中金:云计算开启国产 CPU 和 AI 芯片的腾飞之路(附报告)

云计算开启国产 CPU 和 AI 芯片的腾飞之路

 

报告目录:

看好服务器处理器市场增长及相关处理器国产化进程
算力成为新的生产力
服务器用处理器芯片是未来主要增长点
看好服务器CPU 及 AI 芯片的进口替代机会
国产CPU 的发展现状 
X86架构(海光、兆芯):专利授权壁垒高但生态完备,国产芯片与海外相比仍有差距
ARM架构(华为鲲鹏、飞腾):充分适应服务器多核心高并发场景,但生态环境仍需完善
RISCV (阿里平头哥):全新开源指令集 IoT 切入市场,生态尚需构建
MIPS(龙芯):架构更新较慢,生态由国产厂商龙芯继承
X86替代最先落地,看好未来大厂推动下 ARM/RISC V 架构处理器的国产化机会
AI芯片市场发展情况更新 
云端AI 芯片:产品综合能力要求突出,行业竞争格局开始清晰
边缘AI 芯片:各类应用百花齐放,竞争格局分散
主要国产AI 芯片企业介绍 
地平线:专注边缘AI 芯片,提供性能功耗领先的智能驾驶芯片
燧原科技:专注云端AI 训练芯片,与腾讯云服务深度合作
黑芝麻:致力于AI 自动驾驶计算平台,与多家一线车企合作
嘉楠科技:ASIC 区块链计算设备与 RISC V 架构边缘 AI 芯片

 

报告要点:

未来五年计算芯片国产化市场空间超过500 亿美元。 根据中金测算, 2019 年中国服务器计算芯片市场规模约 60 亿美金,约占全球市场的 24%24%,未来五年有望保持 20% CAGR 快速增长,达到 1 46 亿美金。 目前,我国服务器计算芯片几乎均需从 Intel/AMD/ NVIDIA 等企业进口,是半导体国产化的主要空白点之一。我们预计,未来五年计算芯片国产化市场空间合计超过 500 亿美元,进口替代空间广阔 。

异构计算借力云计算快速发展,计算芯片进口替代空间进一步打开。 我们看到,随着人工智能、科学计算等新兴需求的迅猛增长,算力正在从满足多任务的通用芯片,向单一任务的多种专用芯片发展,异构计算成为重要趋势。云计算实现了算力的集中采购、集中管理、动态调配,大幅提高了异构计算的投入产出比( ROI )。近年来,在云计算蓬勃发展的同时,异构计算市场也乘风得到了长足的发展。对芯片设计企业而言,过去进入服务器计算芯片市场只有通过有竞争力的 X86 CPU而现在 GPU/FPGA/AI 芯片 各类架构 CPU 等多种计算芯片均在服务器中得到广泛应用,服务器 计算芯片市场进入壁垒大幅降低,为创业企业提供了发展机遇。

国产CPU 的三条替代路径: X 86/ARM/RISC V 。 架构是 CPU 设计最底层的核心技术 。 目前存在 1 以 Intel/AMD 产品 为代表的 X 86 架构,拥有 较为 完善的生态可以无缝运行 Windows 、 Linux 等主流操作系统 。 国内,搭载 海光 AMD 与曙光的合资公司)芯片的 服务器已经规模性进入运营商集采 。 上海兆芯 的 PC 处理器也得到商用。 2 ARM 架构芯片成熟,但软件生态有待培育。 华为 海思 和天津飞腾(中国长城控股 32% 是目前主要供应商 。 3 RISC V 是 较新的精简指令集,适用于物联网等分散化应用,阿里平头哥基于该架构推出了面向 AIoT 应用的玄铁 IP 。建议关注 中科曙光(未覆盖)、 中国长城(未覆盖)、 华为 (未上市 、阿里 互联网 组覆盖) 以及 计算产业链上的 浪潮、联想 等公司。

国产AI 芯片的进口替代机会,从云端 AI 芯片 和智能驾驶芯片开始。 据中金测算,2019 年中国云端 AI 芯片市场规模约为 1 2 亿美元,未来 五 年有望保持 3 5 % CAGR快速增长,到 202 4 年达 到 5 4 亿美金。 虽然 NVIDIA 通过 CUDA 构筑的生态链较难撼动,仍处于一家独大的地位 ,但我们看到 燧原、 平头哥 等中国企业 推出了具有竞争力的 云端 训练和 推理 AI 芯片 并 已 在 腾讯、 阿里 等云计算中心 商用 。 终端方面,中国本土车企积极拥抱智能驾驶,为 地平线、黑芝麻 等国产智能驾驶芯片企业的发展提供了机遇。我们看到,地平线的征程二代已 在长安最新的 SUV实现前装量产,黑芝麻的华山二号(支持 L3 )已成功流片并给主机厂送样。

 

内容精选:

看好服务器处理器市场增长及相关处理器 国产化进程
算力成为新的生产力 信息技术革命以来,计算机产业和性能飞速提升,人类生产力发展已经进入算力时期,计
算能力成为这个时期 的 新型生产力。 随着 社会经济 的发展,人均算力 随之 水涨船高, 我们看到 算力与人均 GDP 之间具有 高度相关性。 算力是数字经济发展 的 核心动力,但即便是美国等高算力国家,仍处于智能 社会的起步阶段 。算力提升是全球未来多年发展的重点之一,而处理器核心技术的发展是提升算力的关键。

