走进“芯”时代系列深度之七十四“算力芯”：以“芯”助先进算法，以“算”驱万物智能

证券研究报告 半导体行业评级：领先大市-A 华金证券电子团队—走进“芯”时代系列深度之七十四“算力芯” 以“芯”助先进算法，以“算”驱万物智能 分析师：孙远峰S0910522120001分析师：王臣复S0910523020006 2024年2月18日 本报告仅供华金证券客户中的专业投资者参考请仔细阅读在本报告尾部的重要法律声明 半导体景气度有望迎来复苏：从半导体行业景气度来看，在经历了2022、2023年的去库存周期后，半导体销售额有望在2024年迎来复苏。据WSTS数据显示，全球半导体产品销售总额从1999年的1494亿美元增长到2022年的5741亿美元，期间复合增速约6.03%。WSTS预计2023年全球年销售额同比下滑9.4%，但2024年将有望增长13.1%。 逻辑芯片国产替代空间巨大：从半导体产品销售额来看，逻辑器件是半导体产品市场规模最大的细分品类，根据SIA的报告显示，2022年全球逻辑器件市场规模达1766亿美元，包括MPU、GPU、SOC等。根据集邦咨询统计的2023年第三季度前十大IC设计业者营收中（仅统计公开财报的），前五大厂商中，仅博通的主业不是逻辑芯片为主。国产厂商无论从料号的布局还是企业整体营收规模来看与国外厂商都有巨大的差距，目前具有较大的替代空间。 AI技术快速发展催生算力需求快速提升：大模型技术所带来的突破以及商业化前景促使全球进入AI竞赛，其中，美国在AI领域依旧担当着创新者和引领者的身份。大模型的发展依托于强大的算法、庞大的数据量以及巨大的算力支撑，当下大模型逐步从单模态走向多模态，对于以英伟达GPU为代表的算力需求快速爆发，全球范围内算力芯片的供需缺口一定程度上降低了多模态大模型的发展速度，但依旧无法阻止AI技术向前演进以及商业化逐步落地，因此而对国内外算力产业链带来了巨大的发展机遇。国产算力同样面临着巨大的需求，但却要面对高端GPU芯片无法进口的局面，进而为国产厂商崛起带来了发展机遇。 走向推理，创新硬件不断涌现，边、端算力机遇有望启动：以AI手机、AIPC、AIPIN等为代表的终端创新不断涌现，代表着AI从训练走向推理阶段，我们认为是AI技术走向商业化的必然之路，新技术的出现有望带来硬件应用场景的重新定义，并进而推动边、端侧算力的需求向前演进。 风险提示：技术创新风险、宏观经济和行业波动风险、国际贸易摩擦风险、复苏或需求不及预期相关风险 01 逻辑芯片市场规模巨大，产业链具备高门槛 02 03 大模型走向多模态，技术持续演进，商业前景广阔算力板块投资的几条主线 04 05 相关标的风险提示 2024年全球半导体销售有望迎来复苏 据WSTS数据显示，全球半导体产品销售总额从1999年的1494亿美元增长到2022年的5741亿美元，期间复合增速约6.03%。 WSTS预计2023年全球年销售额同比下滑9.4%，但2024年将有望增长13.1%。 图：2024年全球半导体产品销售总额预测（亿美元） 7,000 图：1999-2024年全球半导体产品销售总额预测（亿美元） “去库存”“弱复苏” 移动互联网时代开启 “缺芯潮” 36.8% 供给减少，需求复苏， 非PC产品快速发展 全球经济高增带 旺存储器市场 5,741 5,884 31.8% 5,559 28.0% 5,201 4,688 26.2% 17.0% 全球金融 危机爆发 21.6% 4,122 4,404 4,123 互联网泡 沫破灭 13.7% 13.1% 2,044 2,1302,275 6.8%8.9% 2,4772,5562,486 3,3583,3523,389 2,9832,9952,9163,0569.9% 4.8% 6.8% 3% 2,263 0.4% -0.2%1.1% 3.3% 1,768 -2% -2.6% 1,494 1,422 1,664 % -9.4% -13.5% -19.6% -12.1% -9 .0 .7 .2 40% 6,000 5,000 30% 20% 4,000 3,000 2,000 10% 0% -10% 1,000-20% 0 1999200020012002200320042005200620072008200920102011201220132014201520162017201820192020202120222023E2024E -30% 全球半导体市场销售总额（亿美元）同比 根据美国SIA发布2023年Factbook白皮书，绝大多数半导体需求是由消费者最终购买的产品驱动的，如笔记本电脑和智能手机。新兴市场消费者的需求越来越多地发挥驱动作用，这些新兴市场包括亚洲、拉丁美洲、东欧和非洲等。 图：绝大多数半导体需求是由消费者最终购买的产品驱动 根据IDC预测，2023年至2027年全球PC出货量的复合年增长率达到3.1%，增长动因来自于老机换新、AIPC推动的产品升级等。智能手机方面，IDC预测，2023年，全球智能手机市场出货量将会低于12亿台，同比下降1.1%；而中国市场的出货量预计将仅有2.83亿台，同比也会下降1.1%。2024年全球智能手机市场出货量12.63亿，同比增长5.9%；中国智能手机市场出货重新回到3亿市场大盘，同比增长6.2%。 