電子行業(yè)分析研究

電子行業(yè)分析研究1.消費電子：本源驅(qū)動力來自“科技樹”本章節(jié)論述，科技樹上看“消費電子”，會理解本次產(chǎn)業(yè)變化較大。1.1“漢諾塔”，科技樹2016年7月我們發(fā)布《“遺”技之長——全行業(yè)技術(shù)滲透之“漢諾塔》，系統(tǒng)性論述了“科技樹“和底層變化的威力。當(dāng)前“科技樹“變化至少包括：1）半導(dǎo)體制程：7nm風(fēng)靡，當(dāng)前研發(fā)制程大約在3nm，對應(yīng)晶體管密度1-1.2億晶體管/平方毫米（百億晶體管級別）。2）通信：一方面，5G下沉到車載/制造等；另一方面，星閃（藍(lán)牙+wifi）+“e-MIMO“有6G特征。通信的底層技術(shù)數(shù)學(xué)，在數(shù)學(xué)約束下完成波特率/成本/功耗/信噪比等的折中，大量計算來自矩陣運算。這種計算和GPU/DSA的數(shù)學(xué)原理是一致的。3）芯片設(shè)計：近期趨勢是Chiplet+DSA+GPU+異構(gòu)，而且RISCV也有推廣可能。4）AI：2019-2023年transformer風(fēng)靡，預(yù)計2024年拓展到GPT4，且多模態(tài)會是趨勢。5）OS操作系統(tǒng)：車載OS/鴻蒙3.0已經(jīng)質(zhì)變，當(dāng)前鴻蒙4升級客戶已經(jīng)突破6000萬。我們可以按照華為的科技樹來理解近期科技的產(chǎn)業(yè)鏈變化。對于華為當(dāng)前的科技：半導(dǎo)體代表為海思，通信代表為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)和星閃，計算代表為手機業(yè)務(wù)、算力和榮耀（過去），智能的代表是昇騰、盤古大模型和ADAS，軟件代表是鴻蒙、歐拉、高斯。此外熱管理（家電為主）、顯示（家電為主）、液冷（機械、新能源為主）等也可圈可點。1.2消費電子：科技樹上較大一次變化節(jié)點根據(jù)產(chǎn)業(yè)鏈圖，半導(dǎo)體制程、通信協(xié)議、體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)應(yīng)用等其他“科技樹”環(huán)節(jié)的變化，應(yīng)當(dāng)會拉動消費電子新一輪更新。這在歷史上，有較為詳細(xì)數(shù)據(jù)佐證。根據(jù)IDC對桌面級、工作站、筆記本電腦、智能手機、VRAR等領(lǐng)域的統(tǒng)計tracker數(shù)據(jù)，再根據(jù)蓋世汽車、Statista的智能汽車數(shù)據(jù)，得到全球消費電子整體結(jié)論。廣義的消費電子總規(guī)模是歷年穩(wěn)定成長的，但其創(chuàng)新載體總是從一個遷移到另一個。而對單一載體，其發(fā)展存在周期性。而拉動載體變化的，往往是產(chǎn)業(yè)鏈上下游，尤其是上層應(yīng)用的變化。1）PC電腦的發(fā)展，Windows98-2000對其推廣有幫助。1998年6月Windows98發(fā)布，從這代開始，微軟將成為pc界領(lǐng)軍。從2000年2月Windows2000開始，微軟首次針對同代操作系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分，以更好匹配用戶應(yīng)用需求。Win2000出現(xiàn)了專業(yè)版（Professional）、服務(wù)器版（Server）、高級服務(wù)器版（AdvancedServer）、數(shù)據(jù)中心版（DataCenterServer）四個版本。重磅的IT應(yīng)用（視窗風(fēng)格的操作系統(tǒng)逐漸易用）刺激硬件滲透。國際數(shù)據(jù)公司（IDC）統(tǒng)計，2000年亞太地區(qū)（日本除外）的PC市場增長了38.5%，達(dá)到1990萬臺。中國是該地區(qū)最大的市場，2000年的PC銷售量達(dá)到717萬臺，比1999年高出45.1%。2）筆記本電腦NoteBook大約2005年后國內(nèi)風(fēng)靡，半導(dǎo)體0.13微米/操作系統(tǒng)WindowsXP對其推廣大有裨益。隨著筆記本電腦行業(yè)技術(shù)的不斷提高，以及第二代SandyBridge處理器的面市，8-12英寸屏幕的筆記本電腦已經(jīng)流行。超薄筆記本電腦的處理器、內(nèi)存、硬盤等主要配件，在性能方面都不遜色。