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2017

苹果之“芯”蚂蚁撼大象:ARM对Intel的逆袭(上)

——苹果供应链研究系列之三
 
文 | 上善若水研究院
 
本文是苹果供应链研究系列文章的第三篇,介绍的是“苹果之芯”的重要供应商ARM蚂蚁撼大象的故事。ARM颠覆了INTEL对于芯片的垄断,在移动设备中占据高达90%的市场份额。上篇(本篇)主要介绍芯片行业以及ARM/Intel的发展历程。下篇(下周)将详细解读二者商业模式、财务以及市值变动。
 
新时代的来临
 
上世纪90年代,蓝白标志加上“灯,等灯等灯”的广告配乐走入了千家万户的荧屏,这是有史以来第一次有硬件公司耗费巨资打造品牌形象,它帮助了许多消费者认识了英特尔这家身处各电脑品牌背后的 toB 的公司,许多人甚至将英特尔与芯片等同起来。可以说,凭借着特色的品牌形象和出色的产品性能,英特尔牢牢地控制着整个PC时代脉搏的跳动。
 
 
然而随着2007年6月,苹果推出了第一代iPhone,带动了智能手机行业的兴起,PC时代就逐渐被移动时代所取代。为苹果提供芯片底层指令和架构的ARM公司,凭借着其独特的商业模式以及低成本、低功耗和高效率的指令和架构,不断地挑战着是自身八倍市值的英特尔的地位,最终成为整个移动时代风光无限的霸主,上演了一出蚂蚁撼大象的奇迹。
 
芯片产业链有哪些环节?
 
芯片虽小,但它支撑着整个电子器件的处理和运算,其加工过程也非常复杂。为了理解蚂蚁为什么能够撼动大象,我们需要对ARM和Intel所处的产业链生态进行一定的了解。
 
芯片是集成电路的载体,虽然有不同的指令集和架构,但都要经历芯片设计、晶圆生产、芯片封装和芯片测试等环节。具体流程如下图所示:
 
 
0. 指令和架构(底层路线)
代表企业:Intel、ARM
格局:分领域内一家独大
 
要设计芯片,首先就需要有指令集(Instruction Set Architecture)和架构(microarchitecture),不同的指令集和架构从根本上决定了芯片的性能和功耗。
 
所谓指令集指的是CPU可以理解的指令的集合,而架构是建立在指令集上CPU执行任务的逻辑。我们可以简单将其理解为单词和语法,而CPU执行任务则是做阅读理解的过程。目前具备指令集和架构的研发能力的主流公司有两家:英特尔、ARM。
 
由此产生了以Intel派系:复杂指令集(Complex Instruction Set Computer)为基础的X86指令架构,以及ARM派系:精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)为基础的指令架构阵营。
 
 
1. 芯片设计
代表企业:Intel、苹果、英伟达、高通
格局:百家争鸣
 
芯片设计是芯片的研发过程,具体来说,是通过系统设计和电路设计,将设定的芯片规格形成设计版图的过程。设计版图是一款芯片产品的最初形态,决定了芯片的性能、功能和成本,因此在芯片的生产过程中处于至关重要的地位,是集成电路设计企业技术水平的体现。设计版图完成后进行光罩制作,形成模版,光罩成功则表明芯片设计成功,可以进入晶圆生产环节。
 
2. 晶圆生产
代表企业:台积电、三星、Intel
格局:三分天下
 
晶圆生产过程是利用晶圆裸片,将光罩上的电路图形信息大批量复制到晶圆裸片上,在晶圆裸片上形成电路的过程,即晶圆的量产。晶圆生产后通常要进行晶圆测试,检测晶圆的电路功能和性能,将不合格的晶粒标识出来。
 
3. 芯片封装
代表企业:日月光
格局:台湾为主
 
芯片封装是将生产出来的合格晶圆进行切割、焊线、塑封,使芯片电路与外部器件实现电气连接,并为芯片提供机械物理保护的工艺过程。针对指纹识别芯片的技术特点和要求,在此环节对指纹识别芯片需要进行晶圆级封装:晶圆级封装是对未切割的晶圆上每颗IC进行过孔、重布线、生成焊盘和植上可焊接锡球等动作,实现芯片3D堆叠或封装最小化。
 
4. 芯片测试
代表企业:日月光
格局:台湾为主
 
芯片测试是指利用集成电路设计企业提供的测试工具,对封装完毕的芯片进行功能和性能测试。测试合格后,即形成可供整机产品使用的芯片产品。
 
芯片行业有哪些商业模式?
 
