英偉達(dá)專(zhuān)題研究：超級(jí)計(jì)算平臺(tái)初步成型星辰大海再揚(yáng)帆

英偉達(dá)專(zhuān)題研究：超級(jí)計(jì)算平臺(tái)初步成型，星辰大海再揚(yáng)帆一、半導(dǎo)體及GPU行業(yè)概覽半導(dǎo)體行業(yè)長(zhǎng)期穩(wěn)健增長(zhǎng)，也呈現(xiàn)出一定周期性2002~2021全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額CAGR約21%，庫(kù)存周期和創(chuàng)新周期因素疊加影響，板塊表現(xiàn)出一定周期性。HPC（高性能計(jì)算）、新能源車(chē)、AIoT等新產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體開(kāi)啟新一輪超級(jí)景氣周期。2021全球半導(dǎo)體年銷(xiāo)售額超5400億美元，增速超26%。英偉達(dá)營(yíng)收位居半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司第二半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈分為設(shè)計(jì)、材料、設(shè)備、制造、封測(cè)幾大環(huán)節(jié)，英偉達(dá)屬于最上游的Fabless設(shè)計(jì)公司。英偉達(dá)2021年?duì)I收規(guī)模超過(guò)博通（AVGO.O），位居半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司第二。英偉達(dá)在Fabless中營(yíng)收增長(zhǎng)顯著，行業(yè)研發(fā)費(fèi)用率較高2013~2014英偉達(dá)營(yíng)收小于AMD、聯(lián)發(fā)科（2454.TW），2015年英偉達(dá)超越AMD，2017年英偉達(dá)超越聯(lián)發(fā)科。（博通2016營(yíng)收大增主要是2015年Avago以370億美元蛇吞象式并購(gòu)博通）。Fabless行業(yè)研發(fā)費(fèi)用率較高，整體保持在17%-25%區(qū)間。GPU：計(jì)算機(jī)圖顯核心，擅長(zhǎng)大規(guī)模并行計(jì)算GPU基本概念：圖形處理器（graphicsprocessingunit，縮寫(xiě)GPU），又稱(chēng)顯示核心、視覺(jué)處理器、顯示芯片。GPU與CPU區(qū)別：CPU基于低延時(shí)設(shè)計(jì)，計(jì)算核心和控制器以及若干級(jí)緩存組成，擅長(zhǎng)邏輯控制，串行運(yùn)算。GPU基于大吞吐量設(shè)計(jì)，擁有更多的計(jì)算核心，適合對(duì)密集數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，因此GPU被應(yīng)用于AI訓(xùn)練等需要大規(guī)模并發(fā)計(jì)算場(chǎng)景。CPU已經(jīng)逐漸脫離摩爾定律，出現(xiàn)性能提升瓶頸，Nvidia預(yù)計(jì)GPU的計(jì)算能力在10年內(nèi)將超越CPU1000倍。GPU市場(chǎng)格局：一超兩強(qiáng)PCGPU市場(chǎng)，英偉達(dá)接近70%份額，英特爾（INTC.O）CPU集成低端的GPU，市場(chǎng)份額與AMD

（AMD.O）相當(dāng)。只看獨(dú)顯市場(chǎng)，英偉達(dá)市場(chǎng)份額高達(dá)70%-80%，AMD占20%-30%。英特爾今年也將推出首批主打筆記本的獨(dú)顯。服務(wù)器GPU英偉達(dá)占據(jù)70%以上份額。獨(dú)顯價(jià)格長(zhǎng)期上升，2021年中觸頂后有所回調(diào)獨(dú)顯平均出貨價(jià)格長(zhǎng)期呈上升趨勢(shì)，源于定期的產(chǎn)品升級(jí)換代以及競(jìng)爭(zhēng)格局穩(wěn)定。2021年中顯卡價(jià)格達(dá)到階段頂點(diǎn)，RTX30系列平均價(jià)格漲至建議零售價(jià)300%之上。隨后由于加密貨幣行情、庫(kù)存等因素，顯卡市場(chǎng)供需改善價(jià)格有所回落。二、公司深度分析公司介紹：GPU發(fā)明者、AI首倡者英偉達(dá)是一家主要做GPU（圖形處理器）的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)公司。公司成立于1993年，由黃仁勛聯(lián)合Sun公司兩位年輕工程師共同創(chuàng)立。英偉達(dá)在AI行業(yè)發(fā)展初期市場(chǎng)皆不看好的情況下，前瞻性預(yù)見(jiàn)了GPU在AI市場(chǎng)的應(yīng)用。英偉達(dá)收入結(jié)構(gòu)：游戲占比持續(xù)降低，數(shù)據(jù)中心即將成為第一大業(yè)務(wù)游戲業(yè)務(wù)仍是支柱業(yè)務(wù)，占比近半。數(shù)據(jù)中心占比持續(xù)攀升，預(yù)計(jì)很快成為第一大業(yè)務(wù)。專(zhuān)業(yè)可視化業(yè)務(wù)營(yíng)收占比約8%。汽車(chē)業(yè)務(wù)占比仍較小。英偉達(dá)增速、毛利率、OCFmargin優(yōu)于同業(yè)英偉達(dá)、AMD

