芯片設(shè)計(jì)公司Arm開除其中國合資企業(yè)安謀中國CEO吳雄昂，因發(fā)現(xiàn)該名高管成立競爭性基金“Alphatecture”，該基金旨在投資使用Arm技術(shù)的公司。隨后，當(dāng)事雙方發(fā)表多份聲明，事件也產(chǎn)生多次反轉(zhuǎn)，上演了一場科技行業(yè)的“宮斗”大戲。自2016年被軟銀收購后，Arm公司的名氣可謂是蒸蒸日上，一舉一動(dòng)都吸引著整個(gè)芯片行業(yè)的眼球。今天，我們并不想討論Arm這場宮斗大戲的是是非非，而是來看看Arm公司背后的大產(chǎn)業(yè)——IP核。

IP(Intellectual Property)核是芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中逐步分離出來的、經(jīng)過驗(yàn)證的、可重復(fù)使用的設(shè)計(jì)模塊，其作用就是在芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中降低冗余設(shè)計(jì)成本，降低錯(cuò)誤發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，提高芯片設(shè)計(jì)效率。IP 核本身是產(chǎn)業(yè)鏈不斷專業(yè)化的產(chǎn)物，是芯片設(shè)計(jì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重要體現(xiàn)，也是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈下一步升級(jí)的重要方向。產(chǎn)業(yè)每一輪專業(yè)化升級(jí)都有其內(nèi)在的供需原因，且往往是追求規(guī)模成本效應(yīng)的結(jié)果，IP 核行業(yè)的產(chǎn)生和發(fā)展也是如此。

當(dāng)前全球核心 IP 主要由 ARM、Synopsys、Cadence 提供，合計(jì)占比近 65%，以 ARM Cortex、Synopsys ARC、Cadence Tensilica 為首的 IP 核生態(tài)覆蓋全球芯片設(shè)計(jì)行業(yè)。一方面ARM 份額遠(yuǎn)超其余玩家，另一方面后進(jìn)競爭玩家也在奮力追趕。未來，IP 核的技術(shù)、生態(tài)、平臺(tái)化建設(shè)將是企業(yè)護(hù)城河的核心構(gòu)成。

一、 半導(dǎo)體知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集中體現(xiàn)——IP 核

IP 核，是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核的總稱，是經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證過的、具有特定功能的、可以重復(fù)使用的、包含特定核心元素的(指令集、功能描述、代碼等)集成電路設(shè)計(jì)宏模塊(邏輯或功能單元)，如 AHB、 APB、 以太網(wǎng)、SPI、USB、UART 內(nèi)核等，主要應(yīng)用于專用集成電路(ASIC)或者可編輯邏輯器件(FPGA)。采用 IP 授權(quán)方式設(shè)計(jì)和開發(fā)芯片有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、 經(jīng)過驗(yàn)證的優(yōu)質(zhì) IP 模塊，具有高性能、功耗低、可復(fù)用、可規(guī)模化、成本適中的特點(diǎn)，可作為獨(dú)立設(shè)計(jì)成果被交換、轉(zhuǎn)讓和銷售;

2、 使用 IP 模塊可以讓芯片設(shè)計(jì)廠商基于“模塊”開發(fā)，避免了重復(fù)勞動(dòng)，有利于芯片設(shè)計(jì)廠商將精力聚焦到提升核心競爭力的研發(fā)中。

3、 在智能終端創(chuàng)新升級(jí)加速的階段，快速的芯片設(shè)計(jì)并推出產(chǎn)品是搶占市場的重要手段，IP 核心讓研發(fā)團(tuán)隊(duì)僅須整合預(yù)先制作的功能區(qū)塊，不須進(jìn)行任何設(shè)計(jì)或檢驗(yàn)作業(yè)，即能迅速開發(fā)大型的系統(tǒng)單芯片設(shè)計(jì)。

▲IP 核的特征與優(yōu)勢

目前，IP 核已經(jīng)變成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本單元，如 Intel 的 CPU 技術(shù)、Nvidia 的 GPU 技術(shù)、TI 的 DSP 技術(shù)、Motorola 的嵌入式 MCU 技術(shù)、Trident 的 Graphics 技術(shù)等。

▲以 ARM 的 IP 應(yīng)用設(shè)計(jì)為例，芯片可視作多個(gè) IP 模塊搭建而成的

IP 核模塊有行為(Behavior)、結(jié)構(gòu)(Structure)和物理(Physical)三級(jí)不同程度的設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)描述功能行為的不同分為三類，即軟核(Soft IP Core)、完成結(jié)構(gòu)描述的固核(Firm IP Core)和基于物理描述并經(jīng)過工藝驗(yàn)證的硬核(Hard IP Core) 。

▲軟/固/硬核的內(nèi)容區(qū)別

▲ 軟/固/硬核的范例示意圖

軟核：軟核是 IP 核應(yīng)用最廣泛的形式。IP 軟核是獨(dú)立于制造工藝的寄存器傳輸級(jí)(RTL)代碼，經(jīng)過行為級(jí)(behavioral)的功能驗(yàn)證(functional verification)和優(yōu)化，一般指的是用語言描述的功能塊，包括邏輯描述、網(wǎng)表和幫助文檔等，并不涉及具體電路元件以及任何的具體的物理信息。

