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国芯科技深度报告:打磨嵌入式CPU IP二十载,三大业务线齐发力

来源:爱集微

#国芯科技#

#深度报告#

2022-10-28

核心看点:

1. 计算芯片是芯片细分类目中最难的,需要较长时间的技术积累与用户反馈。国芯科技作为国产CPU开发商,其自研CPU填补了信息安全、工业控制等关键领域的空白,帮助CPU国产替代建立生态,实现了从“0”到“1”的突破,公司已经实现基于三种指令集(“M*Core 指令集”、IBM授权的“PowerPC 指令集”和开源的“RISC-V 指令集”)的 8 大系列 40 余款 CPU 内核,形成了深厚的嵌入式 CPU IP 储备,可实现 14nm/28nm/40nm/65nm/90nm/130nm/180nm 等工艺节点芯片的快速开发。

2. 客户储备丰富有实力。汽车电子方面,目前与埃泰克、科世达等Tier1汽车电子模组厂商建立了密切的合作关系,国内的多家汽车厂已经开始批量使用,包括比亚迪、长安、长城、奇瑞、上汽、东风等国内汽车整机厂商;IP授权、芯片定制服务的应用客户包括国家电网、南方电网和中国电子等大型央企的下属单位,中国科学院和清华大学等机构的下属研究院所。

3. 围绕国家重大需求、汽车电子和云安全应用,布局高景气赛道,持续开拓市场及新客户,后续产品池储备丰富,业绩将持续增长。

第一部分:国芯科技公司简况

集微网报道,苏州国芯科技股份有限公司(证券简称:国芯科技,证券代码:688262)成立于2001年,由上海科技、南京斯威特、神州信息出资设立而成,2019年引入新的投资机构并变更为股份有限公司,随后于2022年在上交所科创板挂牌上市。公司以摩托罗拉授权的“M*Core指令集”、IBM授权的“PowerPC 指令集”和开源的“RISC-V 指令集”为基础,高起点建立具有自主知识产权的高性能低功耗 32 位 RISC 嵌入式 CPU 技术。经过二十余年的研发、 创新与沉淀,公司已经实现基于上述三种指令集的 8 大系列 40 余款 CPU 内核,形成了深厚的嵌入式 CPU IP 储备,是一家聚焦于国产自主可控嵌入式 CPU 技术研发和产业化应用的芯片设计公司。

图1:国芯科技的三个主要发展阶段

国芯科技无控股股东,麒越基金持有10.03%的股份为第一大股东,西藏泰达持有 8.09%的股份为第二大股东,国家集成电路基金持股6.47%为第三大股东。公司实际控制人为董事长郑茳先生、总经理肖佐楠先生和副总经理匡启和先生,截至 2022H1 报告披露日,三人通过直接持有公司 10.94%的股权,并通过联创投资、矽晟投资、矽丰投资、矽芯投资、旭盛科创间接控制公司 10.34%的股权,合计控制公司 21.28%的股权。

图2:截止到2022Q3国芯科技股权结构情况

郑茳、肖佐楠、匡启和,三位均是国务院特殊津贴专家,且实控人即为公司管理层,均具备相关技术背景,工作经历包含芯片设计、软件设计等。

郑茳,国芯科技董事长,曾是Motorola苏州集成电路设计中心负责人。在Motorola的四年期间,他组织领导了0.18um-0.13um基于PDA和手机应用的系统芯片,领导的设计队伍扩展到上百人。

肖佐楠,国芯科技总经理,曾于1994年至1998年任中国华大集成电路设计公司工程师,1998年至2003年历任摩托罗拉(中国)电子有限公司苏州设计中心工程师、部门经理,2003年至2019年历任苏州国芯科技有限公司IC设计部经理,总经理。

匡启和,国芯科技副总经理,曾于1994年至1998年历任无锡小天鹅股份有限公司工程师,部门经理,1999年至2002年于南京航空航天大学攻读博士学位,2002年至2003年任江苏意源科技有限公司部门经理(信息安全与物联网相关),2003年至2019年历任苏州国芯科技有限公司部门经理、副总经理。

第二部分 什么是嵌入式CPU?

