处理器系列(3)——ARM的商业模式

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在智能手机、平板大行其道的今天，ARM这个名字我们几乎每天都要见到或者听到几次，作为编辑的我更是如此，每天涉及到的新闻总是或多或少跟ARM扯上关系，它还与Intel、AMD、NVIDA等公司有说不清道不明的仇怨情仇。

　　 虽然名字如雷贯耳，但是很多人对ARM公司却缺少基本的认知，它到底有多强大以致于Intel在进军移动处理器市场上都要面临ARM公司的激烈竞争？实际上ARM公司小的很，从之前公布的Q1季度财报来看，其营收不过2.6亿美元，利润还不到9000万美元，这跟Intel Q1季度营收126亿美元、净利润20亿美元的规模差的太远了，就连NVIDIA甚至AMD的营收规模都要比ARM大得多。

　　 但是，ARM公司从另一方面来说又是非常强大的，它有超过1000家授权合作伙伴，每个季度出货芯片超过25亿片，在各种嵌入式处理器是当之无愧的第一。现在随着智能设备的热量，ARM公司在消费级电子产品市场中也成为一哥，无论是苹果的iOS系统还是Google的Android系统，就连Intel最亲密的合作伙伴微软的WP系统中使用都是ARM处理器，而在PC市场不可一世的Intel在智能设备市场的份额完全可以忽略不计。

　　ARM的神奇之处就在于此，自身规模非常小，但是独特的商业模式使得ARM的影响力遍及各地，四两拨千斤的运筹帷幄能力即便是Intel也不可小觑，凭借自身的优势，ARM甚至开始向低功耗服务器市场进军，ARM正在侵蚀X86的市场份额。

　　今天我们就来谈谈ARM公司的商业模型，说白了就是让大家（包括笔者在内）了解一下ARM公司是怎么赚钱的，未来会有什么样的前景。本文主要内容源于Anaandtech网站，其中用到的资料应该是ARM官方制作的、用于宣传ARM公司商业模型的PDF。

　　原文内容较多，时间关系我们不可能一一对应翻译，来看下主要内容。

ARM公司商业模型：IP授权为核心的无晶圆半导体公司

　　与Intel不同，ARM公司也是Fabless无晶圆半导体，这一点跟NVIDIA以及卖掉晶圆厂之后的AMD是一样的，不过ARM公司自己不产任何处理器，主要是提供IP授权给半导体合作伙伴（高通、苹果、AMD及三星等），后者使用ARM的架构、设计以及开发工具推出自己的处理器，然后再供应给OEM客户（各种手机、平板厂商就是这样的），这是一个简单的例子，期间可能还会有二次授权。

　　ARM的收入就源于这个循环，合作伙伴购买ARM的IP授权需要交技术授权费（license fee），还会根据厂商的处理器价格抽取一定的版税（ongoing royalties，也可以说是提成、特许费之类的），这可能涉及芯片的各个环节。

　　简单来说，ARM的商业模型就是“你交钱，我授权”，对处理器设计研发是“包教包会”，会提供一系列工具帮助客户简化开发。

　　ARM公司的商业模型是非常独特的，至少目前跟PC市场是有很大不同的。在PC市场上，Intel主导者平台的发展，而且他们的产品通常也占据着最大的BOM物料成本，而智能手机和平板市场，主要的处理器成本大部分都在整个设备的10%以内，通常来说都是单位数的比例，比如400美元的设备中SoC处理器售价通常在15美元，比例是3.75%。Intel的理论是超便携移动设备随着芯片复杂度的提升最终也会改变，但是目前为止（或者未来一段时间内），市场依然需要不同的商业模型。

ARM是怎么运作的？

　　前面已经说到了ARM是以提供IP授权为主要商业模型的，ARM也说自己能提供多种有弹性的授权类型，具体来说有三种授权方式：POP、处理器以及架构授权。

　　处理器授权是指授权合作厂商使用ARM设计好的CPU或者GPU处理器，对方不能改变原有设计，但可以根据自己的需要使用。举例来说，三星的Exynos 5 Octa使用的是四个Cortex-A7和四个Cortex-A15处理器，这就是处理器授权。ARM会提供一系列指导确保用户使用他们的设计，但是最终产品的频率、功耗之类的还要靠厂商自己的团队。

　　POP（processor optimization pack，处理器优化包）授权是处理器授权的高级形式，如果或作伙伴的团队驾驭不了ARM处理器，那么ARM也可以出售优化后的处理器给你，这样用户就能在特定工艺下设计、生产出性能有保证的处理器了。在Cortex-A8时代，三星以及苹果的团队就能比其他公司研发出更好的处理器，但是不是所有的公司都有这样的能力，所以POP授权对这些有心却无力的公司来说更适合。

　　ARM前不久发布的Cortex-A12架构就是在GF以及TSMC的28nm工艺下的一种POP授权方式。

　　 最后一种授权方式是架构授权，ARM会授权对方使用自己的架构（ARMv7或者ARMv8），然后对方可以根据自己的需要来设计处理器，这就是高通Krait处理器使用的授权方式，苹果目前的“Swift”架构也是如此。这些处理器跟ARM自己设计的Cortex-A15处理器是ISA兼容的，但是有高通、苹果自己的实现方式。

