国产服务器CPU行业104页深度研究报告

　　（报告出品方作者：西南证券，王湘杰、叶泽佑、邓文鑫）一、服务器及CPU综述
　　1。1服务器信息化时代的基石产品
　　服务器的定义
　　服务器是一种高性能计算机，其中包含向网络用户提供特定服务的软件和硬件，它比普通计算机运行更快、负载更高、价格更贵。服务器的定义包含了以下两个方面的内容：一方面，服务器可以为网络提供特定服务，人们通常会以服务器所能提供的服务来命名服务器；另一方面，服务器是软件和硬件的统一体，特定的服务程序需要运行在特定的硬件或一般通用的微机上才能完成服务功能，由服务程序完成服务策略，并通过硬件实现所需的服务
　　服务器的功能
　　服务器可以为网络中的客户机（如PC、智能手机、大型系统设备等终端）提供特定应用服务，主要完成数据的存储、传输、处理和发布。
　　服务器的构成
　　由处理器（CPU）、内存、磁盘、网卡、监视器、电源、机箱系统总线等软硬件构成。其中最重要的部分是CPU和内存，CPU用于实现判断和计算功能，内存用于暂时存放CPU的运算数据，以及与硬盘、外部存储交换数据。
　　服务器的性能
　　由于需要提供高可靠的服务，服务器在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面的要求比普通的个人电脑高。同时服务器具有高速的CPU运算能力、长时间的可靠运行、强大的IO外部数据吞吐能力以及更好的扩展性。
　　1。2CPU服务器的大脑
　　处理器作为服务器的核心组成部分，对于服务器的整体性能发挥有着决定性的作用。此处列举中央处理器（CPU），图形处理器（GPU）以及深度学习处理器（DPU）这三大对于现今服务器行业有着长远影响的处理器。
　　CPU
　　中央处理器（CPU），是电子计算机的主要设备之一，电脑中的核心配件。其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU主要包括两个部分，即控制器、运算器，其中还包括高速实现缓冲处理器之间联系的数据、控制的总线。其功效主要为处理指令、执行操作、控制时间、处理数据。在计算机体系结构中，CPU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。CPU是计算机的运算和控制核心。计算机系统中所有软件层的操作，最终都将通过指令集映射为CPU的操作。
　　GPU
　　图形处理器（GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。GPU使显卡减少了对CPU的依赖，并进行部分原本CPU的工作，尤其是在3D图形处理时GPU所采用的核心技术有硬件TL（几何转换和光照处理）、立方环境材质贴图和顶点混合、纹理压缩和凹凸映射贴图、双重纹理四像素256位渲染引擎等。GPU的构成相对简单，有数量众多的计算单元和超长的流水线，特别适合处理大量的类型统一的数据。但GPU无法单独工作，必须由CPU进行控制调用才能工作。
　　DPU
　　数据处理器（DPU）最早由国内深鉴科技提出，基于Xilinx可重构特性的FPGA芯片，设计专用的深度学习处理单元，且抽象出定制化的指令集和编译器，从而实现快速的开发与产品迭代。DPU集三个关键要素于一身，分别为：行业标准的、高性能及软件可编程的多核CPU，通常基于已应用广泛的Arm架构，与其的SOC组件密切配合。高性能网络接口，能以线速或网络中的可用速度解析、处理数据，并高效地将数据传输到GPU和CPU。各种灵活和可编程的加速引擎，可以卸载AI、机器学习、安全、电信和存储等应用，并提升性能。
　　CPU的分类
　　指令集：按照设计思路的不同，CPU可分为复杂指令集（CISC）架构和精简指令集（RISC）架构。CISC（ComplexInstructionSetComputer）：一条指令完成一个复杂的基本功能。单条指令集功能强，指令类型丰富完善，编译后指令数量较少，通用场景下性能具有优势。以x86架构为代表，主要用于桌面PC及服务器领域，配套软硬件丰富完善。RISC（ReducedInstructionSetComputer）：一条指令完成一个基本动作，多条指令组合完成一个复杂的基本功能。指令集架构在不断完善，译码效率高，偏向低功耗领域优化。以ARM架构为代表，过去主要用于手机、平板等移动终端，软硬件生态逐步建设完善。（报告来源：未来智库）
　　CISC：一条指令完成一个复杂的基本功能。单条指令集功能强，指令类型丰富完善，编译后指令数量较少，通用场景下性能具有优势。以x86架构为代表，主要用于桌面PC及服务器领域，配套软硬件丰富完善。
