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ARM 如何开创Intel对抗的芯片制造的商业模式 [复制链接]

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智能手机、平板机和移动互联网的兴起,让原本默默无闻的英国小公司ARM成了世界瞩目的焦点,甚至搞得半导体霸主Intel狼狈不堪,屡屡受挫。2008年开始,Intel不断尝试进入移动便携领域,但始终未能站稳脚跟。随着全新22nmSoC工艺和全新Atom架构的披露,Intel终于开始大发神威,ARM也从低调的后台走出来,畅谈自己的发展策略。Intel经常这么干,但是对ARM来说还是第一次。

AnandTech近日将刊登连载文章,从多个不同角度去深入探寻ARM的世界,今天是第一部分:ARM的商业模式是如何工作的?

在传统PC领域,半导体厂商一般有两种路子可选。首先是Intel那样的,从头到尾自己大包大揽,架构和芯片的设计、生产一律不依靠任何人。其实,Intel早期也对外提供过x86指令集的授权,但很快就收了回来。

这样做是需要极其雄厚、全方位的实力做保障的,得有钱、有人、有技术,特别是在半导体技术日益复杂的今天,能这么做的屈指可数。

好处当然也是很明显的,不但能完全自己把握自己的命脉,利润也是极其可观,Intel几乎任何产品都可以享受非常高的利润,想卖多少钱就可以卖多少钱。

但是在移动领域内,这种“黑心”模式就行不通了,因为处理器在PC系统中的成本占比非常高,但是智能手机、平板机里往往不到10%,甚至不足5%,你再费劲也挣不到多少利润。这同样是Intel在移动领域推广困难的关键原因之一。

另外一种是无工厂模式(Fabless)。NVIDIA就是这样,AMD实在耗不过Intel就也变成了这样。这类企业只是自己设计芯片,制造则交给代工厂,比如台积电、联电、GlobalFoundries、三星电子。

好处很明显了,负担很轻,自己只管设计就行了,不用耗费巨资去兴建晶圆厂、开发新工艺,但坏处同样很突出:你设计出来了,能否造出来、即便造出来又是个什么样子你就无法做主了,得看代工伙伴的能耐。

这方面的教训当然很多:台积电40/28nm两代工艺最初都很不成熟,产能也是迟迟上不来,让整个行业为之拖累;GlobalFoundries32nm工艺没有达到AMD的预期水平,第一代FX/APU处理器的频率和电压就跟设计得差很多,28nm工艺吹了那么久直到现在才刚刚上路,迫使AMD一度放弃了整整一代的低功耗APU,不得不重新设计再去找台积电。
ARM就跟他们完全不一样了。它不制造、不销售任何芯片,只是自己设计IP,包括指令集架构、微处理器、图形核心、互连架构,然后谁喜欢就把授权卖给谁。客户拿着ARM IP可以自己想怎么干就怎么干。

【ARM的三种授权模式】

ARM的经营之道其实非常简单,以三种不同的模式对外提供授权。

处理器授权:

ARM设计好一颗CPU或者GPU,然后授权卖给伙伴。买下它们后,你只能照着图纸实现,能发挥的地方不多,但是如何实现你就随便了,比如配置哪些模块、几个核心、多少缓存、多高频率、什么工艺、谁来代工等等。

ARM也会给你提供指导辅助,但如何将方案变成芯片、设定在什么规格,就看你的了。

处理器优化包/物理IP包授权(POP):

如果你想做ARM处理器,但无奈实力有限,那怎么办呢?ARM很贴心地准备了一系列的优化处理器设计方案,你可以根据自己的需要,挑选合适的直接拿过去用。

这样你可以快速搞出产品,代价也很低,当然能自由发挥的空间就小了,处理器类型、代工厂、工艺都是规定好的,比如Cortex-A12处理器,就要求你在台积电使用28nm HPM工艺生产,或者在GlobalFoundries使用28-SLP工艺。

架构/指令集授权:

如果你实力雄厚,可以仅购买ARM的架构/指令集(ARMv7、ARMv8),然后自己研究设计芯片,高通Krait、苹果Swift就是典型代表。

这些自行设计的处理器和ARM的是指令集兼容的,但并没有直接可比性,比如你不能说Krait 400、Cortex-A15谁更好更坏,它们是同一级别的不同实现方案而已。

ARM目前在全球拥有大约1000个授权合作、320家伙伴,但是敢于购买架构授权的,不过区区15家。

正是靠着如此众多授权伙伴的支持,ARM处理器才获得了25亿颗的季度出货量,历史总量已经达到450亿颗。

【ARM怎么挣钱呢?】

Intel、AMD、NVIDIA最终都是通过卖芯片赚钱,ARM的收入则完全来自于IP授权,能赚多少完全取决于授权人、伙伴、客户能实际造出来芯片,并且卖出去。

作为ARM的授权人,有两部分钱是必须交的:前期授权费(upfront license fee)版税(royalty)。其它收费项目还有不少,比如软件工具、技术支持等等,但主要就是这两个,分别占ARM总收入的大约33%、50%。

前期授权费一般少则100万美元,多则1000万美元(也可能更少或者更多),一次性付清。具体多少取决于所购授权技术的复杂程度,比如古老的ARM11就比最新的Cortex-A57便宜很多。

