電子行業(yè)市場(chǎng)前景及投資研究報(bào)告：服務(wù)器ARM芯片機(jī)遇

證券研究報(bào)告（優(yōu)于大市，維持）服務(wù)器下ARM芯片的機(jī)遇2024年7月24日投資要點(diǎn)

1、眾多企業(yè)入局Arm服務(wù)器市場(chǎng)，市場(chǎng)滲透率有望高增速。亞馬遜云、甲骨文云、Azure和阿里云等巨頭紛紛入局Arm服務(wù)器市場(chǎng)。IDC報(bào)告顯示，2022年上半年全球服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到575.9億美元，同比增長(zhǎng)18.3%，中國(guó)服務(wù)器市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到134.8億美元，同比增長(zhǎng)18.4%。根據(jù)Trend

Force數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，隨著云數(shù)據(jù)中心的采用逐漸增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年，ARM架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場(chǎng)滲透率將達(dá)到22％。

2、Arm相較X86具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。通過“堆核”的方式，使得Arm架構(gòu)處理器在性能快速提升下，也能保持較低的功耗。據(jù)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫援引Ampere數(shù)據(jù)，其CPU的性能超越傳統(tǒng)x86處理器3倍，性能功耗比領(lǐng)先近4倍。與x86服務(wù)器CPU相比Ampere

Altra系列可用50%的能耗，提供200%的性能。

投資建議：我們認(rèn)為在服務(wù)器側(cè)ARM芯片有望快速提高其滲透率，關(guān)注國(guó)內(nèi)廠商進(jìn)展。

風(fēng)險(xiǎn)提示：行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加?。粷B透率不及預(yù)期；研發(fā)進(jìn)度不及預(yù)期。2概要1.服務(wù)器CPU架構(gòu)簡(jiǎn)介1.1服務(wù)器CPU和民用CPU區(qū)別1.2CISC和RISC的區(qū)別2.Arm在服務(wù)器行業(yè)大有可為2.1Arm架構(gòu)在服務(wù)器行業(yè)來勢(shì)兇猛2.2Arm服務(wù)器端生態(tài)伙伴數(shù)量增多2.3Arm架構(gòu)服務(wù)器相比X86能耗比有所提升2.4Arm架構(gòu)從V8走向V91.3基于CISC的X86架構(gòu)1.4基于

RISC的Arm架構(gòu)1.5基于RISC的PowerPC架構(gòu)1.6基于RISC的RISC-V架構(gòu)1.7基于RISC的mips架構(gòu)1.8CPU各個(gè)架構(gòu)具體區(qū)別1.9CPU+GPU異構(gòu)計(jì)算逐漸流行2.5NVIDIA入局Arm服務(wù)器芯片26AWS采用Arm架構(gòu)性能有所提升2.7

Arm架構(gòu)下的Graviton提升明顯2.8富士通芯片

A64FX

&FUJITSU-MONAKA2.9阿里云的倚天710性能強(qiáng)勁2.10Google

Ampere

紛紛自研Arm芯片2.11未來Arm服務(wù)器架構(gòu)的發(fā)展路徑31.1服務(wù)器CPU和民用CPU區(qū)別服務(wù)器是通用計(jì)算產(chǎn)業(yè)的基石，是中國(guó)數(shù)字經(jīng)濟(jì)的底層算力支撐，在各行各業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型的浪潮中將迎來需求爆發(fā)，特別是在“東數(shù)西算”加快推進(jìn)的背景下。CPU處理器是服務(wù)器的核心部件，被譽(yù)為服務(wù)器的“大腦”，其功能主要是解釋計(jì)算機(jī)指令以及處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。服務(wù)器CPU同樣也包括控制器、運(yùn)算器，對(duì)計(jì)算機(jī)所有硬件資源進(jìn)行控制調(diào)配。表：服務(wù)器CPU和民用CPU區(qū)別兩者區(qū)別接口服務(wù)器CPU民用CPU接口搭配主板不同，服務(wù)器CPU主板沒有顯卡卡槽且CPU總線帶寬更高穩(wěn)定性要求一般服務(wù)器都是365天開機(jī)運(yùn)行，對(duì)穩(wěn)定性

按72個(gè)小時(shí)連續(xù)工作而設(shè)計(jì)的，穩(wěn)定要求極高性要求低是否多路互聯(lián)市場(chǎng)價(jià)格是否主流產(chǎn)品價(jià)格基本千元以上，甚至過萬普通CPU價(jià)格都在百元到千元資料：CSDN

，證券研究所41.2CISC和RISC的區(qū)別將

服

務(wù)

器

按

照

指

令

集

架

構(gòu)

分

類

，

可

以

將

服

務(wù)

