电子行业深度分析

电子行业市场分析1.算力需求高增长，算力网络建设奔向太空1.1.太空数据中心是什么？太空数据中心是指在太空中运行的数据中心，可提供数据存储、处理和传输等服务，以满足太空探索和任务需求。太空数据中心通常由航天器或空间站上的计算机设备组成，这些设备可以在太空环境下运行，并能够处理和存储大量的数据。1.2.为什么要建设太空数据中心？相比于传统地面数据中心，太空数据中心能够减少电力成本&运营成本。对IDC服务商而言，电力成本占整体支出中的20%。数据中心成本主要包括：1）电力能耗费用；2）工程及建设费用；3）供配电系统能耗费用；4）场地费用及其他。相比于地面数据中心，太空数据中心能够有效降低电力能耗费用、制冷系统能耗费用、照明及其他费用，可以有效降低成本。在轨卫星数量的增加使得太空数据高速增加，太空数据中心建设有望提升太空数据的利用效率&降低太空回传至地面数据量。2021年全球在轨运行卫星数量共计4852个，同比增长44%，相当于2012年的4.5倍。在轨卫星数量增加带动太空数据增加，太空数据中心的建设有助于卫星侧实现在轨计算和存储，降低卫星向地面传输的数据量，同时提高太空数据处理的效率。太空数据中心建设有助于提升卫星全生命周期经济效益产出。卫星通信网络建设为太空数据中心建设提供网络通信基础，卫星通信承担相对单一的信息传输功能，太空数据中心建设增加信息处理和存储环节，有助于提升卫星全生命周期经济效益产出。卫星互联网蓬勃发展，卫星网络与地面网络融合+卫星网络算网融合有望进一步加强。卫星通信发展到第四代—卫星互联网阶段，伴随着卫星发射技术的革新&卫星建造发射成本的降低，卫星互联网进入蓬勃发展期，后续卫星网络和地面网络深度融合的分层网络架构为空间算力网络的构建提供网络基础。高、中、低地球轨道和地面网络的分层网络架构使得大型GEO/MEO卫星具备了高性能算力和轻量化核心网及天基数据中心的能力，而LEO卫星等则具备了接入网络和边缘计算的能力，为空间算力网络构建提供了物质基础。2019年11月，工信部成立了IMT-2030（6G）推进组，我国正式启动6G的研发工作，6G网络在5G技术基础上进一步融合了卫星通信、大数据、云计算与人工智能等技术，使得“网络+算力”的特征愈加明显。1.3.核心技术要求—低时延&抗辐射1.3.1.通信要求—低时延星间激光通信技术不依赖地面站进行卫星间数据传输，可有效降低数据传输时延，是空间算力网络建设的通信基础。激光通信在空间传输中具有波长短，抗干扰能力，抗截获强的特点，是卫星通信与导航的主要方式，由激光通信连接的星间链路具有高速率、高带宽、高安全性等优势，可以提供高质量卫星空间通信。激光通信具有很高的能量集中度，当需要较高的链路通信速率时，激光通信通在体积、重量和功耗方面更具有优势，构建激光星间链路成为下一代卫星网络的研究重点之一。基于地面核心网站的卫星传输时延和成本高。基于地面站核心网的卫星通信主要传输线路是：用户终端——星链卫星A——地面站核心网及传输——星链卫星B——用户终端，完全取决于地面核心网数据获取及链接，而且还要通过地面站核心网及传输来解决卫星A和卫星B跟两个用户的链接。即使两个用户同在一颗卫星覆盖下需求链接，也需要地面站核心网的链接。这样就大大增加了链接传输的时延和成本。基于低轨卫星的激光通信建立的太空数据中心不依赖地面站的核心网的支持，大大降低了卫星通讯的时延和成本。星链网络架构数据传输主要线路是：用户终端——星链卫星(包括数据交互)——星间激光链路——星链卫星(包括数据交互)——用户终端。理论上用户在全球任意位置都可接入星链网络，从而享受高速度、低延迟的互联网体验，而不依赖地面互联网。卫星间的激光通信主要实现的是电学信号和激光载波之间的转换。经过信道传输后进入光接收单元，其中光接收单元是将光信号转变成电信号，主要架构包括两个部分，分别为光电探测器以及解调电路构成，并最终通过解调恢复出原始信号。