作为作为最受开最受开发发人人员员欢迎欢迎的的
31、指令指令集集架架构构提供提供了了广泛广泛的的代码代码开开发发工工具具。操操作系作系统统方方面面，ARM覆盖从Android到Zephyr的各个领域，其Mbed操作系统包括用于安全性和连接性的中间件，是运用于物联网嵌入 式领域的重要功能；与此同时，像像Microchip、NXP、瑞萨、意法半、瑞萨、意法半导导体体以以及德州仪及德州仪器器等厂等厂商商均提供包均提供包含含ARM处理处理器的器的开开发板发板，使得程使得程序序员能够员能够快快速测试速测试和和调试代调试代码码，加，加速速SoC研研发发进进度，使度，使产产品更快品更快进进入市入市场场。也正也正是这是这些些兼容兼容性性使使得得ARM在在过过去
32、去几十几十年年吸引吸引了了大量大量软软件开件开发发者者，建建立了立了一一个繁个繁荣荣的生的生态态体体系系。6图：图：SoC设计研发成本构成设计研发成本构成图图：ARM mbed OS系统系统ARM产产业生业生态态：统统一生态一生态，建立建立软软件生态件生态体系体系152.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系系降低降低客客户设户设计计成成本本1086420不基于ARM生态系统基于ARM生态系统7元）元）12经经过过几十年几十年的的发展发展，ARM建建立了立了一一套成套成功功的生态的生态体体系并实系并实现现良性循良性循环环。因为支持众多设计与开发人员，使 得越来越多的第三方想要将软件、
33、工具及开发板融入ARM，这种芯片基础设施建设的广泛性也鼓励了更多 的设计开发人员进入ARM生态体系。虽然得到ARM的生态支持需要购买其授权，但对于对于大多大多数数厂商厂商来来说说，处理处理器器的授的授权权费费只只是设是设计计预算预算的一的一小小 部分，选择开源的低成本架构往往可能会产生更多的隐性成部分，选择开源的低成本架构往往可能会产生更多的隐性成本本，如创建验证模型、工具流和库代码等，同 时因任何bug导致的进度延迟及软件问题都有可能造成更大的损失。据据ARM统计数据显统计数据显示示，开发一款，开发一款 28nm SoC，ARM生态生态系统系统能能够为够为其其节约节约近近千万千万美美元成元成本本，同，同时时缩短缩短开开发时发时间间。图：图：28nm SoC开发成开发成本本-A R M 生态系统价值（预测生态系统价值（预测N R E，百万美，百万美图：图：SoC芯芯片开发成本对比片开发成本对比ARM产产业生业生态态：减减少芯片少芯片设设计时计时间间与成与成本本2.4 ARM生生态圈：完态圈：完善善生态体生态体系系降低降低客客户设户设计计成成本本16