半導(dǎo)體方面：0.13微米制程和低功耗對筆記本推廣有幫助。2001年，英特爾推出了首次應(yīng)用0.13微米、銅互連技術(shù)的Tualatin核心奔騰Ⅲ處理器。HT超線程技術(shù)也出現(xiàn)，無論英特爾還是AMD的產(chǎn)品，大多功耗較低而且性價比較高。操作系統(tǒng)和應(yīng)用方面：2001年發(fā)布的經(jīng)典操作系統(tǒng)WindowsXP（直至2013-2014年）為筆記本電腦的普及，發(fā)揮了重要作用。3）智能手機大約2009年后風(fēng)靡，應(yīng)用服務(wù)（例如蘋果商店、安卓生態(tài)）等應(yīng)用促進(jìn)更新，半導(dǎo)體處理器（例如多核、電源管理IC）和通信技術(shù)（3G、4G）的變革也有幫助。蘋果公司2007年發(fā)布iPhone初代，2011年10月發(fā)布的iPhone4s引發(fā)較大熱潮。此后10年，智能手機經(jīng)歷了滲透率增加、提價和格局變化，至今依然較為活躍。操作系統(tǒng)和應(yīng)用方面：根據(jù)百度百科，2008年3月，蘋果對外發(fā)布了針對iPhone的應(yīng)用開發(fā)包（SDK），供免費下載，以便第三方應(yīng)用開發(fā)人員開發(fā)針對iPhone及Touch的應(yīng)用軟件。2011年1月6日，AppStore擴(kuò)展至Mac平臺。用戶購買應(yīng)用所支付的費用由蘋果與應(yīng)用開發(fā)商3：7分成。類似的還有安卓，2007年11月，谷歌公司正式向外界展示了這款名為Android的操作系統(tǒng)，并且在這天谷歌宣布建立一個全球性的聯(lián)盟組織。軟件、IT服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的大量繁榮，促進(jìn)了智能手機的持續(xù)滲透，因為它增加了網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)。半導(dǎo)體和其他硬件方面：明星產(chǎn)品蘋果iPhone4S的成功，離不開較多半導(dǎo)體/硬件技術(shù)的進(jìn)步。除了攝像頭模組、視網(wǎng)膜屏幕，自身研發(fā)的A5芯片是亮點。A5是iOS平臺首款同步雙核處理器，它的計算性能比iPhone4配置的A4性能高2倍，圖形處理性能，是之前的9倍。蘋果A4處理器的工作頻率固定在1GHz，而A5處理器則可以隨當(dāng)前運行的應(yīng)用程序而改變頻率。A5處理器采用了比A4更優(yōu)秀的電源管理電路設(shè)計。智能手機2009年后風(fēng)靡，還與3G-4G通信普及息息相關(guān)。4）智聯(lián)汽車大約2018年后，體系結(jié)構(gòu)、算法變化拉動很大。體系結(jié)構(gòu)方面：過去汽車以電機/電器/能源技術(shù)為主要驅(qū)動，零件相對分立。而伴隨虛擬化技術(shù)風(fēng)靡，滲透到汽車領(lǐng)域，促成了經(jīng)典五域/三域的域控制器變化。這影響了2018年后ADAS/智能汽車領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的變化。算法方面：智能汽車先采用“后融合1“的方法生成ADAS算法，隨后發(fā)展到“前融合2“。近年“端到端”算法風(fēng)靡。5）2023H2后，科技樹有較大技術(shù)變化，尤其AI場景在終端（PC+手機）的滲透，演繹了新一版本的“安迪-比爾”定律。在ICT中，“通信-計算-存儲-IO”之間存在迭代關(guān)系，總有相對的速度短板。1）之前5-10年，半導(dǎo)體制程是14-20nm，相應(yīng)的通信協(xié)議也匹配當(dāng)時的傳輸速率和信噪比。2）伴隨華為9000S芯片的發(fā)布，5nm/7nm制程的加速風(fēng)靡，使通信協(xié)議有機會重新設(shè)計（4G/PCIE/NVlink/Infiniband都是當(dāng)時風(fēng)靡的半導(dǎo)體制程下效率較高的）。當(dāng)前通信圈的衛(wèi)星通信/星閃NearLink都是冰山一角，5.5G/6G通信已經(jīng)開展。3）一旦半導(dǎo)體+通信兩大ICT節(jié)點都可以更新，那么就給重大的科技應(yīng)用提供了空間（這在PC/手機/車載都出現(xiàn)過），例如AI場景滲透到終端，包括PC和手機。4）鯰魚效應(yīng)會促進(jìn)這個過程。