目前空间激光通信根据解调方式的不同可以大致分为两种体制，分别为IM/DD探测以及相干探测。1.3.2.硬件要求—抗辐射太空数据中心芯片等电子元器件需要满足抗辐射特性。太空数据中心运行的空间环境中，存在着大量的高能粒子和宇宙射线，高能粒子或宇宙射线与元器件的材料相互作用会产生辐射效应引起器件性能退化或功能异常。引起器件辐射效应的主要空间辐射源包括地球辐射带、银河宇宙射线、太阳宇宙线和人工辐射。高能带电粒子导致的单粒子效应对于器件工作影响最为严重。单粒子效应（SEE）是指高能带电粒子在穿过微电子器件时，在器件内部敏感区产生电子-空穴对，这些电荷被灵敏器件电极收集后，造成器件逻辑状态的非正常改变（软错误）或器件损坏（硬错误）。1.4.为什么我们认为现在开始需要关注太空数据中心？我们认为在新一轮算力建设景气周期+LEO商业卫星通信基础初步建立进入加速建设背景下，太空数据中心建设有望打开行业突破口，迎来从0到1突破的黄金机遇期。1.4.1.SpaceXStarlink2.023年已经开始第一批发射具备卫星间激光通信功能的第二代Starlink卫星开始发射。截至2023年3月17日，SpaceX发射了第76批52颗Starlink互联网卫星，目前共计发射了Starlink互联网卫星4105颗。按照SpaceX第一阶段星链计划（在距离地面550公里的高度发射部署4408颗卫星），目前第一阶段星链计划已经接近完成。据EverydayAstronaut网站2月28日消息，美国SpaceX公司利用“猎鹰”-9火箭成功发射第73批21颗微版“星链”v2.0（StarlinkV2Mini）卫星，是首批发射的第二代Starlink卫星。1.4.2.云计算龙头亚马逊ProjectKuiper首批低轨道卫星预计23年年内发射全球云计算龙头亚马逊（2021年云计算业务市场规模占全球云计算市场空间39%），在2023年2月FCC批准亚马逊轨道碎片处理计划后，亚马逊旗下KuiperSystems能够正式发射首批卫星。Amazon在2020年的时候，宣布投入100亿美元发展Kuiper卫星计划，ProjectKuiper计划将向低地球轨道(LEO)发射3,236颗卫星，以形成一个完整的全球星座。KuiperSystemsLLC和亚马逊也旨在提供低延迟的快速宽带。2020年获FCC同意发射3,236颗卫星，但需要Kuiper提交轨道碎片处理计划才能够正式发射卫星。2023年2月FCC正式批准Kuiper轨道碎片处理计划，公司计划在2023年年初发射首批2颗原型卫星。1.4.3.以ChatGPT为代表的新兴AI应用驱动新一轮算力建设景气周期以ChatGPT为代表的新兴AI应用驱动新一轮算力建设景气周期。微软在2019年以10亿美金投资OpenAI，2020年买断GPT-3背后基础技术的独家许可，Azure云平台成为其独家云供应商。中国工信产业网披露，从GPT到GPT-3，参数量从1.17亿到1750亿，增长接近1500倍，庞大的参数量带动算力需求持续高速增长。在当今以深度学习为中心的人工智能发展中，AI模型的进步主要依赖于大规模数据的消化，伴随着AI模型的数据量、结构的复杂程度不断增加，模型尺寸呈现指数级增加，AI应用创新持续进行有望带动算力需求继续高增，OpenAI的研究人员预计在ChatGPT带动下全球算力需求以每2个月翻倍速度成长，需求增速加快有望驱动新一轮算力建设景气周期。2.通信卫星搭载计算平台为太空数据中心主要方案2.1.太空初创企业&科技巨头多环节参与空间算力网络建设面对不断增长的算力需求和商用卫星基础建设的加速，多家太空初创企业&科技巨头多环节参与空间算力网络建设，空天地一体化算力融合网络架构初见雏形。以SpaceX、AmazonKuiper以及OneWeb为代表的卫星互联网建设为空天地一体化算力融合提供了天基算力网络基础。LeoCloud&RamonSpace、OrbitsEdge&HPE等卫星在轨边缘计算提供了新的解决方案，利用天基边缘计算节点减小地基网络的计算量，提升卫星数据的处理效率。