嵌入式 CPU 技术主要涉及CPU指令集、CPU内核和SoC芯片。

图3:嵌入式CPU芯片技术

指令集架构 (Instruction Set Architecture)是一种类型CPU中用来计算和控制系统的一套指令的集合,根据复杂程度可以分为复杂指令集架构(CISC,Instruction Set Architecture)和精简指令集架构(RISC,Reduced Instruction Set Architecture)两大类,嵌入式 CPU 指令集主要为 ARM、PowerPC、MIPS、RISC-V 等精简指令集架构。

X86是由Intel推出的复杂指令集,用于控制芯片的运行程序,在计算机市场应用广泛。X86架构于1978年推出的Intel 8086中央处理器中首度出现,后在IBM PC选用,成为了个人计算机的标准平台,成为了历来最成功的CPU架构;ARM是应用最广泛,生态最完善的精简指令集,目前仍未开源,存在一定的供应链风险以及需要支付高额的授权费用;MIPS、RISC-V和Power是均已开源的精简指令集,其中Power架构以高性能著称,在对性能、可靠性较高的服务器和汽车领域应用较广泛。

图4:不同主流指令架构集架构对比

实现指令集架构的物理电路成为处理器的微架构,微架构设计为嵌入式 CPU 最核心的技术之一,决定了 CPU 内核的性能、功耗等核心指标,CPU内核用来完成所有的计算、接受/存储命令、处理数据等,是数字处理核心。目前国内外绝大部分芯片设计企业通过购买取得成熟嵌入式CPU内核授权的方式进行芯片设计,少数国际顶级芯片设计企业如高通、苹果等通过获得指令集授权,自行设计嵌入式CPU内核。嵌入式 CPU 内核通常以知识产权(IP, Intellectual Property)的方式提供给下游芯片设计企业使用。SoC(片上系统,System on Chip)芯片是芯片产品的最终体现,典型的 SoC 芯片除了 CPU 内核外,还集成了某些专用功能电路、外围设备接口电路、存储器接口电路等。

而国芯科技则是基于指令集架构授权的嵌入式CPU开发公司。公司分别于2002年从摩托罗拉获得“M*Core 指令集”,于 2010 年从 IBM 获得“PowerPC 指令集”授权,于 2017 年开始研究开源的“RISC-V 指令集”。伴随着“PowerPC 指令集”和“RISC-V 指令集”架构的相继开源,公司基于上述两种架构开发嵌入式 CPU 不再受限于指令架构的授权。

第三部分:国芯科技公司产品

国芯科技产品主要围绕自研CPU内核,为国家重大需求和市场需求领域客户提供 IP 授权、芯片定制服务和自主芯片及模组产品,主要应用于信息安全、汽车电子和工业控制、边缘计算和网络通信三大关键领域。公司提供的IP授权与芯片定制服务基于自主研发的嵌入式 CPU 技术,为实现三大应用领域芯片的安全自主可控和国产化替代提供关键技术支撑。公司自主可控嵌入式 CPU 产业化应用客户主要包括国家电网、南方电网、中国电子等大型央企集团的下属单位,中国科学院和清华大学等机构的下属研究院所,以及联想、比亚迪和潍柴动力等众多国内知名企业。

图6:国芯科技的三大业务板块

IP授权:IP 授权业务主要是指将自主可控的嵌入式 CPU内核及其SoC芯片设计平台授权给客户使用。自主可控的CPU内核是保证芯片自主可控的重要因素,同时也决定芯片的配套软件开发和应用生态等要求,公司围绕摩托罗拉的“M*Core”、IBM 的“PowerPC”和开源的“RISC-V” 三大指令集,设计了具有自主知识产权的8大系列40余款CPU核,实现嵌入式CPU技术的国产化替代,并向客户提供CPU核的IP授权。