一旦1-2家巨頭開始加速，那可能帶來消費電子更新潮。5）此前2-3年消費電子的平淡，會讓換機彈性更大！2.產(chǎn)業(yè)鏈上下游驅(qū)動：AIPC，鯰魚效應(yīng)之前論述了”科技樹”其他環(huán)節(jié)帶動消費電子更新。本章論述AI領(lǐng)域的重要載體：消費電子終端，即AIPC。而巨頭的頻頻發(fā)力，會加速這個過程，形成“鯰魚效應(yīng)”。2.1AI新場景：AIPC如前述，AI場景，滲透到終端，可能配合新一輪消費電子更新潮，較有前景。即消費電子已經(jīng)相對平淡了2-3年，AI應(yīng)用的拉動、功能的增強、價格的提升，都促成終端（PC+手機）的換機和反轉(zhuǎn)更加猛烈。1）AI大模型功能的手機。根據(jù)36氪等，大模型已經(jīng)成為全球領(lǐng)先手機廠商的重點投入方向。例如谷歌/華為/小米/Oppo/Vivo。2）AI應(yīng)用提升手機。根據(jù)鈦媒體等，大模型有望全方面提升手機能力，并刺激用戶換機意愿。例如AI助手/AI優(yōu)化攝影/體驗提升等。3）手機底層的AI芯片也在更新。根據(jù)新浪，快科技等，手機/PC芯片廠商正在大幅提升對AI能力的支持。例如高通/聯(lián)發(fā)科/英特爾。2.2場景：松耦合，消費電子AI是新場景10月24日，以“AIforAll”為主題的第九屆聯(lián)想創(chuàng)新科技大會上，聯(lián)想集團(tuán)展示了首款A(yù)IPC，預(yù)計將于2024年下半年發(fā)布，并深化與微軟、英偉達(dá)、高通等企業(yè)合作。同一時間段，海外英特爾、高通、AMD等芯片廠商紛紛發(fā)布AIPC相關(guān)產(chǎn)品及計劃，正式拉開AIPC的新時代帷幕。AIPC的本質(zhì)是邊緣端側(cè)AI的子集，是AI云-邊-端在消費電子場景的率先落地。從算力以及耦合角度來分，產(chǎn)業(yè)界將集群尺度分為兩個路徑：1）AI大型機：諸如DGXGH200的緊耦合形態(tài)，適用于千億級甚至十萬億級大模型的推理運算，帶寬及算力具備顯著優(yōu)勢，但成本相對高昂。2）AI云：松耦合系統(tǒng)多設(shè)備體系構(gòu)成的AI云，在消費級應(yīng)用場景諸如StableDiffusion逐步發(fā)力，在數(shù)百億級別的模型運算具備落地能力及性價比。端側(cè)AI在降低網(wǎng)絡(luò)延遲和負(fù)擔(dān)、數(shù)據(jù)隱私安全以及用戶體驗方面具備優(yōu)勢：1）降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)和延遲：終端計算在邊端進(jìn)行。促進(jìn)設(shè)備端分擔(dān)AI運算負(fù)擔(dān)，可利用本地數(shù)據(jù)進(jìn)行決策，在算力制裁背景下，結(jié)合國內(nèi)模型參數(shù)生態(tài)，落地方面具備實際性和性價比。2）數(shù)據(jù)隱私性和安全性：AI端側(cè)運算將AI算法部署在設(shè)備端，可以在不將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫说那闆r下對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，從而保護(hù)數(shù)據(jù)隱私和安全。3）改善離線場景用戶體驗：可運用于線下離線場景，為用戶側(cè)提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)為一體的超融合基礎(chǔ)設(shè)施，提升用戶數(shù)據(jù)安全性、隱私性，提供定制化服務(wù)，提升用戶體驗。2.3算法與架構(gòu)：算法/架構(gòu)/IP設(shè)計/封裝均推陳出新軟硬件的持續(xù)迭代是促進(jìn)AIPC發(fā)展的核心驅(qū)動力。將AI模型部署到邊緣設(shè)備上，需要優(yōu)化算法，并提升芯片性能，降低功耗。1）模型層面，華為及小米已經(jīng)發(fā)布專為端側(cè)AI設(shè)計的百億級以下輕量級模型，便于模型在手機端及PC端落地。2）算法層面，聯(lián)想及華為運用模型壓縮技術(shù)，使其能夠適應(yīng)較小的計算資源和存儲空間，讓AIPC實現(xiàn)成為可能。3）硬件方面，英特爾、華為等通過改進(jìn)IP設(shè)計架構(gòu)、封裝技術(shù)迭代，促進(jìn)芯片性能提升，提高AI運算效率的同時降低功耗。