硬核：IP 硬核是通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、物理版圖設(shè)計(jì)驗(yàn)證和工藝制造獲得的半成品或者產(chǎn)品。其優(yōu)點(diǎn)是確保電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，提交形式是芯片制造掩模版結(jié)構(gòu)的全部版圖和詳細(xì)系統(tǒng)的全套工藝相關(guān)文件。由于與成套工藝的綁定 ，硬核沒有應(yīng)用靈活度。工藝升級(jí)后相應(yīng)的硬核需要重新驗(yàn)證、重新進(jìn)行物理設(shè)計(jì)。

固核：在軟核與硬核之間的是 IP 固核是軟核和硬核的一個(gè)折中，它只對(duì)描述功能中一些比較關(guān)鍵的路徑進(jìn)行預(yù)先的布局布線，而其他部分仍然可以任由編譯器進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化處理。固核通常以邏輯門級(jí)網(wǎng)表(gate-level netlist)的形式提交。由于固核多由設(shè)計(jì)客戶完成最終布線設(shè)計(jì)，因此核的端口位置、核的形狀和大小都可以調(diào)整，比硬核更具有靈活度。目前，固核也是 IP 核的主流形式之一。

▲軟固硬核的區(qū)別

IP 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展主要分為兩個(gè)階段，一個(gè)是 20 世紀(jì) 80 年代中后期至 2010 年前后，PC興盛、移動(dòng)終端逐步發(fā)展，這個(gè)時(shí)候 IP 核已逐步開始從芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中單獨(dú)出來，最典型的就是 ARM 公司的發(fā)展;另一個(gè)階段則是 2010 年開始的、以智能終端為驅(qū)動(dòng)力的高速發(fā)展階段，此時(shí) Synopsys、Cadence 的 IP 業(yè)務(wù)也進(jìn)入了高速發(fā)展期?？v觀 IP產(chǎn)業(yè)發(fā)展，我們從市場需求和供給兩個(gè)角度研判，未來 IP 行業(yè)將在 5G+物聯(lián)網(wǎng)對(duì)芯片用量和品類需求的持續(xù)增長+IP 供應(yīng)商研發(fā)實(shí)力持續(xù)增強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)下，迎來第三次騰飛。

從需求的角度來看， 一方面是半導(dǎo)體市場整體容量擴(kuò)大，大量的芯片設(shè)計(jì)需求推動(dòng)了 IP 的誕生。在上個(gè)世紀(jì) 80 年代中后期以歐美為主的半導(dǎo)體市場在個(gè)人 PC 的引領(lǐng)下進(jìn)入快速發(fā)展期，大量的市場需求推動(dòng)了半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的專業(yè)化分工，F(xiàn)abless、設(shè)計(jì)服務(wù)公司、晶圓代工、封裝測測各司其職的模式逐步得到確立。在這個(gè)過程中，ARM 公司利用其在 RISC指令集的優(yōu)勢與 Intel 錯(cuò)位競爭，并在蘋果的支持下改變其產(chǎn)品策略，不再生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)而以授權(quán)的方式開啟了 IP 商業(yè)模式，通過收取一次性授權(quán)費(fèi)用和版稅提成獲取利潤， 同時(shí)降低了直接生產(chǎn)產(chǎn)品所需要承擔(dān)的生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。隨后，在個(gè)人 PC、移動(dòng)終端的快速發(fā)展下，以 ARM 為代表的 IP 行業(yè)也在不斷發(fā)展。

▲全球半導(dǎo)體市場(單位：億美元)

▲ ARM 經(jīng)營的三個(gè)階段(單位：百萬美金)

未來，繼個(gè)人 PC、智能手機(jī)后半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)將在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能和大數(shù)據(jù)等新應(yīng)用的興起下逐步進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展機(jī)遇期。根據(jù) IBS 報(bào)告，這些應(yīng)用驅(qū)動(dòng)著半導(dǎo)體市場將在 2030 年達(dá)到 10,527.20 億美元，2019~2030 年均復(fù)合增長率為 9.17%，市場容量不斷擴(kuò)大，芯片的品類、數(shù)量和更迭速度要求持續(xù)提升，IP 行業(yè)將得到進(jìn)一步的發(fā)展。據(jù) ICInsight，預(yù)計(jì) 2020 年全球芯片出貨量將達(dá) 10,363 億顆，同比增長達(dá) 7.13%。

▲全球半導(dǎo)體市場(單位：億美元)

▲ 芯片出貨量(單位：十億片)

另一方面是隨著摩爾定律的演繹，制程和工藝持續(xù)改進(jìn)，高性能芯片設(shè)計(jì)難度不斷在加大。當(dāng)前隨著摩爾定律的不斷深入下探，20nm 以及小于 20nm 先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的高性能 IC 設(shè)計(jì)與 16nm/14nm FinFET、3D IC 相關(guān)的先進(jìn)技術(shù)涉及到從系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證、芯片實(shí)現(xiàn)到三維封裝設(shè)計(jì)已經(jīng)非常復(fù)雜，高集成度與 IC 測試/驗(yàn)證難度不斷加大。

單顆芯片可容納晶體管數(shù)量增加。隨著先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)不斷演進(jìn)，芯片的線寬不斷縮小，單顆芯片上可容納的晶體管數(shù)量也快速增加，單位面積性能得以相應(yīng)提升。根據(jù) IBS 報(bào)告，以 80mm²面積的芯片裸片為例，在 16nm 工藝節(jié)點(diǎn)下，單裸片可容納的晶體管數(shù)量為 21.12 億個(gè);在 7nm 工藝節(jié)點(diǎn)下，晶體管數(shù)量為 69.68 億個(gè)。

