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  隨著人工智能技術(shù)日趨成熟，數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，人工智能商業(yè)化應(yīng)用將加落地，推動(dòng)AI芯片市場(chǎng)高速增長。2025年全球人工智能芯片市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到726億美元。未來幾年內(nèi)，中國人工智能芯片市場(chǎng)規(guī)模將保持年均40%至50%的增長速度，到2024年，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到785億元。

  同時(shí)，隨著美國持續(xù)加大對(duì)中國高端芯片的出口限制，高速運(yùn)算相關(guān)的芯片國產(chǎn)化進(jìn)程必然加快。

  一、AI芯片行業(yè)概覽

  AI服務(wù)器相較于高性能服務(wù)器、基礎(chǔ)服務(wù)器在芯片組(CPU+GPU)的價(jià)格往往更高，AI服務(wù)器(訓(xùn)練)芯片組的成本占比高達(dá)83%、AI服務(wù)器(推理)芯片組占比為50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于通用服務(wù)器芯片組的占比。

  AI芯片主要包括圖形處理器(GPU)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)、專用集成電路(ASIC)、神經(jīng)擬態(tài)芯片(NPU)等。

  GPU是顯卡的核心單元，是單指令、多數(shù)據(jù)處理器。其采用數(shù)量眾多的計(jì)算單元和超長的流水線，在圖形領(lǐng)域的加速方面具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

  FPGA集成了大量的基本門電路及存儲(chǔ)器，利用門電路直接運(yùn)算、速度較快。用戶可以自由定義這些門電路和存儲(chǔ)器之間的布線，改變執(zhí)行方案，從而調(diào)整到最佳運(yùn)行效果。相較于GPU靈活度更高、功耗更低。

  ASIC為特定目的、面向特定用戶需求設(shè)計(jì)的定制芯片，具備體積小、功耗低、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)。在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下，具備成本低的特點(diǎn)。

  CPU、GPU、FPGA、TPU、ASIC對(duì)比(縱軸代表靈活性、橫軸代表性能):

  二、GPU：專用計(jì)算的剛需

  GPU(GraphicsProcessingUnit，圖形處理器)：是英偉達(dá)公司在1999年8月發(fā)表NVIDIAGeForce256(GeForce256)繪圖處理芯片時(shí)首先提出的概念。

  是一種專門在個(gè)人電腦、工作站、游戲機(jī)和一些移動(dòng)設(shè)備(如平板電腦、智能手機(jī)等)上做圖像加速和通用計(jì)算工作的微處理器。

  GPU的優(yōu)點(diǎn)是性能高通用性好、缺點(diǎn)是功耗高，擁有硬件技術(shù)的核心壁壘，可同時(shí)用于GPT模型的訓(xùn)練和推理過程。

  GPU可作為深度學(xué)習(xí)的訓(xùn)練平臺(tái)，優(yōu)勢(shì)在于：

  1、GPU服務(wù)器可直接加速計(jì)算服務(wù)，亦可直接與外界連接通信;

  2、GPU服務(wù)器和云服務(wù)器搭配使用，云服務(wù)器為主，GPU服務(wù)器負(fù)責(zé)提供計(jì)算平臺(tái);

  3、對(duì)象存儲(chǔ)COS 可以為GPU服務(wù)器提供大數(shù)據(jù)量的云存儲(chǔ)服務(wù)。

  GPU行業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈主要涉及三個(gè)環(huán)節(jié)：設(shè)計(jì)、制造、封裝。

  全球范圍競爭格局來看，GPU市場(chǎng)基本被海外巨頭壟斷，位居產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)核心，對(duì)全球GPU行業(yè)起著決定性的作用。

  集成顯卡方面，由于英特爾是全球最大的CPU廠商，而目前帶GPU的CPU仍占主要GPU需求，因此市場(chǎng)主要由英特爾主導(dǎo)，其PC GPU出貨量占全球PC GPU出貨量的比例保持在60%-70%之間;AMD，英偉達(dá)緊隨其后。

  獨(dú)立顯卡方面，英偉達(dá)占據(jù)著絕對(duì)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位，其市場(chǎng)份額常年在75%-80%之間，AMD則是獨(dú)立顯卡市場(chǎng)的第二大玩家，市占率約20%。

  因此，盡管從全球范圍來看GPU市場(chǎng)一直保持著較高增速，但真正的玩家只有英特爾，英偉達(dá)，AMD等少數(shù)海外巨頭。

從國產(chǎn)替代方案來看，具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)的頭部廠商包括景嘉微、龍芯中科、海光信息、寒武紀(jì)、芯原股份等。該環(huán)節(jié)主要玩家還包括好利科技、壁仞科技、芯動(dòng)科技、沐曦、摩爾線程等。

  國內(nèi)GPU市場(chǎng)格局及部分代表廠商：

  三、GPGPU：門檻極高的領(lǐng)域

  GPGPU服務(wù)器是目前AI加速服務(wù)器的最主流選擇。

  GPU的核心價(jià)值體現(xiàn)在圖形圖像渲染，而GPGPU的重點(diǎn)在于算力，雖然都是由GPU的架構(gòu)演進(jìn)而來，但所關(guān)注的重點(diǎn)有明顯區(qū)別。

  GPGPU架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，去掉了GPU為了圖形處理而設(shè)計(jì)的加速硬件單元，保留了GPU的SIMT架構(gòu)和通用計(jì)算單元，使之更適合高性能并行計(jì)算，并能使用更高級(jí)別的編程語言，在性能、易用性和通用性上更加強(qiáng)大。