图7:国芯科技八大系列CPU内核

基于M*Core指令集内核适合低功耗、低成本应用;RISC-V发展新,指令集开源,设计简便,工具链已基本完整,可实现模块化设计;Power指令架构成熟,在系统可靠性和稳定性方面有优势,覆盖了从嵌入式、服务器到超级计算的全产业应用,2019年10月IBM开源其Power指令架构,受到行业青睐,应用生态较为成熟。国芯科技汽车电子领域采用PowerPC架构,主要系PowerPC架构应用广泛、生态好,适合中高端应用领域。

公司提供 IP 授权的客户类型主要有新兴的芯片设计公司、成熟的芯片设计公司、IDM 公司和系统厂家。1)新兴的芯片设计公司规模相对较小,一般选择将资源集中在芯片产品定义、先进算法和功能以及客户资源等优势领域,通过采购 CPU IP 或者其他功能 IP 进行集成开发,补充在设计资源、CPU 核架构等方面的短板。2)成熟的芯片设计公司和 IDM 拥有较强的品牌实力、市场占有率和芯片研发、设计和销售能力,其芯片产品种类较多,产品线较长,难以对各产品线都投入足够的研发人员进行芯片设计和生产管理,会采用购买技术成熟稳定的IP,并且把部分产品的更多设计环节交给芯片设计服务公司以缩短其产品上市迭代周期。3)系统厂商采购 CPU IP 授权主要用于其自有的整机或者模组产品所需的芯片设计中,一般不对外销售芯片。标准化的芯片产品难以满足系统厂商差异化竞争和供应链稳定的诉求,使得越来越多的系统厂商采用向设计服务公司定制自有芯片来获得其产品竞争力和供货保障。同时受到国外进口芯片供货短缺的困扰,部分厂商积极寻求国产定制化替代芯片。

此外,公司通过基于自主可控的嵌入式 CPU 内核、自主研发的外围应用 IP 模块并结合外部采购的部分外围 IP 模块,建立了面向信息安全、汽车电子和工业控制、边缘计算和网络通信三大 SoC 芯片设计平台,平台目前已承担多个关键领域的重大产品项目,可实现 14nm/28nm/40nm/65nm/90nm/130nm/180nm 等工艺节点芯片的快速开发。 目前每年基于平台完成数十款芯片的设计和数千万颗芯片的量产,平台技术成熟、稳定、可靠,可以帮助客户快速准确实现芯片设计,提升客户设计效率,有效减少客户产品进入市场的时间。

图8:国芯科技SOC三大设计平台

在嵌入式CPU领域新产品的研发上,公司继续基于RISC-V和PowerPC指令架构投入研发,并启动64位多核CPU的设计,这是一款具有多级流水线的超标量处理器,满足边缘计算和网络通信领域大数据处理应用的市场,可实现对ARMA53CPU核的替代,预计2023年上半年实现对外授权。在工业控制领域,公司为客户开发的步进电机控制芯片已经完成设计,成功进入量产阶段,客户内部已完成了整机的可靠性验证,准备某项目的芯片使用切换工作。

图9:国芯科技与ARM CPU IP授权业务对比情况

整体来看,架构开源浪潮使得公司进一步丰富了产品生态,目前国芯科技嵌入式CPU IP授权业务虽然不及ARM的领域广泛,但是已经初步建立面向信息安全、物联网、汽车电子、工业控制、信息安全、边缘计算、网络通信等关键领域的生态环境,且在制程上已经率先支持先进14/7nm工艺节点的实现。在以物联网为代表的部分新兴应用领域,由于市场具有长尾化和碎片化的特点,使得各应用场景存在大量的个性化、差异化需求,同时,物联网更加注重芯片低功耗特点,RISC-V架构的极致精简和灵活的架构以及模块化的特性,能够让用户自由修改、扩展以满足其不同应用需求和低功耗需求。此外,RISC-V、PowerPC都是开源指令集,采用该指令集有助于实现底层架构的“自主、安全、可控”。

基于公司自身IP储备及行业整体性的发展趋势,预计公司未来此块业务会持续稳步增长。

芯片定制服务:芯片定制服务主要是指公司基于自主可控的 CPU 内核和面向应用的SoC芯片设计平台,为客户提供定制芯片设计服务与定制芯片量产服务。其中定制芯片设计服务是指根据客户在芯片功能、性能、功耗、成本等方面的定制化需求,进行芯片定义与芯片设计,形成版图后由公司或者客户委托晶圆厂、封装测试厂进行晶圆生产与封装测试,并最终向客户交付通过测试、验证的样片。

