ARM发展历史、产品线、收费模式及客户资源分析

因移动终端趋势而生的 IP 核 龙头，成为芯片设计环节的技术基底。

1.发展史：乘移动互联网之风，ARM 成长为 IP 核龙头

1.1 半导体产业分工细化趋势下，IP 核行业应运而生

三次产业转移推动半导体产业分工细化，芯片设计环节进一步拆分出 IP 核。自 20 世纪 60 年代半导体产业在美国发源以来，全球半导体行业经历了三次产业转 移。第一次产业转移中，半导体系统装配、封装测试等低利润环节转移到日本， 借助家电市场的发展，IDM 模式迅速崛起。其后，台积电和联电的诞生推动了第 二次产业转移，使美、日半导体产业由 IDM 模式逐渐过渡发展出专注设计的 Fabless 模式。21 世纪初，随着终端平台从 PC 向手机端迈进，产品复杂度上升， 芯片设计难度加大，研发资源和成本增加，全球半导体产业分工继续细化，芯片 设计产业进一步分拆为 IP 核、EDA 工具及设计咨询服务等子行业。 IP 核加快芯片设计、制造到出货的流程，成为芯片设计的技术支撑。EDA 工具 的成熟使得 IP 核行业迅速发展，成为了半导体设计环节的重要组成之一。产业 转移与技术升级同时带来了成本、风险和设计难度的提升。芯片设计公司需要快 速响应市场、持续高频迭代产品，使其满足低成本、低风险、高性能、灵活设计 的需求，IP 核可提供经过验证、可重复使用的芯片设计模块，从而缩短设计周 期、减少设计成本以及降低失败风险，因此 IP 核逐渐被芯片设计厂商采用。

1.2 紧抓 PC 向移动端转型大势，Arm 依赖 RISC 指令集崛起

终端设备向移动端转型的趋势助力 Arm 业务快速增长。1985 年，Arm 的前身 Acorn 研发出基于 RISC 的 ARM 架构，但在 PC 领域难以与当时的行业标准 x86 架构抗衡，后续与苹果合作的掌上电脑微处理器也并未得到市场认可。屡屡受挫 后，Arm 开始转向 IP 授权模式。进入 21 世纪，随着手机市场的高速发展，PC 行业开始向移动终端转型，对低功耗、高效能芯片的需求完美契合 ARM 架构的 优势，因此 ARM 架构打败 x86 架构占据移动端市场。同时，具有开创意义的 IP授权商业模式也帮助 Arm 迅速获得市场份额，先后与诺基亚、三星、苹果、高 通等合作开发处理器芯片，逐渐形成其在移动互联网时代的统治地位。

Arm 采用契合移动终端需求的 RISC 架构。ARM 架构所使用的 RISC 即精简指令 集，与复杂指令集 CISC 相比，RISC 架构更加简化，每条指令执行时间短，通过 更多的寄存器进行操作。RISC 架构能够在提供高性能的同时减少功耗，使其更 符合移动设备对功耗和能效的双重需求。此外，RISC 架构由于其精简设计，更 容易实现高度优化的编译器，进一步提升了其在手机应用场景下的性能表现。 持续收购完善生态体系，ARM 逐步成长为 IP 核行业龙头。在移动终端市场取得 成功后，Arm 开始加速收购步伐，在 IP 核、芯片设计领域继续补齐技术实力， 并收购软件开发工具、调试厂商和一些重点下游应用（如物联网）厂商，持续完 善公司生态布局。经过多年技术积累和市场深耕，Arm 成长为处理器 IP 核市场 的绝对龙头，以 2022 年 41.1%的市占率稳居总 IP 核行业第一。

1.3 ARM 成为移动互联网时代的芯片设计底座，重要战略地位促 成 ARM 高估值上市

软银、英伟达两大收购案凸显 Arm 重要战略地位。Arm 在处理器 IP 市场的优异 表现吸引了软银的兴趣，软银看好未来人工智能和物联网市场的潜力以及 Arm 在芯片产业链上游所具有的技术能力，于 2016 年以 320 亿美元对 Arm 完成全 部股份收购；但随后软银以 80 亿美元的价格将 ARM 25%的股份出售给其旗下 的愿景基金。2020 年，英伟达公开表示计划以总价值 400 亿美元的股票和现金 从软银手中收购 Arm，以加强其在 CPU 领域的布局，并构建云到端的全面竞争优势。然而鉴于 Arm 作为核心技术战略地位突出，英伟达对 Arm 的收购案最终 在竞争对手和各国反垄断调查的影响下被迫终止。

