计算机算力产业市场分析

计算机算力产业市场分析从CPU到GPU，核心技术当自强算力全面国产化时代已提前到来算力是数字经济运行和发展的基石和前提。IDC发布的《2021-2022全球计算力指数报告》指出，算力对经济增长的拉动具有长期性和倍增效应：计算力指数平均每提高1点，数字经济和GDP将分别增长3.5‰和1.8‰，当一个国家的计算力指数达到40分、60分时，计算力指数每提升1点，其对于GDP增长的推动力将分别增加1.5倍和3.0倍；算力全面国产化时代已提前到来。算力的基本载体是服务器，服务器的核心部件为CPU和类GPU等计算芯片，经过多年的技术积累和市场打磨，我国国产CPU已从“可用”进入“好用”阶段，以运营商和金融为代表的大客户正有序进行信创服务器的集采和规模化应用；随着新一轮AI算力升级的浪潮的兴起以及国际局势的迅速变化，我们认为AI算力芯片的国产化时点已提前到来。国内算力产业链的三大体系在国内，算力产业链整体属于生产制造业，经过多年发展，上下游厂商往往存在较为密切的股权/业务关系，可分为如下体系：中科院系——以海光为核心芯片，以中科曙光及ODM为主要整机厂的x86信创服务器体系，兼容性好；华为系——以鲲鹏+昇腾为核心芯片，以华为硬件生态合作伙伴（四川长虹、高新发展、宝德、超聚变、神州数码、烽火通信、拓维信息等）为主要整机厂的Arm信创服务器体系，自主可控程度更高；中电子系——以飞腾为核心芯片，以中国长城为主要整机厂的Arm信创服务器体系，自主可控程度高；整体上看，我国正在逐步完善产业链和生态，以应对日趋复杂的国际局势。CPU：从“可用”到“好用”国产CPU技术路线正逐步趋于收敛CPU根据架构主要分为x86及Arm，技术路线正逐步收敛于华为和海光两大体系。芯片的发展更看重能否形成更加完善的生态闭环，要求上游供应相对充足、自身性能及价格相比国外芯片具备一定的性价比、下游生态覆盖面广且最好是主流生态，综合上述因素来看，未来信创及商用CPU技术路线将逐步向华为ARM体系及海光X86体系收敛。2027年国产PC市场规模有望达到547亿我们预计27年国产PC市场空间有望达到547亿。根据我们《信创框架报告》测算，我们预计2024年国产PCCPU市场规模有望达到38亿（同比+50%），2027年有望达到87亿（24-27年CAGR+19%）；2024年国产PC市场规模有望达到239亿（同比+50%），2027年有望达到547亿（24-27年CAGR+32%）。2027年国产服务器市场规模有望达到千亿2022年服务器芯片国产化率达到25%。按照Counterpoint，2022年全球服务器芯片市场中X86占91%、ARM占6%、其它芯片占3%；根据Bernstein，目前中国市场服务器中ARM占比约15%，其它国产CPU（龙芯、海光、兆芯、申威等）占比约10%，合计国产芯片服务器占比达到25%；我们预计27年国产服务器市场空间有望达到千亿。根据我们《信创框架报告》测算，我们预计2024年国产服务器CPU市场规模有望达到198亿（同比+36%），2027年有望达到333亿（24-27年CAGR+19%）；2024年国产服务器市场规模有望达到594亿（同比+36%），2027年有望达到1000亿（24-27年CAGR+19%）。以运营商和金融为代表的行业客户已开始大规模集采国产服务器23年下半年开始，运营商和金融客户陆续进行国产服务器大规模集采，我们预计未来能源电力、制造业、医疗、教育等行业的央国企客户信创服务器集采也有望逐步开展；供应上看，Arm服务器在以运营商和银行为代表的行业信创采购大单中占比持续提升，如中信银行65亿订单中Arm芯片服务器约占服务器采购金额的3/4，我们预计未来Arm芯片服务器的份额将进一步提升。ARM：华为鲲鹏CPU主打高性能和低功耗鲲鹏920是华为自研的面向数据中心的核心CPU，主打高性能和低功耗。基于ARMv8.2架构，由华为公司自主设计完成，主频可达2.6GHz，单芯片可支持64核，支持8通道DDR4、100GRoCE以太网卡，具备PCle4.0及CCIX接口，可提供640Gbps总带宽，通过优化分支预测算法、提升运算单元数量、改进内存子系统架构等一系列微架构设计，大幅提高处理器性能，SPECintBenchmark评分超过930，超出业界标杆25%。