  隨著AI加速服務(wù)器需求的快速提升，GPGPU出貨量有望迎來顯著增長。

  IDC預(yù)計(jì)2025年我國GPGPU芯片需求量將達(dá)到329.95萬顆，出貨量將實(shí)現(xiàn)顯著增長。

  GPGPU是一個(gè)門檻極高的領(lǐng)域。在中國市場(chǎng)上，根據(jù)IDC數(shù)據(jù)，2021年英偉達(dá)占據(jù)我國加速卡80%以上市場(chǎng)份額，處于市場(chǎng)領(lǐng)先地位。

  國產(chǎn)企業(yè)中，海光信息、華為海思、寒武紀(jì)等都是國產(chǎn)協(xié)處理器研發(fā)的主要企業(yè)。中科曙光的GPGPU產(chǎn)品深算一號(hào)在2021年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，首年實(shí)現(xiàn)銷售額2.39億元，出貨量1.24萬片，成為最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化銷售的國產(chǎn)GPGPU芯片之一。

  四、FPGA

  FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)芯片集成了大量的基本門電路以及存儲(chǔ)器，靈活性介于CPU、GPU和ASIC之間，在硬件固定之前，允許使用者靈活使用軟件進(jìn)行編程。

  在人工智能領(lǐng)域，FPGA 芯片可以作為加速卡加速人工智能算法的硬件級(jí)運(yùn)算速度。

  FPGA 芯片擅長將運(yùn)算在空間維度并行展開，十分契合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)算需求，因此能夠明顯提升人工智能算法的計(jì)算速度，在面向人工智能領(lǐng)域的計(jì)算密集型任務(wù)時(shí)，F(xiàn)PGA芯片流水線并行和數(shù)據(jù)并行的特點(diǎn)也能很大程度提升系統(tǒng)的運(yùn)算效率。

  海外廠商主導(dǎo)全球FPGA市場(chǎng)，賽靈思和英特爾形成雙頭壟斷，國內(nèi)企業(yè)持續(xù)加大FPGA 芯片的布局，成長空間巨大。

  國內(nèi)主要廠商包括復(fù)旦微電、紫光國微和安路科技。

  復(fù)旦微電和紫光國微在特種FPGA領(lǐng)域已經(jīng)陸續(xù)突破2xnm及1xnm，下游國產(chǎn)化率持續(xù)提升。

  復(fù)旦微電高可靠FPGA 技術(shù)領(lǐng)先，率先推出億門級(jí)FPGA 和PSoC 芯片，應(yīng)用領(lǐng)域不斷豐富。

  紫光同創(chuàng)(紫光國微持股30%)是國內(nèi)特種集成電路行業(yè)領(lǐng)先者，產(chǎn)品覆蓋500 多個(gè)品種，特種領(lǐng)域FPGA 持續(xù)更新。

  安路科技是國內(nèi)民用FPGA龍頭。2021年發(fā)布了FPSoC系列產(chǎn)品SWIFT1，2022年用于FPSoC系列產(chǎn)品的軟件工具FutureDynasty發(fā)布，建立了FPGA軟硬件生態(tài)系統(tǒng)。

  五、ASIC

  ASIC(專用芯片)是一種為特定目的、面向特定用戶需求設(shè)計(jì)的定制芯片，具備性能更強(qiáng)、體積小、功耗低、可靠性更高等優(yōu)點(diǎn)。在大規(guī)模量產(chǎn)的情況下，還具備成本低的特點(diǎn)。

  隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計(jì)算的發(fā)展，大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)，對(duì)計(jì)算效率、計(jì)算能耗等都提出了更高的要求，在此背景下，ASIC芯片開始受到重視。

  ASIC主要應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)加速，目前市場(chǎng)上主流ASIC有TPU芯片、NPU芯片、VPU芯片以及BPU芯片。

  國外谷歌、英特爾、英偉達(dá)等科技巨頭相繼發(fā)布了TPU、DPU等ASIC芯片，國內(nèi)寒武紀(jì)、比特大陸、地平線等公司也都推出了深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速的ASIC芯片。

  其中表現(xiàn)最為突出的ASIC就是Google的TPU(張量處理芯片)。谷歌數(shù)據(jù)顯示，TPU 平均比當(dāng)時(shí)的GPU或CPU快15-30倍，能耗比高出約30-80倍。

  但是ASIC一旦制造完成以后就不能后續(xù)修改，且研發(fā)周期較長、商業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大。一般只有大企業(yè)或背靠大企業(yè)的團(tuán)隊(duì)愿意投入到它的完整開發(fā)中。

  KBVResearch報(bào)告數(shù)據(jù)顯示，2019-2025年，全球ASIC芯片市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將達(dá)到247億美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)以8.2%的復(fù)合年增長率增長。

  近年來，國內(nèi)一些AI算法企業(yè)開始向下游延伸，針對(duì)自身算法特點(diǎn)自研或者聯(lián)合開發(fā)芯片，行業(yè)呈現(xiàn)出百花齊放的狀態(tài)。隨著大模型AI對(duì)算力、存儲(chǔ)需求加大，推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)和制造升級(jí)。疊加國際地緣形勢(shì)緊張，AI芯片國產(chǎn)替代需求強(qiáng)烈。在各方因素的推動(dòng)下，核心環(huán)節(jié)具有先發(fā)優(yōu)勢(shì)的廠商有望引領(lǐng)行業(yè)國產(chǎn)化發(fā)展加速。