布局基础设施与汽车领域，半导体复苏与重要市场地位促成高估值上市。软银入 主后围绕物联网业务制定的市场策略收效甚微，在英伟达收购失败后，Arm 调 整了业务重心，开始转向数据中心、网络设备和汽车领域。得益于 5G 智能手机、 5G 基站网络设备和服务器出货量的增长，公司全球业务开始恢复增长。2023 年 8 月，软银从其所属的愿景基金以 640 亿美元的估值收购 Arm 25%的股权，为 上市铺路；2023 年 9 月 14 日，ARM 通过美股 IPO 上市，作为芯片设计行业的 技术底座，发行价高达 51 美元，发行市盈率 104 倍，对应市值高达 545 亿美元， 成为 2023 年全球最大 IPO。Arm 的上市还吸引包括台积电、英特尔、联发科等 公司分别投资约 1 亿、6000 万和 2500 万美元作为基石投资者，共同构建基于 ARM 架构的庞大芯片生态。

2. 产品线：手机处理器 IP 作为拳头产品，多产品线拓 展想象空间

以 IP 核产品为核心，Arm 配备全面的产品矩阵与软件生态。Arm 为芯片设计与 制造提供一整套全面完整的解决方案。1）ARM 架构作为一种低功耗、高性能的 指令集架构，是公司 IP 核产品的底层技术支撑。2021 年 3 月发布的 Arm v9 是 十年来的第一次 Arm 架构更新，相比 V8 架构在性能、安全性和 DSP 及机器学 习功能上有显著提升。2）基于 ARM 架构公司推出一系列 IP 核产品，涵盖芯片 设计所需的各类逻辑或功能单元，以及经过验证和优化的物理 IP。3）Arm 同时 配备庞大的芯片设计环节需要使用的软件生态和工具链，帮助客户显著缩短研发 时间，或通过“Built on Cortex”等定制服务满足客户特殊的产品需求。

移动端市场一枝独大，Cortex 系列产品贡献主要营收。凭借高性能和低功耗的 特性，Arm 架构在移动设备、汽车、物联网等领域获得了广泛应用，其中 Cortex 系列更是成为移动端市场的主流处理器 IP。为了满足客户多元化的产品需求， Cortex 旗下有四大子产品线：1）面向应用场景的 Cortex-A 系列，针对高性能 计算、运行丰富操作系统及提供交互媒体和图形体验的应用领域，如智能手机、 平板电脑、汽车娱乐系统、数字电视等产品。2）面向实时应用的 Cortex-R 系 列，主要针对汽车制动系统、动力传动解决方案、大容量存储控制器等实时应用。 3）面向各类嵌入式应用的 Cortex-M 系列，主要针对成本和功耗敏感的应用， 如智能测量、人机接口设备、汽车和工业控制系统、家用电器等。4）针对客户 高性能需求、主打定制化的 Cortex-X 系列。Cortex-X Custom(CXC)计划允许客 户在通用 Cortex-A 性能、功耗和面积设计范围的基础上进行调整，针对客户需 求打造定制化处理器 IP，Cortex-X 被广泛使用在三星、高通、谷歌和联发科等 大型客户的高端智能手机设计中。2023 年 5 月推出的 Cortex-X4 是 Arm 迄今为 止性能最高的处理器核心。 GPU 双系列并行发力，覆盖大多数端侧应用场景。图形处理 GPU 方面，Arm 具 有两大 GPU IP：Mali 系列和 Immortalis 系列。Mali 系列提供高性能图形处理 能力以及灵活的配置选项，适用于移动设备、物联网设备和嵌入式系统等多种应 用场景，已搭载到主流手机芯片如三星 Exynos、联发科天玑、海思麒麟中。 Immortalis 系列则是 Arm 专为旗舰智能手机推出的高性能 GPU 系列，优化了 机器学习能力和节能技术，强调手机顶尖的游戏效果及图形体验。2022 年 6 月 推出的 Immortalis-G715 是第一款在安卓移动设备上支持硬件光追功能的 GPU，联发科天玑 9200 搭载了此款处理器，拥有 11 个图形计算核心，性能较 上一代提升 32％，功耗降低 41％，GPU 能效接近苹果 A16 水平。

