2022年計(jì)算芯片（CPU/GPGPU/FPGA/AI/DPU）市場(chǎng)空間及發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，在云計(jì)算蓬勃發(fā)展的同時(shí)，異構(gòu)計(jì)算市場(chǎng)也乘風(fēng)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。對(duì)芯片設(shè)計(jì)企業(yè)而言，過(guò)去進(jìn)入服務(wù)器計(jì)算芯片市場(chǎng)只有通過(guò)有競(jìng)爭(zhēng)力的 X86 CPU，而現(xiàn)在 GPU、FPGA、AI 芯片各類(lèi)架構(gòu) CPU 等多種計(jì)算芯片均在服務(wù)器中得到廣泛應(yīng)用，為國(guó)產(chǎn) CPU 及 AI 芯片公司，以及基于國(guó)產(chǎn)芯片的智能計(jì)算產(chǎn)業(yè)鏈提供了良好的發(fā)展機(jī)會(huì)。
云計(jì)算應(yīng)用服務(wù)器，主要芯片構(gòu)成為計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信。本文選自“中國(guó)云計(jì)算生態(tài)藍(lán)皮書(shū)（2022）”，主要關(guān)注計(jì)算芯片，包括 CPU、GPU/GPGPU（General-purpose Computing on Graphics Processing Units，通用圖形處理器）、FPGA、AI 加速芯片等和以 DPU 為代表的網(wǎng)絡(luò)通信芯片。
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技術(shù)層面上，傳統(tǒng) CPU 為中心的計(jì)算架構(gòu)，已經(jīng)不能滿(mǎn)足信息應(yīng)用需求，開(kāi)始轉(zhuǎn)向 CPU 來(lái)負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理和應(yīng)用程序，維持軟硬件生態(tài)，各種 XPU（X Process Unit，各種處理器）來(lái)提供算力，各個(gè)芯片協(xié)同合作來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心降本增效。
CPU 中央處理器作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，是信息處理、程序運(yùn)行的最終執(zhí)行單元。CPU是整個(gè) IT 生態(tài)的定義者，無(wú)論是服務(wù)器端的 X86 還是移動(dòng)端的 ARM（安謀），都各自構(gòu)建了穩(wěn)固的生態(tài)系統(tǒng)，不僅形成技術(shù)生態(tài)圈，還形成閉合價(jià)值鏈。
數(shù)據(jù)中心應(yīng)用 CPU 價(jià)格高，利潤(rùn)最為豐富，根據(jù)不同配置，CPU 占據(jù)服務(wù)器總成本約 1/3 到 1/2。根據(jù)中金證券研究數(shù)據(jù)，2021 年中國(guó)服務(wù)器 CPU 市場(chǎng)規(guī)模 60 億美元，預(yù)計(jì) 2024 年達(dá)到 92 億美元，3 年年均復(fù)合增長(zhǎng)率 15%。
X86、ARM、RISC-V（ Reduced Instruction Set Computer-V，第五代精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī) ）是 CPU 三大技術(shù)架構(gòu)。服務(wù)器市場(chǎng)上 X86 處理器市占率超過(guò) 90%，占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。其中英特爾市場(chǎng)占有率接近 90%，服務(wù)器市場(chǎng)貢獻(xiàn)了英特爾主要的利潤(rùn)和營(yíng)收。借助臺(tái)積電先進(jìn)制程，AMD 服務(wù)器CPU 霄龍強(qiáng)勢(shì)崛起，根據(jù) IDC 數(shù)據(jù) 2021 年第四季度，AMD 數(shù)據(jù)中心 CPU 市場(chǎng)占有率自 2016 年之后首超 10%。為應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)，英特爾 2021 年底歷史第一次宣布開(kāi)放 X86 指令集給第三方公司。
ARM 開(kāi)放指令集以及在移動(dòng)端構(gòu)建的良好生態(tài)，數(shù)據(jù)中心巨大市場(chǎng)以及豐厚利潤(rùn)吸引各家巨頭入局開(kāi)發(fā) ARM 架構(gòu)服務(wù)器 CPU，其市場(chǎng)占有率穩(wěn)步提升。除美滿(mǎn)、富士通、英偉達(dá)、海思等傳統(tǒng)芯片巨頭之外，亞馬遜、谷歌、阿里等手握資金、技術(shù)以及應(yīng)用場(chǎng)景的新型互聯(lián)網(wǎng)公司也加入這一戰(zhàn)局，給市場(chǎng)帶來(lái)變數(shù)。ARM 架構(gòu)服務(wù)器 CPU 性能不斷提升、生態(tài)不斷完善，與 X86 架構(gòu)正面競(jìng)爭(zhēng)，蠶食之勢(shì)不容小覷。
