电子行业专题研究：AI服务器元年，接口芯片核心受益

AIGC带动AI服务器需求量与日俱增，用于服务器内、外部数据传输等接口芯片也随之攀升，本文基于服务器内、外部高速互联需求，梳理了各类高速接口芯片市场情况。 海量数据带来高速传输需求，服务器高速互联芯片不可或缺： CPU和GPU等组件互联：PCIe Switch。自2003年PCIe 1.0推出起速率持续升级，目前PCIe6.0传输速率跃升至64GT/s。参考QYResearch数据，2021年全球PCIe芯片销售额7.9亿美元，预计2028年将达到18亿美元。目前全球仅少数厂商量产PCIe Switch芯片，博通、微芯科技和祥硕科技三家共占全球约58%份额。 因PCIe传输速率不断攀升，工作频率越来越高，不可避免的带来了信号衰减问题，PCIe Retimer、Redriver可有效解决信号衰减，其中PCIe Retimer有望为解决信号衰减最优方案。目前PCIe Retimer市场，谱瑞-KY、Astera labs、澜起科技三足鼎立，其中澜起为全球可量产PCIe 4.0 Retimer的唯一中国大陆供应商，且PCIe 5.0 Retimer研发顺利。 GPU与GPU互联：NVLink、NVSwitch。针对AI服务器中PCIe带宽限制，以NVDIA NVLink为代表的高速接口芯片应运而生。NVLink迭代升级至第四代，单链可实现50 GB/s的双向带宽，单芯片可支持18链路，即900 GB/s的总双向带宽。多GPU间通信则采用NVSwitch，第三代NVSwitch采用TSMC 4N工艺，每个NVSwitch芯片上拥有64个NVLink 4.0端口。此外，NVLink、NVSwitch也可实现服务器节点间的高速扩展性互联。通过在服务器外部增加一层NVSwitch，NVLink网络最多可连接32个服务器、256个GPU，并提供57.6TB/s的多对多带宽 CPU与DRAM高速互联：内存接口芯片（RCD+DB）。DDR5时代速率进一步升级，最高传输可由DDR4 Gen2plus支持的3200MT/s进一步提升至4800MT/s以上，且工作电压持续降低至1.1V。目前内存接口芯片三强争霸，澜起科技可为DDR5系列内存模组提供完整的内存接口及模组配套芯片解决方案，是目前全球可提供全套解决方案的两家公司之一。 服务器外部模块间高速传输需求激增，SerDes核心受益： 服务器互联传输速率提升，光纤成为服务器间传输的主流介质，其中光模块内需集成高速SerDes通道，例如QSFP28光模块会配备4个25Gbps SerDes通道来满足100GE速率的光电信号转化。并且随着服务器传输需求增长，光模块带宽也会增长，提升方法有两种：1）增加SerDes通道数；2）提高每个SerDes通道的比特速率。 交换机的带宽也会随应用需求而提升，各厂商正推动交换机的数据链路从100GE向400GE和800GE等更高速率方向发展带动，交换机ASIC内SerDes通道数增加至512通道，速率提升至100Gbps。 此外，服务器的各种外接设备连接、驱动等需求的提升，拓展多种接口芯片市场空间，如USB（用于连接鼠标等）、SAS（用于连接存储设备）、SATA（用于连接驱动）等。 投资建议：AI时代浪潮汹涌，海量数据催生庞大的算力需求，将带动服务器产业链需求量持续上涨。作为芯片与外部世界的交互媒介，接口芯片实现量增的同时，也朝向更高速率、更大传输带宽发展。建议关注芯原股份、裕太微-U、澜起科技、龙迅股份等。 风险提示：AI应用不及预期；AI服务器出货不及预期；国产替代进展不及预期。 重点公司盈利预测、估值与评级 1AI服务器前景广阔，接口芯片需求广泛 AIGC大时代来临，ChatGPT等大语言模型的推出，带动AI服务器需求量与日俱增。服务器行业由早期以传统服务器为主的市场格局，转变为传统服务器、云服务器、AI服务器和边缘服务器四足鼎立。