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Arm:芯片顶流是怎样炼成的?

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Arm:芯片顶流是怎样炼成的?

Arm是如何抓住了移动互联网时代的机会的?

文|知产力 云柯

编辑|布鲁斯

近日,芯片行业发生了一件大事!软银旗下的半导体IP巨头——Arm向美国证券交易委员会提交了IPO文件,正式申请在美上市。

Arm处于芯片的上游,主要经营模式是通过设计ip,包括指令集构架、微处理器、图形核心、互联构架,然后授权给芯片厂商,帮助后者更快捷的设计芯片。

从收入构成来看,Arm的赚钱模式主要有两种:一种是通过许可证赚钱(占比总收入为37%);另一个则是利用特许权使用费赚钱(占比总收入63%)。

Arm收入构成(图片来源:ARM招股说明书)

许可证模式指的是,其他公司在用Arm的架构设计芯片时,需要给其一笔授权费,用一次给一次。而特许权使用费模式则是芯片厂商用了Arm的构架,把生产的芯片卖出去以后,Arm再按照一定比例进行抽成。

目前,Arm让全世界99%的智能手机都用上了自己设计的芯片架构。苹果、英伟达、高通、三星等科技巨头,都是Arm的客户。

但别看现在的Arm风光无限。然而,在pc时代,Arm却被英特尔完虐,直至进入移动互联网时代,才开始锋芒毕露。

时间回到1980年代初。艾康电脑经过持续研发后,推出了Arm处理器;1985年,Arm1诞生(但从未被商用);1986年和1990年又分别推出了Arm2和Arm3。

在这个过程中,Arm的处理器在英国教育计算机市场获得了短暂的成功,其销量使艾康电脑的利润大幅增长。1979年至1983年,艾康电脑的利润从0.3万英镑大涨到了860万英镑。

之后,苹果刚好正在为其即将上市的牛顿掌上电脑Newton MessagePad寻找一种合适的移动处理器。而Arm芯片具有低功耗和高效能,非常符合掌上电脑这种小型硬件设备。这时苹果的芯片代工合作伙伴VLSI将艾康介绍给了苹果。

但当时艾康电脑的钱不够用。于是1990年秋天,苹果、VLSI和艾康花了六周时间就合资事宜进行谈判,最终决定苹果出钱、艾康出人、VLSI提供工具技术,三家公司共同创立一家芯片合资公司,公司名为Advanced RISC Machine”,简称Arm。

成立之后,以Arm为代表的做精简指令集架构的芯片公司,遭到芯片巨无霸Intel的打击。当时英特尔的复杂指令集受益于先发优势,虽然与整个精简指令集的反抗阵营为敌,但是建筑在Wintel联盟(即两家公司在PC产业内密切合作,以推动windows操作系统在基于英特尔CPU的PC机上运行的打压)基础上的软硬件生态已经牢不可破,这让精简指令集在个人电脑领域无所作为。

复杂指令集打败精简指令集,两者间第一次交锋的成败关键,不在于技术,而是商业惯性。

在pc市场失败,沉默了好几年后的Arm抓住了移动互联网时代的浪潮,成为该领域的芯片构架王者,这一切快得让Intel来不及反应。扩展开来讲,Arm的精简指令之所以能抓住移动互联网时代带来的机会,主要有以下几点原因:

01 搭上苹果这个硬件王者的快车

1997年陷入低谷的苹果迎回乔布斯,基于寻找现金的乔布斯,趁Arm在1998年上市的时机,将苹果对Arm的持股降至14.8%,获得11亿美元的现金。

拿到这笔钱的乔布斯,于2001年推出iPod。这款划时代的音乐播放器,吹响苹果振兴的号角,2007年苹果又推出iPhone开始移动互联网时代。这两个超级爆款,都是使用的Arm架构芯片。

连乔布斯这种对硬件性能极致要求的人都使用Arm的产品,你想想其他切入移动互联网的玩家会怎么做?