顺应云计算及 AI 发展趋势，Arm 发展服务器和 NPU 产品线。由于高性能和软 件生态，服务器 CPU 市场长期由英特尔和 AMD 等 x86 CPU 供应商主导，Arm 市占率较低。为加大渗透服务器市场，Arm 推出了针对基础设施终端市场的 Neoverse 系列解决方案。该系列 IP 由追求极致性能的 V 系列、注重能耗均衡 的 N 系列以及专门为吞吐量需求设计的 E 系列组成，适用于高扩展性的云端至 边缘基础设施。以 Amazon Graviton2 搭载的 Neoverse-N1 为例，相较 Cortex-A72，Neoverse-N1 在数据中心负载下有 2 倍的矢量性能表现以及 5 倍 的机器学习向量性能提升。Neoverse 系列对比 x86 架构产品具备成本和能耗优 势，预计 Arm 在服务器领域的市占率将呈现逐步上升趋势。Arm 还注意到 AI 浪潮下机器学习能力向边缘端迁移的趋势，适时推出用于加速神经网络推理过程 的 Ethos NPU 系列 IP，已推出三个产品，其中 Ethos-U55 及 Ethos-U65 专为 面积受限的嵌入式及物联网设备打造，Ethos-N78 则面向多个市场，可以满足手 机、个人电脑、AR/VR、汽车 ADAS 系统等多应用场景的机器学习需求。 Arm 配备系统 IP、安全 IP 和物理 IP，确保芯片高效设计和制造。1）系统 IP 方 面，Arm 制定了名为 AMBA 的标准化总线架构规范，定义了在 SoC 中各个 IP 模块之间的通信接口和交互方式，并配套提供经过硅验证的互连、系统控制器、 调试和跟踪等系统 IP，搭配 Cortex 系列或 Mali 系列处理器使用，可在优化 IP 核性能的同时简化芯片设计过程。2）安全 IP 方面，Arm 推出 TrustZone 安全 方案，基于 CryptoCell 和 Cryptoisland 两大安全 IP 为 Cortex-A 和 Cortex-M 系列产品提供支持，通过专用的安全指令集以及高度隔离的安全域，保护敏感数 据和外设免遭攻击。3）物理 IP 方面，Arm 通过与 EDA 供应商及代工厂（三星、台积电和联华电子等）密切合作，优化其在 250nm 至 3nm 工艺节点上的技术， 确保其处理器 IP 核的客户在不同制程工艺下均以最佳实践路径进行晶圆制造。

3. 收费模式：按 IP 层级进行授权收费，版税收入贡献 主要营收

Arm 根据客户类型、授权权限、产品灵活度等维度，分成四种收费模式。分别 为架构许可协议（ALA）、技术许可协议（TLA）、Arm Flexible Access（AFA） 和 Arm Total Access（ATA）： 1）传统收费模式——TLA 与 ALA：Arm 早期主要通过 TLA 模式向客户进行 IP 授权，客户需要支付被采用的 IP 核产品对应的授权费。而对于部分希望针对其 特殊需求而定制的大型客户，Arm 通过 ALA 授权允许其基于 ARM 指令集架构自 行设计处理器 IP 核。根据 Arm 2015 年披露的数据，共有 Applied Micro、博通、 凯为、苹果、华为、英伟达、AMD 和三星八家公司获得了 64 位 ALA 授权。 2）订阅制收费模式——AFA 与 ATA：2019 年 Arm 推出 AFA 计划，客户只需缴 纳一定数额的年费即可访问 AFA 组合中的 80 多种产品，直到客户选定 IP 产品 并完成芯片设计后，再支付具体 IP 授权费。2021 年，Arm 在 AFA 计划的基础 上针对大型客户推出 ATA 计划，允许大客户根据自身情况任意选取产品组合范 围，支付年费后即可随意访问并使用 IP 核产品，无需额外缴纳授权费。 订阅制 AFA & ATA 计划灵活度更高，未来收费模式将由传统向订阅制转变。先 设计后付款的机制显著降低了客户的风险成本，进而吸引更多潜在客户选择 Arm 产品进行开发和应用。同时，ATA 将一次性授权费转化为年费交付的模式也使 Arm 的收入更加平滑。在亚马逊 AWS、英飞凌科技、微软等大型公司陆续加入 ATA 计划的背景下，我们预计订阅制模式对应的收入贡献将继续增加。

Arm 营业收入被拆分成授权和版税两部分。Arm 设置了四类收费模式，但公司 营收只分成授权收入和版税收入两项，其中授权收入在 IP 核被客户采用时一次 性收取（ATA 将授权费分摊到年费中），版税收入则是在芯片出货后，从每一笔 芯片销售中按一定比例进行抽成。其中授权收入和版税收入根据合同具体情况有 不同的金额/费率范围：