当下，AI下游应用的持续火爆和算力要求的增加，AI服务器需求与日俱增。据TrendForce数据，AI服务器出货约13万台，占全球服务器出货约1%，展望2023年，Microsoft、Meta、Baidu与ByteDance相继推出基于生成式AI衍生的产品服务而积极加单，预估23年AI服务器出货量年增率可望达15.4%，且随着未来ChatGPT对AI服务器需求用量，预计2023-2027年AI服务器将以12.2%年复合增速成长。 图1：2022-2027年全球AI服务器出货量及增速 接口芯片在AI服务器数据传输中至关重要，需求将伴随服务器市场增长。在AI服务器需求增长的同时，针对于服务器内部之间或与其他设备的数据的传输、控制和管理等接口功能的要求也随之逐渐增加。服务器的升级与需求量提升也会带动接口芯片的增长。接下来，本文将具体从服务器内部互联，服务器外部接口两方面来梳理接口芯片行业情况。 2服务器内部：组件高速互联，接口芯片不可或缺 2.1以DXG H100服务器为例，拆解服务器内部高速互联架构 DGX H100于2022年推出，是NVIDIA的DGX系统的最新迭代产品，也是NVIDIA DGX SuperPOD的基础。DXG服务器配备8块H100 GPU，6400亿个晶体管，在全新的FP8精度下AI性能比上一代高6倍，可提供900GB/s的带宽。DGX H100服务器内部架构如下图所示： 图2：英伟达DGX H100服务器内部芯片互联架构图 在DGX H100服务器内部，蓝色方块为IP网卡，既可充当网卡又可发挥PCIeSwitch扩展功能，成为CPU与GPU（H100）之间互联的桥梁。其内部采用PCle 5.0标准。此外，CX7以网卡芯片的形式做成2块板卡来插入服务器，每4个CX7芯片组成一块板卡并且对外输出2个800G OSFP光模块口。 而GPU（H100）之间互联主要通过NVSwitch芯片来实现。每个DGX H100内的一个GPU向外伸出18个NVLink，单链双向带宽为50GB/s，共计18*50GB/s=900GB/s双向带宽，拆分到4个板载的NVSwitch上去，因而每个NVSwitch对应4-5个OSFP光模块（共计18个）。每个OSFP光模块采用8个光通道，每个通道的传输速率为100Gbps，因此总速率高达800Gbps，能够实现高速的数据传输。 2.2CPU、GPU等组件互联：PCIESwitch、Retimer芯片 2.2.1PCIe技术不断升级，速率持续提升 PCIeSwitch即PCIe开关或PCIe交换机，主要作用是实现PCIe设备互联，PCIeSwitch芯片与其设备的通信协议都是PCIe。由于PCIe的链路通信是一种端对端的数据传输，因此需要Switch提供扩展或聚合能力，从而允许更多的设备连接到一个PCle端口，以解决PCIe通道数量不够的问题。目前PCIeSwitch不仅已经被广泛应用在了传统存储系统中，而且在部分服务器平台中也逐渐普及，用于提高数据传输的速度。 PCIe总线技术升级，PCIe Switch每代速率提升。PCIe总线是PCI总线的高速串行替代品。2001年，Intel公布取代PCI总线的第三代I/O技术——“3GIO”，2002年该项技术经过PCI特殊兴趣组织（PCI-SIG）审核后正式改名为“PCI Express”，标志着PCIe的诞生。2003年，PCIe1.0正式发布，可支持每通道传输速率为250MB/s，总传输速率为2.5 GT/s。2007年PCI-SIG宣布推出PCI Express Base 2.0规范。在PCIe1.0的基础上将总传输速率提高了一倍，达到5 GT/s，每通道传输速率从250 MB/s上升至500 MB/s。2022年PCI-SIG正式发布PCIe6.0规范，将总带宽提高至64 GT/s。 表1：PCIe 1.0到6.0不同Lane下的带宽变化 随着PCIe在服务器中越来越广泛地被应用，PCIeSwitch的市场需求也被带动起来。