毫无疑问,跟随。安卓入局之后,Arm彻底无人能挡。

02 高强度的研发投入

在科技行业,研发投入的强度与技术的先进性,具有正相关性。

以最新一期的年报数据为例,Arm研发投入强度在可比公司中,具有强大的竞争优势。

从Arm招股书来看,2022财年公司在北美、欧洲和亚洲拥有全职员工5963名,其中专注于研究、设计和技术创新的员工约占80%,研发费用占总收入比例为42%。而且Arm的研发投入强度在递增,2021年、2020年,Arm研发费用占总收入比例分别为37%和40%。

来瞧瞧几家生命力旺盛的芯片公司的研发投入,英伟达、AMD、英特尔同期研发费用占总收入比例分别为27.2%、21.2%和27.8%。

再看看过去几年全球互联网公司中研发投入强度最高的两家公司Meta和百度。Meta研发费用占总收入比例为30.3%,百度的核心研发费用占总收入比例为22.4%。

华为的研发也是让人津津乐道的,它有20万人,一半是搞技术的(Arm 80%是搞技术的),研发费用占总收入比例为25.1%。

Arm、英特尔、百度等企业研发投入强度对比分析(数据来源:企业年报)

高强度的研发投入是Arm可以一直保持竞争优势的核心原因之一。

03 较低的产品定价

特许权使用费模式,作为Arm最赚钱的业务,定价却出奇的低。

具体定价为产品价格的1%-3%,也就是说一个100美元的芯片,按照1%-3%的比例,需要支付给Arm1-3美元。

1%-3%的收费比例看似并不低,但问题在于Arm的收费对象是芯片,而不是终端的手机。据火星数据研究所根据Arm2019年披露的数据测算,公司平均一个CPU的特许权使用费才16美分,折合成人民1.1元。我们出门买瓶可乐的钱,都可以买3个Arm的特许使用权!

对比其他类似高科技企业,把自己的专利授权给硬件企业使用时,他们的产品定价都是针对终端产品收费,普遍收取的费用要远远高于Arm。

比如,高通提出的专利费率为:一部使用高通标准必要专利的3G、4G、5G多模手机,需要给高通专利费的比例为该手机原价的3.25%。也就是说,一款手机价格3000元/台,高通就要向其收取97.5元的专利费。

再比如汽车专利池Avanci。早在2018年初,其许可费为每辆车15美元,并宣布不涨价。2022年,Avanci宣布4G许可费用调整为每辆车20美元。2023年8月,Avanci发布5G计划(含4G/3G/2G),许可费为每辆车32美元。

从上述数据可以看出,占据市场支配地位的Arm,针对下游客户的产品定价并不高,这也是其市场占有率高达99%,收入和利润规模却不是特别大的核心原因。

04 低耗能产品领域的“王者”

Arm的精简指令构架,在移动设备领域具有较高的技术优势。

移动互联网开始时,Arm并不是一家独大,英特尔X86是其主要竞争对手,但英特尔的X86最终却败给了Arm。

原因在于:

X86作为复杂指令集的处理器,经常性调用的指令大约有20%,其他大部分指令集只不过是“待命状态”,这就大幅增加了硬件功耗。Arm作为精简指令集的处理器,以少、精为主要特点,尤其是常用的计算指令,更多的衍生指令则可以依靠这些基础指令组合来执行,这就有效降低了电池功耗。

对于手机而言,由于机身限制,可以装载的电池容量有限,且需要随身携带,计算指令设计的过于复杂,就会导致手机续航大幅缩短。而计算指令在满足用户需求的同时,设计的越精简,则可以大幅提高手机续航能力。

正是因为作为手机处理器,X86“无效功能设计”太多,Arm才能击败X86成为手机芯片构架领域的绝对霸主。

05 芯片构架领域拥有大量专利

根据Arm披露的招股书显示,公司拥有或共同拥有已发布的专利数量约为6800项。

比如,Arm的核心专利之一——使用可编程重要性数据的数据处理设备和方法,专利号为US9766857B2。该专利可以减少CPU的不必要计算能力,进而减少能量消耗、提高性能。

