AI芯片是AI服務(wù)器算力的核心組成，隨著AI算力規(guī)模的快速增長將催生更大的AI芯片需求。根據(jù)行行查數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)2022年中國人工智能芯片市場規(guī)模為850 億元，2023年中國人工智能芯片市場規(guī)模將達(dá)到1039 億元，2025 年中國人工智能芯片市場規(guī)模將達(dá)到1780億元。
AI芯片行業(yè)概覽
AI芯片即人工智能芯片，也被稱為AI加速器或計(jì)算卡，是專門針對人工智能領(lǐng)域設(shè)計(jì)的芯片，其架構(gòu)和指令集針對人工智能領(lǐng)域中的各類算法和應(yīng)用作了專門優(yōu)化，可高效支持視覺、語音、自然語言處理和傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)等智能處理任務(wù)。
從技術(shù)架構(gòu)來看，Al芯片主要分為GPU（圖形處理器）、FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）、ASIC（專用集成電路）三大類。
其中，GPU是較為成熟的通用型人工智能芯片，F(xiàn)PGA和ASIC則是針對人工智能需求特征的半定制和全定制芯片。
GPU
GPU是圖形處理器的簡稱，它是一種專門用于處理圖形、視頻、游戲等高性能計(jì)算的硬件設(shè)備。
GPU相對于傳統(tǒng)的中央處理器（CPU）而言，其擁有更多的計(jì)算核心和更快的內(nèi)存帶寬，能夠大幅度提高計(jì)算效率和圖形渲染速度。
現(xiàn)階段，隨著例如英偉達(dá)A100、H100等型號產(chǎn)品的發(fā)布，GPU在算力方面的優(yōu)勢相較于其他硬件具有較大優(yōu)勢，GPU的工作也從一開始的圖形處理逐步轉(zhuǎn)化為計(jì)算。
GPU由于其具有最強(qiáng)的計(jì)算能力同時(shí)具備深度學(xué)習(xí)等能力，成為最適合支撐人工智能訓(xùn)練和學(xué)習(xí)的硬件，目前成為服務(wù)器中加速芯片的首選。
根據(jù)用途和性能表現(xiàn)，GPU可以分為專業(yè)卡和消費(fèi)級卡兩類：專業(yè)卡通常用于工程、科學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的高性能計(jì)算和大規(guī)模數(shù)據(jù)處理，主要廠商包括英偉達(dá)、AMD等；消費(fèi)級卡則主要用于普通家庭和游戲玩家，主要廠商包括英偉達(dá)、AMD、英特爾等。
GPU數(shù)量和總算力的關(guān)系（GPU為英偉達(dá)A100）：
2022年8月31日，英偉達(dá)、AMD生產(chǎn)的GPU產(chǎn)品被美國列入限制范圍，英偉達(dá)被限制的產(chǎn)品包括A100和H100，AMD受管制GPU產(chǎn)品包括MI100和MI200系列。海光DCU屬于GPGPU的一種，在典型應(yīng)用場景下，海光深算一號指標(biāo)達(dá)到國際上同類型高端產(chǎn)品的水平，在海外監(jiān)管趨嚴(yán)的背景下，以海光為代表的國產(chǎn)GPU廠商迎來黃金發(fā)展期。
AI芯片以GPU為主，占總市場規(guī)模約九成：
2022年8月31日，英偉達(dá)、AMD生產(chǎn)的GPU產(chǎn)品被美國列入限制范圍，英偉達(dá)被限制的產(chǎn)品包括A100和H100，AMD受管制GPU產(chǎn)品包括MI100和MI200系列。海光DCU屬于GPGPU的一種，在典型應(yīng)用場景下，海光深算一號指標(biāo)達(dá)到國際上同類型高端產(chǎn)品的水平，在海外監(jiān)管趨嚴(yán)的背景下，以海光為代表的國產(chǎn)GPU廠商迎來黃金發(fā)展期。
AI芯片以GPU為主，占總市場規(guī)模約九成：
FPGA
FPGA在靈活性等方面擁有ASIC、GPU等處理器無法比擬的優(yōu)勢。
FPGA完全可以不需要讀DRAM，整個(gè)算法在片上完成。例如，深鑒科技利用FPGA做出了ESE的模型并在不同的處理器（CPU/GPU/FPGA）上運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)FPGA上訓(xùn)練時(shí)長最短，能耗最小。
在能耗上，CPU Dense耗能11W、CPU Sparse耗能38W、GPU Dense耗能202W，這是耗能最大的一種情況、GPU Spare耗能136W，相比之下FPGA僅需41W；在訓(xùn)練時(shí)延上，F(xiàn)PGA用時(shí)82.7μs，遠(yuǎn)小于CPU的6017.3μs，也僅為GPU訓(xùn)練時(shí)長的三分之一。
