半导体行业“AI革命”模拟&接口篇：配套核心计算，量价齐升

半导体 证券研究报告|行业专题研究 2023年04月11日 “AI革命”模拟&接口篇：配套核心计算，量价齐升 多相电源为CPU供电核心。服务器内存、部分芯片组采用单相供电，而CPU/GPU由于功耗巨大，须采用多相供电保证其稳定工作。计算力系数字经济时代的核心生产力；云计算、人工智能、自动驾驶等应用，对核心处理 器XPU（CPU、GPU、DPU、AI等）的算力要求越来越高，使这些主芯片对供电的要求越来越严苛，特别是中高端的XPU处理器，需要更多相数、多 增持（维持） 行业走势 路输出、多种协议的电源管理芯片。典型的单相开关供电电路通常由PWM半导体沪深300 控制器（（PulseWidthModulation）控制器）、电感(L)、电容(C)、一对场效应管(MOSFET)以及MOSFET驱动芯片(DriverMos)组成。多个单相供电回路并联在一起，且工作时间交错，即组成多相供电。 杰华特：多相控制器送样中，DrMOS已出货服务器领域。公司DrMOS2022 年已量产出货，公司应用最先进的工艺做最先进DrMOS。目前，公司DrMOS 在笔电领域和服务器领域都有出货；公司多相控制器目前正在送样，多相产品也会陆续推出，会跟DrMOS配套出货。晶丰明源：全套电源方案值得期待。1）多相数字控制器：公司已发布10相BPD93010、16相BPD93036，2）智能DrMOS：公司目前产品内部测试中，即将推向市场。3）全集成DCDC 转换器POL(Converter)：12ABPD60312已量产，2A~40A全系列陆续推出。 32% 16% 0% -16% -32% 2022-042022-082022-122023-04 作者 4）电子开关/热插拔控制eFuse、Hotswap产品：大电流、多种规格、带PMBUS调节、支持多颗并联。芯朋微：布局高压数字电源控制芯片，有望拓展服务器应用场景。公司2022年定增项目布局高压数字电源控制芯片，拟开发集成32-bit数字内核，集成数字PID控制，可实现多相并联控制，用于多相并 联Buck电源主控芯片。 互联及网络接口升级：（1）互联接口：A100的NVLink3代和NVSwitch2代升级到了H100的NVLink4代和NVSwitch3代。DGXA100是8块A100通过12个NVLink3连接到6块NVSwitch2；DGXH100是8块H100通过 18个NVLink4连接到4块NVSwitch3。（2）网络接口：DGXA100服务器 计算网络是8张单口200Gbps的CX6或者CX7的IB网卡。DGXH100服务 器4个800G的OSFP接口内部是8个CX7的网卡芯片组成。 内存接口：服务器CPU与内存桥梁，迎DDR5升级。内存接口芯片行业高增长，AI、云计算等发展如火如荼，海量数据对存储的需求持续推动内存接 口芯片量价齐升和市场高速扩容：（1）量：持续受益于服务器出货量增长和单台服务器内存模组用量不断上升（2）价：内存接口技术向DDR5升级及LRDIMM结构渗透驱动内存接口芯片ASP提升。 澜起科技：内存接口加速扩容，平台型布局展宏图。内存接口芯片行业壁垒高、格局优，澜起科技强者愈强。秉持“平台型”发展战略，拓展津逮服务器平台&PCIeRetimer和AI芯片产品线，向更广阔空间进军。聚辰股份： SPD受益于算力需求增加及DDR5升级。SPD用于服务器等领域，受益于算力需求增加及DDR5升级。公司与澜起科技合作开发配套新一代DDR5内存条的SPD产品，该产品系列内置SPDEEPROM，系DDR5内存模组不 可或缺组件。 风险提示：下游需求不及预期，国产化替代不及预期，产品研发不及预期。 