电子行业分析研究

电子行业分析研究1.消费电子：本源驱动力来自“科技树”本章节论述，科技树上看“消费电子”，会理解本次产业变化较大。1.1“汉诺塔”，科技树2016年7月我们发布《“遗”技之长——全行业技术渗透之“汉诺塔》，系统性论述了“科技树“和底层变化的威力。当前“科技树“变化至少包括：1）半导体制程：7nm风靡，当前研发制程大约在3nm，对应晶体管密度1-1.2亿晶体管/平方毫米（百亿晶体管级别）。2）通信：一方面，5G下沉到车载/制造等；另一方面，星闪（蓝牙+wifi）+“e-MIMO“有6G特征。通信的底层技术数学，在数学约束下完成波特率/成本/功耗/信噪比等的折中，大量计算来自矩阵运算。这种计算和GPU/DSA的数学原理是一致的。3）芯片设计：近期趋势是Chiplet+DSA+GPU+异构，而且RISCV也有推广可能。4）AI：2019-2023年transformer风靡，预计2024年拓展到GPT4，且多模态会是趋势。5）OS操作系统：车载OS/鸿蒙3.0已经质变，当前鸿蒙4升级客户已经突破6000万。我们可以按照华为的科技树来理解近期科技的产业链变化。对于华为当前的科技：半导体代表为海思，通信代表为卫星互联网和星闪，计算代表为手机业务、算力和荣耀（过去），智能的代表是昇腾、盘古大模型和ADAS，软件代表是鸿蒙、欧拉、高斯。此外热管理（家电为主）、显示（家电为主）、液冷（机械、新能源为主）等也可圈可点。1.2消费电子：科技树上较大一次变化节点根据产业链图，半导体制程、通信协议、体系结构、服务应用等其他“科技树”环节的变化，应当会拉动消费电子新一轮更新。这在历史上，有较为详细数据佐证。根据IDC对桌面级、工作站、笔记本电脑、智能手机、VRAR等领域的统计tracker数据，再根据盖世汽车、Statista的智能汽车数据，得到全球消费电子整体结论。广义的消费电子总规模是历年稳定成长的，但其创新载体总是从一个迁移到另一个。而对单一载体，其发展存在周期性。而拉动载体变化的，往往是产业链上下游，尤其是上层应用的变化。1）PC电脑的发展，Windows98-2000对其推广有帮助。1998年6月Windows98发布，从这代开始，微软将成为pc界领军。从2000年2月Windows2000开始，微软首次针对同代操作系统进行细分，以更好匹配用户应用需求。Win2000出现了专业版（Professional）、服务器版（Server）、高级服务器版（AdvancedServer）、数据中心版（DataCenterServer）四个版本。重磅的IT应用（视窗风格的操作系统逐渐易用）刺激硬件渗透。国际数据公司（IDC）统计，2000年亚太地区（日本除外）的PC市场增长了38.5%，达到1990万台。中国是该地区最大的市场，2000年的PC销售量达到717万台，比1999年高出45.1%。2）笔记本电脑NoteBook大约2005年后国内风靡，半导体0.13微米/操作系统WindowsXP对其推广大有裨益。随着笔记本电脑行业技术的不断提高，以及第二代SandyBridge处理器的面市，8-12英寸屏幕的笔记本电脑已经流行。超薄笔记本电脑的处理器、内存、硬盘等主要配件，在性能方面都不逊色。半导体方面：0.13微米制程和低功耗对笔记本推广有帮助。2001年，英特尔推出了首次应用0.13微米、铜互连技术的Tualatin核心奔腾Ⅲ处理器。HT超线程技术也出现，无论英特尔还是AMD的产品，大多功耗较低而且性价比较高。操作系统和应用方面：2001年发布的经典操作系统WindowsXP（直至2013-2014年）为笔记本电脑的普及，发挥了重要作用。3）智能手机大约2009年后风靡，应用服务（例如苹果商店、安卓生态）等应用促进更新，半导体处理器（例如多核、电源管理IC）和通信技术（3G、4G）的变革也有帮助。苹果公司2007年发布iPhone初代，2011年10月发布的iPhone4s引发较大热潮。此后10年，智能手机经历了渗透率增加、提价和格局变化，至今依然较为活跃。