US9766857B2的摘要及附图(来源:知产宝数据库)

Arm在手机芯片构架领域积累了大量专利技术。有了这些专利技术以后,其他公司想要进入手机芯片架构领域,就得掂量掂量了。

有一个现成的例子,能反应Arm专利护城河的强度。

8月28日,“中国RISC-V专利联盟”正式成立,联盟理事长、芯原股份创始人戴伟民表示:

“想要发展好RISC-V产业,需要解决潜在的专利问题,虽然RISC-V指令集是开源的,但在微架构实现上,IP行业领先者Arm等公司做了非常多的专利布局,RISC-V产品很可能会掉入专利陷阱。为保护RISC-V产业联盟会员,可借鉴2005年微软与Linux专利战历史,把RISC-V企业的专利整合起来,大家联合应对Arm等机构的专利挑战。”

潜在对手的肯定,是对Arm专利技术最大的肯定。

展 望

Arm抓住了移动互联网的机会,并已成长为占据市场支配地位的企业。那么,Arm为何不提价赚取更多的商业回报呢?

其实Arm不是不想。

在Arm被孙正义收购以后,公司想切换收费对象,从对芯片厂商收取许可费,到转向终端设备厂商收取。

简单来讲,就是过去根据芯片的价格按比例收取费用,现在根据手机的价格按比例收取费用。而芯片价格一般仅占到手机价格的10%至20%,这意味着如果许可费的比例不变——Arm这种转变相当于变相将售价提高5至10倍。

不过,移动芯片市场主要由苹果、三星、高通、华为、联发科等少数巨头把持,Arm想要彻底改变定价方式,并不是一家容易的事。想要改变游戏规则,光靠谈判可能性不大,只有像Avanci那样直接“掀掉桌子”,大打专利战才有可能,只是Arm或者说孙正义有这个勇气吗?

本文为转载内容,授权事宜请联系原著作权人。

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Arm:芯片顶流是怎样炼成的?

Arm是如何抓住了移动互联网时代的机会的?

文|知产力 云柯

编辑|布鲁斯

近日,芯片行业发生了一件大事!软银旗下的半导体IP巨头——Arm向美国证券交易委员会提交了IPO文件,正式申请在美上市。

Arm处于芯片的上游,主要经营模式是通过设计ip,包括指令集构架、微处理器、图形核心、互联构架,然后授权给芯片厂商,帮助后者更快捷的设计芯片。

从收入构成来看,Arm的赚钱模式主要有两种:一种是通过许可证赚钱(占比总收入为37%);另一个则是利用特许权使用费赚钱(占比总收入63%)。

Arm收入构成(图片来源:ARM招股说明书)

许可证模式指的是,其他公司在用Arm的架构设计芯片时,需要给其一笔授权费,用一次给一次。而特许权使用费模式则是芯片厂商用了Arm的构架,把生产的芯片卖出去以后,Arm再按照一定比例进行抽成。

目前,Arm让全世界99%的智能手机都用上了自己设计的芯片架构。苹果、英伟达、高通、三星等科技巨头,都是Arm的客户。

但别看现在的Arm风光无限。然而,在pc时代,Arm却被英特尔完虐,直至进入移动互联网时代,才开始锋芒毕露。

时间回到1980年代初。艾康电脑经过持续研发后,推出了Arm处理器;1985年,Arm1诞生(但从未被商用);1986年和1990年又分别推出了Arm2和Arm3。

在这个过程中,Arm的处理器在英国教育计算机市场获得了短暂的成功,其销量使艾康电脑的利润大幅增长。1979年至1983年,艾康电脑的利润从0.3万英镑大涨到了860万英镑。

之后,苹果刚好正在为其即将上市的牛顿掌上电脑Newton MessagePad寻找一种合适的移动处理器。而Arm芯片具有低功耗和高效能,非常符合掌上电脑这种小型硬件设备。这时苹果的芯片代工合作伙伴VLSI将艾康介绍给了苹果。