NTT&SKYPerfectJSAT以及CloudConstellation主要关注天基地基之间数据传输的中继服务。地面云计算巨头如亚马逊，微软和谷歌为卫星数据提供云计算支持，有助于未来天基和地面侧算力网络的融合。2.1.1.网络基础设施建设1）SpaceX方案要点：卫星和地面无线通信+卫星间激光通信+LEO轨道（后续延伸MEO&GEO轨道）Starlink星间激光链路同轨道数据传输能力，Starshield跨轨道数据传输能力为形成低-中-高分布式算力网络提供数据传输基础。目前SpaceX主要为消费者和商业用途设计的“星链”具备星间激光链路能力，卫星之间的数据传输速度可达97%的光速，比光纤传输速度要快40%，其卫星与用户端往返数据中位延迟时间为45ms。同时SpaceX主要为政府用途设计的星盾（Starshield）具备跨轨道激光传输数据能力，可支持SpaceX同轨道星链传输+跨轨道星盾传输为形成太空分布式算力提供通信基础。2.1.2.卫星在轨边缘计算探索1）LeoCloud&Ramon.Space方案要点：LeoCloudLEO星座+Ramon.Space超级计算解决方案2021年7月，Ramon.Space和LeoCloud达成战略合作打造基于卫星的云边缘计算服务。边缘计算使工作负载计算资源尽可能接近数据源和用户，具有延迟、安全性、可用性和主权等竞争和关键任务优势。最终用户可以在无缝的卫星托管混合云环境中操作其服务或应用程序工作负载。Ramon.Space超级计算解决方案被称为“太空数据中心”，目的是推动云计算扩展到地球以外。Ramon.Space的先进技术是LEOcloud的LEO星座的计算基础设施，包括超级计算功能，高性能机器学习DSP空间处理器和基于SSD的高密度存储，使智能卫星能够在轨道上移动，处理和存储数据。这些系统从头开始构建，具有耐辐射、低功率、高度可靠和耐用的特点，可在轨道上提供更好的服务，降低总拥有成本并实现颠覆性的新商业模式。2)OrbitsEdge&HPE方案要点：HPE星载计算机+可用于搭载HPE的卫星平台SatFrame。OrbitsEdge成立于2018年，是一家总部位于美国佛罗里达州的轨道边缘计算科技公司，计划将数据中心和边缘计算机部署在低轨轨道，即在卫星平台上集成现成的机架式服务器，用以处理、清理、聚合多源数据并进行分析，主要服务对象是遥感类卫星。在产品方面，该公司自主研发了适用于18英寸深服务器（如已在国际空间站上采用的HPEEL8000服务器）的卫星平台SatFrameTM445LE，未来可扩展至支持36英寸服务器。与传统卫星设计不同，该公司的整个卫星设计集成度更高，分为电源分系统、热控分系统、19英寸的服务器支架、电子系统、5台边缘服务器以及通信阵列组成。2.1.3.卫星数据中继服务探索1)NTT&SKYPerfectJSAT方案要点：卫星和地面光通信+GEO轨道2022年日本最大运营商NTT和SKYPerfectJSAT（亚洲领先的卫星运营商）共同成立了SpaceCompassCorporation，旨在推出第一个基于地球同步轨道（GEO）亚洲数据中继服务，将利用Skyloom的尖端通信和网络系统，为快速增长的地球观测(EO)市场提供实时、高容量、直接到云的数据传输服务。两家公司计划于2024年在亚洲部署第一个网络基础设施节点，并预计到2026年扩展GEO星座以提供额外的容量和全球覆盖范围。SpaceCompa计划于2024年推出一项光学数据中继服务用于地球观测，卫星和地面采用光通信的方式实现信息的传输。不同于Starlink采用的无线电波传输，SpaceCompass计划采用光传输实现卫星到地面的高容量、准实时的数据传输，同时公司将稳步增加配备先进计算功能的卫星数量，构建高容量的空间通信/计算处理基础设施。