采用先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的芯片設(shè)計(jì)成本逐漸提高。先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)使用晶體管數(shù)量持續(xù)增長，使設(shè)計(jì)的復(fù)雜度不斷增加，從而提高了設(shè)計(jì)成本。根據(jù) IBS 報(bào)告，以先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)處于主流應(yīng)用時(shí)期的設(shè)計(jì)成本為例，工藝節(jié)點(diǎn)為 28nm 時(shí)，單顆芯片設(shè)計(jì)成本約為 0.41 億美元，而工藝節(jié)點(diǎn)為 7nm 時(shí)，設(shè)計(jì)成本則快速升至約 2.22 億美元。即使工藝節(jié)點(diǎn)達(dá)到成熟應(yīng)用時(shí)期，設(shè)計(jì)成本大幅度下降的前提下，相較同一應(yīng)用時(shí)期的上一代先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)，仍存在顯著提升。

▲芯片設(shè)計(jì)成本(單位：百萬美元)

高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)投入使芯片設(shè)計(jì)公司在研發(fā)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的芯片產(chǎn)品時(shí)，需要有大規(guī)模的產(chǎn)銷量支撐來平攤設(shè)計(jì)成本，為降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)和成本，芯片設(shè)計(jì)公司越來越多地尋求使用經(jīng)過驗(yàn)證的半導(dǎo)體 IP。未來，集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)中基于平臺(tái)的設(shè)計(jì)，即以應(yīng)用為導(dǎo)向，預(yù)先集成各種相關(guān) IP，從而形成可伸縮和擴(kuò)展的功能性平臺(tái)，是一種可升級(jí)的 IP 復(fù)用性解決方案，可以快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品升級(jí)迭代，同時(shí)降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)與設(shè)計(jì)成本。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)向手機(jī)產(chǎn)業(yè)邁進(jìn)，終端產(chǎn)品更加復(fù)雜多樣，芯片設(shè)計(jì)難度快速提升，研發(fā)資源和成本持續(xù)增加，促使全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)分工繼續(xù)細(xì)化，芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步拆分出半導(dǎo)體 IP 產(chǎn)業(yè)，而芯片設(shè)計(jì)服務(wù)產(chǎn)業(yè)的服務(wù)范圍也將進(jìn)一步擴(kuò)大。

▲IP 核行業(yè)的發(fā)展符合半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的趨勢

從共給視角下看， 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)一步精細(xì)化，傳統(tǒng) IDM 或 Fabless 公司在多年的芯片設(shè)計(jì)中確立了設(shè)計(jì)重用以降低重復(fù)設(shè)計(jì)、冗余研發(fā)的原則，而其中一些成功的芯片設(shè)計(jì)成果的可重用部分經(jīng)多次驗(yàn)證和完善就形成了 IP 核。隨著運(yùn)用 IP 核進(jìn)行設(shè)計(jì)的芯片越來越多，ARM公司獨(dú)辟蹊徑開創(chuàng)了 IP 核授權(quán)的商業(yè)模式。ARM 的 IP 核授權(quán)商業(yè)模式是基本授權(quán)費(fèi)(LicenseFee)和基于版稅(Royalty)模式的結(jié)合。設(shè)計(jì)公司首先通過支付 IP 技術(shù)授權(quán)費(fèi)來獲得在設(shè)計(jì)中集成該 IP 并在芯片設(shè)計(jì)完成后銷售含有該 IP 的芯片的權(quán)利，而一旦芯片設(shè)計(jì)完成并銷售后，設(shè)計(jì)公司還需根據(jù)芯片銷售平均價(jià)格(ASP)按一定比例(通常在1%~3%之間)支付版稅給 ARM。

▲ARM 的商業(yè)模式

▲ARM 的主要收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)

ARM 的授權(quán)模式主要為：

使用層級(jí)授權(quán)：作為最低的授權(quán)等級(jí)，擁有使用授權(quán)的用戶只能購買已經(jīng)封裝好的 ARM 處理器核心，不可更改原有設(shè)計(jì)。而如果想要實(shí)現(xiàn)更多功能和特性，則只能通過增加封裝之外的 DSP 核心的形式來實(shí)現(xiàn)。由于擔(dān)心對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)不力，ARM 對(duì)很多中國背景的企業(yè)均采取這一級(jí)別的授權(quán)。

內(nèi)核層級(jí)授權(quán)(POP，Processor Optimization Pack)：指可以以一個(gè)內(nèi)核為基礎(chǔ)然后再加上自己的外設(shè)，比如 USART、GPIO、SPI、ADC 等，形成新的 MCU，代表廠商包括三星、德州儀器(TI)、博通、飛思卡爾、富士通以及 Calxeda 等。

架構(gòu)/指令集層級(jí)授權(quán)：可以對(duì) ARM 架構(gòu)進(jìn)行大幅度改造，甚至可以對(duì) ARM 指令集進(jìn)行擴(kuò)展或縮減，代表廠商主要是蘋果(2013 年開始使用基于 ARM 架構(gòu)自研的 Cyclone 架構(gòu)，后續(xù)開發(fā)出 Swift、Typhoon、Twister 等架構(gòu))、高通(基于 ARM架構(gòu)自研 Scorpion、Krait、Kryo 等架構(gòu))、Marvell 以及華為(ARMV8，自研達(dá)芬奇架構(gòu))。