但当时艾康电脑的钱不够用。于是1990年秋天,苹果、VLSI和艾康花了六周时间就合资事宜进行谈判,最终决定苹果出钱、艾康出人、VLSI提供工具技术,三家公司共同创立一家芯片合资公司,公司名为Advanced RISC Machine”,简称Arm。

成立之后,以Arm为代表的做精简指令集架构的芯片公司,遭到芯片巨无霸Intel的打击。当时英特尔的复杂指令集受益于先发优势,虽然与整个精简指令集的反抗阵营为敌,但是建筑在Wintel联盟(即两家公司在PC产业内密切合作,以推动windows操作系统在基于英特尔CPU的PC机上运行的打压)基础上的软硬件生态已经牢不可破,这让精简指令集在个人电脑领域无所作为。

复杂指令集打败精简指令集,两者间第一次交锋的成败关键,不在于技术,而是商业惯性。

在pc市场失败,沉默了好几年后的Arm抓住了移动互联网时代的浪潮,成为该领域的芯片构架王者,这一切快得让Intel来不及反应。扩展开来讲,Arm的精简指令之所以能抓住移动互联网时代带来的机会,主要有以下几点原因:

01 搭上苹果这个硬件王者的快车

1997年陷入低谷的苹果迎回乔布斯,基于寻找现金的乔布斯,趁Arm在1998年上市的时机,将苹果对Arm的持股降至14.8%,获得11亿美元的现金。

拿到这笔钱的乔布斯,于2001年推出iPod。这款划时代的音乐播放器,吹响苹果振兴的号角,2007年苹果又推出iPhone开始移动互联网时代。这两个超级爆款,都是使用的Arm架构芯片。

连乔布斯这种对硬件性能极致要求的人都使用Arm的产品,你想想其他切入移动互联网的玩家会怎么做?

毫无疑问,跟随。安卓入局之后,Arm彻底无人能挡。

02 高强度的研发投入

在科技行业,研发投入的强度与技术的先进性,具有正相关性。

以最新一期的年报数据为例,Arm研发投入强度在可比公司中,具有强大的竞争优势。

从Arm招股书来看,2022财年公司在北美、欧洲和亚洲拥有全职员工5963名,其中专注于研究、设计和技术创新的员工约占80%,研发费用占总收入比例为42%。而且Arm的研发投入强度在递增,2021年、2020年,Arm研发费用占总收入比例分别为37%和40%。

来瞧瞧几家生命力旺盛的芯片公司的研发投入,英伟达、AMD、英特尔同期研发费用占总收入比例分别为27.2%、21.2%和27.8%。

再看看过去几年全球互联网公司中研发投入强度最高的两家公司Meta和百度。Meta研发费用占总收入比例为30.3%,百度的核心研发费用占总收入比例为22.4%。

华为的研发也是让人津津乐道的,它有20万人,一半是搞技术的(Arm 80%是搞技术的),研发费用占总收入比例为25.1%。

Arm、英特尔、百度等企业研发投入强度对比分析(数据来源:企业年报)

高强度的研发投入是Arm可以一直保持竞争优势的核心原因之一。

03 较低的产品定价

特许权使用费模式,作为Arm最赚钱的业务,定价却出奇的低。

具体定价为产品价格的1%-3%,也就是说一个100美元的芯片,按照1%-3%的比例,需要支付给Arm1-3美元。

1%-3%的收费比例看似并不低,但问题在于Arm的收费对象是芯片,而不是终端的手机。据火星数据研究所根据Arm2019年披露的数据测算,公司平均一个CPU的特许权使用费才16美分,折合成人民1.1元。我们出门买瓶可乐的钱,都可以买3个Arm的特许使用权!