算法：蒸餾及量化促進(jìn)模型壓縮技術(shù)迭代，提升模型的精度和推理速度。據(jù)華為云開發(fā)者聯(lián)盟，華為主要通過三種方式進(jìn)行模型。1）剪裁：通過將模型結(jié)構(gòu)中不重要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)剪裁掉，實現(xiàn)推理速度提升。刪除模型中權(quán)重較小的神經(jīng)元節(jié)點的，對模型加載信息的影響微乎其微。2）量化：將float32的數(shù)據(jù)計算精度變成int8的計算精度，犧牲一點模型精度來換取更快的計算速度。3）蒸餾：利用已有大模型訓(xùn)練效果接近的小模型。硬件：我們梳理英特爾、高通、華為等巨頭針對AIPC所進(jìn)行的硬件迭代，半導(dǎo)體側(cè)主要變革體現(xiàn)在IP設(shè)計、封裝等方面。IP設(shè)計：重新設(shè)計SoC架構(gòu)模塊，增加高帶寬可拓展結(jié)構(gòu)。以英特爾“流星湖”處理器為例，市場上的SoC架構(gòu)，媒體IP被嵌入到圖形模塊當(dāng)中，由于圖形和媒體采用與CPU核心相同的環(huán)形結(jié)構(gòu)來訪問內(nèi)存，當(dāng)圖形或媒體需要訪問內(nèi)存時，大量的邏輯訪問使CPU保持開啟，因此能耗較高。“流星湖”處理器上，英特爾采取的方案是將媒體和圖形模塊分開，使兩者都獨立連接到SoC中的計算核心。由于增加設(shè)計了新的高帶寬可拓展結(jié)構(gòu)，所有主要模塊，包括NPU、媒體、圖形等都可獲得完整的內(nèi)存帶寬。封裝：采用Foveros3D封裝，核心考量高密度、高性能、低延遲。一方面，為實現(xiàn)AIPC中對于高帶寬、低功耗、低延遲的需求，英特爾采用Foveros3D封裝技術(shù)，主要提供擴(kuò)展和重新配置的靈活性。據(jù)IEEE華為發(fā)布的相關(guān)論文，華為服務(wù)器采取異構(gòu)Chiplet架構(gòu)，并提出一種無緩沖多環(huán)NoC設(shè)計，可提供無緩沖連接區(qū)，具備可拓展性且可降低平均延遲。2.4海外巨頭：英特爾/高通示范英特爾：推出首個AIPC加速計劃，發(fā)布第五代Ultra處理器，預(yù)計2025年支持1億臺AIPC，顯著提升運算性能。在2023年12月14日，推出第五代“酷睿Ultra”處理器，預(yù)計將在2025年支持1億臺PC實現(xiàn)AI性能。Ultra具備高能效的能效核（E-core）處理器SierraForest將于2024年上半年上市。與第四代至強相比，擁有288核的該處理器預(yù)計將使機架密度提升2.5倍，每瓦性能提高2.4倍。高通AIPC實施路徑主要旨在通過混合AI架構(gòu)，將云端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至PC邊緣端。據(jù)ComputeX2023，高通宣布驍龍已可以實現(xiàn)在手機、PC等邊緣端進(jìn)行Stable-Diffusion的應(yīng)用，在支持百億級參數(shù)大模型處理的同時離線處理其他工作流。技術(shù)路徑上，高通通過采用混合AI架構(gòu)，將云端推理與邊緣端PC運算結(jié)合，在用戶端實現(xiàn)無縫體驗。B端，提升了OEM、ISV數(shù)據(jù)中心能耗效率、節(jié)約開支，C端，幫助保證了用戶的數(shù)據(jù)安全及隱私性，并提升了離線使用的便捷性。高通預(yù)計2025年發(fā)布驍龍EliteX，旨在提升邊緣端AI性能處理能力。據(jù)AnalyticsInsight，10月24日，高通介紹了其為微軟AI-PC設(shè)計的芯片“驍龍EliteX”，宣稱其性能在能耗等方面將超越蘋果M2以及英特爾。驍龍EliteX預(yù)計將會于2024年發(fā)布，這款芯片將具備處理130億參數(shù)模型的能力，并著重優(yōu)化了AI相關(guān)的性能，包括郵件總結(jié)、圖像生成等任務(wù)。3.產(chǎn)業(yè)鏈上下游驅(qū)動：通信協(xié)議+半導(dǎo)體+機械裝備3.1半導(dǎo)體：制程進(jìn)步，允許“設(shè)計自由度”增加數(shù)字電路IC設(shè)計中，關(guān)鍵路徑影響時鐘頻率，即速度。IC設(shè)計，尤其數(shù)字電路設(shè)計中，有個重要環(huán)節(jié)叫做靜態(tài)時序分析（STA，StaticTimingAnalysis）。