▲ARM 各級(jí)授權(quán)級(jí)別

此外，根據(jù)不同用途還可分為：

單用途授權(quán)：在某一個(gè)特定領(lǐng)域使用 ARM 技術(shù)。如 Cortex-A 系列的單用途授權(quán)費(fèi)前期約為 100 萬美元，每顆芯片版稅約 2%。這種授權(quán)非常適合創(chuàng)業(yè)公司，或者目標(biāo)明確的特定設(shè)計(jì)項(xiàng)目。

多用途授權(quán)：適合大型企業(yè)，可用于多種產(chǎn)品。授權(quán)費(fèi)相對(duì)較高，但在一定時(shí)間內(nèi)，授權(quán)技術(shù)可以盡可能地設(shè)計(jì)更多芯片、隨需求用在任何產(chǎn)品中，但是期限過后則需續(xù)費(fèi)方可繼續(xù)使用。

終身多用途授權(quán)：多用途授權(quán)中的終身使用版本，但由于技術(shù)更新?lián)Q代較快，一般而言使用期約為 10~20 年。

訂購授權(quán)：大企業(yè)可以據(jù)此購買 ARM 一整套產(chǎn)品的技術(shù)，同時(shí)時(shí)間較長，內(nèi)部研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本相對(duì)較低，但門檻較高，往往需要數(shù)千萬美元。

此外還有學(xué)術(shù)授權(quán)、設(shè)計(jì)入門等特殊授權(quán)，價(jià)格較低但不可用于銷售。

ARM 的各類授權(quán)層級(jí)為不同需求的客戶提供了針對(duì)性的可定制化的 IP 授權(quán)服務(wù)，通過已驗(yàn)證的 IP 核和架構(gòu)大大縮減了芯片設(shè)計(jì)公司的芯片設(shè)計(jì)難度、驗(yàn)證時(shí)間、設(shè)計(jì)成本，不僅為大型公司提供設(shè)計(jì)便利，也為許多缺乏深厚技術(shù)基礎(chǔ)的初創(chuàng)公司降低了芯片設(shè)計(jì)門檻，大大促進(jìn)了全球芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)尤其是 IP 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。除了類似 ARM 這樣的專業(yè)的 IP 供應(yīng)商外，IP 核還可來自 EDA、Foundry 和芯片設(shè)計(jì)服務(wù)公司，他們以提供 IP核來提升用戶的黏性，IP 收入占比一般較小。

另外， 供需共振打開 IP 行業(yè)快速上行通道 。首先， IP 應(yīng)用數(shù)量持續(xù)增加。隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的發(fā)展，集成電路設(shè)計(jì)步入 SoC 時(shí)代，設(shè)計(jì)變得日益復(fù)雜。當(dāng)前國際上絕大部分 SoC 都是基于多種不同 IP 組合進(jìn)行設(shè)計(jì)的，同時(shí)，隨著先進(jìn)制程的演進(jìn)，線寬的縮小使得芯片中晶體管數(shù)量大幅提升，使得單顆芯片中可集成的 IP 數(shù)量也大幅增加。根據(jù) IBS 報(bào)告，以 28nm 工藝節(jié)點(diǎn)為例，單顆芯片中已可集成的 IP 數(shù)量為 87 個(gè)。當(dāng)工藝節(jié)點(diǎn)演進(jìn)至 7nm 時(shí)，可集成的IP 數(shù)量達(dá)到 178 個(gè)。單顆芯片可集成 IP 數(shù)量增多為更多 IP 在 SoC 中實(shí)現(xiàn)可復(fù)用提供新的空間，從而推動(dòng)半導(dǎo)體 IP 市場進(jìn)一步發(fā)展。

▲數(shù)字、數(shù)?；旌?IP 數(shù)量(單位：個(gè))

非 CPU 的多種 IP 不斷發(fā)展。隨著全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展，處理器 IP 仍將占據(jù)最大市場份額，但隨著各種接口、GPU、數(shù)模、存儲(chǔ) IP 技術(shù)的不斷成熟，未來非 CPU 的多種 IP 份額將會(huì)持續(xù)提升，如新一代高速接口 IP：PCIe(PCI express)4.0(2017;5.0，2019)、USB 3.2(2017)、DDR/LPDDR 5(2017)、HBM 2(高帶寬存儲(chǔ)器 high bandwidthmemory，HBM;V2/V3，2016)、SATA rev3、HDMI 2.1、MIPI DSI/DPI、Bluetooth 5(2016)和 Ethernet(400 Gbps，2018)等接口標(biāo)準(zhǔn)的新版本 IP 正在不斷涌現(xiàn)。

▲全球 IP 應(yīng)用結(jié)構(gòu)

▲2018 年 IP 核品類結(jié)構(gòu)

AI 算法推動(dòng) IP 核研發(fā)加速，進(jìn)一步提升 IP 核在芯片設(shè)計(jì)中的使用占比。人工智能(AI)技術(shù)的發(fā)展帶來了計(jì)算模型的變革，一方面使得各大 IP 供應(yīng)商紛紛推出為 AI 定制或與 AI 結(jié)合的 IP，如 Synopsys 公司于日前推出了高性能嵌入式視覺處理器 IP——DesignWare EV 系列;另一方面人工智能算法也被用在 IP 相關(guān)的 EDA 工具當(dāng)中，如華大九天推出的Empyrean Mcfly 就是用人工智能算法實(shí)現(xiàn) IP 驗(yàn)證加速。

