产研 | 进阶！这两类算力芯片扛起国产化大旗！_控制器/MCU_慧聪电子网

计算平台创新是各行各业数字化转型的基础。近十几年互联网产业的发展以及物联网终端的爆发式增长,均清晰地验证了一个事实,不同应用类型、不同发展阶段,对计算能力提出挑战和需求是不同的。计算平台的创新,既是数字化转型的基础,又是各类应用创新的底座。

目前,我国正在通过一系列政策加码数字经济建设,十四五规划、十四五数字经济发展规划、东数西算工程等,均为数字经济发展做出了政策指引,2022年有望成为数字建设加速年。

从产业发展角度而言,数字经济需要坚实的算力底座。据IDC 报告,2018年,中国约产生7.6ZB的数据,到2025年将增至48.6ZB,庞大的数据增长对算力基础设施提出了更高的需求。归根结底,离不开算力设备中核心的计算芯片发展,再结合供应链安全、自主可控等发展方向,都是我们当前关注国产计算芯片的意义所在。

目前,CPU和MPU两类芯片的发展值得关注:

CPU(Central Processing Unit,中央处理器)作为信息产业中最基础的核心部件,是信息处理、程序运行的最终执行单元,其设计技术门槛高、研发周期长,具有极高的生态壁垒,其国产化具有重要的战略意义。

MPU(Microprocessor Unit,微处理器)是把计算机的CPU功能在单片或几片集成电路中实现的器件,是微型计算机的核心部件。随着终端功能的需求逐渐多样化,它增加了图形、视频,甚至新兴的人工智能(AI)应用等越来越多的系统级功能,可以用于各种系统的嵌入式处理,如网络设备、计算机外设、医疗和工业设备、汽车、电视、机顶盒、视频游戏机、可穿戴产品和物联网应用等。伴随这些产品应用的迭代升级,国产MPU芯片进入高成长周期。

一、国产CPU

1、国产CPU技术路线

CPU作为计算机系统的核心和“大脑”,堪称国之重器,其自主创新是实现安全可控的核心。近年来,在国家集成电路产业政策和大基金投资等多重措施支持下,在云计算、大数据、物联网等产业的推动下,一批CPU设计企业逐渐成长起来。

CPU主要由大量的运算器、控制器、寄存器组成,它是对计算机的所有硬件资源(如存储器、输入输出单元)进行控制调配、执行通用运算的核心硬件单元;同时,计算机系统中所有软件层的操作,最终都将通过指令系统映射为CPU的操作。

从硬件层面,CPU中的硬件系统主要是为了实现每一条指令的功能,解决指令之间的连接关系,因此指令系统是计算机硬件的语言系统,它决定了计算机的基本功能。而指令系统需要通过处理器核进行实现,最终形成芯片产品。

计算机的程序最终需要转化成“指令”才能在CPU上运行,所以采用的指令集对于CPU的设计尤为重要。按照采用的指令集,CPU可以分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两大类。x86架构是复杂指令集的代表,而Arm架构、MIPS架构、Alpha架构等是精简指令集的代表,各架构特点比较如下:

CPU架构特点比较
来源:与非研究院

从软件层面,软件是由按一定规则组织起来的许多条指令组成,完成一定的数据运算或者事务处理功能。而操作系统是管理电脑硬件与软件资源的程序,能够在硬件管理中处于支配地位;应用软件是利用计算机解决某类问题而设计的程序的集合,需要依赖于操作系统的支持才能运行;只有具备操作系统等关键基础软件的开发能力,才能为搭建全新的基于该指令系统的应用软件生态提供支撑。

综上,CPU生态包含软硬件两个方面,从指令系统出发,硬件上通过IP核形成芯片,并最终用于板卡、整机厂商等不同领域的应用终端;软件上形成包括操作系统、编译器、Java、.NET 等基础软件,最终实现应用于政企、教育、能源、交通等不同领域的应用软件。CPU生态体系是硬件和软件的结合,是产业上下游交互的产物,因此生态壁垒一旦建立便是长期稳定牢固的。x86处理器起步较早,生态较其他处理器具有明显优势,x86处理器的服务器销售额占全部服务器销售额的比例约为91%,销售量占比超过97%,处于显著领先地位。

2、国产CPU厂商概况

国产 CPU 厂商目前主要有:成都申威、华为海思、海光信息、飞腾信息、龙芯中科、上海兆芯。由于产品定位和技术来源不同,选择了不同的技术路线,按采用的指令系统类型可大致分为三类:海光和兆芯采用x86指令系统; 华为海思和飞腾,基于Arm指令系统进行自研开发优化;龙芯中科和成都申威,分别基于MIPS兼容的指令系统和类Alpha指令系统,进行自研开发优化。