2)CloudConstellation方案要点：卫星和地面无线波通信+LEO轨道Spacebelt数据安全服务（DSaaS）：CloudConstellation基于10颗低地球轨道（LEO）卫星组成的网络，旨在提供天基安全云数据存储和全球连接服务。2.1.4.天基&地基算力网络衔接&融合1)AmazonGroundStation方案要点：地面接收➡地面数据中心的衔接AWSGroundStation是一项完全托管的服务，可以通过地面站控制卫星通信、处理数据和扩展运营规模，而不必担心构建或管理自己的地面站基础设施。用户可以使用AWS地面站控制台启动AmazonEC2实例，识别需要与之通信的卫星，并将命令传输到卫星以安排未来的活动。或者实时接收来自卫星的批量任务数据，或异步在AmazonS3Bucket中接收数据。同时，AWS地面站天线位于完全托管的AWS地面站位置内，并通过亚马逊的低延迟、高度可靠、可扩展和安全的全球网络主干进行互联。下行链接并存储在一个AWS区域中的数据可以通过全球网络发送到其他AWS区域，以便进一步处理。AWSGroundStation提供我们的卫星天线直接访问AWS服务，以便更快、更简单、更经济高效地存储和处理下载的数据。这允许您将天气预报或自然灾害图像等用例的数据处理和分析时间从小时减少到分钟或秒。2)GoogleCloud方案要点：谷歌云➡优化天地通信&助力Starlink地面站建立SpaceX将依托谷歌数据中心的功能开始建立Starlink地面站，从而通过谷歌云将迄今为止发射到轨道的多颗Starlink卫星的数据安全、低延迟和可靠地传输到网络边缘位置。2021年5月13日，谷歌云和SpaceX宣布建立新的合作伙伴关系，在网络边缘为客户提供数据、云服务和应用程序，利用Starlink在世界各地提供高速宽带互联网的能力和谷歌云的基础设施。谷歌云的高容量专用网络将支持Starlink全球卫星互联网服务的交付，为企业和消费者带来与云和互联网的无缝连接，并能够向几乎任何位置交付关键的企业应用程序。3)AzureOrbitalGroundStation方案要点：Azure➡卫星地面服务站低延迟连接AzureOrbitalGroundStation在卫星和Azure之间提供低延迟连接。通过地面站网络、云调制解调器以及遥测、跟踪和控制功能的全球合作伙伴生态系统扩大卫星通信覆盖范围。用户可以通过直接云链接加快数据处理速度，通过广泛的合作伙伴网络连接卫星，依靠灵活和安全增强的地面站从您的卫星发送和接收数据，并使用加速软件调制解调器无缝处理数据。3.太空数据中心市场空间有多大？3.1.现阶段卫星行业硬件设备市场占比高，远期看服务类收入弹性更大目前卫星行业中硬件设备市场规模更大，但是长期看服务类市场弹性更大。2021年全球卫星产业市场规模为2790亿美元，其中卫星服务（通信、遥感等）对应的市场规模为1183亿美元（占比42%），地面设备（全球导航卫星系统GNSS、网络设备、大众消费设备）对应的市场规模为1420亿美元（占比51%），卫星制造对应的市场规模为137亿美元（占比5%），卫星发射对应的市场空间为57美元（占比2%）。3.2.太空数据中心云计算服务长期成长空间广阔短期太空数据中心云计算服务对应市场空间受算力&存储容量限制，长期看伴随着太空数据规模增长+太空云计算基础设施逐步完善，服务市场长期成长空间广阔。根据NSR的《卫星云计算第3版》报告预测，2021-2031年卫星/航天行业的基于云的服务将有机会获得310亿美元的累计收入，数据下行链路、卫星云服务有望成为两大重要市场，预计到2031年收入体量有望达到31/20亿美元。3.3.