定制芯片量产服务是指公司根据客户的需求,依据公司为客户提供的定制芯片设计服务的版图数据或者客户设计提供的版图或者样片,为其提供量产服务,并向其交付合格的晶圆或芯片产品。

图10 截至2021H1国芯科技服务的设计/量产客户情况

(2022H1未披露详细数据)

信息安全终端应用领域:集成客户密码算法的信息安全芯片,用于PC、服务器、物理隔离器等网络设备及终端,集成国密算法的信息安全芯,用于电力行业配网终端、电力载波设备及移动终端;汽车电子和工业控制终端应用领域:主要用于嵌入式设备控制器、打印机主控等领域;边缘计算和网络通信终端应用领域:主要用于安全接入网关及网络通信处理器等领域。

截至2022年6月30日,公司累计为超过101家客户提供超过144次的CPUIP授权,累计为超过80家客户提供超过164次的芯片定制服务。目前IP 授权、芯片定制服务的应用客户包括国家电网、南方电网和中国电子等大型央企的下属单位,中国科学院和清华大学等机构的下属研究院所。公司将与细分行业头部或特色企业进一步深度融合,提供嵌入式CPU技术和芯片定制服务,不断丰富公司在该领域的系列产品。

整体来看,在芯片定制服务上,2022年上半年,公司结合自身信息安全、汽车电子和工业控制以及边缘计算和网络通信等芯片平台技术积累,发挥公司14nm及以下先进工艺节点的平台与后端优势,积极开展以国家重大需求领域为主的定制芯片设计服务工作,在合作中努力寻找抓住关键客户的主力芯片更新换代机会,公司芯片定制服务领域的订单充足。在深度挖掘重大客户更新换代定制芯片设计服务项目同时,公司芯片定制服务业务重点针对自主可控国产化替代特别是国家重大需求领域客户进行攻关,取得突破并形成新客户和新产品的合作与销售,在信息安全、汽车电子和工业控制以及边缘计算和网络通信等细分领域形成技术特色和市场优势,获得了良好的业界口碑。公司定制芯片设计服务业务内容基本做到与公司技术相辅相成,互为促进。

自主芯片及模组产品:公司的自主芯片及模组产品以信息安全类产品为主,聚焦于“云”到 “端”的安全应用,覆盖云计算、大数据、物联网、智能存储、工业控制和金融电子等关键领域,以及服务器、汽车和智能终端等重要产品。自主芯片及模组产品的用户包括中云信安、大华股份、苏州科达、南瑞集团、深信服、新大陆、中孚信息和天喻信息等知名的信息安全系统与设备厂商。同时公司积极发展汽车电子芯片,覆盖车身控制、发动机和新能源电机控制、域控制和新能源电池管理系统控制等方面。

在信息安全领域,公司是国内少数可提供“云”到“端”系列化安全芯片及模组产品的厂商。新一代CCP908T系列云安全芯片对称算法的综合性能达到国际龙头企业同类产品的技术指标,具有国际先进水平;公司是国内首家通过银行卡检测中心国际 PCI5.1 标准测评的金融终端安全主控芯片的企业,实现了支持国密算法的国产金融安全芯片产业化;公司研制的车规级安全芯片,通过 AEC-Q100 标准认证,内置高等级安全特性的硬件算法协处理器,支持国家商用密码算法 及国际密码算法,并已获得国密二级证书和国测 EAL4+安全证书,为国内少数可为汽车及车联网通信安全提供安全芯片的厂商。