操作系统和应用方面：根据百度百科，2008年3月，苹果对外发布了针对iPhone的应用开发包（SDK），供免费下载，以便第三方应用开发人员开发针对iPhone及Touch的应用软件。2011年1月6日，AppStore扩展至Mac平台。用户购买应用所支付的费用由苹果与应用开发商3：7分成。类似的还有安卓，2007年11月，谷歌公司正式向外界展示了这款名为Android的操作系统，并且在这天谷歌宣布建立一个全球性的联盟组织。软件、IT服务、互联网服务的大量繁荣，促进了智能手机的持续渗透，因为它增加了网络效应。半导体和其他硬件方面：明星产品苹果iPhone4S的成功，离不开较多半导体/硬件技术的进步。除了摄像头模组、视网膜屏幕，自身研发的A5芯片是亮点。A5是iOS平台首款同步双核处理器，它的计算性能比iPhone4配置的A4性能高2倍，图形处理性能，是之前的9倍。苹果A4处理器的工作频率固定在1GHz，而A5处理器则可以随当前运行的应用程序而改变频率。A5处理器采用了比A4更优秀的电源管理电路设计。智能手机2009年后风靡，还与3G-4G通信普及息息相关。4）智联汽车大约2018年后，体系结构、算法变化拉动很大。体系结构方面：过去汽车以电机/电器/能源技术为主要驱动，零件相对分立。而伴随虚拟化技术风靡，渗透到汽车领域，促成了经典五域/三域的域控制器变化。这影响了2018年后ADAS/智能汽车领域产业的变化。算法方面：智能汽车先采用“后融合1“的方法生成ADAS算法，随后发展到“前融合2“。近年“端到端”算法风靡。5）2023H2后，科技树有较大技术变化，尤其AI场景在终端（PC+手机）的渗透，演绎了新一版本的“安迪-比尔”定律。在ICT中，“通信-计算-存储-IO”之间存在迭代关系，总有相对的速度短板。1）之前5-10年，半导体制程是14-20nm，相应的通信协议也匹配当时的传输速率和信噪比。2）伴随华为9000S芯片的发布，5nm/7nm制程的加速风靡，使通信协议有机会重新设计（4G/PCIE/NVlink/Infiniband都是当时风靡的半导体制程下效率较高的）。当前通信圈的卫星通信/星闪NearLink都是冰山一角，5.5G/6G通信已经开展。3）一旦半导体+通信两大ICT节点都可以更新，那么就给重大的科技应用提供了空间（这在PC/手机/车载都出现过），例如AI场景渗透到终端，包括PC和手机。4）鲶鱼效应会促进这个过程。一旦1-2家巨头开始加速，那可能带来消费电子更新潮。5）此前2-3年消费电子的平淡，会让换机弹性更大！2.产业链上下游驱动：AIPC，鲶鱼效应之前论述了”科技树”其他环节带动消费电子更新。本章论述AI领域的重要载体：消费电子终端，即AIPC。而巨头的频频发力，会加速这个过程，形成“鲶鱼效应”。2.1AI新场景：AIPC如前述，AI场景，渗透到终端，可能配合新一轮消费电子更新潮，较有前景。即消费电子已经相对平淡了2-3年，AI应用的拉动、功能的增强、价格的提升，都促成终端（PC+手机）的换机和反转更加猛烈。1）AI大模型功能的手机。根据36氪等，大模型已经成为全球领先手机厂商的重点投入方向。例如谷歌/华为/小米/Oppo/Vivo。2）AI应用提升手机。根据钛媒体等，大模型有望全方面提升手机能力，并刺激用户换机意愿。例如AI助手/AI优化摄影/体验提升等。3）手机底层的AI芯片也在更新。根据新浪，快科技等，手机/PC芯片厂商正在大幅提升对AI能力的支持。例如高通/联发科/英特尔。2.2场景：松耦合，消费电子AI是新场景10月24日，以“AIforAll”为主题的第九届联想创新科技大会上，联想集团展示了首款AIPC，预计将于2024年下半年发布，并深化与微软、英伟达、高通等企业合作。同一时间段，海外英特尔、高通、AMD等芯片厂商纷纷发布AIPC相关产品及计划，正式拉开AIPC的新时代帷幕。AIPC的本质是边缘端侧AI的子集，是AI云-边-端在消费电子场景的率先落地。从算力以及耦合角度来分，产业界将集群尺度分为两个路径：1）AI大型机：诸如DGXGH200的紧耦合形态，适用于千亿级甚至十万亿级大模型的推理运算，带宽及算力具备显著优势，但成本相对高昂。