RISC-V 作為后起之秀發(fā)展迅速，英特爾在 2021 年提出 20 億美元收購(gòu)專(zhuān)注于高性能計(jì)算的 RISC-V初創(chuàng)公司 SiFIVE。RISC-V 是開(kāi)源指令集，開(kāi)放程度比 ARM 更好，支持指令集擴(kuò)展。RISC-V 在專(zhuān)用領(lǐng)域的計(jì)算已經(jīng)取得成效，比如國(guó)內(nèi)初創(chuàng)公司希姆計(jì)算，把 RISC-V 作為 AI 加速卡計(jì)算核心，并擴(kuò)展張量和矢量計(jì)算核，應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)云端推理芯片，實(shí)現(xiàn)良好編程性，性?xún)r(jià)比相比傳統(tǒng) GPU 芯片提升 4 倍，產(chǎn)品即將在頭部互聯(lián)網(wǎng)公司內(nèi)容和廣告推薦場(chǎng)景開(kāi)始大規(guī)模部署。
在信創(chuàng)市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，國(guó)產(chǎn) CPU 各個(gè)技術(shù)賽道全方面布局，初步滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)替代需求。CPU 進(jìn)入門(mén)檻最高，Wintel（Windows-intel，微軟和英特爾）聯(lián)盟構(gòu)建了又深又寬的護(hù)城河。信創(chuàng)市場(chǎng)場(chǎng)景相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了 CPU 生態(tài)建立難度，另外市場(chǎng)規(guī)模大，能夠支持國(guó)產(chǎn)芯片公司持續(xù)迭代產(chǎn)品，給國(guó)產(chǎn) CPU 發(fā)展帶來(lái)巨大市場(chǎng)機(jī)會(huì)。中國(guó) CPU 另外一個(gè)特點(diǎn)就是各個(gè)技術(shù)賽道全方面布局。X86 架構(gòu)有海光、兆芯，新興 ARM 架構(gòu)有飛騰、海思，MIPS（ Microprocessor without Interlocked Piped Stages ，無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)處理器）架構(gòu)有龍芯，RISC-V 架構(gòu)有阿里等。
傳統(tǒng) CPU 為核心的計(jì)算架構(gòu)中所有數(shù)據(jù)和指令都由 CPU 來(lái)處理。然而 CPU 的架構(gòu)不適合處理高并行度數(shù)據(jù)計(jì)算業(yè)務(wù)，更適合進(jìn)行邏輯運(yùn)算和整個(gè)計(jì)算機(jī)的管理。隨著業(yè)務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，全部業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)靠 CPU 處理，性?xún)r(jià)比極低。因此出現(xiàn)了各種協(xié)處理器 XPU，專(zhuān)門(mén)幫助 CPU 處理各種特定應(yīng)用場(chǎng)景業(yè)務(wù)。最早出現(xiàn)的就是計(jì)算機(jī) 3D 圖形渲染專(zhuān)用加速芯片，特點(diǎn)是大量的并行小核，需要在 CPU 調(diào)度下工作。1999 年英偉達(dá)發(fā)布第一款 GPU 產(chǎn)品 NV10，在市場(chǎng)上第一次推出 GPU 概念。隨后英偉達(dá)把 GPU 應(yīng)用推廣到 GPGPU 和 CUDA（ Compute Unified Device Architecture，統(tǒng)一計(jì)算設(shè)備架構(gòu) ）編程框架推廣，GPU 成為并行計(jì)算的主力算力引擎。2012 年的ImageNet 比賽，取得突破的 AlexNet 的發(fā)明人亞歷克斯使用了英偉達(dá)的 GPU，證明了 GPU 非常適合用于多并行計(jì)算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從此 GPU 成為深度學(xué)習(xí)標(biāo)配，引爆市場(chǎng)。
目前中國(guó)深度學(xué)習(xí)加速服務(wù)器 90%還是采用 GPU/GPGPU，根據(jù)中金證券測(cè)算，2021 年中國(guó)服務(wù)器應(yīng)用 GPU/GPGPU 市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 25 億美元，預(yù)計(jì) 2024 年市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到 54 億美元，3 年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 30%。
GPU 采用最先進(jìn)的邏輯工藝，不考慮巨大的生態(tài)建設(shè)費(fèi)用，單芯片研發(fā)成本 10 億人民幣起步，過(guò)去鮮有資本和創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)涉足。在 GPU 成為 AI 主要算力芯片，海外英偉達(dá)股價(jià)屢創(chuàng)新高的示范效應(yīng)下，疊加中國(guó)進(jìn)口替代以及科創(chuàng)板對(duì)芯片產(chǎn)業(yè)支持帶來(lái)的賺錢(qián)效應(yīng)，資本市場(chǎng)對(duì)國(guó)產(chǎn) GPU 賽道高度興奮，GPU 初創(chuàng)公司不斷涌現(xiàn)，融資金額屢創(chuàng)新高，估值動(dòng)輒超百億。英偉達(dá)、AMD 高管為主的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，超一線 VC 機(jī)構(gòu)重金支持，成為國(guó)產(chǎn) GPU 初創(chuàng)公司范式。