　　RISC：一条指令完成一个基本动作，多条指令组合完成一个复杂的基本功能。指令集架构在不断完善，译码效率高，偏向低功耗领域优化。以ARM架构为代表，还包括MIPS、Power、RiscV等，过去主要用于手机、平板等移动终端，软硬件生态逐步建设完善。二、全球CPU市场格局
　　2。1CPU产业链
　　上游包括晶体代工、设备、封装测试和内核授权四个方面，覆盖面广。上游中相关产业存在超额利润率，CPU产业市场集中，能够对上游纵向垄断，且垄断性强。
　　中游包括CPU设计企业、ARM授权及嵌入式处理器三部分。全球龙头包括英特尔（IDM模式）、AMD，国内厂商包括中科曙光、中国长城、华为海思等。
　　下游包括PC、服务器、消费电子、物联网等。下游产业在国内外都拥有巨大市场，整体利润率高，但垄断情况相对较低。
　　2。2集成电路市场规模
　　全球集成电路行业稳步增长，重心由欧美转向亚太
　　亚太地区经济水平快速发展，居民消费能力提升，对集成电路产品的需求增加，因此世界集成电路市场重心也转移至亚太地区。2020年，根据数据统计，亚太地区（除日本外）已成为全球最大的集成电路市场，销售额占全球市场的62。0。2019年受全球宏观经济低迷影响，行业景气度有所下降，下半年开始逐步回暖。伴随5G、可穿戴设备及云服务器市场的稳健成长，行业收入较2019年有所增长。预计2021年全球集成电路行业将持续保持复苏势头，至2025年将保持稳步增长的趋势。从全球竞争格局的角度看，集成电路产业的头部效应较为明显，少数领军企业占据了市场的主导地位。目前，全球集成电路市场主要由美国、韩国、日本以及中国台湾企业所占据。
　　CPU市场规模稳健回升，国内市场增长空间巨大
　　CPU的重要应用领域包括桌面和服务器，每台桌面通常只有一颗CPU，而每台服务器的CPU数量不定。桌面领域，2015年2018年全球出货量增速呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在2。6亿台年左右。2019年开始，全球桌面出货量出现回升，2020年全球桌面出货量较前5年有较大增长。服务器领域，根据IDC数据，2020年全球服务器出货量达1，220万台，同比增长3。9。国内桌面领域，近年来出货量同样呈现缓慢下降的趋势，但是整体出货量依然保持在0。5亿台年左右。近两年采用国产CPU的桌面产品发展迅速，但市场份额仍不足5，增长空间巨大。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。8。
　　2。3CPU全球竞争格局
　　X86领域：Intel和AMD占领市场
　　X86架构目前占据服务器、桌面及移动PC的主要市场份额，非X86架构产品不断发起进攻。20182019年，在X86领域，AMD市场规模增长了1。0，Intel市场份额小幅度下滑，但仍然呈现出主导态势。在服务器领域，Intel市占率仍然高达96以上，同时AMD公司正在努力提升自己的市场份额，从2018年的1。8增长到2019年的3。9，同比增长117。0。在笔记本电脑领域，AMD市占率大幅上升，从2018年的10增长到2019年的14。6，Intel则下降了5。1。在桌上型电脑领域中，AMD市占率持续上升，兆芯也占据了一定市场份额。
　　非X86领域：ARM占据绝对优势
　　在非X86领域，ARM以低能耗、高效率、发展时间长的优势占据移动终端市场的主导地位，使用最广泛、发展最成熟，市占率达到43。2；RISCV发展时间短且更加灵活，在物联网领域备受关注，近几年以其开源性质被重点关注发展，后续有望在新兴领域崭露头角；MIPS主要应用在网关、机顶盒等网络设备中，市占率达到9；Power所代表的小型机是企业IT基础设施的核心，但在相关市场的占有率仅1左右；Alpha指令集基本已退出国际主流应用；SPARC早先被Sun公司开源，后被Oracle公司并购，如今已消失。
　　在移动终端方面，ARM占据绝对优势，通过授权占据移动设备端90以上的市场，构成市场上的标准架构；在服务器方面，非X86目前参与者有华为、飞腾、高通、亚马逊等，华为的鲲鹏服务器是ARM服务器的重要参与者，而国产龙芯是基于MIPS的服务器重要厂商；在桌面PC市场，ARM正逐渐被跟多企业应用，2011年微软开始采用ARM的Windows系统，ARM开始进入X86的传统优势领域，如今苹果MacOS、新版Windows等均采用了ARM。三、未来处理器的演进
　　3。1CPU优化历程回顾
　　以多核提升性能功耗比
　　多核处理器把多个处理器核集成到同一个芯片之上，每个单元的计算性能密度得以大幅提升。同时，原有的外围部件可以被多个CPU系统共享，可带来更高的通信带宽和更短的通信时延，多核处理器在并行性方面具有天然的优势，通过动态调节电压频率、负载优化分布等，可有效降低功耗，提升性能。