2）AI云：松耦合系统多设备体系构成的AI云，在消费级应用场景诸如StableDiffusion逐步发力，在数百亿级别的模型运算具备落地能力及性价比。端侧AI在降低网络延迟和负担、数据隐私安全以及用户体验方面具备优势：1）降低网络负担和延迟：终端计算在边端进行。促进设备端分担AI运算负担，可利用本地数据进行决策，在算力制裁背景下，结合国内模型参数生态，落地方面具备实际性和性价比。2）数据隐私性和安全性：AI端侧运算将AI算法部署在设备端，可以在不将数据传输到云端的情况下对数据进行处理和分析，从而保护数据隐私和安全。3）改善离线场景用户体验：可运用于线下离线场景，为用户侧提供计算、存储、网络为一体的超融合基础设施，提升用户数据安全性、隐私性，提供定制化服务，提升用户体验。2.3算法与架构：算法/架构/IP设计/封装均推陈出新软硬件的持续迭代是促进AIPC发展的核心驱动力。将AI模型部署到边缘设备上，需要优化算法，并提升芯片性能，降低功耗。1）模型层面，华为及小米已经发布专为端侧AI设计的百亿级以下轻量级模型，便于模型在手机端及PC端落地。2）算法层面，联想及华为运用模型压缩技术，使其能够适应较小的计算资源和存储空间，让AIPC实现成为可能。3）硬件方面，英特尔、华为等通过改进IP设计架构、封装技术迭代，促进芯片性能提升，提高AI运算效率的同时降低功耗。算法：蒸馏及量化促进模型压缩技术迭代，提升模型的精度和推理速度。据华为云开发者联盟，华为主要通过三种方式进行模型。1）剪裁：通过将模型结构中不重要的网络结构剪裁掉，实现推理速度提升。删除模型中权重较小的神经元节点的，对模型加载信息的影响微乎其微。2）量化：将float32的数据计算精度变成int8的计算精度，牺牲一点模型精度来换取更快的计算速度。3）蒸馏：利用已有大模型训练效果接近的小模型。硬件：我们梳理英特尔、高通、华为等巨头针对AIPC所进行的硬件迭代，半导体侧主要变革体现在IP设计、封装等方面。IP设计：重新设计SoC架构模块，增加高带宽可拓展结构。以英特尔“流星湖”处理器为例，市场上的SoC架构，媒体IP被嵌入到图形模块当中，由于图形和媒体采用与CPU核心相同的环形结构来访问内存，当图形或媒体需要访问内存时，大量的逻辑访问使CPU保持开启，因此能耗较高。“流星湖”处理器上，英特尔采取的方案是将媒体和图形模块分开，使两者都独立连接到SoC中的计算核心。由于增加设计了新的高带宽可拓展结构，所有主要模块，包括NPU、媒体、图形等都可获得完整的内存带宽。封装：采用Foveros3D封装，核心考量高密度、高性能、低延迟。一方面，为实现AIPC中对于高带宽、低功耗、低延迟的需求，英特尔采用Foveros3D封装技术，主要提供扩展和重新配置的灵活性。据IEEE华为发布的相关论文，华为服务器采取异构Chiplet架构，并提出一种无缓冲多环NoC设计，可提供无缓冲连接区，具备可拓展性且可降低平均延迟。2.4海外巨头：英特尔/高通示范英特尔：推出首个AIPC加速计划，发布第五代Ultra处理器，预计2025年支持1亿台AIPC，显著提升运算性能。在2023年12月14日，推出第五代“酷睿Ultra”处理器，预计将在2025年支持1亿台PC实现AI性能。Ultra具备高能效的能效核（E-core）处理器SierraForest将于2024年上半年上市。与第四代至强相比，拥有288核的该处理器预计将使机架密度提升2.5倍，每瓦性能提高2.4倍。高通AIPC实施路径主要旨在通过混合AI架构，将云端数据转移至PC边缘端。据ComputeX2023，高通宣布骁龙已可以实现在手机、PC等边缘端进行Stable-Diffusion的应用，在支持百亿级参数大模型处理的同时离线处理其他工作流。技术路径上，高通通过采用混合AI架构，将云端推理与边缘端PC运算结合，在用户端实现无缝体验。B端，提升了OEM、ISV数据中心能耗效率、节约开支，C端，帮助保证了用户的数据安全及隐私性，并提升了离线使用的便捷性。