根据QYResearch（恒州博智）的统计及预测，2021年全球PCIe芯片市场销售额达到了7.9亿美元，预计2028年将达到18亿美元，年复合增长率（CAGR）为11.9%。 图3：2021-2028年全球PCIe芯片市场销售额（亿美元） 中国是PCIeSwitch最大市场。随着服务器对海量数据存储与传输的要求日益提高，PCIeSwitch市场发展成为一片蓝海。中国是全球最大的电子产品生产和消费国家之一，在大数据、云计算、人工智能等领域，需要大量高速互联解决方案来实现海量数据传输。而PCIeSwitch作为高速互联解决方案，在中国市场具有极大的需求。据QYResearch（恒州博智）的报告，中国是全球PCIeSwitch最大的市场，占有大约50%的市场份额，之后是北美和欧洲，分别占比约13%和9%。 图4：PCIe Switch在不同地区的市场份额 博通、微芯科技和祥硕科技为领域龙头。目前全球仅少数几家公司具备PCIe Switch芯片技术，核心厂商主要包括博通、微芯科技和祥硕科技三家，共占有全球约58%的份额。此外，国内如边缘智芯推出一款XPU X100芯片，可用于通讯行业、边缘计算、智慧工厂等领域，该芯片为国内第一颗PCIe交换芯片，既可以起到PCIeSwitch数据芯片的功能，又可以实现以太网网络芯片的功能。 表2：PCIe Switch厂商及其产品介绍厂商地区 2.2.2信号衰减限制PCIe发展，PCIeRetimer提供解决方案 PCIeRetimer是为了解决PCIe总线的信号衰减问题而诞生的。由于PCIe传输速率不断攀升，工作频率越来越高，不可避免的带来了信号衰减问题。解决信号衰减的方案主要包括信号中继器／调节器（Redriver）、重定时器(Retimer)等。 Redriver：一种模拟信号芯片，功能主要为信号中继器。Redriver采用同等化（equalization）和预强调（pre-emphasis）技术来补偿信号损失，进而通过放大信号来增加讯号质量。Redriver信号通道包括CTLE（Continuous Time LinearEqualizer）、宽带增益节点以及线性驱动器。此外，Redriver可以发挥自动检测输入信号衰减情况和探测输出接收器（Rx）的功能，以确保Redriver在任何时候都能够提供最佳的信号传输性能。 Retimer：一种数模信号混合芯片，功能主要为重新生成信号。Retimer先恢复抖动的时钟信号，再生成新信号并重新发送，从而有效解决信号衰减问题。 与Redriver相比 ，Retimer还包含时钟数据恢复电路（CDR，Clock Data Recovery）、决策反馈均衡器（DFE，Decision Feedback Equalizer）和有限脉冲响应驱动器（FIR，Finite Impulse Response）。 在AI服务器中，GPU与CPU连接时至少需要一颗Retimer芯片来保证信号质量。具体而言，很多AI服务器都会配置多颗Retimer芯片，例如Astera Labs在AI加速器中配置了4颗Retimer芯片。 图5：Astera LabsGPU与AI加速器中的Retimer芯片配置 与Redriver相比，Retimer恢复信号的效果更好。由于Retimer具备数位信号处理(DSP)能力，能够在通讯信号已经与干扰耦合的情况下，仍然重建通讯信号。而Redriver仅能在物理层面增强信号，并且在增强信号的同时增强了噪音，因而难以处理杂糅信号。综上，在高带宽PCIe总线发展的背景下，Retimer芯片有望成为解决信号衰减问题的最优方案。 PCIeRetimer蓝海市场三足鼎立，潜在竞争者跃跃欲试。目前谱瑞-KY、Astera labs、澜起科技是PCIeRetimer蓝海市场中的三家主要厂商，占据领先地位。其中澜起科技布局PCIe较早，是全球可量产PCIe 4.0