　　以多线程提升总体性能
　　通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可以极小的硬件代价获得相当比例的总体性能和吞吐量提高。
　　制程的提升
　　根据摩尔定律，集成电路芯片上、所集成的电路数目每隔18个月翻一番，微处理器性能每隔18个月提高一倍。CPU的制程工艺越小，意味着单个晶体管的尺寸越小，同样的内核面积可以放下更多的晶体管，同样的空间内可以增加更多内核；同时制程工艺越小，元件的电容就越小，电流在晶体管中的传输距离越短，CPU的主频可以进一步提升，功耗也能不断降低。
　　微架构的改进
　　众多算数单元、逻辑单元、寄存器在三态总线和单项总线，以及各个控制线的连接下共同组成CPU微架构。不同的微架构设计，对CPU性能和效能的提升发挥着直观重要的作用。微架构的升级，一般涉及到指令集拓展、硬件虚拟化、大内存、乱序执行等等一系列复杂的工作，还涉及到编译器、函数库等软件层次的修改，牵一发而动全身。
　　摩尔定律放缓
　　摩尔定律于上世纪60年代提出，直至2011年前，计算机元器件的小型化是提升处理性能的主要因素。2011年后，摩尔定律开始放缓，制硅工艺的改进将不再提供显著的性能提升。
　　TickTock模式失效
　　自2007年开始，英特尔开始实施TickTock发展模式，以两年为周期，在奇数年（Tick）推出新制成工艺，在偶数年（Tock）推出新架构的微处理器。在14nm转10nm接连推迟后，英特尔自2016年起宣布停止TickTock处理器升级周期，改为处理器升级的三步战略：制程工艺（Process）架构更新（Architecture）优化（Optimization）。
　　3。2后摩尔时代的展望
　　1）从通用到专用：面向不同的场景特点定制芯片，XPU、FPGA、DSA、ASIC应运而生。
　　2）从底层到顶层：软件、算法、硬件架构。架构的优化能够极大程度提升处理器性能，例如AMDZen3将分离的两块16MBL3Cache合并成一块32MBL3Cache，再叠加改进的分支预测、更宽的浮点unit等，便使其单核心性能较Zen2提升19。
　　3）异构与集成：苹果M1Ultra芯片的推出带来启迪，利用逐步成熟的3D封装、片间互联等技术，使多芯片有效集成，似乎是延续摩尔定律的最佳实现路径。
　　3。3服务器视角展望
　　边缘服务器
　　边缘计算服务器是解决AIoT时代算力荒的必备产物
　　云计算无法满足海量、实时的处理需求。伴随人工智能、5G、物联网等技术的逐渐成熟，算力需求从数据中心不断延伸至边缘，以产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。市场规模爆发式增长。根据IDC，中国边缘计算服务器整体市场规模达到33。1亿美元，较2020年增长23。9，预计20202025年CAGR将达到22。2，高于全球的20。2。定制服务器快速增加。当前通用服务器和边缘定制服务器占比分别为87。1和12。9，随着边缘应用场景的逐渐丰富，为适应复杂多样的部署环境和业务需求，对于具有特定外形尺寸、低能耗、更宽工作温度以及其他特定设计的边缘定制服务器的需求将快速增加。IDC预计边缘定制服务器将保持76。7的复合增速，2025年渗透率将超过40。
　　公有云服务器
　　云服务器正在全球范围内取代传统服务器
　　云服务器的发展使中国成为全球服务器大国。随着移动终端、云计算等新一代信息技术的发展和应用，企业和政府正陆续将业务从传统数据中心向云数据中心迁移。虽然目前中国云计算领域市场相比美国相对落后，但近年来我国的云计算发展速度显著高于全球云计算市场增长速度，预计未来仍将保持这一趋势。面向不同需求，提供多样性算力。一般小型网站请求处理数据较少，多采用1、2核CPU；地方门户、小型行业网站，需要4核以上的CPU；而电商平台，影视类网站等，则需要16核以上的CPU。此外，云服务器亦提供灵活的扩容、升级等服务，一般均支持异构类算力的加载、四、国产CPU行业篇
　　4。1服务器CPU未来趋势国产化潜力巨大
　　（1）我国政府对国产CPU领域持续颁布助推政策。政府相关部门对该领域的支持力度逐步加大，政策日趋完善，为产业后续实现跨越式发展创造了良好的外部环境。未来在科技领域竞争加剧的背景下，预计我国政府将继续对国产CPU的大力支持。
　　（2）中国将长期保持最大CPU消费市场地位，下游需求旺盛。首先，中国计算机用户基数十分庞大，迭代更新创造较大的CPU需求。其次，CPU市场将继续在云计算与企业数字化转型中受益。最后，工业控制领域嵌入式CPU需求广阔，CPU作为智能化的核心部件，将广泛应用于工控系统中。
