从国家安全角度,国产 GPU势在必行,对于国产 GPU厂商而言是时代机遇。

文/每日财报 刘锋

美国对中国半导体芯片制裁的力度一次又一次加强,其中就包括对高性能GPU芯片的限制。

GPU,指 Graphics Processing Unit,图形处理器,进行图形和图像相关运算工作的微处理器。

GPU 概念自20世纪70年代末提出,其角色变换从最早分担 CPU 压力的附属硬件,到由于能承担大规模运算而逐渐被人们重视。如今,GPU国产化正在如火如荼地进行。

后摩尔定律时代

历史上,由于摩尔定律的存在,使得 CPU 处理器的性能可以满足应用软件不断升级的 需求。但近几年随着半导体技术改进达到物理极限,电路复杂度逐渐提升。2016 年 3 月 24 日,英特尔宣布正式停用“Tick-Tock”处理器研发模式,未来研发周期将从两年周期向三年期转变。至此,摩尔定律对英特尔几近失效。

随着互联网用户和各类网络应用的快速增长,数据体量的急剧膨胀,数据中心对计算的 需求也在迅猛上涨。诸如深度学习在线预测、直播中的视频转码、图片压缩解压缩以及 HTTPS 加密等各类应用对计算的需求已远远超出了传统 CPU 处理器的能力所及。

一方面,处理器性能再无法按照摩尔定律进行增长,另一方面数据增长对计算性能要求超过了按“摩尔定律”增长的速度。CPU 处理器本身无法满足计算性能需求,导致需求和性能之间出现了缺口。解决方法是通过硬件加速,采用专用协处理器的异构计算方式来提升处理性能,而 GPU 凭借其相对通用灵活和适应并行计算等特性成为主要选择。

当前主要兴起的计算芯片分别为 GPU、ASIC、FPGA 等,其中 GPU 最初专用于图形处理制作,后逐渐应用于计算,是核心计算资源底座。以在 AI 市场的应用为例,IDC 研究发现,2021 年上半年,中国人工智能芯片中,GPU依然是实现数据中心加速的首选,占有90% 以上的市场份额,而 ASIC、FPGA、NPU 等其他非 GPU 芯片也在各个行业和领域被越来越多地采用,整体市场份额接近10%。

依据 T4 的统计数据,2020 年全球 GPU 市场规模价值 200 亿美元,预计 2021年将增长 15%,从 2015 年到 2025 年平均每年增长 13%,从80亿美元扩大到 350亿美元。而依据 Allied Market Research 预测,2019年全球 GPU 市场规模为 197.5亿美元,预计到 2027 年将达到 2008.5 亿美元,2020 年至 2027 年的复合年增长率为 33.6%,对比来看 Allied Market Research 对 GPU 市场空间更为乐观。

从下游应用来看,GPU 需求仍在快速增长期,其中游戏领域是GPU 应用的传统应用领域。

参考 GPU全球龙头英伟达的营收数据,其游戏领域业务收入由 2019 年的 55.18 亿元 增长至 2021 年的 124.62 亿元,近三年符合增长率31.20%,整体趋势保持稳定增长,为英伟达占比最高的业务。另一方面,伴随人工智能算法的不断普及和应用,以及对商业计算和大数据处理的算力需求的不断增长,全球范围内数据中心对计算加速硬件的需求不断上升。英伟达数据中心业务收入由 2019 年的 29.83 亿美元增长至 2021 年的 106.13 亿美元,近三年复合增长率高达52.66%,增速远超其他板块业务。NVIDIA 数据中心业务收入的快速增长体现了下游数据中心市场对于泛人工智能类芯片(以 GPU为主)的旺盛需求。

三强垄断

全球 GPU 市场中,基本被 Nvidia、Intel 和 AMD 三家垄断。

据 JPR 统计,全球PC GPU在 2022 年 Q2出货量达到 8400万台,同比下降 34%,预计 2022-2026 GPU复合增长率为3.8%,在未来五年内 dGPU 在 PC 中渗透率增长至 30%。从市场格局来看, Nvidia、Intel 和 AMD三家在 2022 年 Q2 市场占有率分别为 18%、62%和 20%,Intel 凭借其集成显卡在桌面端的优势占据最大的市场份额。

独显市场中,Nvidia占据领先地位。不同于整体市场,在独显市场中,Nvidia 与 AMD 双雄垄断市场,其 2022 年 Q2 市占率分别约为 80%和20%,可以看到近年来 Nvidia 不断巩固自己的优势,其独立显卡市占率整体呈现上升趋势。

2022 年8月9日,美国总统拜登签署《2022 年美国芯片与科学法案》,旨在为美国半导体的研究和生产提供约 520亿美元的政府补贴,来对抗中国及控制半导体产业链。8月31日,英伟达发布公告,美国政府对向中国和俄罗斯出口的 A100 和即将推出的 H100芯片实施了新的许可要求。据路透社消息,AMD MI250 芯片亦受到影响。高端 GPU限制产品基本都是具备“64 位浮点数字”(FP64)双精度算力的高性能显卡,主要应用于AI、数据分析和HPC 应用场景。此次受限虽然只针对高端 GPU 型号,但依然为我国厂商敲响了警钟。

从国家安全角度,国产 GPU势在必行,对于国产 GPU厂商而言是时代机遇。

部分优质国产GPU企业已逐步展现出发展潜力,2022年 3 月,壁仞科技首款通用 GPU 芯片BR100成功点亮,后于2022年8月正式发布,创下全球算力的新纪录。公司的产品体系主要涵盖 BR100系列通用 GPU芯片、BIRENSUPA 软件开发平台以 及开发者云三大板块。其中,BR100系列通用 GPU芯片是公司的核心产品,目前主要包括 BR100、BR104 两款芯片。

摩尔线程是一家以 GPU芯片设计为主的集成电路高科技公司。公司诞生于 2020 年 10 月,专注于研发设计全功能 GPU 芯片及相关产品,支持 3D 高速图形渲染、AI 训练推理加速、超高清视频编解码和高性能科学计算等多种组合工作负载,兼顾算力与算效, 为中国科技生态合作伙伴提供强大的计算加速能力。

海思半导体成立于2004 年,是全球领先的 Fabless 半导体与器件设计公司,旗下芯片共有五大系列,分别是用于智能设备的麒麟系列;用于数据中心的鲲鹏系列服务器 CPU;用于人工智能的场景 AI 芯片组昇腾系列 SoC;用于通信连接的芯片(基站芯片天罡、 终端芯片巴龙);以及其他专用芯片。

据 IDC 数据显示,2018 年全年中国 GPU 服务器市场规 模约为 13.05 亿美金(约合人民币 90.05 亿元),同比增长 131.2%。同时 IDC预测, 到2023 年中国 GPU 服务器市场规模将达到 43.2亿美金(约合人民币300亿元),未 来 5 年整体市场年复合增长率(CAGR)为 27.1%。因此,相关公司均有较大发展空间。(每财网出品)