FPGA 是基于通用邏輯電路陣列的集成電路芯片，和 ASIC芯片不同，其最大的特點(diǎn)是芯片的具體功能在制造完成以后由用戶(hù)配置決定。用戶(hù)可通過(guò)配套的 FPGA 專(zhuān)用 EDA 軟件實(shí)現(xiàn)具體功能，首先由專(zhuān)用 EDA 軟件接受用硬件語(yǔ)言描述的用戶(hù)電路，其次編譯生成二進(jìn)制位流數(shù)據(jù)，最后將位流下載到芯片中實(shí)現(xiàn)用戶(hù)所需特定功能的集成電路芯片。每顆 FPGA 芯片均可以進(jìn)行多次不同功能配置，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。
FPGA 芯片具有靈活性高、應(yīng)用開(kāi)發(fā)成本低、上市時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。數(shù)據(jù)中心是 FPGA 芯片的新興應(yīng)用市場(chǎng)之一，根據(jù) Frost&sullivan 數(shù)據(jù)，2020 年應(yīng)用于該領(lǐng)域的 FPGA 芯片中國(guó)銷(xiāo)售額將達(dá)到 16.1億元，占中國(guó) FPGA 芯片市場(chǎng)份額的 10.7%，預(yù)計(jì) 2024 年將達(dá)到 30 億元，2021 年至 2024 年年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到 16.6%。
FPGA 芯片在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域主要用于硬件加速，數(shù)據(jù)中心使用 FPGA 芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 CPU 方案后，處理其自定義算法時(shí)可實(shí)現(xiàn)顯著的加速效果。因此從 2016 年開(kāi)始，微軟 Azure、亞馬遜 AWS、阿里云的服務(wù)器上都開(kāi)始部署 FPGA 加速器用于運(yùn)算加速。在云計(jì)算大面積應(yīng)用的背景下，未來(lái)數(shù)據(jù)中心對(duì)芯片性能的要求將進(jìn)一步提升，更多數(shù)據(jù)中心將采納 FPGA 芯片方案，這將進(jìn)一步提高FPGA 芯片在數(shù)據(jù)中心芯片中的價(jià)值占比。
深度學(xué)習(xí)涉及少量標(biāo)量計(jì)算、大量的矢量計(jì)算和張量計(jì)算。GPU 是標(biāo)量計(jì)算核，在處理深度學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)時(shí)，需要消耗大量資源把矢量和張量計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)量計(jì)算，因此 GPU 實(shí)際算力利用率最高只能達(dá)到 40%。固定算法的 ASIC 芯片利用率最高，但是不適合業(yè)務(wù)復(fù)雜、算法在一直更新的云計(jì)算應(yīng)用，而更適合邊緣端應(yīng)用。因此專(zhuān)門(mén)針對(duì)深度學(xué)習(xí)應(yīng)用，結(jié)合標(biāo)量計(jì)算、矢量計(jì)算和張量計(jì)算的 DSA（Domain Specific Architectures，特定領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)）架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，針對(duì) AI 推理應(yīng)用，實(shí)際算力利用率可超過(guò) 90%，并且其芯片提供最基本的深度學(xué)習(xí)算子，保證芯片在深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的通用性和擴(kuò)展性，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心降本增效。2019 年英特爾 20 億美元收購(gòu)了以色列初創(chuàng)公司Habana Lab，證明了 DSA 架構(gòu)在商業(yè)和技術(shù)上的成功。國(guó)內(nèi)希姆計(jì)算、瀚博、燧原等初創(chuàng)公司都采用 DSA 架構(gòu)技術(shù)路線，并開(kāi)始商業(yè)落地。
根據(jù)中金證券測(cè)算，2021 年中國(guó)云計(jì)算應(yīng)用 AI 加速芯片市場(chǎng)規(guī)模約 5 億美元，預(yù)計(jì) 2024 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 14 億美元，三年年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到 47%。