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00 图：2010-2027年全球PC出货量预测（亿台） 3.473.523.52 14.8% 3.49 3.15 3.09 2.76 13.9% 3.04 复合年增长率达到3.1% 2.92 2.602.602.59 2.67 3% 2.85 2.52 % -1 -1 % % -1 % -1 .8% -5 3.8 %-0 .9% -1 % .4% .0 0 .1 0.7 6.3 0 1% 0.5 .0 .4 20102011201220132014201520162017201820192020202120222023E2027E 20% 10% 0% -10% -20% 全球PC市场出货量（亿台）同比 图:2010-2027年全球智能手机出货量预测（亿部） 1661.3% 14.3714.7314.6614.0313.71 -1% 0.7 .9 %2.4%2 .6 .2 5 .9 13.55 13.4113.71 80% % .5 % 0.4 1413.02 12.92 12.111.9312.6313.09 1 % 2% 8.5 9.6 1247.6% 10.04 60% 10 87.253 64.91 43.05 2 0 4% .3% -2 .3% -4 -5 .9% % -1 3 .1% 40% %20% 0% -20% .5% -0 2 20102011201220132014201520162017201820192020202120222023E2024E2025E2026E2027E 全球智能手机出货量（亿部）同比 根据SIA的报告显示，半导体产品细分市场中，逻辑、存储、模拟、MPU四类占据了大部分份额。其中逻辑器件规模最大。 按照分类逻辑芯片主要包括CPU、GPU等通用处理器及FPGA、CPLD等专用性较强的逻辑芯片。 根据SIA发布的2023年Factbook白皮书，2022年美国半导体公司拥有最大的市场份额，占48％。其他国家半导体产业占全球市场份额的7％到20％不等。 根据BCGanalysis的分析，2019年逻辑芯片市场美国半导体厂商占据了67%的市场份额，东亚（中国大陆除外）占了15%的市场份额，欧洲占了8%的市场份额，中国大陆占比仅个位数。 根据集邦咨询统计的2023年第三季度前十大IC设计业者营收中（仅统计公开财报的），前五大厂商中，仅博通的主业不是逻辑芯片为主。 图：不同区域在全球半导体核心环节占比 图：2023年第三季全球前十大IC设计业者营收 图：2022年不同区域在半导体全球市场占比 逻辑芯片具有多种品类，根据Gartner的定义，包括了MPU、GPU、FPGA、应用/基带SoC、无线、有线、应用/媒体处理器、MCU和其他逻辑等，市场相对分散。 图：2020年全球半导体产品营收额（千亿元，人民币） CPU，算力的基础控制单元 中央处理器（centralprocessingunit，简称CPU）作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元，电脑和智能设备的控制中枢。 CPU内部主要由运算器、控制器和寄存器组成，运算器执行数值计算，寄存器储存数据。 图：CPU的工作原理图：CPU的计算技术栈 指令就是指示计算机硬件执行某种运算、处理功能的命令。指令集又称指令系统架构，是CPU运行的软件的二进制编码格式，是一种指令编码的标准规范，存储于CPU内部，用来引导CPU进行加减运算和控制计算机操作系统的一系列指令集合。 指令集可以分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC），CISC的代表是X86；RISC的代表是ARM。CPU指令集的兼容性是生态规模的重要因素，构建高吸附性生态是竞争难点。RSIC-V是一种新兴的开源精简指令集架构，因其具有开源、免费、开放、自由等特点而呈加速发展之势。 图：三大主流指令集架构对比 图：指令集可视为处理器支持所有操作的词汇表 项目 X86架构 ARM架构 RISC-V架构 开发厂商 英特尔 ARMHoldingsPLC 加州大学伯克利分校开发，目前由RISC-V基金会负责保护和推广 发布时间 1978年 1985年（ARM1Sample） 2010年 指令集架构类型 CISC（复杂指令集架构） RISC（精简指令集架构） RISC（精简指令集架构） 架构文档篇幅 数千页 数千页 不足300页 指令集数目 指令集数目繁多 指令集数目繁多 基本指令集40多条，合计低于300条 模块化设计 不支持 不支持 支持 可扩展性 不支持 不支持 支持 版本兼容性 不同模块不兼容 不同的版本架构不兼容 兼容性较高 技术自主 否 否 是 技术可控 否 是 是 授权费收取情况 目前仅英特尔、AMD、VIA（台湾威盛三家拥有授权，不对外授权 一次性授权费、与产品销量挂钩的版税提成Royalty、技术咨询费用 免费开源 主要应用领域 个人计算机、服务器、超级计算机 移动智能终端、物联网 物联网 主要短板 成本较高，应用弹性低 成本较高、应用弹性低 生态处于发展阶段，尚未成熟 操作系统是连接硬件和数据库、中间件、应用软件的纽带，是承载各种信息设备和软件应用运行基础平台的重要基础性软件。CPU行业目前由两大生态体系主导：一是基于X86指令系统和Windows操作系统的Wintel体系，垄断个人计算机和服务器处理器市场；二是基于ARM指令系统和Android操作系统的AA体系，主导了智能手机和物联网芯片处理器市场。前者生态相对封闭，后者生态相对开放，芯片厂商需要获得ARM的授权。 根据statcounter数据显示，在全球操作系统市场中，目前主要有Windows、Android、iOS、OSX、Linux五大操作系统竞争。 100% 90% 图：2015-2021年全球主要操作系统占比份额变化 1.20%0.94%0.76%0.75%0.80% 5.90%6.70%4.80%4.30%3.80% 5.50%5.09%5.24%5.78%6.54% 20.1801%30.4904% 8.04%6.77% 80% 10.90% 11.71% 13.18% 13.11% 13.94% 15.18% 16.43% 70% 60% 50% 24.30% 31.76% 38.97% 39.63% 39.04% 38.80% 41.14% 40% 30% 20% 10% 52.30%