二、 從行業(yè)主要玩家探尋IP核未來發(fā)展趨勢

IP 核行業(yè)格局的總體格局是高度集中，后進(jìn)追趕 。 整體市場保持成長，產(chǎn)品需求增長較快，同時(shí)由于 IP 核技術(shù)壁壘較高，進(jìn)入難度大，主要玩家為 ARM、Synopsys、Cadence，同時(shí)后進(jìn)新發(fā)競爭者較多;同時(shí)，競爭者提供不大相同的產(chǎn)品或服務(wù)，用戶轉(zhuǎn)換成本較高。

全球 IP 核龍頭企業(yè) ARM 從 2007 年 33%的市場占有率增加到 2017 年的 46.2%，但2018~2019 份額分別為 43.02%、40.8%，表明 IP 行業(yè)一方面具有高度集中的特征，另一方面集中度在后來者的逐步跟進(jìn)下呈現(xiàn)下降的趨勢。

▲全球 IP 核市場格局

▲ 全球 IP 集中度呈現(xiàn)下降趨勢

▲全球 IP 核行業(yè)競爭格局(百萬美元)

從授權(quán)和版權(quán)收費(fèi)來看，Synopsys 收費(fèi)模式主要為授權(quán)，ARM 則在版權(quán)收費(fèi)上一騎絕塵，同時(shí)授權(quán)收費(fèi)亦處于第一梯隊(duì)。ARM 的授權(quán)+版稅模式是支撐其保持全球龍頭地位的重要支柱。

▲全球 IP 授權(quán)市場格局

▲ 全球 IP 版權(quán)收費(fèi)格局

1、 ARM：全球 IP 絕對(duì)龍頭，生態(tài)化深筑護(hù)城河

ARM 是全球最大的芯片架構(gòu)(IP)供應(yīng)商，成立于 1978 年，1990 年代向 RISC 指令集發(fā)展，隨后迅速成長為全球低功耗、高性能芯片架構(gòu)龍頭，市占率長期高于 40%。ARM 目前全球芯片客戶超過 500 家，生態(tài)合作伙伴遍布全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，已形成以Arm 為核心的全球最大的技術(shù)生態(tài)體系。

ARM 的處理器架構(gòu)具有性能高、成本優(yōu)和能耗低的優(yōu)勢，從 21 世紀(jì)開始在手機(jī)、平板電腦、嵌入控制、多媒體數(shù)字等處理器領(lǐng)域迅速獲得主導(dǎo)地位。1991 年至 2017 年全球已出貨超 1,000 億顆使用 ARMIP 核的芯片，而 ARM 預(yù)計(jì)下一個(gè)千億出貨量將在 2021年實(shí)現(xiàn)。截至 2020 年，全球已出貨超 1,600 億顆使用 ARMIP 核的芯片。在中國市場上，目前 ARM 的中國合作伙伴超過 200 家，國產(chǎn) SoC 中有 95%是基于 Arm 處理器技術(shù)，使用 Arm 處理器技術(shù)的中國客戶的出貨量超過 160 億。

▲ARM 預(yù)計(jì) 2021 年實(shí)現(xiàn)公司第二個(gè)千億出貨量計(jì)劃

ARM 處理器市場覆蓋率最高、發(fā)展趨勢廣闊，基于 ARM 技術(shù)的 32 位微處理器，市場的占有率目前已達(dá)到 80%。我國的中興集成電路、大唐電訊、華為海思，以及國外的一些公司如德州儀器、意法半導(dǎo)體、Philips、Intel、Samsung 等都推出了自己設(shè)計(jì)的基于 ARM 核的處理器。ARM 在多個(gè)領(lǐng)域具備優(yōu)勢地位：

▲ARM 架構(gòu)芯片應(yīng)用領(lǐng)域

▲ARM 主要產(chǎn)品

▲ ARM 應(yīng)用領(lǐng)域

隨著 2010 年以來智能手機(jī)在全球市場的高速發(fā)展，低成本、高性能、低功耗的 ARM架構(gòu)受到各大廠商的歡迎，自 2011 年直到 2016 年底被 Softbank 收購前，ARM 營收實(shí)現(xiàn)了年復(fù)合增長 17.28%(未計(jì)算 2016 年中數(shù)據(jù))，在 2015 年達(dá)到 14.34 億美元;凈利潤實(shí)現(xiàn)年復(fù)合增長 30.39%，達(dá) 5.03 億美元，凈利率超 30%。

▲ARM 的營收及利潤增速(單位：億美金)

IP 核授權(quán)業(yè)務(wù)是 ARM 最主要的營收來源，占比在 2012H~2016H 持續(xù)提升，從 94.78%不斷增長到 96.45%，顯示 IP 核授權(quán)業(yè)務(wù)在 ARM 自身技術(shù)和生態(tài)優(yōu)勢下盈利能力不斷增長。在 IP 核授權(quán)類收入中，版權(quán)費(fèi)和授權(quán)費(fèi)收入分別約占總收入的 50%/40%，隨著全球芯片出貨量的快速增長+ARM 商業(yè)策略的調(diào)整(Arm Flexible Access for Startups，初創(chuàng)企業(yè)可實(shí)現(xiàn) 0 費(fèi)用開發(fā) ARM 芯片)，版權(quán)費(fèi)收入占比呈現(xiàn)逐步提高的趨勢。

▲ARM 業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)