版税则是每卖出一颗芯片交一点,通常是售价的1-2%。如果芯片是卖给其它企业或者消费者的,很好计算;如果是内部消化,那就按照应有的市场价来定。

这两项费用都是可以谈判商量的,特别是在单一设计中使用多个ARM核心的话还有优惠。

另外,要掏钱的只有CPU、GPU,总线、接口什么的免费附送。ARM Mali GPU图形核心的地位远不如其CPU,所以在费用方面也相对便宜一些,它和POP授权的版税都是在CPU的基础上额外征收(也就是累加)。

ARM版税收取比例具体如下(每颗芯片售价比例):
- ARM7/9/11:1.0-1.5%
- Cortex-A系列:1.5-2.0%
- ARMv8 Cortex-A系列:2.0%或更高
- Mali GPU:另外加0.75-1.25%
- POP:另外加0.5%

需要指出的是,POP授权的版税是代工厂支付的,而不是授权客户,并且按照晶圆数量计算,换算到每颗芯片就是大约0.5%。

购买ARM授权的谈判一般会持续大概六个月,从买下授权到实际产品出货并赚取手续得3-4年,而根据市场领域的不同,最长出货时间为20年。

ARM 320家授权伙伴中,目前有一般正在掏钱,其他的要么在谈判,要么还在开发。每一年,ARM的授权伙伴就会增加30-40家。

你应该也能想到了,不是每个买了授权的公司都能顺利“下蛋”,约有20%的要么被收购,要么设计失败,这时候ARM自然就收不到版税了。

尽管生态系统庞大,ARM的总收入依然处于很低的档次,2012年才不过9.131亿美元。作为对比,Intel同期收入533.41亿美元,净利润110.05亿美元,今年第一季度就收入125.8亿美元、净利润20.45亿美元。一个季度的利润就比你两年的收入还多。

【细谈授权类型】

虽然之前说了三种ARM授权方式,但那是根据技术划分的高级别类型,按照授权对象、用途来说有很多种方式。

学术授权:事实上是免费的,当然只面向高校、科研机构。

DesignStart(设计入门):方便半导体企业低成本、低风险、快速了解ARM IP,非常便宜。基于以上两项授权设计出来的芯片不能销售,只能用于内部研究。

单用途授权:如果你只想在某一个特定领域使用ARM技术,可以选择这类。Cortex-A系列的单用途授权费前期约为100万美元,每颗芯片版税约2%。这种授权非常适合创业公司,或者目标明确的特定设计项目。

多用途授权:适合大型企业,可用于多种产品。授权费当然要贵一些,但是在一定时间内(比如说3年),你买来的授权技术可以尽可能地设计更多芯片,可以随便用在任何产品中,但是期限过后,你就不能再做新的设计了,必须续费。

终身多用途授权:买了这种就可以一直用下去,不过说是终身,其实一般也就10-20年,工业领域比消费领域更长一些。

订购授权:大企业可以据此购买ARM一整套产品的技术,而且可以延续很多年,内部就可以毫无顾忌地大胆研发。当然这种授权也是代价不菲,往往需要几千万美元。

架构授权:这个不重复了。高通、苹果、Marvell是典型代表,总共不过15家而已。

此外,ARM每研发新一代处理器IP,都会挑选最多三家伙伴与其密切合作,以确保研发顺利,并且能在第一时间得到应用。

这些被选中的幸运公司能比其它授权者更早地了解ARM的新设计,因此可以在新产品研发上占据领先地位,不过他们也要帮助ARM进行调试、测试,甚至直接向ARM提供反馈。

【ARM的市场份额】

2012年,ARM授权处理器全球总出货量高达87亿颗。这么多芯片都用在了哪里?对于普通消费者来说,智能手机和平板机里是最显眼的,ARM在这里的份额也的确非常高,超过了90%,但事实上,更大批量的ARM处理器来自企业、数字家庭、工业嵌入式等领域。

而且需要注意的是,ARM处理器架构众多,适用范围也很广,往往一台设备里有不止一颗ARM芯片,比如智能手机中除了应用处理器,还有基带等。

具体如下表(横向指标分别为2012年设备出货量、平均每台设备的芯片数量、总的芯片数量、ARM芯片数量、ARM份额):

智能手机去年出货7.3亿部,吸收了22亿颗ARM芯片,单一分类中是最多的。非智能的功能手机也很猛,4.6亿部设备11亿颗芯片,ARM的份额也高达95%。

其它ARM芯片分布和份额:低端语音设备7亿颗95%便携式多媒体播放器2.2亿颗90%、移动计算设备(平板机/上网本/笔记本)1.6亿颗40%、数码相机1.8亿颗80%、数字电视和机顶盒2.9亿颗45%、网络设备4.2亿颗35%、打印机8500万块70%、硬盘和固态硬盘6.2亿颗90%、汽车2.1亿颗8%、智能卡7.1亿颗13%、微控制器15亿颗18%、其它3亿颗15%。

总体而言,ARM的份额为32%,而在过去几年中每年都会提高3-4个百分点,2007年的时候还只有17%。

ARM认为,智能手机、移动计算、数字电视和机顶盒、网络、微控制器是其未来发展的重点领域,年复合增长率最高可达25%,2017年的时候将分别增长到68亿颗、8.5亿颗、20亿颗、17亿颗、114亿颗。

ARM还认为,功能手机将在四年后基本消失,而在台式机、服务器领域,ARM将从无到有,五年后达到2亿颗。

五年后,ARM芯片的年出货量预计将达到410亿颗,是去年的几乎五倍。

后续章节中,我们将会深入分析ARM最近宣布的几个微处理器架构,包括Cortex-A12/A53/A57,以及bit.LITTLE大小核心混合架构、Mali GPU图形核心。
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