（AMD.O）營(yíng)收近兩年保持高增速，英特爾

（INTC.O）基本停滯。英偉達(dá)毛利率65%，領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手AMD與英特爾。英偉達(dá)經(jīng)營(yíng)現(xiàn)金流率略低于英特爾，大幅高于AMD。游戲：量?jī)r(jià)齊升，技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)引領(lǐng)行業(yè)近5年?duì)I收CAGR25%，ASPCAGR13%，出貨量CAGR11%。PCGPU營(yíng)收超AMD3倍。目前主力產(chǎn)品為安培架構(gòu)的RTX30系列，安培架構(gòu)顯卡采用LiteHashRate（精簡(jiǎn)哈希率）較少挖礦需求。下半年有望推出最新AdaLovlace架構(gòu)下的RTX40系列顯卡。英偉達(dá)游戲業(yè)務(wù)主要由桌面端電腦、筆記本電腦顯卡以及Switch游戲機(jī)處理器構(gòu)成，游戲本業(yè)務(wù)增速最快（全球游戲本市場(chǎng)五年銷(xiāo)量增十倍），疫情也刺激了高端筆記本的需求。英偉達(dá)引領(lǐng)游戲行業(yè)變革。在游戲畫(huà)面4K60幀早已成為可能的情況下，游戲硬件行業(yè)面臨瓶頸。英偉達(dá)創(chuàng)造性提出光線追蹤技術(shù)、DLSS、8K、云游戲等，引領(lǐng)行業(yè)。持續(xù)迭代架構(gòu)，無(wú)視工藝的頂級(jí)芯片設(shè)計(jì)能力英偉達(dá)的GPU架構(gòu)平均每2年更新一次架構(gòu)，每6個(gè)月推出一款新產(chǎn)品。從Tesla到Ampere、從GTX到RTX性能穩(wěn)步提升。同代顯卡制程工藝落后于AMD情況下性能、能耗比卻能與AMD打平，反映出英偉達(dá)頂級(jí)芯片設(shè)計(jì)能力。數(shù)據(jù)中心：爆炸式增長(zhǎng)，前景無(wú)限英偉達(dá)數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)營(yíng)收5年CAGR53%。注冊(cè)Nvidia開(kāi)發(fā)者達(dá)到3百萬(wàn)人。自然語(yǔ)言處理、深度學(xué)習(xí)、云計(jì)算帶來(lái)的AI運(yùn)算需求持續(xù)增長(zhǎng)。主力硬件產(chǎn)品包括V100、A100加速卡，以及搭nvidiaGPU、網(wǎng)卡以及AMD或IntelCPU的DGX服務(wù)器等。全球云計(jì)算巨頭AWS、微軟Azure、GoogleCloud、阿里云都大量部署了英偉達(dá)V100顯卡以及DGX服務(wù)器。英偉達(dá)最新加速卡H100單精度算力高出AMD、摩爾線程相對(duì)應(yīng)最新產(chǎn)品25%、400%。GPU因性能高、通用性好是AI服務(wù)器首選加速方案，ASIC缺點(diǎn)是靈活性不夠，F(xiàn)PGA缺點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)難度大，價(jià)格高。超算中心市場(chǎng)份額超70%，超算AI加速卡市場(chǎng)份額90%。3U一體的數(shù)據(jù)中心新計(jì)算架構(gòu)英偉達(dá)2019年宣布以69億美元全額收購(gòu)以色列超算以太網(wǎng)公司Mellanox，全球超算Top500中，96.3%采用了Mellanox互聯(lián)技術(shù)。在收購(gòu)Mellanox之后，英偉達(dá)在這家公司原來(lái)硬件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了BlueField系列DPU，將DPU定位為數(shù)據(jù)中心繼CPU和GPU之后的