▲ARM 的 IP 授權(quán)類業(yè)務(wù)收入占比超 90%

ARM 核心業(yè)務(wù)為 IP 架構(gòu)研發(fā)和銷售，不從事芯片實(shí)際的生產(chǎn)與制造，因此毛利率較高，2011~2016H 年間毛利率維持超 90%;凈利率同樣維持較高水平，截至 2016H 凈利率達(dá) 33.36%;ROE 基本維持在 10%~20%之間。研發(fā)投入上 ARM 的研發(fā)支出/營業(yè)收入占比約為 30%。

▲ARM 的毛利率長期高于 90%，凈利率也在逐步提升至超 30%

▲ ARM 的研發(fā)費(fèi)用比例約為 30%

“技術(shù)+生態(tài)”打造強(qiáng)大護(hù)城河。技術(shù)以外，ARM 的優(yōu)勢在于其打造了基于 ARMIP 核的全球技術(shù)生態(tài)，從芯片設(shè)計(jì)、制造到銷售提供了各類支持，以創(chuàng)新實(shí)力+深度合作打造客戶的黏性，形成了 ARM 獨(dú)步全球的“技術(shù)+生態(tài)”護(hù)城河。通過 ARM 在驗(yàn)證、IP授權(quán)、架構(gòu)、軟件支持、物理設(shè)計(jì)、芯片原型開發(fā)等環(huán)節(jié)上的服務(wù)支持，芯片設(shè)計(jì)公司可大幅降低芯片設(shè)計(jì)成本，以中等復(fù)雜程度的 28nmSoC 芯片為例，通過 ARM 生態(tài)設(shè)計(jì)的芯片設(shè)計(jì)成本約為 2,000 萬美元，大幅低于在無生態(tài)支持下的約 4,200 萬美元。龐大的 IP 核生態(tài)圈疊加未來物聯(lián)網(wǎng)趨勢中將進(jìn)一步擴(kuò)大的芯片用量，ARM 的增長潛力將得到進(jìn)一步的釋放。

▲ARM 打造了 IP 核生態(tài)系統(tǒng)

▲ 芯片設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的成本構(gòu)成

2、 Synopsys：EDA 龍頭加速并購，IP 業(yè)務(wù)地位持續(xù)提升

Synopsys 成立于1986 年，總部位于美國硅谷，是全球排名第一的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)解決方案提供商，全球排名第二的芯片 IP 核供應(yīng)商，同時(shí)還提供用于驗(yàn)證包含芯片的電子系統(tǒng)和在其上運(yùn)行的軟件和硬件，另外還是全球領(lǐng)先的軟件安全供應(yīng)商。Synopsys的 2019 年?duì)I業(yè)額逾 33 億美元，擁有 3,200 多項(xiàng)已批準(zhǔn)專利。Synopsys 目前擁有 14,000多名員工，分布在全球 116 個(gè)分支機(jī)構(gòu)。

與 ARM 專注于 IP 核架構(gòu)不同，Synopsys 主體業(yè)務(wù)為 EDA，IP 和系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)約占營收的 30%，近年來 IP 核業(yè)務(wù)占比穩(wěn)定提升。

▲SynopsysIP 業(yè)務(wù)占比近年來持續(xù)提升

▲Synopsys 圍繞 EDA 構(gòu)建芯片設(shè)計(jì)綜合服務(wù)能力

▲ SynopsysIP 品類覆蓋面廣

Synopsys 的 DesignWare IP 系列包括邏輯庫、嵌入式存儲(chǔ)器、嵌入式測試單元、模擬IP、接口 IP、安全 IP 和嵌入式處理器等產(chǎn)品，整體覆蓋面較廣。Synopsys 的IPAccelerated 通過 IP 原型開發(fā)套件和定制的 IP 子系統(tǒng)擴(kuò)展其廣泛建立的、經(jīng)過硅驗(yàn)證的 DesignWare IP 產(chǎn)品組合，從而可以幫助芯片設(shè)計(jì)公司加速原型開發(fā)、軟件開發(fā)以及 IP 與 SoC 的集成。Synopsys 的 Verification IP 產(chǎn)品組合(屬于 Verification Continuum平臺(tái))也屬于 IP 產(chǎn)品類別。

▲Synopsys 的主要 IP 類別

隨著 2010 年以來智能手機(jī)滲透率持續(xù)提升，可穿戴設(shè)備、IoT 等領(lǐng)域不斷發(fā)展，全球芯片出貨量穩(wěn)定增加，對(duì) IP 核的需求也不斷提升。自 2010 年以來 SynopsysIP 核及系統(tǒng)集成的營收占比持續(xù)提升，從 2010 Q3 的 12.91%提升至 2019 Q4 的 31.86%。

▲Synopsys 自 2010 年來 IP 業(yè)務(wù)占比持續(xù)提升，已成為 EDA 軟件以外的重要業(yè)務(wù)支柱

伴隨著 IP 業(yè)務(wù)占比提升的是持續(xù)的營收增長。Synopsys2010~2019 年?duì)I收復(fù)合增速達(dá)10.39%，其中 IP 業(yè)務(wù)營收復(fù)合增速高達(dá) 20.32%，遠(yuǎn)高于 EDA 業(yè)務(wù)的 8.29%;總體凈利潤也實(shí)現(xiàn)了 9.40%的復(fù)合增長。

▲Synopsys 營收持續(xù)提升(單位：億美金)

▲Synopsys 凈利潤在 2018、2019 大幅提升(單位：億美金)