　　这种授权中你会得到一些指导以及一系列测试来验证与ARM ISA的兼容性，ARM会提供一些帮助，但是不可能帮你设计、开发自己的处理器。

　　ARM目前有1000多家授权，有320家授权合作厂商，每个季度可出货25亿授权芯片。

ARM是如何赚钱的

　　Intel、AMD和NVIDIA都是靠出售处理器过日子的，ARM不出售任何处理器，靠的主要是技术授权费和版税提成，厂商都要交这两笔费用，这二者在不同的处理器架构中的比例也不同。

　　 技术授权费依据芯片架构复杂度收费，老旧的ARM11要比最新的Cortex-A57要便宜得多。技术授权费一般在100万-1000万美元之间，当然实际情况可能会比这两个数据更高或者更便宜。

　　 版税提成是按比例来的，典型的比例是1-2%，如果这家公司的芯片是对外销售的，那么数值就容易计算了，如果对内销售（比如三星自产自销），那么版税比例也要根据市场应有售价来算。

不同IP的版税比例

　　 上面就是ARM公司不同IP授权的版税提成比例，大部分都在1-2%左右，POP授权的0.5%比例可不是根据芯片价格来算的，这是针对晶圆厂收的，计算的是每个晶圆的0.5%。

　　通常来说，双方需要6个月时间缔约合同，从获得技术授权到首笔可获得营收的出货间隔长达3-4年，根据不同市场情况，厂商此后可以继续出货20年左右。

　　320家授权厂商中有超过一半厂商在支付版税提成，其他厂商大部分处于签订授权协议到出货产品的阶段，ARM公司每年可以新增30-40家授权厂商。

　　签署了授权协议的公司有80%在市场上出售他们设计的处理器，其他20%要么被收购或者因为其他原因失败了。

　　ARM公司50%的营收都来自于版税提成，33%的是技术授权费，其他部分都是软件工具及技术支持费用了。

　　ARM公司的运营情况不错，不过总体还是非常小的，2012年营收9.131亿美元。想想看目前有多少ARM设计存在吧，ARM应该考虑提高版税提成比例了。不过由于ARM独特的商业模型，他们的毛利率高达94%，运营利润在45%左右。

授权类型及选择

　　虽然前面已经讲了ARM公司三种主要的授权类型，不过ARM提供的授权是一系列的，种类繁多。

　　学术授权（Academic licenses）是免费的，不过你不能出售任何设计的处理器，但是在大学或者研究所里用来学习架构还是不错的。DesignStart也是一种低成本的授权选项，当然你也不能出售设计的芯片来盈利。

　　对于那些只需要单一使用的场合，ARM提供了Single Use授权，通常的Cortex-A级别CPU授权只需100万美元和2%的提成。

　　Mutil-Use对大公司来说就很有意义了，虽然需要付出更多的授权费，但是你可以在一定期限内（比如3年）在任何产品内使用CPU授权，除非授权到期，不然你是可以在任何产品上都能随意使用的。

　　订金授权（subscription license）是几种授权方式中最有趣的之一。客户公司可以自己花一笔钱在ARM那里购买到一整套授权，这种授权适合那些不需担心预算的工程经理开展一个新的芯片研发计划，当然代价就是花钱多，技术授权费在1000万美元量级。

　　最顶端的还是架构授权，之前已经介绍过了，目前主要有Marvell、高通、苹果等15家公司拥有架构授权。

　　 还有要提的就是ARM公司选择的三个早期合作开发伙伴。由于ARM公司自己不出售任何芯片产品，它需要确保每一代产品中都有合作伙伴发布基于ARM最新、最好的架构的处理器，因此他们会选择三家厂商亲密合作，选择这些厂商的目的就是为了与他们一道扩大市场，我们趋向于关注高端智能手机/平板SoC处理器，但是ARM也找到了他们在工业应用、数字家庭、智能电视以及其他市场的优势。

　　 选择的三家合作厂商可以比其他授权厂商获得更早的处理器架构信息，他们帮助测试及debug，甚至直接向ARM反馈，获得的好处就是能比其他公司有更好的市场优势。

ARM的市场份额

2012年ARM在不同领域的市场份额

　　2012年ARM授权芯片出货量为87亿，根据不同的市场，ARM所占的份额也不同，不过在移动设备领域占据了超过90%的份额，家庭设备中的机顶盒、数字电视也45%的份额，数码相机中有80%的份额。

预计2017年ARM在不同市场的份额及复合增长率

　　ARM还在不断增长中，到2017年预计授权出货量可达410亿，其中智能手机出货量为17亿，每个设备中有3-5颗ARM芯片，仅智能手机处理器所用ARM芯片就高达68亿，年复合增长率为20%。

总结：

　　 本文是Anandtech讲述ARM商业模式的第一篇，主要介绍了ARM是如何运作、靠什么赚钱的，他们的商业模型不敢说是独一无二的，但是相比传统PC市场的商业模式来说，ARM确实够独特，这种模式也成就了ARM公司在市场上的地位。