X86：海光CPU兼具性能和兼容性海光基于AMD授权的x86指令集研制CPU，兼具性能和兼容性。以海光7285为例，相关参数为32核，64个超线程，2.0GHz主频，DDR4内存，内存通道数8，最高内存频率2666MHz，PCIe通道数128；海光使用先进的处理器微结构和缓存层次结构，改进了分支预测算法，使得每个时钟周期执行的指令数得到显著提高；依托先进的SoC架构和片上网络，集成了更多处理器核心；采用先进的工艺制程和物理设计方法，实现了处理器高主频设计，使海光CPU产品具有优异的产品性能，目前公司多款产品已在核心数、支持内存、内存通道数、PCIe通道数等方面处于国内前列，比肩全球主流产品；海光三号系列芯片是公司目前的主力产品。最高规格具备32核心64线程，拥有多达128条PCle4.0通道，支持内存频率提升至3200MHZ。相比上一代产品，海光三号的整体实测性能提升了约45%。在SOC设计、I/O带宽、取指单元、功能模块、防御机制等方面，海光三号均做了不同程度的优化，综合性能大幅跃升。海光四号有望采用全新自研微架构，有望对标Intel最新代顶级型号处理器的性能水平。LoongArch：龙芯3A6000性能比肩第10代酷睿i3处理器LoongArch龙架构为完全自主设计，与国际主流处理器的设计差距已补齐。第四代微架构LA664突破了国际主流CPU的标配——同时多线程(SMT)技术，全面提升了各项指标，首次将4发射提升到6发射，同时在ROB、定点/向量物理寄存器、发射队列、功能部件、载入/存储队列等各项指标上，都实现了50％到100％的提升，基本补齐了与当今主流处理器在通用处理能力、单核性能、设计能力的差距；3A6000性能与2020年10代酷睿i3-10100处理器相当。首款产品龙芯3A6000采用自主成熟工艺制造，4个物理核心，支持同时多线程技术(SMT2)，因此有8个逻辑核心，主频为2.5GHz,集成安全可信模块，可提供安全启动方案和国密（SM2、SM3、SM4等）应用支持；根据芯智讯，龙芯3A6000处理器总体性能与Intel2020年上市的第10代酷睿i3-10100四核处理器基本相当，下一步争取使用成熟工艺达到英特尔、AMD先进工艺CPU的性能；龙架构开放授权，打造国际第四大开源生态。在国外，龙架构获得了国际开源生态编号258，与x86、Arm、RISC-V处于等同的地位，得到了Linux系统内核、GCC/LLVM两大支柱性编译器、Rust/Golang/Pascal等传统与新兴编程语言、Nodejs/.net等主流应用开发框架等开源社区、开源软件的快速支持；在国内，首批面向微控制器、嵌入式、终端的龙芯CPUIP核已开放授权，国产操作系统及国内基础应用已支持龙架构，可以满足基本的办公、娱乐需求。超算：受限较早，徐徐前行超级计算用于处理极端复杂或数据密集型问题超级计算，又称高性能计算(HPC)，是计算科学的重要前沿分支，指利用并行工作的多台计算机系统（即超级计算机）的集中式计算资源，处理极端复杂或数据密集型问题，与智算相比，超算要求双精度计算（FP64），而智算一般要求单精度、半精度计算（FP32、16、8）；超算产业呈现典型的政策性特征。由于超算芯片所需技术难度较大，同时下游应用一般以前沿基础科学研究等非商业化需求为主，因而主要参与者为央国企、科研院所等单位，整体产业链发展呈现一定的政策周期性。超算芯片受限较早，我国超算在政策加持下已进入互联阶段超算CPU已在8年前受限。早在2015年4月，美国商务部就拒绝Intel向中国的国家超算广州中心、长沙中心、天津中心和国防科大出售“至强”芯片用于天河二号系统升级的申请，并将这4所中国机构列入出口管制名单；后续美国不断加紧对我国超算相关单位的限制，如2019年6月美国商务部依据《进出口管理条例》对中国超算三巨头中的“神威”和“曙光”实施制裁，将与此两者相关的5家中国企业列入“实体清单”，禁止向其提供美国技术及元器件；我国自受限后就开启了自强之路。2016年《“十三五”国家科技创新规划》明确提出要突破超级计算机中央处理器(CPU)架构设计技术，而后2021年的十四五规划明确提出建设E级和10E级超级计算中心，目前为了促进国产超算算力的上架率，科技部启动了超算互联网建设工作，目标建成一体化超算算力网络和服务平台，实现算力资源的统筹调度。