授权收入根据技术先进程度、合同期限和使用范围等分为七个级别。最底层的 Academic/Research 和 Design Start 仅用于研究，不可商用。Multi/Single Use 允许客户在一个或多个芯片产品中使用单个 IP 核，如果客户希望将单个 IP 核应 用于更多的项目，就需要升级成不对使用范围设限的 Term 许可。Perpetual 在 IP 核的使用范围与 Term 许可类似，但取消了授权时长限制。Subscription 提 供 Arm 全 IP 产品组合的授权。Arm 的最高级别授权是 Architecture，客户可获 得架构规格和兼容性测试套件并自行开发 ARM 架构 IP 核。每个许可级别都有其 特点和适用范围，客户可根据具体预算、设计能力和需求进行选择。 授权权限的级别越高，Arm 收取的授权费也越高。通过分析 Arm 官方授权层级 表，可以看出 Arm 针对授权年限越长、使用范围越大、IP 核产品组合越多的授 权合同，会收取更高的授权费。我们判断，由于 ALA 授权的产品是指令集架构， 灵活度高且赋予客户更大定制修改权限，传统收费模式中 ALA 的授权会高于 TLA；对于订阅制收费模式，由于计划涵盖的 IP 核更多且需要分摊一次性授权 费，ATA 的年费会高于 AFA 年费，因此 ATA 更适合产品线多元、芯片出货量高 的成熟厂商，而 AFA 则为处于研发和探索阶段的初创公司提供了低风险选项。 Arm 版税收入主要受版税费率的影响，而版税费率与 IP 核技术先进程度以及交 付类型相关。1）架构迭代推动新系列产品费率增长。基于 v7 及之前架构的 IP 核版税费率在 1%左右，而基于 Arm v8 架构的 IP 核版税费率可提升至 2%及以 上；根据 Arm 官方，基于 v9 架构 IP 核的版税费率为 v8 架构的两倍，截至 FY24Q3，基于 v9 架构的版税收入已贡献总版税收入的 15%，仍有提升空间。2） 交付类型也影响版税费率，系产品完善程度不同对应的 Arm 预研发成本不同。 指令集架构产品完备程度低，给予客户的定制空间更大，因此对应的版税率相较 经过预先设计和验证的 IP 软核产品更低；同时 IP 软核只提供“设计图纸”，相 较已完成结构设计和物理验证的 IP 硬核费率更低。当前，针对 Arm 的多元化产 品线，Arm 的平均版税费率在 1~2%的区间内。

版税收入贡献 Arm 的主要营收。Arm 在招股说明书中披露，FY21-FY23 版税收 入分别占总营收的 65%/58%/63%，FY24Q3 版税收入和授权收入分别占比 57% 和 43%，版税为公司主要收入来源。版税收入一定程度上依赖半导体发展周期， 芯片 ASP 与芯片出货量变动均会引发 Arm 版税收入变化，从而影响公司业绩。 然而 Arm 中国不同于 Arm 整体收入结构，在 FY23 出现授权及其他收入大于版 税收入的情况，FY23 期间，中国地区授权及其他收入占比 16%，版税收入占比8%，这可能是中国政策鼓励芯片设计初创公司发展，助推新签约许可客户数增 加所致。

4.客户：客户集中度高，长约大客保障业绩稳定

收入高度集中，Arm 寻求通过 ATA 模式加强大客户合作。Arm 下游客户包括芯 片设计厂商、晶圆代工厂商和 IDM 等，且收入高度集中于几家头部的芯片设计 大厂客户。FY2023，Arm 的前 3 大客户贡献约 44%收入，其中第一大客户是 Arm 中国，占比 24%。同时，更具灵活性的 ATA 模式的推出也帮助 Arm 进一 步巩固与更多大型客户的合作，如亚马逊 AWS、英飞凌、微软、恩智浦半导体 等大厂均与 Arm 达成了 ATA 协议。

英伟达、苹果长约稳定收入预期，订阅制模式提供持续营收来源。由于授权业务 模式较为复杂，Arm 并未披露其与头部客户的更多合同细节，但随着英伟达和 苹果分别与 Arm 签署了长达 20 年新协议，可推测 Arm 与部分头部客户签订较 长合约，这将对 Arm 业绩稳定性增加保障。根据 FY24Q3 财报，ATA 和 AFA 在 FY24Q3 均有续约，订阅制模式产生的持续年费收入将使 Arm 营收增长变得更 为平滑和可预见性。 强大技术实力成为吸引客户的主要动力，华为已成为 ARM V9 版本授权客户。华 为据悉已获得 ARM V9 架构永久授权，进一步说明 ARM 架构相较 RISC-V 和国产 自研仍具技术领先优势。我们看好 Arm 凭借其架构+指令集持续迭代和较为完善 的生态系统，吸引以 CPU 为主的客户积极同 Arm 签订授权协议。