　　ARM本身不销售任何处理器产品，他们主要靠提供IP授权及抽取提成来运营，处理器公司可以借此快速推出集成ARM IP授权的产品，而且这种方式的好处之一就是降低了芯片的成本（注：这也跟ARM处理器的芯片复杂度较低有关）。

　　ARM公司的商业模型也成就了几家芯片公司，虽然还有其他因素影响，但是ARM对业界的一大影响就是促进了市场竞争，并保持了芯片的低价格，一个例子就是ARM促进了高通所提的物联网的发展。

　　虽然我们主要关注ARM在智能手机和平板上的情况，但是他们的技术授权出货量的主要增长还是来自其他市场领域。ARM在高端移动SoC处理器市场还有增长的机会，来自Intel的竞争注定也不会是ARM的末日。

首先我们来看看ARM的投资方：

这张照片是ARM的第一次合作伙伴大会，此时距离ARM独立还不足一年，右三为当时ARM CEO，前任IET主席Robin Saxby爵士。右一为ARM CTO Mike Muller，这位前惠普员工当时是作为系统架构负责人加入ARM，2000年10月至今一直担任CTO。

坐在他们对面的是ARM的三个投资方，分别来自Acorn、Apple和VLSI。

（98年以前， 苹果用300W美元收购了ARM 43%的股份， 但是在98年ARM上市以后苹果卖掉了这些股份， 苹果当时看重的是IBM和Motorola组建的AIM。2010年的时候苹果企图用85亿美元收购ARM，但是被拒绝了。）

回到上篇MIPS，我们提出的问题：“MIPS处理器架构如此出色，为什么在商业上逊色于ARM？”

学院派的作风令MIPS失去了早期发展市场的大好时机

RISC平台是诞生于MIPS早先产品的，也正是RISC平台的诞生，才最终发展成为了我们现在的智能手机与平板机这样强大的产品。然而作为RISC系统的创始人，MIPS的商业化发展并非一帆风顺，也许是受公司前身是大学科学实验室的影响。公司高层对商业化发展嗤之以鼻，这才令本身技术要落后于MIPS的ARM得到了发展时机。

随着ARM的应用领域如此之广，从业人员众多，工具链完善，ARM的市场占有率已经远远超出MIPS。

单纯从处理器技术对比，可以说ARM与MIPS各有千秋，并且ARM在某些方面在逐步赶上。

ARM推出的ARMv8系列，这是ARM史上第一个64位的系列，在下图上面大家可以看到两根线，上面的蓝线代表的是随着ARM产品路线图的演进，ARM的处理器带来了越来越高的性能，下面的绿色的线则是代表它的功耗。

　

ARM处理功耗路线图（来自ARM官网）

　　Cortex-A50系列其实是具有非常大的可扩展性的，大从智能手机到超级手机、平板电脑到移动电脑到服务器，在未来通过它们对于A53和A57不同的配置能满足不同的要求。所以A50系列体现了灵活性和可扩展性。

与当前商业化最成功的ARM架构相比，从处理器架构上来说，MIPS的优势主要有以下几点：

1，早期，MIPS支持64bit指令和操作，ARM目前只到32bit（ARM已经完成64bit升级）
2，MIPS有专门的除法器，可以执行除法指令
3，MIPS的内核寄存器比ARM多一倍，所以同样的性能下MIPS的功耗会比ARM更低，同样功耗下性能比ARM更高
4，MIPS指令比ARM稍微多一点，稍微灵活一点
5，有观点认为MIPS的bank寄存器性能也要好于ARM，不过没见过能反映出来的测试

以上为MIPS对比ARM架构的优势，接下来我们再看一看MIPS架构的不足之处，

与ARM架构相比，MIPS架构也存在着以下几点不足

1，MIPS的内存地址起始有问题，这导致了MIPS在内存和cache的支持方面都有限制，现在的MIPS处理器单内核面对高容量内存时有问题
2，MIPS今后的发展方向是并行线程，类似INTEL的超线程，而ARM未来的发展方向是物理多核，目前看来物理多核占优。由此来看，我国的龙芯向多核发展还是颇具远见的。
3，MIPS虽然结构更加简单，但是到现在还是顺序单发射，ARM已经进化到了乱序双发射，甚至NV的丹佛已经是乱序三发射了。

商业对比：

MIPS是一家诞生于大学里的系统公司，学院派的风格捆绑了自身对商业发展的脚步，公司自身也没有想发展强大的打算。当ARM与高通，苹果和NVIDIA这样的芯片设计公司合作大举进攻移动终端的时候，MIPS还停留在高清盒子，打印机，数字电视等小市场化产品中，一直到近期ARM的快速崛起几乎占领了全部RISC市场的时候才令公司意识到了自身的问题。

除了自身的问题外，MIPS因为一直没有得到长足发展，在自身系统的软件平台上也逐步落后给了ARM。虽然也有像LINUX这样的操作系统，但应用软件与ARM体系相比要少很多。这也是影响MIPS未来发展的主要问题之一。