太空数据中心建设带动产业链价值分布重塑太空数据中心建设带动数据中心产业链价值量重新分布：1）地面数据中心：①上游主要包括：底层基础设施（供配电系统、散热制冷系统）+IT及网络设备（交换机、服务器、存储）+软件服务厂商提供数据中心管理系统+土建方+网络运营商；②中游主要是服务商（电信运营商、第三方中立IDC服务商、云计算厂商）；③下游主要是数据中心的使用者2）太空数据中心：①上游主要包括：底层基础设施（太阳能电池板+动力系统）+IT及网络设备（交换机、服务器、存储）+软件服务厂商+土建系统（太空数据中心建设以智能制造为主/卫星发射前搭载核心计算&存储平台）+地面站建设；②中游为服务商（卫星通信运营商+地面云计算厂商）；③下游主要是数据中心的使用者。卫星通信运营商：2021年1713颗卫星发射，其中82%用于商业卫星通信。低轨互联网星座保持大规模部署态势，其中SpaceX发射了989颗Starlink卫星，Oneweb发射了284颗卫星。据《2022年《卫星产业状况报告》发布》，预计到2026年，卫星通信行业总理论容量将达到219Tbit/s，其中91%来自低地球轨道（LEO），5%来自中地球轨道（MEO），4%来自地球同步轨道（GEO），总可销售容量将达到113Tbit/s。其中SpaceX公司占57%的市场份额，其次是亚马逊·柯伊伯公司（AmazonKuiper）占23%，欧洲卫星公司（SES）占8%。地面云服务厂商：太空数据中心需要与地面算力网络充分衔接，目前全球云计算龙头谷歌、亚马逊、微软布局/合作全球领先卫星同行运营商，亚马逊旗下Kuiper提供卫星通信服务，微软、谷歌和全球卫星通信龙头SpaceX合作，地面云服务厂商龙头地位有望持续强化。核心计算平台制造厂商：太空数据中心建设上游主要包括底层基础设施（太阳能电池板+电力系统）+IT及网络设备（交换机、服务器、存储）+软件服务厂商+土建系统（太空数据中心建设以智能制造为主/卫星发射前搭载核心计算&存储平台），硬件核心为计算平台（集成CPU、GPU、DSP、存储、能源供给系统等），主要功能为信息的处理和存储，我们认为和现有的地面数据中心服务器供应链重合度较高，服务器OEM/ODM厂商有望成为太空数据中心核心计算平台制造主要参与者。4.服务器为太空数据中心核心硬件服务器承担数据处理的核心功能，为地面数据中心建设主要成本构成，占数据中心成本比重约为70%，用于运算和存储的芯片占服务器总成本的比重超过50%。4.1.服务器—太空数据中心的核心计算硬件HPESpaceBorneComputer(SBC),验证了商用超级计算机应用在太空卫星应用的可能性，同时HPEEL8000也是OrbitsEdge卫星平台计算核心。2017年，HPE和NASA向太空发射了首个商用现成计算机系统星载计算机（SpaceBorneComputer(SBC)）,实证证明，SpaceBorne在国际空间站上的整个时间里都在全面运作。它在计划内和计划外的停电以及其他恶劣的太空条件(如零重力和不可预测的辐射水平)中幸存下来。它不仅在207天内每秒成功执行了超过1万亿(1万亿次浮点运算)的计算，而且无需重新设置。HPESBC-2于2021年2月20日在NorthropGrumman的CRS-15任务中发射升空,它以首次研究的成功为基础,带来了ISS前所未有的先进计算系统,它更深入地探索如何通过使用我们在地球上使用的现成商用计算机系统来加速太空探索,而无需昂贵、耗时或笨重的辐射屏蔽。HPESBC-2组件包括：1)HPEEdgelineConvergedEdgeSystem：为太空探索者提供支持GPU的人工智能(AI)和机器学习(ML)功能，该系统专为边缘的恶劣操作环境而设计；2)HPEProLiant服务器：凭借HPE最通用的产品无与伦比的性能、安全性和智能自动化,推动下一波太空数字化转型浪潮行业标准、机架优化的服务器；3)适用于Linux的HPEServiceguard：通过完全自动化、经过验证的高可用性(HA)和灾难恢复(DR)解决方案确保24x7应用程序可用性，该解决方案可以防止故障并实现无停机维护和升级。HPESpaceBorneComputer主要硬件配置：1）intelCPU；2）英伟达GPU；3）铠侠闪存D。4.1.1.计算—商用CPU&GPU可用于空间计算，处理器创新有望提升耐用性太空环境下工作的计算芯片通常需要进行抗辐射处理。