分析师郑震湘 执业证书编号：S0680518120002邮箱：zhengzhenxiang@gszq.com 分析师佘凌星 执业证书编号：S0680520010001邮箱：shelingxing@gszq.com 相关研究 1、《半导体：国产替代2.0：新兴需求崛起》2022-08-07 2、《半导体：回顾海外巨头发展，看国内平台型龙头崛起》2022-06-16 请仔细阅读本报告末页声明 内容目录 一、多相电源为CPU供电核心3 二、互联&网络&内存等接口升级4 三、投资标的9 3.1杰华特：多相控制器送样中，DrMOS已出货服务器领域9 3.2晶丰明源：已发布16相数字控制器，全套电源方案值得期待10 3.3芯朋微：布局高压数字电源控制芯片，有望拓展服务器应用场景11 3.4澜起科技：内存接口加速扩容，平台型布局展宏图11 3.5聚辰股份：SPD受益于算力需求增加及DDR5升级11 四、风险提示12 图表目录 图表1：主板级供电方案3 图表2：从主板级供电到数据中心级供电3 图表3：CPU供电方案4 图表4：12V直流母线转低电压多相Buck的小占空比供电架构方案4 图表5：主板电能转换过程原理图（“>”代之电流流向）4 图表6：NVSwitch升级情况5 图表7：英伟达产品NVLink升级情况5 图表8：DGXA100服务器网络接口6 图表9：DGXH100服务器网络接口6 图表11：三类内存条对比7 图表12：DDR4RDIMM与LRDIMM对比7 图表13：内存接口芯片市场扩容推演8 图表14：单核平均内存带宽呈现下降趋势8 图表15：DDR5相较DDR4带宽大幅提升8 图表16：历代内存技术参数9 图表17：晶丰明源双路16相数字控制电源管理芯片BPD9303610 图表18：晶丰明源10相数字控制电源管理芯片BPD9301010 图表19：晶丰明源DCDC四大产品系列10 一、多相电源为CPU供电核心 多相电源为CPU供电核心。主板主要有两种供电方式：线性电源和开关电源，其中开关电源式为功耗相对较大的元器件，例如CPU、内存和芯片组等供电。其中，内存和芯片组皆采用单相供电，而CPU由于功耗巨大，须采用多相供电保证其稳定工作。计算力 作为数字经济时代的核心生产力，推动着经济蓬勃向前发展。作为计算应用的代表领域，云计算、人工智能、自动驾驶等应用，对核心处理器XPU（CPU、GPU、DPU、AI等）的算力要求越来越高，使这些主芯片对供电的要求越来越严苛，特别是中高端的XPU处理器，需要更多相数、多路输出、多种协议的电源管理芯片。典型的单相开关供电电路通常由PWM控制器（（PulseWidthModulation）控制器）、电感(L)、电容(C)、一对场效应管(MOSFET)以及MOSFET驱动芯片(DriverMos)组成。多个单相供电回路并联在一起，且工作时间交错，即组成多相供电。 图表1：主板级供电方案 资料来源：MPS，国盛证券研究所 图表2：从主板级供电到数据中心级供电 资料来源：MPS，国盛证券研究所 图表3：CPU供电方案图表4：12V直流母线转低电压多相Buck的小占空比供电架构方案 资料来源：桦汉科技，富士康科技集团，国盛证券研究所资料来源：矽力杰，国盛证券研究所 CPU电能基本来源于12V8PIN接口，下图以12V作为输入端。12V输入经过MOSFET上桥进入电容与电感，在电感与电容填充电能并达到所需的电压后，上桥中断，下桥开启。此时电容电感释放能量，同时起到滤波稳定功能，下桥控制电路。通过PWM控制器频繁切换实现持续稳定的电流与电压供给。整体流程循环如下：（1）MOS上桥开启，输入12V电压；（2）电感电容储电；（3）MOS上桥关闭，MOS下桥开启；（4）电感电容放电，提供所需电压与电能。 图表5：主板电能转换过程原理图（“>”代之电流流向） 资料来源：知乎，公众号电脑吧评测室，国盛证券研究所 二、互联&网络&内存等接口升级 互联接口升级： A100的NVLink3代和NVSwitch2代升级到了H100的NVLink4代和NVSwitch3代。