在汽车电子领域,公司于2022年上半年推出的CCFC2012BC中高端车身及网关控制芯片,可对标国外产品如NXP(恩智浦)MPC5604BC、MPC5607B系列以及ST(意法半导体)的SPC560B50、SPC560B64系列,受到市场的普遍欢迎,订单增加较快,该芯片采用自主可控的PowerPC的指令集。截至2022年6月底,公司研发成功的新一代中高端车身/网关控制芯片已经获得超过200万颗订单,并实现数十万颗出货和装车,应用场景包括整车控制、车身网关、安全气囊、无钥匙启动及T-BOX等应用,可实现对国外产品的替代,覆盖新能源车和传统乘用车等,需求十分旺盛。当前公司汽车电子芯片产品出货以车身控制芯片为主,公司车身控制领域进入比较早,目前与埃泰克、科世达等Tier1汽车电子模组厂商建立了密切的合作关系,国内的多家汽车厂已经开始批量使用,包括比亚迪、长安、长城、奇瑞、上汽、东风等国内汽车整机厂商。

(公司汽车电子MCU研发历史:2009年,公司启动面向汽车电子和工业控制芯片的关键技术研发,并推出应用于汽车电子和工业控制领域的嵌入式CPU内核C2002及相应的SoC芯片设计平台。2014年,公司承担了核高基国家重大科技专项项目“车身电子控制器SoC芯片研发与产业化”,推出了适用于车身控制和车辆网关等应用领域的芯片CCFC2002BC。2015年公司启动面向发动机控制应用领域的芯片CCFC2003PT的研发。2017年公司启动第二代发动机控制芯片CCFC2006PT的研制。上述芯片目前均已通过AEC-Q100Grade1级测试认证,开始投放市场,实现了我国关键领域的国产化替代。)

边缘计算和网络通信领域:在边缘计算和网络通信领域,支撑存储服务器关键芯片国产化。公司已 成功研制了 RAID 控制芯片和具备高性能运算、网络加速及网络交换的高性能 SoC 芯片 H2048、H2068 和 S1020。

第四部分:国芯科技部分财务分析

国芯科技2021年公司实现营业收入4.07亿元,较上年同期增长56.99%,其中主营业务收入4.01亿元,占全年营业收入的98.55%,较2020年增长55.26%;实现归属于上市公司股东的净利润7020.5万元,较2020年增长53.47%。实现归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润4380.1万元,较上年同期增长82.13%。

2017-2021年,公司的自主芯片和芯片定制贡献较多营收,IP授权具备较高毛利,所占份额位列第三。自主芯片产品营收2017-2021 年 CAGR 为 37.81%,2021 营收同比增长158.75%,产品贡献收入2.20亿元,占比 54.16%,自主芯片产品实现大幅增长主要原因是公司在前期面向三大关键领域布局研发的多款芯片产品完成量产导入,新签订单较上年同期大幅增长;芯片定制服务贡献收入0.93亿元,占比 22.78%;IP 授权贡献收入0.88 亿,占比 21.60%;其他业务贡献收入 0.06 亿,占比 1.45%。

图11:国芯科技按产品分类营收情况(万)

从应用领域上来看,2017-2021 年,信息安全领域贡献始终最多营收,2021年占比60.75%; 汽车电子份额呈扩大态势,2021年占比 20.40%,预计占比仍会提升;边缘计算和网络通信份额汽车电子份额呈扩大态势,2021年占比17.39%。公司在信息安全领域优势的同时,积极在汽车电子和工业控制、边缘计算和网络通信领域发力,在两大领域的营收均实现了大幅增长。未来几年,自主芯片及模组业务将保持快速增长,从而带动公司经营规模稳步提升,充分实现技术优势的兑现。

2018年-2021年公司毛利率分别为 57.88%、58.49%、66.24%、52.85%。2021由于毛利率较低的自主芯片及模组产品的收入占比提升,同时定制芯片量产服务毛利率较低,整体毛利率明显下降趋势。

图12:国芯科技各产品线毛利率情况

IP 授权业务是将已经研发成功并经过验证的 CPU IP 授权给客户,研发过程中所发生的投入已计入当期成本,因此 2017-2021 年 IP 授权业务毛利率一直保持在100%。芯片定制业务中,设计业务和量产业务毛利率均有一定幅度的下降,设计业务主要与公司发展这部分业务的战略相关,有价格调整,量产业务主要与新旧产品交替转换不足相关;自主芯片业务毛利率提升主要与产品结构调整有关,毛利率高的品类占比提升。