靜態(tài)時序分析的思想是，在網(wǎng)表（即數(shù)字電路）中找到關(guān)鍵路徑（CriticalPath）。關(guān)鍵路徑是netlist中信號傳播時延的最長路徑,即數(shù)字電路中,組合邏輯時延最大的路徑。關(guān)鍵路徑?jīng)Q定芯片的最高工作頻率。數(shù)字電路IC設(shè)計中，半導(dǎo)體制程進(jìn)步會允許“更復(fù)雜的設(shè)計“，可以看做“設(shè)計的自由度在增加”。伴隨半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，單個邏輯單元更小，延遲相對變少（除了長導(dǎo)線、抖動、偏移skew、串?dāng)_等問題影響延遲），關(guān)鍵路徑CriticalPath中能容納的邏輯單元更復(fù)雜。這樣就可以實現(xiàn)更復(fù)雜的功能和算法，工作頻率也可能提高。我們用產(chǎn)業(yè)數(shù)字論證這一點。盡管大規(guī)模集成電路的功能、制程、低功耗策略有差異，但晶體管密度可以做一個近似的模擬。隨著時間推移，半導(dǎo)體制程進(jìn)步，晶體管密度以近似線性的速度持續(xù)進(jìn)步，這可以理解為“設(shè)計的自由度增加”。上一輪PC/手機有較大更新的年份大約是2017-2020年，當(dāng)時14-10nm制程風(fēng)靡。當(dāng)前這一輪，7-5nm制程風(fēng)靡。1-2代半導(dǎo)體制程進(jìn)步，允許的關(guān)鍵路徑（CriticalPath）不同，設(shè)計的自由度增加。而云端和AI計算的性能提升，或恰好能利用“設(shè)計自由度”。3.2通信：有較大“設(shè)計自由度”空間上述“通信-計算-存儲-IO之間存在迭代關(guān)系，總有相對的速度短板“的思想，在特斯拉公開論文《DOJO:Super-ComputeSystemScalingforMLTraining》中，有系統(tǒng)化論述。即通信至少不能成為ICT系統(tǒng)中的速度瓶頸。而英偉達(dá)A100/H100等流行GPU的Datasheet表明，通信當(dāng)前可能是復(fù)雜ICT系統(tǒng)較容易成為瓶頸的。根據(jù)通信歷史，無論蜂窩通信還是無限通信歷史，可以發(fā)現(xiàn)通信重要的進(jìn)步經(jīng)常發(fā)生在1990-2015年，而當(dāng)前允許的“設(shè)計自由度”已經(jīng)較大。1）蜂窩通信：2G通信用到的CDMA（碼分多址，CodeDivisionMultipleAccess）主要是90年代推廣。3G+4G通信常用的TDD/FDD（時分為Time-divisionDuplex，頻分為Frequency-divisionDuplex）主要是2000年后推廣。4G重要的OFDM（正交頻分多址，OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess）技術(shù)，在約2010-2015年風(fēng)靡。2）無線通信：需要兼容歷史標(biāo)準(zhǔn)，這會減少設(shè)計的靈活度。通信的底層往往是數(shù)學(xué)。在數(shù)學(xué)計算的相對極限中，可以得到通信速度（波特率）/信噪比（魯棒性）/成本等重要指標(biāo)的折中，這樣就得到了通信協(xié)議。而每一代半導(dǎo)體制程的進(jìn)步，都允許”設(shè)計自由度“增加，也就是允許重新設(shè)計。既然通信協(xié)議主要的進(jìn)步發(fā)生在1990-2015年，且需要兼容的歷史版本較多，如果重新設(shè)計通信協(xié)議，是有機會的。華為星閃NearLink就是一個證明。它甚至沒有充分利用半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步，即已經(jīng)取得較好的全面指標(biāo)。而通信“設(shè)計自由度”的增加，也讓消費電子利用這些新通信協(xié)議、新通信工具的空間提升了。例如完成AI和云的數(shù)據(jù)同步，就要充分利用通信技術(shù)，這都可能成為吸引投資者更新購買的特色。3.3機械裝備：消費電子金屬加工+新設(shè)備新材料鈦合金性能優(yōu)越，在消費電子中的應(yīng)用日益廣泛。鈦合金具有強度高、耐腐蝕、耐疲勞等多重優(yōu)勢，在消費電子中應(yīng)用滲透逐步提升，近期多款消費電子產(chǎn)品中，均有鈦合金