互聯(lián)網(wǎng)公司成為 AI 加速芯片主力。互聯(lián)網(wǎng)公司直接面向終端提供服務(wù)，既擁有豐富的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，又具備技術(shù)和資金實(shí)力，于是開(kāi)始繞過(guò)英特爾、英偉達(dá)等傳統(tǒng)芯片供應(yīng)商下場(chǎng)自研芯片或者投資芯片初創(chuàng)公司，滿(mǎn)足自身需求。比如谷歌 TPU，百度昆侖芯片，亞馬遜，字節(jié)跳動(dòng)等，都在結(jié)合自身應(yīng)用場(chǎng)景自研 AI 加速芯片。
場(chǎng)景專(zhuān)用的云端 AI 推理加速芯片，依靠性?xún)r(jià)比取勝，加速取代 GPU 成為主要算力芯片。互聯(lián)網(wǎng)公司推理應(yīng)用場(chǎng)景主要是內(nèi)容推薦和內(nèi)容審核，內(nèi)容和用戶(hù)都已經(jīng)完成向量化，對(duì)芯片實(shí)時(shí)性要求高，對(duì)芯片生態(tài)和通用性要求低。并且推理芯片的需求量和增速遠(yuǎn)高于訓(xùn)練芯片，根據(jù) Facebook給出的預(yù)測(cè)，今后推理芯片和訓(xùn)練芯片的需求量是 9:1。專(zhuān)門(mén)針對(duì) AI 云端推理計(jì)算的 DSA 架構(gòu) AI推理加速芯片，實(shí)際任務(wù)負(fù)載達(dá)到 90%以上，實(shí)現(xiàn)相同工藝節(jié)點(diǎn) GPU 的 2 倍以上性?xún)r(jià)比。DSA 架構(gòu) AI 推理加速芯片正在加速取代 GPU 成為 AI 推理的主要算力芯片。
RISC-V 成為 AI 云端推理芯片最佳技術(shù)路線。RISC-V 是第五代開(kāi)源精簡(jiǎn)指令集，允許用戶(hù)自定義擴(kuò)展指令集。MIPS 和 ARM 雖然也是精簡(jiǎn)指令集，但不允許用戶(hù)去刪減、擴(kuò)展指令集，因此在特定場(chǎng)景應(yīng)用下往往造成臃腫。而 RISC-V 擴(kuò)散性好，對(duì)用戶(hù)友好，且 RISC-V 是 CPU 指令集，構(gòu)成了圖靈完備，相比 DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）指令集，芯片廠商自定義指令集，用戶(hù)可以更方便地用 RISC-V 去描述任何新算子。
數(shù)據(jù)中心規(guī)模越來(lái)越大，任務(wù)越來(lái)越復(fù)雜，根據(jù)亞馬遜統(tǒng)計(jì)僅處理網(wǎng)絡(luò)通信就需消耗 CPU 30%的算力，亞馬遜稱(chēng)之為“datacenter tax（數(shù)據(jù)中心稅）”。DPU 是以數(shù)據(jù)為中心構(gòu)造的專(zhuān)用處理器，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心底層存儲(chǔ)、安全、服務(wù)質(zhì)量管理等基礎(chǔ)設(shè)施層服務(wù)。DPU 要解決的核心問(wèn)題是基礎(chǔ)設(shè)施的 “降本增效”，即將“CPU 處理效率低下、GPU 處理不了”的負(fù)載卸載到專(zhuān)用 DPU，提升整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)的效率、降低整體系統(tǒng)的總體擁有成本（TCO）。
根據(jù)頭豹研究院測(cè)算，2021 年中國(guó)云計(jì)算應(yīng)用 DPU 市場(chǎng)規(guī)模約 4 億美元，預(yù)計(jì)到 2024 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 20 億美元，三年年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá) 70%。
中國(guó)有機(jī)會(huì)出現(xiàn) DPU 市場(chǎng)巨頭。DPU 作為專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中心底層網(wǎng)絡(luò)通信的算力芯片，是一個(gè)新興賽道，國(guó)內(nèi)外發(fā)展差距小。而且中國(guó)在云計(jì)算領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模、增速、特別是用戶(hù)數(shù)量，相較國(guó)外都有巨大優(yōu)勢(shì)。在英偉達(dá)發(fā)布的 DPU 產(chǎn)品戰(zhàn)略中將 DPU 定位為數(shù)據(jù)中心繼 CPU 和 GPU 之后的 “第三顆主力芯片”，更掀起了一波行業(yè)熱潮，2021 年 DPU 成為最熱的投資賽道。
DPU 作為新興賽道，最大的挑戰(zhàn)是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。由于數(shù)據(jù)中心本身的復(fù)雜性，各大廠商一方面采用現(xiàn)成商業(yè)軟件來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)，追求低成本，一方面又設(shè)法分層服務(wù)化（IaaS、PaaS、SaaS），打造面向不用類(lèi)型客戶(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。除此之外的所有技術(shù)實(shí)現(xiàn)幾乎都是“八仙過(guò)海，各顯神通”。
半導(dǎo)體2022年策略：國(guó)產(chǎn)化4.0+電動(dòng)化 2.0
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