否则太空中的电离辐射和宇宙射线会让CPU工作异常，除了特殊处理还需要经过更多年的测试才能最终获得太空飞行的认证。科普中国介绍：芯片实现抗辐射性能主要有两种方式，一是工艺加固，通过改变芯片的制造材料和工艺条件，降低芯片对辐射的敏感度，需要建设投资巨大的专用工艺线。二是设计加固，即在芯片设计阶段，通过各种巧妙的方法，使成品后的芯片具有阻隔、吸收、分流、掩蔽、猝熄等将辐射产生的危害化于无形的能力，这种方式无需专用工艺线。搭载intelCPU芯片和NvidiaGPU芯片的HPE商用超级计算机HPESpaceBorneComputer(SBC)，在NASA空间站的顺利运行一定程度上证明了地面商用芯片可用太空数据中心的计算。部分初创企业采用搭载独有芯片设计的计算平台以应对复杂空间环境下的高辐射水平和极端温度。来自以色列的公司Ramon.Space通过将类似地球的计算基础设施带入太空，使用空间弹性计算技术为当今的空间先驱提供计算、存储和连接能力，其核心是一个软件驱动的、低功耗、可靠且耐用的计算平台。该计算平台的软件驱动系统由其独特的AI/ML处理器提供支持，能够在太空中实现类似地球的计算能力。其计算的工作流可以分为地上和太空两个组成部分：1)地上：先对AI/ML模型进行解析并提取模型参数，并存储为模型中间态（MIF）和参数中间态（PIF）；地上系统对其并行化和优化后得到模型任务态（MTF）和参数任务态（PTF），这一步是根据已有的RC64（Ramon.Space自研的机器学习DSP处理器）芯片数以及核数优化的，这样做的目的是为了下一步得到同一任务的并行实例/任务平行线代码;2)太空：将MTF和PTF发射到太空后，这个实例会传入到参数化的通用层，与其他通用层构成整个系统代码。计算平台输入接收到的或者之前存储的数据，通过已经存在的解释器运行该模型，得到输出结果。以运行VGG-19模型为例，在该计算平台所搭有的RC64芯片处理下，其运行时间、速度和功率等参数与地面上的NvidiaJetsonNano计算平台性能十分接近。4.1.2.存储——商用Flash可用于太空存储，MRAM有望成为新选择闪存存储设备会面临宇宙辐射带来的信息误读，通过模块化冗余（信息的多重备份）可以提升存储的可靠性。宇宙辐射导致的单粒子翻转（SEU）或单粒子闩锁（SEL）会损害太空存储设备，也可能会导致浮栅层的电荷数变化导致读取的错误。通常采用三重模块化冗余(TMR)来提高可靠性。这增加了设计的复杂性,因大系统存储了三个数据副本(密度的三倍)。易失性存储器DRAM和SRAM设备会面临宇宙辐射带来的设备短路，可通过循环供电进行恢复。太空辐射对DRAM&SRAM最主要的影响来自于SEL：太空辐射中的带电粒子在穿过设备中的电流路径时，会产生电子-空穴对，这些沉积的电荷与NPN、PNP晶体管相互作用，从而形成可控硅整流器（SCR）或晶闸管结构，造成设备的短路。这种结构形成了一个反馈回路只能通过循环供电来恢复。Ramon.Space自研超高密度存储记录器NuStream：用于数据驱动的空间应用和空间服务，采用内部抗辐射技术构建，具有1TB的高容量、高数据速率和优化的SWaR，可提供可靠且强大的解决方案。NuStream使用由Ramon.Space内部RC64处理器控制的VirtualRadiationShield”实现的流技术和辐射耐受性提供并行多传感器记录。HPEEdgeline融合边缘系统和HPEProLiant服务器中采用了Kioxia固态硬盘。Kioxia提供了基于NAND闪存的固态硬盘，包括KioxiaRM系列ValueSAS和KioxiaXG系列NVMe固态硬盘，以支持这些解决方案。这些基于闪存的SSD比传统的硬盘驱动器存储更适合承受外层空间的功率、性能和可靠性要求，因为它们没有移动部件，不易受电磁波影响并提供更快的性能。MRAM采用自旋态作为信息存储载体，不受辐射粒子引起的S