“第三顆主力芯片”。DPU可集中處理加速數(shù)據(jù)密集型任務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)、安全與存儲(chǔ)。2021年英偉達(dá)發(fā)布是專(zhuān)為大規(guī)模人工智能和高性能計(jì)算應(yīng)用而設(shè)計(jì)GraceCPU，基于ARM架構(gòu)，72個(gè)核心，集成198MB緩存，搭檔LPDDR5X內(nèi)存。推出CPU被黃仁勛稱(chēng)為是完成了“解決問(wèn)題的最后一塊拼圖”。汽車(chē)業(yè)務(wù)：重心調(diào)整生態(tài)優(yōu)化，即將步入收獲期汽車(chē)業(yè)務(wù)營(yíng)收5年CAGR3%。智能座艙芯片因高通、AMD均發(fā)力，利潤(rùn)空間有限已戰(zhàn)略收縮；定位高端的智能駕駛芯片Xavier、Pegasus此前市場(chǎng)表現(xiàn)不及主打中低端的Mobileye。英偉達(dá)2019年底發(fā)布世界最強(qiáng)算力的自動(dòng)駕駛芯片DriveAGXOrin，算力是前代7倍，已與2021Q4開(kāi)始交付。自動(dòng)駕駛的浪潮來(lái)臨后，英偉達(dá)與整車(chē)廠、Tier1、Robotaxi等智能汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈建立合作，打造智能汽車(chē)生態(tài)。目前自動(dòng)駕駛未來(lái)6年在手訂單超110億美元。專(zhuān)業(yè)可視化業(yè)務(wù)：由專(zhuān)業(yè)渲染到為各行各業(yè)AI賦能三、投資亮點(diǎn)CUDA為始打造軟件生態(tài)，構(gòu)建極高競(jìng)爭(zhēng)壁壘2006年推出的GPU軟件套件CUDA（ComputeUnifiedDeviceArchitecture，統(tǒng)一計(jì)算架構(gòu)）是一個(gè)基于英偉達(dá)