预计2025年中国超算市场规模达到466亿元全球来看，据头豹研究院预计，以供应商HPC市场收入为口径进行市场规模测算，2017-2021年全球超算市场规模CAGR为12.2%，预计2021-2026年CAGR为6.1%，2026年超算HPC市场规模将达到395.3亿美元；中国来看，根据沙利文研究测算，2016-2021年中国超算服务市场规模CAGR为24.7%，预计2021-2025年CAGR为24.1%，2025年中国超算服务市场规模将达到466亿元。超算上云是必经之路，超算云服务市场规模有望达到700亿国家超算互联网分为基础算力层、运行管理层、服务运营商三层参与者。由超算中心提供基础算力，运行管理者负责管理资源并实现接口调用，服务运营商作为超算服务运营主体，未来还可以建设类似应用商店的超算应用软件平台，目标是到2025年底，通过超算互联网建设，打造国家算力底座，促进超算算力的一体化运营；超算服务需要大量同时熟悉超算技术和行业科研思维的复合型人才，互联有利于资源的有效配置。由于超算涉及领域广泛且细碎，如海洋气象、地质勘探、工业仿真、富媒体渲染等超算服务场景对超算服务的要求不尽相同，包括超算资源的调度、软件系统的搭配等均不一，因而只有服务商对各个典型使用场景有着深刻的理解，才能设计出符合下游用户使用习惯的产品服务矩阵，各国家级超算中心人才专长领域不同，超算互联和上云有利于实现人才、资源的合理配置，促进超算行业的商业化发展；中国超算云服务市场规模远期有望达到700亿。根据沙利文，按照实验室数量*超算云服务渗透率*年消费额的公式测算，预计中国超算云服务市场规模远期有望达到700亿，其中630亿为企业主导，未来商用企业市场潜力巨大。智算：限制加速，国产化时点提前到来美国加大AI芯片管制措施，AI算力国产化时点已提前到来拜登政府上台以来，通过联盟的方式对华半导体产业形成多边管制的态势逐渐明晰，近期出台了《先进计算芯片规则（AC/SIFR）》、《扩大半导体制造项目出口管制暂行最终规则（SMEIFR）》以及增加了BIS“实体清单”，以对芯片设计、代工、生产设备、芯片供应、人员等多环节进行限制，我们认为充沛的算力是AI大模型成功实现商业化落地的前提，AI算力的国产化时点已提前到来。智算算力新基建顶层规划已出，各地政策有望逐步跟进《算力基础设施高质量发展行动计划》从全局对全国智算算力进行了顶层规划，并强调网络联通，以往各自为政的局面有望得到统一，使用国产芯片建设的智算中心上架率有望提升。10月9日，工信部等六部门联合印发《算力基础设施高质量发展行动计划》（以下简称“行动计划”），明确提出了到2025年全国算力目标规模超过300EFlops，智能算力占比达到35%，重点应用场所光传送网（OTN）覆盖率达到80%，工业、金融等领域算力渗透率显著提升，医疗、交通等领域应用实现规模化复制推广，能源、教育等领域应用范围进一步扩大；“行动计划”从顶层明确了未来三年全国智算算力的建设目标及节奏，解决了各地智算中心建设节奏、标准不统一、各自为政的情况，可以从全国层面实现智算算力的混合调用，也将有利于提升国产智算算力上架率。2024年国产AI算力需求有望接近100EFlops考虑到我国国产AI芯片供应商的产能供应、生态适配、综合性价比等情况，国内AI芯片与英伟达H100芯片相比仍有一定差距，因此我们认为政策性客户有望逐步全面转向国产AI芯片，商用客户如互联网有望将百亿参数模型的部分训练和推理需求转向国产AI芯片，2024年我国国产芯片主要需求将包括：政府智算中心、运营商、金融、第三方大模型厂商、互联网厂商，根据我们的测算，按8卡昇腾910AI服务器计算，2024年预计昇腾910出货量为30.7万张，对应3.84万台AI服务器。国产AI芯片单卡部分指标接近英伟达，华为、海光具备竞争力运算协处理器基于不同的设计思想存在多条技术路线，包括GPGPU、ASIC、FPGA等。其中GPGPU的代表企业包括NVIDIA和AMD；利用ASIC技术，许多大公司都研发了协处理器产品，包括Intel的Phi和NNP、Google的TPU、华为昇腾、寒武纪思元等；基于Int