DGXA100是8块A100通过12个NVLink3连接到6块NVSwitch2；DGXH100是8块H100通过18个NVLink4连接到4块NVSwitch3。 第三代NVSwitch芯片（NVSwitch3），可以连接服务器内部各GPU卡，同时还可以将 GPU服务器扩展外连来建立一个独立完整的GPU高速集群。同时在NVSwitch芯片内通 过硬件加速器来支持组播报文加速和引入SHARP(ScalableHierarchicalAggregationandReductionProtocol)，主要用来加速和优化All-Reduce的AI计算性能。通过第三代NVSwitch芯片组成的物理交换机，可以建立一个最多256个H100GPU卡的集群，整网提供57.6TB/s的all-to-all带宽。NVLink4.0技术规范可以大大优化GPU的性能和扩展性。 图表6：NVSwitch升级情况 资料来源：英伟达官网，国盛证券研究所 NVLink是为了解决服务器内部GPU之间点到点通讯的一种协议。NVLink对比传统网络不会有例如端到端报文重传，自适应路由，报文重组等开销。极度简化的NVLink接口 可以为CUDA提供从会话层，表示层到应用层的加速。NVLink随GPU架构演进而发展，从第一代P100的NVLink1到现在H100的NVLink4。NVLink3可同时支持50GNRZ和56GPAM4，NVLink4首次引入112GPAM4Serdes，可以提供900GB/s的双向带宽，较NVLink3的600GB/s提升1.5倍。 图表7：英伟达产品NVLink升级情况 资料来源：MicroFLow，国盛证券研究所 网络接口升级： DGX服务器包括4个网络：计算网络、存储网络、In-band管理网络和Out-of-band管理网络。 计算网络接口：DGXA100服务器计算网络是8张单口200Gbps的CX6或者CX7的IB网卡。DGXH100服务器4个800G的OSFP接口内部是8个CX7的网卡芯片组成，可支持IB或者Eth，每个OSFP口可以通过分线来支持2个NDR400G的 IB网络或者2个400G以太网络，并且这里已经从A100的56GPAM4Serdes升级到了112GPAM4的Serdes。 存储&In-band网络接口：DGXA100服务器存储是两张双口CX6或者CX7的IB 或者Eth网卡，每一块双口网卡上，一口作存储用，另一个口做in-band管理。 DGXH100服务器同样是使用两张双口400G的CX7VPI网卡，可支持IB或者Eth, 官方建议一个NDR400G走IB存储，另一个降速成Eth200G走In-band管理网。 Out-of-band：DGXA100服务器是两个千兆电口Lan和BMC。DGXH100服务器 Out-of-band网络还是推荐使用BMCRJ45千兆电口。 图表8：DGXA100服务器网络接口 资料来源：MicroFlow，国盛证券研究所 图表9：DGXH100服务器网络接口 资料来源：MicroFlow，国盛证券研究所 内存接口升级： 内存接口芯片，是用于服务器内存模组（又称内存条）的核心逻辑器件，是服务器CPU 与内存之间数据及指令传输的桥梁。内存模组用于暂时存放CPU中的运算数据，是影响 服务器性能的重要因素，由于服务器CPU对内存模组的高传输速率、大容量需求日益增长，因此为了服务器系统性能得到最佳发挥，服务器内存模组往往需要配置内存接口芯片，用于提升访问速度和稳定性。从数量上来讲，服务器内存模组与内存接口芯片一一对应。 内存模组根据其结构，大致可分为UDIMM、RDIMM和LRDIMM3类，仅考虑DDR~DDR4， UDIMM内存模组无缓冲，价格低廉，但容量较小，不能满足服务器的要求，多用于桌面式PC。 RDIMM支持Buffered模式和高性能的Registered模式，较UDIMM更为稳定，此外，RDIMM支持更高的容量和频率，容量最大可支持32GB