EDA 與 IP 核業(yè)務(wù)均不涉及芯片的實(shí)際生產(chǎn)制造，整體毛利率較高，2006 年以來毛利率長期高于 75%;由于研發(fā)投入長期維持在 30%左右，同時(shí)每年預(yù)計(jì)為并購技術(shù)公司預(yù)留 20%左右收入，Synopsys 凈利率長期維持在 10%上下。截至 2020H，Synopsys 的毛利率、凈利率、ROE 分別為 77.76%、12.62%、5.12%。

▲Synopsys 毛利率長期高于 75%

▲Synopsys 研發(fā)費(fèi)用比例約為 30%

與 ARM 不同，SynopsysIP 授權(quán)業(yè)務(wù)發(fā)展相對(duì)較晚，早期主要是作為其 EDA 軟件的配套服務(wù)，近年來隨著芯片用量和品類的不斷擴(kuò)大，IP 授權(quán)業(yè)務(wù)營收增長持續(xù)提速，公司也在不斷加大對(duì) IP 業(yè)務(wù)的投入，2014 年以來進(jìn)行了多宗 IP 企業(yè)并購，覆蓋 ASIP、IoT、存儲(chǔ)器到 SerDes 等多個(gè)領(lǐng)域。Synopsys 的 IP 業(yè)務(wù)發(fā)展方式主要是自研+并購。

▲Synopsys2014 年以來并購案

3、 Cadence：全球前三 IP 供應(yīng)商，平臺(tái)化打造競爭力

Cadence 是專門從事 EDA 軟件服務(wù)的公司，是全球最大的 EDA、程序方案服務(wù)和設(shè)計(jì)服務(wù)供應(yīng)商之一，也是全球第三的 IP 核供應(yīng)商。公司產(chǎn)品涵蓋了電子設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，包括系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)，功能驗(yàn)證，IC 綜合及布局布線，模擬、混合信號(hào)及射頻 IC 設(shè)計(jì)，全定制集成電路設(shè)計(jì)，IC 物理驗(yàn)證，PCB 設(shè)計(jì)和硬件仿真建模等。

Cadence IP 產(chǎn)品組合包括經(jīng)過硅驗(yàn)證的 Tensilica IP 內(nèi)核，模擬 PHY 接口，基于標(biāo)準(zhǔn)的 IP 內(nèi)核，驗(yàn)證 IP 和其他解決方案，以及針對(duì)當(dāng)前和新興行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的定制服務(wù)。IP 核產(chǎn)品覆蓋 DDR/LPDDR、OSPI、SD/SDIO、NAND/ONFIToggle、SerDes、PCIe、CCIX等。

▲Cadence 除 Tensilica 以外的主要 IP 核能力

Cadence 的 IP 產(chǎn)品占比較低但整體增速較高，2012 營收占比約為 7%，2019 提升到13%，7 年間營收復(fù)合增長率達(dá) 18.45%，遠(yuǎn)高于整體營收的 8.42%，從 2012 年不到 1億美元收入增長至 3.04 億美元(2019 FY) 。

▲Cadence 多種業(yè)務(wù)并行，平臺(tái)型服務(wù)打造較強(qiáng)競爭力

Cadence 自 2009 年以來營收長期實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的增長，2009~2019 年復(fù)合增長率為8.42%，2020H 全球疫情下游終端需求疲軟的影響下亦保持了 7.15%的同比增長率。

▲Cadence 近十年維持穩(wěn)健增長(單位：億美金)

與 ARM、Synopsys 類似，Cadence 毛利率較高，2006 年以來長期維持在 80%~90%之間，凈利率波動(dòng)較大，2019 年實(shí)現(xiàn)凈利率 42.33%，ROE 實(shí)現(xiàn) 58.32%。研發(fā)支出占營收比重則較前兩家大，2016 年以來均約為 40%。

▲Cadence 2013 年以來 ROE 逐漸走高，2019 年達(dá) 58.32%

▲ Cadence 研發(fā)支出約為 30%(單位：億美金)

三、 國產(chǎn)替代浪潮

總結(jié)前文，IP核行業(yè)有以下三大特點(diǎn)：

1、高度集中，Synopsys、Cadence 等老牌 EDA 廠商在積極擴(kuò)張 IP 核業(yè)務(wù)，新興玩家也在持續(xù)加入;

2、不涉及實(shí)際制造環(huán)節(jié)，毛利率較高，研發(fā)費(fèi)用+并購費(fèi)用高;

3、競爭核心力：

對(duì)于一家IP核公司，其核心競爭力體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

IP種類豐富度。需要技術(shù)自研能力，也需要以并購方式更快地獲取技術(shù)，打造自身的技術(shù)護(hù)城河;

對(duì)制程和工藝的持續(xù)探索。隨著摩爾定律演進(jìn)，F(xiàn)inFET、FD-SOI 等新技術(shù)持續(xù)發(fā)展，SoC、Chiplet 技術(shù)也在不斷完善，對(duì)于 IP 行業(yè)來說對(duì)先進(jìn)技術(shù)的不斷探索將會(huì)是競爭的重要環(huán)節(jié)。