国产CPU核心厂商概况
来源:与非研究院

从地域分布上来看,国产CPU厂商与我国集成电路设计企业分布情况较为一致,主要分布于华北、华南、华东、西南等地区,因各地良好的业态布局,以及各自的成立和发展的背景,形成了当前的分布态势。

国产CPU核心厂商地域分布情况
来源:与非研究院

3、国产CPU应用情况

CPU市场应用主要有三类:政务及关键基础行业、企业级市场以及消费级市场,这些市场需求各异。

政务及关键基础行业,对安全性和定制化的要求远高于消费级市场,对产业生态的要求相对较低,非常契合国产CPU当前的发展现状,因此也是目前国产CPU的核心市场。

企业级市场对产业生态的要求,介于政务与消费级市场之间,是国产CPU下一步重要的增量市场。

消费级市场对产业生态的要求最高,对性价比较为敏感,迭代周期短,是国产CPU长期需突破的目标市场,尤其是在桌面CPU生态方面还有较大的差距,还需要重点弥补。

根据海光招股说明书,2021年海光下游客户中,电信及金融客户无论是销售额还是销售比例均有大幅提升,有翻倍趋势;而互联网、教育等行业销售则有所减少。这也进一步验证,未来几年,企业级市场、行业客户有望成为主力。

2018-2021H1 海光信息下游客户占比
来源:海光招股说明书

总之,随着自主 CPU 性能的不断提高和软件生态的不断完善,国内电子政务领域正在加大自主化推进力度,基于国产CPU的信息产品已经得到批量应用,重点行业的关键信息基础设施正在开展国产CPU应用,对信息安全、供应链安全要求相对较高的领域,是国产 CPU的优势市场。未来。伴随信息化的加速,桌面、服务器、嵌入式CPU需求量均将增加。

4、国内服务器市场规模

服务器作为社会集中算力的主要供应力量,全社会数据量的提升以及数字经济的发展势必带来对服务器端需求的大幅增加,未来服务器端增量空间仍十分可观。此外,从安全层面及国产服务器及芯片可用性而言,国产服务器及芯片成长正当时。

首先从安全层面而言,服务器作为数据存储及计算的主要承载,安全重要性不言而喻,为了确保信息安全及科技行业有序发展,发展国产芯片势在必行。再从产品可用性上来看。2020-2021年信创项目落地,国产服务器在党政机关及部分行业应用已初步验证了国产服务器的可用性。随着国产芯片厂商及服务器厂商持续更迭产品,性能将进一步得到提升。

不过,同时也仍要客观看待现实和差距。国内服务器领域,根据IDC数据,2020 年,中国服务器出货量为350万台,同比增长9.80%。近两年采用国产CPU的桌面和服务器产品虽发展迅速,但市场份额仍不足5%,增长空间巨大。

2020年全年,中国x86服务器市场出货量为343.9万台,同比增长8.1%;市场规模为218.7亿美元,同比增长16.5%。随着下游市场需求回暖,以及国家将加快5G、工业互联网、大数据中心、人工智能等七大领域新型基础设施的建设进度,x86服务器市场未来几年的需求仍然会比较旺盛,预测2021-2025年复合增长率将达到8.8%。对中国x86服务器出货量的预测情况如下:

中国x86服务器出货量和市场规模预测
来源:IDC

2020年,国内x86服务器芯片出货量698.1万颗,绝大部分市场份额被 Intel 及 AMD 占据,两家市场份额合计超过 95%,即国产x86芯片渗透率不及5%。

根据海光招股说明书,2020年海光约销售23万颗芯片,而鲲鹏在国产服务器芯片市场份额超过五成,预估海光芯片市场份额为40%,2020年国产服务器芯片约58万颗,对应29 万台服务器。2020年中国服务器销量约355万台,则国产服务器渗透率不足10%。2021 年海光芯片销量约为56万颗,考虑到华为受制裁产量影响,假设海光在国产服务器芯片市场份额提升至五成,则国产服务器芯片约112万颗,对应56万台国产服务器,2021 年中国服务器销量约389万台,则国产服务器渗透率约15%。从空间来看,假设2025年国产服务器渗透率提升至50%,则还有两倍以上空间。从市场进度来看,国产服务器芯片近几年销售量增速均维持在100%以上,并且从趋势上来看刚刚开始放量,未来倘若交付能力有所保障,高增速有望维持。

5、国产CPU技术趋势

根据Intel、AMD等领先企业的公开信息,CPU的性能增长和功能增加主要依靠处理器体系结构和微结构的改进、SoC集成创新、先进制造工艺和先进封装水平提升、面向典型行业应用的设计优化等技术手段来实现。主要的技术趋势包括:

第一,单个处理器的核心性能仍将持续提升,主要技术包括:同时多线程、访存优化、增加高速缓存容量、先进分支预测算法、扩展指令等。随着制造工艺升级,芯片集成度持续提高,通过微结构创新来提高处理器单个核心性能越来越重要。

第二,处理器核心数逐步增加,I/O性能持续提升。利用SoC技术设计CPU芯片,可以降低整机系统设计难度和控制系统整体成本。

第三,为了支持新型应用,主流x86 CPU扩展了MMX、SSE、AVX、SIMD等不同应用领域的指令集。随着AI应用需求的快速增长,CPU还将优化微体系结构,增加AI算法指令集,提升CPU在AI领域的应用范围。

第四,从整体计算平台的发展来看,将走向多种计算架构并存的方向,应对端边云协同、海量多样化数据智能处理、实时分析等需求。

6、国产CPU发展挑战

1)技术壁垒

CPU作为计算机的运算与控制核心,对通用计算处理能力等性能指标有较高的要求,属于集成电路设计中的最高端产品,技术储备需要较长周期。

2)生态壁垒

CPU 产品需要研发配套的基础软件,包括如BIOS、编译系统、操作系统、虚拟机等配套软件支持。不同CPU指令系统的操作系统、应用软件之间形成了独立的生态体系,不同生态体系承载的软件生态的应用数量、类型和丰富程度迥异,从而构成软件生态壁垒。

3)资金和规模壁垒

集成电路产品必须达到一定的资金规模与业务规模,才能通过规模效应获得生存和发展的空间。由于CPU设计研发周期长及成功的不确定性大,资金和规模成为行业的重要壁垒。

4)人才壁垒

CPU及其配套基础软件需要高端人才以及长期的研发投入才能形成高水平成果,而行业内具有丰富经验的高端技术人才相对稀缺,且较多集中在少数头部企业中,因此,人才成为新兴企业的重要壁垒。

二、国产MPU

与CPU相比,MPU的壁垒虽相对较低,却是一个空间巨大的长赛道。伴随着消费电子、智能家居等终端设备功能的日益丰富,以及近年来AIoT需求的爆发式增长,MPU市场水涨船高。

据IC Insights 数据,嵌入式微处理器市场规模已由2015年的81亿美元增长至2020年的172亿美元,年复合增速达16.25%,市场份额也由12%上升至20%。预测2021年~2026年,MPU总销售额将以5.3%的复合年增长率(CAGR)增长至1333亿美元,其中,嵌入式MPU市场将以五年平均速度最快的速度——复合年增长率为7.2%增长,在2026年达到 278 亿美元。这一增速,超出了手机应用处理器6.3%和计算机CPU 3.7%的复合年增长率,体现出了下游智能应用场景对上游MPU器件强劲的拉动作用。

这里要注明的是,IC Insights对MPU的分类包括计算机CPU处理器(含平板SoC处理器以及所有类型计算机中使用的中央微处理器)、手机应用处理器、以及嵌入式微处理器。本报告中所探讨的MPU主要针对面向多种智能设备的嵌入式处理器,以追踪智能物联网需求拉动下,MPU以及相关国产芯片厂商的成长趋势。

MPU市场趋势预测
来源:IC Insights

1、国产MPU技术路线

MPU作为嵌入式设备的大脑,负责信息处理,可以将它理解为设备中的CPU。在发展初期,由于嵌入式系统功能较为单一,且对功耗、体积及成本要求比较敏感,因此只保留和嵌入式应用有关的功能硬件,以减少系统体积和功耗。

随着半导体技术和智能硬件的迅猛发展,以及终端应用对性能要求的提高,传统MPU向多功能、高性能、低功耗的SoC集成化方向发展,比较典型的一类技术是在MPU的基础上扩展了音视频功能和专用接口;接下来经历了模拟和混合IC的配合,在MPU基础上集成了RAM、ADC/DAC、高速DSP、电源管理等多种功能模块。在下游应用不断丰富的趋势下,高端MPU的场景不断增多,开启了智能SoC处理器的发展阶段。

当前,国内智能SoC处理器厂商海思、瑞芯微、全志、君正、晶晨、富瀚微等,都入局较早,经历了智能终端设备功能和性能上的阶跃式发展。例如从复读机、MP3/MP4、安卓平板等芯片切入,到各类多媒体智能终端(例如机顶盒、电视、车载信息娱乐系统等)、智能音箱、扫地机器人,再到智能安防系统等,MPU实现了向高性能智能应用处理器的升级,相关国产芯片厂商在多个细分行业已经形成了一定的竞争力。

2、国产MPU厂商概况

国产MPU核心厂商概况
来源:与非研究院

上述国产MPU厂商多数成立较早,经过十几年甚至二十几年的发展,在多媒体设备、移动终端、智能家居等设备的关键发展节点,共同推动了产业的发展,且各自形成了技术经验的积累和IP库的完善,也是未来支撑这些厂商进一步扩大产品线、形成平台化布局的关键。