算力基础设施是“新基建”重要组成部分。2020 年 3 月 4 日, 习总书记 在主持 中共中央政治局常务委员会会议 时 指出 要加快 5G 网络、数据中心等新型基础设施建设进度; 2020年 4 月 20 日,国家发改委 在新闻发布会上 首次明确新型基础设施的范围,把以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施明确纳入新型基础设施范围。 随着政策的稳步推进和数据中心等算力基础设施的建设, 我们 预计国内对服务器处理器芯片需求 快速增长 ,为国产处理器带来广阔的市场机遇。

图表1 : 全球主要国家 GDP 与算力情况

图表2 : 全球处理器芯片的主要应用、类型和主要竞争者

服务器和数据中心用处理器芯片以CPU 为主,GPU 和AI 专用芯片快速增长。根据我们的测算,受益于全球范围内云计算和数据中心服务的快速增长,2019 年全球服务器级处理器市场规模约247 亿美元,预计2024 年达到577 亿美元,年复合增长率达到18%。其中,服务器CPU 是市场主要需求,目前占据85%市场份额,在未来五年预计保持14%的年复合增长率。而在AI、HPC 等新兴需求的推动下,异构计算需求不断增长,我们认为数据中心对并行、专用的计算能力需求增长将更为快速。据我们测算,目前服务器GPU 占据服务器级处理器市场13%的市场份额,预期未来五年CAGR 为27%,2024 年市占率上升至19%;云端AI 专用芯片将迎来爆发期,预计未来五年CAGR 为66%,从目前的2%的市占率提高至2024 年的10%。

图表3: 全球服务器计算芯片市场规模预测

看好服务器CPU及AI芯片的进口替代机会
根据我们的测算2019 年,中国服务器市场规模达到204亿美元, 预计未来五年CAGR 为1 7 %;服务器市场中约30为服务器计算芯片,服务器芯片市场2019年规模达到60亿美元,预计未来五年CAGR为20 %;其中云端 AI 芯片市场规模12亿美元,受益于数据中心的建设,云端 AI 芯片市场加速增长,预计未来 五年 CAGR 为 3 5 %;除传统 CPU 、 GPU 外的云端 AI 专用芯片市场规模1 .4亿美元, 由于数据中心厂商对芯片的定制化需求,云端 AI 专用芯片是云端芯片的主要增长动力之一,预计未来五年CAGR 为 59 。

图表5 : 中国服务器处理器市场规模预测

图表7 : 国产 CPU 生态链

国产CPU 的发展现状
指令集架构是CPU 设计的上游,不同的指令集架构授权壁垒和生态环境差异很大。但通常来说,生态环境越好的架构,专利和授权壁垒越高,而相对开放的指令集,缺乏完善的生态配备。目前市场主流架构可分为四类:具有复杂指令集的 x86 架构、精简指令集的 ARM架构、新推出的 RISC V 架构,以及 其他 RISC 类 MIPS/Power/Alpha/SPARC 等架构。

图表8 : CPU 架构发展情况及中国厂商布局

X86架构 (海光、兆芯 ):专利授权壁垒高 但生态完备,国产芯片与海外相比仍有差距受历史发展因素影响,X86 架构应用最为广泛,系统和软件支持种类最多,生态较为完备。目前市场上 绝大部分台式机和笔记本、以及超过 90 的服务器均使用 X86 架构 CPU 市场基本被 Wintel 联盟垄断。根据我们的产业链调研,英特尔和AMD 拥有绝大多数 X 86 的技术专利,占比分别为 7 0 和 3 0 左右,两家公司也存在大量的交叉授权,而几乎不对外授权。我们认为国产 CPU 若采用 X86 架构进行进口替代,需要通过与海外拥有授权的企业建立合资公司来使用 X86 授权生产芯片。目前我国的兆芯(桌面 CPU )、海光(服务器 CPU两品牌产品已经量产出货,并获得了规模性客户认可。

AI芯片市场发展情况更新
通用型处理器为了满足更广泛的应用场景 ,内部有大量 复杂的 处理 逻辑,这些逻辑 在 特定场景 下 能效 、 性价比 不高 。随着人工智能的快速发展和场景落地, 具有海量并行计算能力、能够加速 AI 计算的 专业 化 AI 芯片应运而生。 AI 芯片按产业链可分为 IP 授权商 、 AI 芯片设计公司和晶圆代工厂。
以承担任务的不同划分,可分为 利用 大数据构建复杂的人工智能模型的训练芯片,以及利用构建好的模型 和 新数据进行预测的 推断 芯片。训练芯片注重绝对的算力,目前以及未来很长一段时间内, 一般 只部署在云端。而 推断 芯片 更 注重综合指标, 能耗、延时、成本等都要考虑在内 。 推断 芯片多部署在终端,如安防手机、 I oT 的边缘 推断 芯片和汽车的自动驾驶 推断 芯片。 AI 芯片对 单位算力的功耗有很高要求,一般采用 1 4 nm /16nm 以下先进工艺生产。NVIDIA 、 Xilinx 等多家芯片厂商 与台积电 合作,已推出 多款 基于 7nm 工艺的 AI 芯片。

图表17:AI 芯片投资地图

 

本文来自中金公司:云计算开启国产 CPU 和 AI 芯片的腾飞之路


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