对比其他类似高科技企业,把自己的专利授权给硬件企业使用时,他们的产品定价都是针对终端产品收费,普遍收取的费用要远远高于Arm。

比如,高通提出的专利费率为:一部使用高通标准必要专利的3G、4G、5G多模手机,需要给高通专利费的比例为该手机原价的3.25%。也就是说,一款手机价格3000元/台,高通就要向其收取97.5元的专利费。

再比如汽车专利池Avanci。早在2018年初,其许可费为每辆车15美元,并宣布不涨价。2022年,Avanci宣布4G许可费用调整为每辆车20美元。2023年8月,Avanci发布5G计划(含4G/3G/2G),许可费为每辆车32美元。

从上述数据可以看出,占据市场支配地位的Arm,针对下游客户的产品定价并不高,这也是其市场占有率高达99%,收入和利润规模却不是特别大的核心原因。

04 低耗能产品领域的“王者”

Arm的精简指令构架,在移动设备领域具有较高的技术优势。

移动互联网开始时,Arm并不是一家独大,英特尔X86是其主要竞争对手,但英特尔的X86最终却败给了Arm。

原因在于:

X86作为复杂指令集的处理器,经常性调用的指令大约有20%,其他大部分指令集只不过是“待命状态”,这就大幅增加了硬件功耗。Arm作为精简指令集的处理器,以少、精为主要特点,尤其是常用的计算指令,更多的衍生指令则可以依靠这些基础指令组合来执行,这就有效降低了电池功耗。

对于手机而言,由于机身限制,可以装载的电池容量有限,且需要随身携带,计算指令设计的过于复杂,就会导致手机续航大幅缩短。而计算指令在满足用户需求的同时,设计的越精简,则可以大幅提高手机续航能力。

正是因为作为手机处理器,X86“无效功能设计”太多,Arm才能击败X86成为手机芯片构架领域的绝对霸主。

05 芯片构架领域拥有大量专利

根据Arm披露的招股书显示,公司拥有或共同拥有已发布的专利数量约为6800项。

比如,Arm的核心专利之一——使用可编程重要性数据的数据处理设备和方法,专利号为US9766857B2。该专利可以减少CPU的不必要计算能力,进而减少能量消耗、提高性能。

US9766857B2的摘要及附图(来源:知产宝数据库)

Arm在手机芯片构架领域积累了大量专利技术。有了这些专利技术以后,其他公司想要进入手机芯片架构领域,就得掂量掂量了。

有一个现成的例子,能反应Arm专利护城河的强度。

8月28日,“中国RISC-V专利联盟”正式成立,联盟理事长、芯原股份创始人戴伟民表示:

“想要发展好RISC-V产业,需要解决潜在的专利问题,虽然RISC-V指令集是开源的,但在微架构实现上,IP行业领先者Arm等公司做了非常多的专利布局,RISC-V产品很可能会掉入专利陷阱。为保护RISC-V产业联盟会员,可借鉴2005年微软与Linux专利战历史,把RISC-V企业的专利整合起来,大家联合应对Arm等机构的专利挑战。”

潜在对手的肯定,是对Arm专利技术最大的肯定。

展 望

Arm抓住了移动互联网的机会,并已成长为占据市场支配地位的企业。那么,Arm为何不提价赚取更多的商业回报呢?

其实Arm不是不想。

在Arm被孙正义收购以后,公司想切换收费对象,从对芯片厂商收取许可费,到转向终端设备厂商收取。

简单来讲,就是过去根据芯片的价格按比例收取费用,现在根据手机的价格按比例收取费用。而芯片价格一般仅占到手机价格的10%至20%,这意味着如果许可费的比例不变——Arm这种转变相当于变相将售价提高5至10倍。

不过,移动芯片市场主要由苹果、三星、高通、华为、联发科等少数巨头把持,Arm想要彻底改变定价方式,并不是一家容易的事。想要改变游戏规则,光靠谈判可能性不大,只有像Avanci那样直接“掀掉桌子”,大打专利战才有可能,只是Arm或者说孙正义有这个勇气吗?

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