国产MPU核心厂商的地域分布情况如下:

国产MPU核心厂商地域分布情况
来源:与非研究院

3、国产MPU典型应用

机顶盒

机顶盒又称STB(Set Top Box),是一个外接于电视机的媒体设备,主要功能为音视频解码,并把音视频信号输出到电视机,弥补电视机本身处理能力、App扩展等方面的不足。

市场上机顶盒包括两种类型:IPTV机顶盒和OTT机顶盒,其中IPTV机顶盒通过运营商管控的专网传输,主要提供直播服务;OTT机顶盒通过公共互联网传输,受制于相关政策,需要安装第三方应用才可提供直播服务。不过不论是哪种机顶盒,从逻辑功能上看可分为网络连接、数字信号处理、视频信号输出等模块。

随着AI、IoT等技术、应用的升级与变迁,机顶盒的功能也在不断融合及多元化,由单纯的音视频解码逐渐向集Camera、UHD 编解码、WiFi/BT等多样化网络接入、高质量音频外放、本地视频展示等多种功能于一身的智慧融合家庭终端演进。机顶盒SoC芯片也不再是单一的解码芯片,不断集成高性能CPU、NPU、UHD编解码、ISP、高质量音频DSP等能力。

智能安防

智能视频监控场景应用中,网络摄像机对模拟摄像机的替换已成趋势。智能视频监控系统中的DVR(硬盘录像机)、IPC(网络摄像机)、NVR(网络视频录像机)等产品均搭载SoC芯片。智能安防场景中,IPC SoC芯片厂商主要是华为海思、富瀚微、全志、瑞芯微等;NVR SoC和DVR SoC芯片厂商主要是华为海思、瑞芯微、富瀚微等。

2020-2026年中国智能安防市场规模(单位:亿元)
来源:智研咨询

据智研咨询数据,2020 年中国智能安防产业市场规模为 2965 亿元,到2026 年,产业规模将达到 6822 亿元,2020-2026 年复合增长率为15%。

随着5G、AI、云计算等新一代信息技术的发展,原本用途单一的安防产品功能越来越丰富,目前可覆盖包括社区安防、交通安全、工程建设等不同领域。安防产业从重点关注社会治安等传统安防领域向泛安防应用发展。

智能家居

据IDC数据,2021年第一季度中国智能家居设备市场出货量为4699 万台,同比增长27.7%。其中智能家电、智能音箱、家庭安全监控以及智能照明出货量较去年同期实现了增长。

2021Q1 中国智能家居设备市场同比增长27.7%(单位:百万台)
来源:IDC

以智能音箱、扫地机器人、智能门锁等为代表的智能家居产品近几年呈现井喷式增长。预测未来几年,随着家庭智能需求的升级,智能家居将呈现多品类高速增长的态势,拉动SoC芯片的出货。此外,智能家居正逐步从碎片化单品朝全屋智能、空间智能的方向迈进,这也将进一步驱动相关厂商继续打造软硬一体的平台化产品。

智能车载

智能汽车将是国产SoC竞争的下一个风口,尤其在智能座舱、ADAS 等领域更为突出。不过截止目前,布局车载市场的传统SoC厂商相对较少,以海思、瑞芯微、全志科技为代表,推出了相关的车载SoC产品。

环视泊车APA框图
来源:海思官网

智能座舱方案框图
来源:海思官网

4、国产MPU演进方向

从MPU芯片本身角度而言,未来将继续向更高的集成度、更低的功耗、更高的性能持续演进,且随着技术、产品不断升级,芯片制程进一步升级也是未来的需求。

在人工智能技术的驱动下,终端设备的功能日益丰富,MPU智能化升级过程中,涌现出了多种处理器,在命名方式上也更为多样,比如:人工智能视觉处理器、智能语音处理器、车载处理器、流媒体处理器、以及各类应用处理器等,也有越来越多的创业公司加入这一赛道。

MPU所面向的应用领域,也决定了它必须满足下游应用场景分散、IoT碎片化应用的需求,也使得这个行业竞争者众多。不过,上述MPU厂商经过多年的发展,研发实力较为雄厚,在某一个或某几个细分领域,已经形成了全面的技术优势,这是他们进一步向高端领域寻求突破的基础。

以几家核心厂商的技术布局情况来看,瑞芯微布局较为全面,未来研发投入的方向主要为基础算法和 IP;全志科技在视频编解码技术方面具有优势,未来研发投向主要为 8K 超高清视频解码及基于RISC-V架构的处理器;晶晨研发投向主要在于智能电视芯片及AI 超清音视频处理芯片等。不同的布局,也有利于这些厂商进一步形成差异化优势,面向更为多样的应用领域。