高通预计2025年发布骁龙EliteX，旨在提升边缘端AI性能处理能力。据AnalyticsInsight，10月24日，高通介绍了其为微软AI-PC设计的芯片“骁龙EliteX”，宣称其性能在能耗等方面将超越苹果M2以及英特尔。骁龙EliteX预计将会于2024年发布，这款芯片将具备处理130亿参数模型的能力，并着重优化了AI相关的性能，包括邮件总结、图像生成等任务。3.产业链上下游驱动：通信协议+半导体+机械装备3.1半导体：制程进步，允许“设计自由度”增加数字电路IC设计中，关键路径影响时钟频率，即速度。IC设计，尤其数字电路设计中，有个重要环节叫做静态时序分析（STA，StaticTimingAnalysis）。静态时序分析的思想是，在网表（即数字电路）中找到关键路径（CriticalPath）。关键路径是netlist中信号传播时延的最长路径,即数字电路中,组合逻辑时延最大的路径。关键路径决定芯片的最高工作频率。数字电路IC设计中，半导体制程进步会允许“更复杂的设计“，可以看做“设计的自由度在增加”。伴随半导体制程的进步，单个逻辑单元更小，延迟相对变少（除了长导线、抖动、偏移skew、串扰等问题影响延迟），关键路径CriticalPath中能容纳的逻辑单元更复杂。这样就可以实现更复杂的功能和算法，工作频率也可能提高。我们用产业数字论证这一点。尽管大规模集成电路的功能、制程、低功耗策略有差异，但晶体管密度可以做一个近似的模拟。随着时间推移，半导体制程进步，晶体管密度以近似线性的速度持续进步，这可以理解为“设计的自由度增加”。上一轮PC/手机有较大更新的年份大约是2017-2020年，当时14-10nm制程风靡。当前这一轮，7-5nm制程风靡。1-2代半导体制程进步，允许的关键路径（CriticalPath）不同，设计的自由度增加。而云端和AI计算的性能提升，或恰好能利用“设计自由度”。3.2通信：有较大“设计自由度”空间上述“通信-计算-存储-IO之间存在迭代关系，总有相对的速度短板“的思想，在特斯拉公开论文《DOJO:Super-ComputeSystemScalingforMLTraining》中，有系统化论述。即通信至少不能成为ICT系统中的速度瓶颈。而英伟达A100/H100等流行GPU的Datasheet表明，通信当前可能是复杂ICT系统较容易成为瓶颈的。根据通信历史，无论蜂窝通信还是无限通信历史，可以发现通信重要的进步经常发生在1990-2015年，而当前允许的“设计自由度”已经较大。1）蜂窝通信：2G通信用到的CDMA（码分多址，CodeDivisionMultipleAccess）主要是90年代推广。3G+4G通信常用的TDD/FDD（时分为Time-divisionDuplex，频分为Frequency-divisionDuplex）主要是2000年后推广。4G重要的OFDM（正交频分多址，OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess）技术，在约2010-2015年风靡。2）无线通信：需要兼容历史标准，这会减少设计的灵活度。通信的底层往往是数学。在数学计算的相对极限中，可以得到通信速度（波特率）/信噪比（鲁棒性）/成本等重要指标的折中，这样就得到了通信协议。而每一代半导体制程的进步，都允许”设计自由度“增加，也就是允许重新设计。既然通信协议主要的进步发生在1990-2015年，且需要兼容的历史版本较多，如果重新设计通信协议，是有机会的。华为星闪NearLink就是一个证明。它甚至没有充分利用半导体工艺的进步，即已经取得较好的全面指标。而通信“设计自由度”的增加，也让消费电子利用这些新通信协议、新通信工具的空间提升了。例如完成AI和云的数据同步，就要充分利用通信技术，这都可能成为吸引投资者更新购买的特色。3.3机械装备：消费电子金属加工+新设备新材料钛合金性能优越，在消费电子中的应用日益广泛。钛合金具有强度高、耐腐蚀、耐疲劳等多重优势，在消费电子中应用渗透逐步提升，近期多款消费电子产品中，均有钛合金