生態(tài)+平臺(tái)化建設(shè)。由于 IP 模塊和芯片設(shè)計(jì)企業(yè)客戶的研發(fā)體系是深度耦合的，IC 設(shè)計(jì)企業(yè)的技術(shù)積累，全都基于所采用的 IP，因此遷移成本較高。建立上下游生態(tài)網(wǎng)絡(luò)可增強(qiáng)客戶粘性，打造護(hù)城河;同時(shí)拓展多種客戶群體也可增強(qiáng)經(jīng)營韌性，尋求新的增長機(jī)遇。平臺(tái)化建設(shè)則是在豐富、可靠的 IP 核基礎(chǔ)上提供多樣化的協(xié)同服務(wù)，如軟件、IC 設(shè)計(jì)平臺(tái)、IC 定制等設(shè)計(jì)服務(wù)，一方面提高了對(duì)設(shè)計(jì)能力較弱的初創(chuàng)型公司、系統(tǒng)廠商的服務(wù)能力，另一方面可通過業(yè)務(wù)之間的協(xié)同性增強(qiáng)用戶粘性。

半導(dǎo)體國產(chǎn)化將為 IP 產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供增長動(dòng)能。目前我國絕大部分的芯片都建立在國外公司的 IP 授權(quán)或架構(gòu)授權(quán)基礎(chǔ)上，一方面國外企業(yè)具有的優(yōu)勢地位使得授權(quán)費(fèi)用較高，增加了我國芯片設(shè)計(jì)企業(yè)的設(shè)計(jì)成本;另一方面半導(dǎo)體核心技術(shù)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)如果受制于人對(duì)于我國的國產(chǎn)芯片的自主和安全而言是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)，因此推進(jìn) IP 和芯片底層架構(gòu)國產(chǎn)化是市場的選擇也是國家戰(zhàn)略的需求 。

本土初創(chuàng)公司快速發(fā)展帶來 IP用量新市場。隨著中國芯片制造及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，本土產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善，晶圓代工、封測等廠商實(shí)力日益提升，為我國初創(chuàng)型芯片設(shè)計(jì)公司提供了強(qiáng)大的下游支持，我國芯片設(shè)計(jì)公司數(shù)量快速增加。同時(shí)，由于初創(chuàng)芯片設(shè)計(jì)公司技術(shù)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，而快速變化的市場需求對(duì)芯片設(shè)計(jì)的效率和成本有了更高的要求，IP 核可大幅提高芯片設(shè)計(jì)效率的特性將吸引大量初創(chuàng)芯片設(shè)計(jì)公司。 ICCAD 公布的數(shù)據(jù)顯示，自 2016 年以來，我國芯片設(shè)計(jì)公司數(shù)量大幅提升， 2015 年僅為 736家， 2019 年則增長至 1,780 家，年均復(fù)合增長率為 24.71%。

▲國內(nèi)初創(chuàng)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)數(shù)量(單位：家)

▲IP 核研發(fā)成本高昂，初創(chuàng)企業(yè)較難承擔(dān)研發(fā)耗費(fèi)

系統(tǒng)廠商和互聯(lián)網(wǎng)公司芯片定制需求推動(dòng) IP 行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。隨著市場競爭的加劇，終端電子產(chǎn)品如手機(jī)、相機(jī)及平板電腦等生產(chǎn)廠商開始面對(duì)功能多樣化挑戰(zhàn)及成本壓力，進(jìn)而需要定制符合其特定應(yīng)用環(huán)境下的高性能及低功耗的芯片，因此越來越多的系統(tǒng)廠商和互聯(lián)網(wǎng)公司加入了定制芯片的行業(yè)，以應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、競爭加劇及核心技術(shù)國產(chǎn)化的挑戰(zhàn)。例如華為、小米、蘋果等系統(tǒng)廠商都擁有了自己的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)或者希望依托集成電路設(shè)計(jì)服務(wù)企業(yè)幫助自己開發(fā)專用芯片，F(xiàn)acebook、谷歌、亞馬遜、阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)公司紛紛著手開發(fā)與其業(yè)務(wù)相關(guān)的自有芯片，這種趨勢為集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)中半導(dǎo)體 IP 和設(shè)計(jì)服務(wù)模式的發(fā)展擴(kuò)展了市場空間。國內(nèi)大部分 IP 公司為初創(chuàng)型企業(yè)，芯原股份具備全球競爭力。

智東西認(rèn)為， IP核產(chǎn)業(yè)自誕生以來就不斷演進(jìn)。最開始主要由各半導(dǎo)體公司內(nèi)部的IP核部門來開發(fā)維護(hù)，伴隨設(shè)計(jì)復(fù)雜度上升與上市時(shí)間要求縮短，第三方商業(yè)IP核開始出現(xiàn)，他們在成本、性能與規(guī)模效應(yīng)上優(yōu)勢明顯，很多半導(dǎo)體公司開始采用第三方IP核，并逐漸減少在自研IP核上的投入，IP核產(chǎn)業(yè)日益興盛。經(jīng)過多年發(fā)展，IP核已形成了幾家巨頭壟斷的格局。但是，由于物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體產(chǎn)品生態(tài)將會(huì)更加豐富，同時(shí)設(shè)計(jì)規(guī)模和設(shè)計(jì)難度也將進(jìn)一步加大，使得客戶對(duì)于IP核的種類、功能和性能都提出了更多個(gè)性化的需求。這些需求對(duì)于國內(nèi)的新玩家來說是一次難得的機(jī)會(huì)， 隨著中國芯片產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，國內(nèi)IP核行業(yè)相信也即將迎來其黃金發(fā)展期。

標(biāo)簽： IP核 芯片產(chǎn)業(yè) ARM 半導(dǎo)體