早期的芯片生产大多一家包揽上述所有过程,也即Intel的垂直整合模式。后来由台积电开创晶圆代工之后,才形成了产业链的分工。(台积电的故事我们会在下一篇中讲到)
 
目前,芯片行业已形成Fabless、Foundry、封装和测试以及IDM等企业类型,各类型的特征及代表性企业如下:
 
1. Fabless (只负责芯片设计)
 
Fabless指的是无晶圆厂的集成电路设计企业,其主要从事集成电路的设计和销售,而将晶圆制造、封装及测试环节通过委外方式进行。该模式下,集成电路设计企业可以专注于集成电路的研发,而不必投资大量资金建设晶圆生产线、封装测试工厂等。目前,全球绝大多数集成电路企业均为Fabless模式,包括美国高通、Synaptics(新突思)等。
 
2. Foundry (只代工)
 
Foundry指的是晶圆委外加工厂商,其自身不设计集成电路,而是受集成电路设计企业的委托,为其提供晶圆制造服务。由于晶圆生产线的投入很大,且工艺水平要求较高,这类企业一般具有较强的资金实力和工艺水平。由于这一环节固定成本极高,因此有极强的规模效应。采用此类模式的企业包括台积电、三星等。
 
3. 封装、测试企业 (封测)
 
封装和测试企业负责晶圆生产出来后的封装和测试工作,本身不从事集成电路的设计,而是接受集成电路设计企业的委托,为其提供封装测试服务。该模式也要求较大的资金投入进行生产线的建设。采用此类模式的企业包括日月光、长电科技等。
 
4. IDM (垂直一体化)
 
IDM指的是垂直整合制造商,即涵盖了集成电路设计、晶圆制造、封装和测试所有环节的模式。该模式对技术和资金实力均具有很高的要求,只有少数国际大型企业所采纳,如英特尔、三星、德州仪器等。
 
ARM:芯片设计+指令授权
 
ARM比较特殊,它与上述所有类型有所不同。它虽然也属于芯片设计环节,但主要商业模式指令集授权,是一家知识产权供应商。这与同样做指令集开发的Intel十分不同。
 
历史重演:移动端对PC端的逆袭
 
精简指令集规模较小,大部分工作都可以通过执行一条指令,在一个操作内完成;而复杂指令机的规模较大,通常需要3-4个指令,进行多次操作来实现一个意图。相较之下,以精简指令集为基础的ARM要功耗更低,而以复杂指令机为基础的X86计算能力更为卓越但也更加耗能。
 
PC时代,人们追求的是运算速度,因而X86指令和架构几乎包揽了整个电脑处理器的市场,ARM只是一个无人问津的非主流小众公司。
 
而在移动时代,人们更注重运算能力与功耗的平衡,这给了ARM这些研发精简指令集和架构的公司一个麻雀变凤凰的机会。
 
事实上,移动端对于PC的端的逆袭的本质逻辑历史上也上演过多次。PC对于大型计算机的颠覆,走入千万家庭的过程,非常类似于当年微软对于IBM的颠覆。只是,这一次,windows+intel的PC联盟,被Apple+ARM的移动智能设备联盟挑战了。
 
ARM.vs. Intel-概览
ARM 的历程
 
目前,移动芯片领域呈现ARM一家独大的格局。数据显示,2015年ARM芯片出货量高达148亿,全世界超过85%的智能手机芯片都在使用ARM的指令集和架构。在一些新兴领域,如VR、自动驾驶汽车、智能手表以及无人机中也都有它的身影出现。通过移动设备芯片指令集授权业务,ARM公司的收入随着智能手机出货量的增长水涨船高。
 
 
Intel 的历程
 
与ARM形成鲜明对比,曾经风光无限的英特尔却陷入开源不利、裁员节流的境地。一方面,PC市场的整体数据在下滑;另一方面,英特尔在智能手机芯片领域虽然努力了若干年,但没有任何数据上的表现和实质性进展。电脑出货量的逐年下降,让Intel在其传统业务中苦苦挣扎。
 
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