　　（3）国际供应链断裂和信息安全风险加剧，国产CPU发展步伐加快。我国对进口通用处理器的过度依赖是我国信息产业发展的一大软肋。近年来，受国际供应链不确定性的负面影响，部分企业的CPU供应也成为问题。
　　（4）未来国产CPU潜力巨大。政务及重点行业是国产CPU市场确定性最强的领域，相关行业的关键信息基础设施正在广泛开展国产CPU的应用。
　　（5）国产CPU存在超车机会。国内CPU知识储备趋于完善，国内技术人才积累也日趋丰富，CPU产业进入后摩尔定律时期升级速度趋缓，国产CPU性能与国际主流水平逐步缩小，存在赶超的可能。
　　4。2核心驱动（一）：需求旺盛，空间扩容
　　数字经济战略定调，底层新基建率先受益。2018年，中央经济工作集会首次提出新型基础设施概念；2020年，国家多次部署新基建相关任务，确定5G基站、大数据中心、人工智能、工业互联网等七大领域；2022年，《十四五数字经济发展规划》顶层设计出台，首次将数字经济地位提升至国家战略层面，紧随其来的重要文章《不断做强做优做大我国数字经济》进一步强调加快新型基础设施建设。我们认为，传统产业的数字化转型将是未来长期的发展主线，以云计算为代表的底层IT基础设施则是核心之一；根据IDC，云平台建设的硬件成本中，服务器所占比重最大，达到75左右。
　　4。3核心驱动（二）形势所迫，信创如火如荼
　　长期以来，我国对海外IT产品的依赖度较高，以Intel、Microsoft、Oracle、Cisco等为代表的IT厂商在芯片、操作系统、数据库、中间件等领域占领了较大市场份额，高度渗透了政府、金融、民航、铁路、医疗等各行业环节。自2008年以来，由海外产品引发的信息安全事件频出，IT技术的自主可控势在必行。2018年，中兴、华为被纳入实体清单，成为信创产业真正进入爆发阶段的导火索，我国第三次整芯铸魂信创浪潮正式开启。（报告来源：未来智库）五、国产CPU厂商篇
　　5。1六大国产CPU公司详解
　　六大领军企业，三条路径发展当前阶段，国内主流的CPU厂商主要有海光、兆芯、飞腾、海思、龙芯、申威六家领军企业，从指令集授权的角度看，主要可以分为三类：
　　1）IP内核授权：以兆芯为代表，获得x86内核层级的授权，可基于指令集系统进行SoC集成设计，具备良好的生态和性能起点，当下阶段具备快速放量潜质，但自主可控程度较低。
　　2）指令集架构授权：以海光为代表，获得x86指令集授权；以鲲鹏和飞腾为代表，获得ARM架构级授权，可基于指令集架构进行核心CPU设计，安全可控程度较高，但ARM的生态适配需进一步打造。
　　3）指令集架构授权自研：以龙芯和申威为代表，分别获得MIPS和Alpha架构授权，并在此基础上进行自主研发，形成自有的指令集架构，安全可控程度极高，但当前生态适配极为困难。
　　5。2中科曙光
　　当前六大CPU厂商均未上市，其中海光信息与龙芯中科已提交招股说明书；与六大CPU厂商相关联的上市主体中，我们认为中科曙光或最为受益。1993年我国自行研制的第一台基于微处理芯片构成的超级计算机曙光一号问世，在操作系统核心代码并行化和多线程技术等方面取得了一系列的突破，同时作为具有市场竞争力的产品，在中国科学院的大力推动下，曙光一号折价2000万人民币知识产权，吸引资金成立曙光信息产业有限公司。
　　经历20余年发展，公司在高端计算、存储、安全、数据中心等领域拥有深厚的技术沉淀和领先的计算优势，拥有完整的IT基础架构产品线；同时公司积极布局智能计算、云计算、大数据的技术研发和产品服务，在全国50十多个城市部署了云计算中心，并不断延伸上下游产业链合作，参股中科星图及海光信息等业内领先企业，打造完备计算产业生态，为数字经济发展、新型基础设施建设、传统产业转型等提供可信的支撑。
　　从业务结构看，公司主要包含高性能计算机（包括服务器和其相关配套产品）、存储产品、以及围绕高端计算机的软件开发、系统集成与技术服务三大类别。自2013年起公司业务结构便整体保持稳定，其中服务器相关产品维持80左右比重，存储产品、软件开发及技术服务分别占比10左右。
　　可以观察到，20142018年，公司高性能计算机业务整体保持高速增长，CAGR达到33。7；自2019年后，该业务增速骤然降低至个位数，2020年该业务实现收入80。5亿元，同比增长7。2。同时，公司存储产品和软件开发、系统集成、技术服务业务在20142018年的复合增速分别为30。4和42。5，2019年起增速亦出现明显下滑，2020年两项业务的同比增速分别为4。2和4。7。报告节选：
　　（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
　　精选报告来源：【未来智库】。未来智库官方网站