GPU平臺(tái)上面定制的特殊計(jì)算體系/算法。CUDA系統(tǒng)助力英偉達(dá)GPU方便且高效地發(fā)揮其并行計(jì)算能力，使GPU的使用范圍不僅限于顯卡，而成為了GPGPU（General-PurposeGPU）。CUDA平臺(tái)上又有cuDNN這樣的擴(kuò)展計(jì)算庫(kù)，針對(duì)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等細(xì)分模型加速，可以集成到更高級(jí)別的機(jī)器學(xué)習(xí)框架中，如谷歌的Tensorflow，進(jìn)一步完善了CUDA生態(tài)。CUDA經(jīng)過(guò)多年優(yōu)化，形成獨(dú)特軟硬件配合的生態(tài)系統(tǒng)，逐漸成為高端計(jì)算和圖形領(lǐng)域的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)，即使AMD的GPU和英偉達(dá)GPU性能相差不多，但是在人工智能領(lǐng)域的受歡迎的程度卻有天壤之別。除CUDA外，目前還有廣泛支持各家硬件的OpenCL也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)GPU計(jì)算能力的調(diào)用，但整體優(yōu)化效果不如CUDA。軟硬件體系打造全棧服務(wù)，英偉達(dá)已是計(jì)算平臺(tái)公司在芯片、服務(wù)器等硬件設(shè)施之上，CUDA、DOCA等開(kāi)發(fā)套件構(gòu)成了英偉達(dá)軟件業(yè)務(wù)的底層基礎(chǔ)框架，在此之上形成HPC、AI、Omniverse平臺(tái)，最終在應(yīng)用工具&框架層面提供企業(yè)AI、自動(dòng)駕駛、云游戲、元宇宙、醫(yī)療等眾多計(jì)算服務(wù)。英偉達(dá)已從一家GPU公司升級(jí)成計(jì)算平臺(tái)公司。游戲、芯片與系統(tǒng)、AI與企業(yè)軟件、Omniverse、汽車(chē)有望為英偉達(dá)分別帶來(lái)1000億、3000億、1500億、1500億以及3000億美金可獲取市場(chǎng)規(guī)模。數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)長(zhǎng)期受益于企業(yè)AI和HPC需求增長(zhǎng)基于H100，最新企業(yè)級(jí)AI基礎(chǔ)設(shè)施DGXH100系統(tǒng)、DGXPOD、DGXSuperPOD將于今年三季度供應(yīng)。財(cái)富10強(qiáng)企業(yè)和100強(qiáng)企業(yè)中，分別有8家和44家企業(yè)使用DGX作為AI基礎(chǔ)架構(gòu)。英偉達(dá)加速卡正在被大規(guī)模計(jì)算中心加速采用，A100營(yíng)收達(dá)到V1003倍。H100可部署于各種數(shù)據(jù)中心，預(yù)計(jì)于今年底前全面發(fā)售，阿里云、AWS、百度智能云、谷歌云、微軟Azure、OracleCloud、騰訊云和火山引擎等云服務(wù)商均計(jì)劃推出基于H100的實(shí)例。人工智能爆發(fā)式增長(zhǎng)對(duì)加速卡需求強(qiáng)勁深度學(xué)習(xí)模型復(fù)雜度對(duì)芯片算力需求激增，自2012年以來(lái)，人工智能訓(xùn)練任務(wù)所需求的算力每3.43個(gè)月就會(huì)翻倍，大大超越了芯片產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期存在的摩爾定律（每18個(gè)月芯片的性能翻一倍）。整體AI模型算力需求平均2年增25倍，2017年Google發(fā)明的Transformer模型算力需求平均2年增275倍。H100具有新Transformer引擎，該引擎將新的TensorCore與能使用FP8和FP16數(shù)字格式的軟件結(jié)合，動(dòng)態(tài)處理Transformer網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層，可將Transformer模型的訓(xùn)練時(shí)間從數(shù)周縮短至幾天。汽車(chē)業(yè)務(wù)TAM巨大，但也面臨特斯拉、蘋(píng)果等封閉生態(tài)競(jìng)爭(zhēng)全球自動(dòng)駕駛正邁入商用階段，IDC預(yù)計(jì)L1和L2級(jí)自動(dòng)駕駛在2024年的市場(chǎng)份額預(yù)計(jì)分別為64.4%和34.0%。汽車(chē)智能化進(jìn)程推動(dòng)數(shù)據(jù)處理量呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)上升，英偉達(dá)預(yù)計(jì)汽車(chē)業(yè)務(wù)遠(yuǎn)期TAM3000億美金。英偉達(dá)已量產(chǎn)Orin芯片254TOPS，遙遙領(lǐng)先行業(yè)（FSDHW3.0為144TOPS（兩顆芯片72TOPS*2

））被一線新能源車(chē)企廣泛采用。同時(shí)，英偉達(dá)汽車(chē)業(yè)務(wù)作為開(kāi)放生態(tài)代表也面臨特斯拉、蘋(píng)果這類(lèi)全封閉生態(tài)對(duì)手的競(jìng)爭(zhēng)。元宇宙技術(shù)平臺(tái)底座，Omniverse未來(lái)可期Omniverse能將英偉達(dá)旗下GPU、CUDA、實(shí)時(shí)光線追蹤RTX技術(shù)等所有軟硬件技術(shù)集中到一個(gè)平臺(tái)，形成完整全棧解決方案，從而以更高效和兼容的方式，解決與“物理世界擬真”相關(guān)的各項(xiàng)痛點(diǎn)，是英偉達(dá)為創(chuàng)建元宇宙數(shù)字化虛擬空間的技術(shù)平臺(tái)底座。Omniverse讓各類(lèi)設(shè)計(jì)參與方和開(kāi)發(fā)人員在統(tǒng)一平臺(tái)下解決數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題，統(tǒng)一應(yīng)用軟件格式，在不同地點(diǎn)無(wú)縫協(xié)作。當(dāng)前該平臺(tái)在建筑工程施工、媒體娛樂(lè)、制造業(yè)、超級(jí)計(jì)算及游戲開(kāi)發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域，已有成熟解決方案。游戲業(yè)務(wù)預(yù)計(jì)穩(wěn)健發(fā)展，GeforceNow有望帶來(lái)增量空間GeForceNOW是英偉達(dá)的云游戲平臺(tái)，用戶可以訪問(wèn)虛擬化的NVIDIA游戲機(jī)，并通過(guò)高帶寬連接享受高性能的游戲體驗(yàn)，而無(wú)需考慮本地硬件(包括移動(dòng)智能手機(jī)/平板電腦游戲以及將PC游