資料來源：ESE
FPGA不僅擁有軟件可編程性和靈活性，還兼具硬件的并行性和低延遲性，在上市周期、成本上具有很大的優(yōu)勢。
因此在人工智能、5G通信等迭代升級頻繁的領(lǐng)域，F(xiàn)PGA成為比較理想的解決方案。
行行查 | 行業(yè)研究數(shù)據(jù)庫 資料顯示，F(xiàn)PGA產(chǎn)業(yè)鏈較為復(fù)雜，F(xiàn)PGA制造商對上下游企業(yè)議價(jià)能力較強(qiáng)。FPGA產(chǎn)業(yè)包括底層算法設(shè)計(jì)企業(yè)、晶圓代工廠、專用材料及設(shè)備供應(yīng)商等上游企業(yè)，F(xiàn)PGA芯片制造商、封測廠商等中游企業(yè)以及視覺工業(yè)廠商、汽車廠商、通信服務(wù)供應(yīng)商、云端數(shù)據(jù)中心等下游企業(yè)。整條產(chǎn)業(yè)鏈較為復(fù)雜，IBM、臺積電、Intel、華為、騰訊等國內(nèi)外知名企業(yè)均參與其中。其中產(chǎn)業(yè)鏈中游龍頭FPGA企業(yè)在全球市場占據(jù)壟斷地位，且對上游軟硬件供應(yīng)商和下游客戶企業(yè)議價(jià)能力較強(qiáng)。
從市場格局來看，全球FPGA市場主要被賽靈思和Altera占據(jù)，目前市占率分別為52%和35%；其次為Lattice和Microsemi，份額均為5%。中國FPGA廠商中紫光國微、復(fù)旦微電和安路科技在2021年市占率超過15%。受益于國產(chǎn)化加速推進(jìn)，中國FPGA廠商將擁有巨大成長空間。
ASIC
如果說在芯片產(chǎn)業(yè)上ARM對X86架構(gòu)的反擊制衡成就于移動終端的興起，那么AI浪潮之下，AI芯片尤其是專用于深度學(xué)習(xí)的ASIC，用以點(diǎn)及面的方式實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，未嘗不是一個(gè)彎道超車的好機(jī)會。
競爭空間上，傳統(tǒng)的CPU領(lǐng)域有Intel、高通，GPU領(lǐng)域有英偉達(dá)，F(xiàn)PGA中有Xilinx和Altera，唯有與AI計(jì)算最為定制化結(jié)合的ASIC領(lǐng)域尚未有絕對的壟斷性龍頭。
應(yīng)用場景上，智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、安防前端等均可能成為ASIC芯片落地放量的先行地。
AI芯片尤其是ASIC芯片由于其低功耗高效率的特點(diǎn)特別適用于功耗較低，空間較小的智能手機(jī)、智能安防攝像頭、智能家居、無人機(jī)等智能終端，這些領(lǐng)域可能成為ASIC芯片率先放量之處。
目前市場上主流ASIC有TPU芯片、NPU芯片、VPU芯片以及BPU芯片，它們分別是由Google、寒武紀(jì)、Intel以及地平線設(shè)計(jì)生產(chǎn)。
由于ASIC開發(fā)周期長，僅有大廠有資金與實(shí)力進(jìn)行研發(fā)。同時(shí)，ASIC是全定制芯片，在某些特定場景下運(yùn)行效率最高，故某些場景下游市場空間足夠大時(shí)，量產(chǎn)ASIC芯片可以實(shí)現(xiàn)豐厚的利潤。
ASIC市場格局及代表廠商：
資料來源：公開資料整理
AI芯片市場格局
據(jù)Liftr Insights 數(shù)據(jù)，目前在AI技術(shù)進(jìn)展最為前沿的北美數(shù)據(jù)中心AI芯片市場，英偉達(dá)市場份額占比超過80%，且在訓(xùn)練、推理環(huán)節(jié)均保持持續(xù)領(lǐng)先；在數(shù)據(jù)中心AI加速市場，2022年英偉達(dá)市場份額達(dá)82%，AWS和Xilinx分別占比8%、4%，AMD、Intel、Google均占比2%。
國內(nèi)AI芯片以寒武紀(jì)思元系列、華為昇騰系列等為代表，寒武紀(jì)和華為昇騰部分AI芯片產(chǎn)品性能已達(dá)到較高水平，有望加速實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，迎來高速發(fā)展期。
中國本土AI芯片廠商：
資料來源：廣發(fā)證券
AI浪潮下，云計(jì)算、智能汽車、智能機(jī)器人等人工智能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，市場對AI芯片的需求不斷增加，AI芯片市場規(guī)模將持續(xù)增長。
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