销售费用方面:相比同行其它公司,公司销售费用率高于可对比公司,这主要是因为:1)公司重点客户主要面向国家重大需求客户,前期客户开发、后期客户维护均需要投入持续资源成本;2)IP 授权、芯片模组等业务相较于普通消费级产品,需要更长时间的验证测试,芯片定制业务也需要持续与客户进行需求沟通,费用投入较大;3)公司采用直销的销售模式,在市场开拓中需要更多销售人员投入。公司管理费用率整体维持在10%左右,未来随着收入水平上升,管理费用率将逐步下降。公司研发投入较大,占收入比例较高。公司三大主营业务自主芯片及模 组产品、IP 授权、芯片定制服务均需要较高技术研发投入,公司持续进行高 比例研发投入,有利于进行新技术、新产品研发,巩固自身竞争优势。

图13:国芯科技四费支出情况(万)

从财务情况分析来看,在自主芯片及模组领域,公司正在陆续推出新产品,积极导入市场,未来仍可保持较高的增速;在芯片定制服务领域,虽然目前半导体行业景气度一般,但是物联网应用推进积极,公司可快速策应初创公司的芯片定制需求,预期仍能维持较高景气度;IP 授权属于高毛利核心业务,营收主要取决于新客户的开拓速度,收入增长比较稳定。

第五部分:国芯科技的市场展望

我国集成电路设计企业数于 2020 年达到 2,200 余家,较2015年的 736 家提升超过两倍,年均复合增长率高达 24.69%。面对高速成长与快速迭代的市场需求,越来越多的集成电路设计企业和整机系统厂商出于提高设计效率、提升产品竞争力的目的,选择中高端 SoC 芯片的定制服务,从而带动芯片定制服务的需求不断提升。

在嵌入式 CPU IP 授权领域,ARM 占据绝对领先地位。根据英伟达公告,基于 ARM 架构的芯片已累计出货1,800 亿颗。截至 2018 年末,ARM架构的芯片在全球手机市场上的份额超过90%。由于嵌入式 CPU 微架构设计具有较高的技术门槛和生态系统要求,目前全球仅有 ARM、SiFive 等少数巨头具备长期投入嵌入式 CPU 的设计研发能力,并对外开展授权业务。目前我国国产CPU产品来看,国产CPU采用的指令集也呈现多元化状态,且制程多集中于28-14nm制程节点,而英特尔、AMD、IBM多采用7nm以下高端制程,差距较大。目前,上海兆芯与龙芯中科推出了消费级CPU及相关产品,其中兆芯拥有x86指令集授权,有较好的兼容性,龙芯在其3A5000/3B5000产品中放弃MIPS指令集架构,采用自研指令,实现了我国处理器市场指令集的新突破。除此之外,天津海光、华为鲲鹏则用于服务器。

图14:国有CPU部分产品参数

龙芯中科自研指令集是一个良好的建立完整生态的开端。国产CPU需要走一条独立自主的道路,这有助于突破国外技术与专利的封锁。目前我国在集成电路设计、封装方面已经达到国际主流水准,但集成电路制造方面仍然对海外技术有较大依赖,更国产CPU的健康发展需要全产业链的全方位建设以面对国际愈发复杂的情况变化。

计算芯片是芯片细分类目中最难且需要较长时间的技术积累与用户反馈。国芯科技作为国产CPU开发商,无论是市场份额还是技术水平上都难以与国际龙头企业匹敌,但其自研CPU填补了信息安全、工业控制等关键领域的空白,实现了从“0”到“1”的突破。在有了好的自研IP的基础上,公司定制芯片和自主芯片的延伸也将是水到渠成的事情,三者之间在工程经验、质量管理和产品可靠成熟度等方面可以相互借鉴和印证,从而保证芯片设计的成功率、技术稳定性与可靠性,交互验证也有利于公司的技术路线始终与市场需求保持高度一致,并持续迭代升级。

(校对/占旭亮)


责编: 邓文标

李正操

作者

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