器

分

成

兩

類

：

一

類

是

CISC（Complex

Instruction

Set

Computer復(fù)雜指令集）架構(gòu)服務(wù)器，即通常所用的PC服務(wù)器。這類服務(wù)器基于PC機(jī)體結(jié)構(gòu)，采用英特爾或者與之兼容的其他處理器芯片，這一架構(gòu)以小巧穩(wěn)為特點(diǎn)。另一種則是RISC（ReducedInstructionSet

Computing精簡(jiǎn)指令集）架構(gòu)服務(wù)器。這類服務(wù)所采用的CPU與日常所用CPU完全不同，此類服務(wù)器價(jià)格昂貴，但性能和數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大。表：CISC和RISC區(qū)別CISCRISC指令系統(tǒng)復(fù)雜、龐大簡(jiǎn)單、精簡(jiǎn)指令數(shù)目一般大于200條不固定一般小于100條等長(zhǎng)指令字長(zhǎng)尋址方式一般大于4不加限制相差較大較少一般小于4可訪存指令各種指令執(zhí)行時(shí)間通用寄存器數(shù)量只有Load/Store指令絕大多數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)完成多資料：中關(guān)村在線，證券研究所51.3基于CISC的X86架構(gòu)X86泛指一系列基于Intel

8086且向后兼容的中央處理器指令集架構(gòu)。最早的8086處理器于1978年由Intel推出，為16位微處理器。該系列較早期的處理器名稱是以數(shù)字來表示80x86。由于以“86”作為結(jié)尾，包括Intel

8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構(gòu)被稱為“x86”。圖：X86架構(gòu)服務(wù)器發(fā)展歷史增強(qiáng)型平臺(tái)至x64架構(gòu)第三代至第六代第一代至第二代?

1985年第三代發(fā)布?

1989年第四代發(fā)布?

1993年第五代發(fā)布?

1995年第六代發(fā)布?

32位?

2000年至今x86架構(gòu)過度到x86-64架構(gòu)?

1978年第一代x86?

1982年第二代?

16位?

64位資料：維基百科，證券研究所61.4基于RISC的Arm架構(gòu)Arm架構(gòu)，過去稱作高級(jí)精簡(jiǎn)指令集（Advanced

RISC），是一個(gè)精簡(jiǎn)指令集（RISC）處理器架構(gòu)家族，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于節(jié)能的特點(diǎn)，其在其他領(lǐng)域上也有很多作為。ARM處理器非常適用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，符合其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)為低成本、高性能、低耗電的特性。同時(shí)，在服務(wù)器領(lǐng)域超算消耗大量電能，Arm同樣被視作更高效的選擇。表：Arm架構(gòu)的特點(diǎn)ARM芯片使用精簡(jiǎn)指令集，即每條指令只完成一項(xiàng)簡(jiǎn)單的操作，從而提高指令的執(zhí)行效率和處理器的性能。精簡(jiǎn)指令集ARM芯片使用負(fù)載，即只有專門的負(fù)載和存儲(chǔ)指令可以訪問內(nèi)存，其他指令只能在寄存器之間進(jìn)行操作。這樣可以減少內(nèi)存訪問的次數(shù)和延遲，提高數(shù)據(jù)處理的速度。負(fù)載/存儲(chǔ)架構(gòu)統(tǒng)一寄存器文件條件執(zhí)行ARM芯片使用統(tǒng)一寄存器文件，即所有的通用寄存器都可以用于任何目的，沒有專門的數(shù)據(jù)寄存器或地址寄存器。ARM芯片支持條件執(zhí)行，即每條指令都可以根據(jù)一個(gè)條件碼來決定是否執(zhí)行。這樣可以減少分支指令的使用，提高代碼密度和流水線效率。ARM芯片支持多種工作模式，例如用戶模式、系統(tǒng)模式、管理模式、中斷模式、異常模式等。多種工作模式資料：CSDN

，證券研究所71.5基于RISC的PowerPC架構(gòu)PowerPC(Performance

Optimization

With

Enhanced

RISC

–

PerformanceComputing)是一種RISC架構(gòu)的CPU，其基本的設(shè)計(jì)源自IBM的POWER。PowerPC

處理器有非常強(qiáng)的嵌入式表現(xiàn)，因?yàn)樗哂袃?yōu)異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了像串行和網(wǎng)控制器那樣的集成

I/O，該嵌入式處理器與臺(tái)式機(jī)CPU存在區(qū)別。圖：Power

PC芯片分析圖圖：Power

PC芯片資料logodix

，：易特創(chuàng)芯援引中國(guó)電子頂級(jí)開發(fā)網(wǎng)，證券研究所81.6基于RISC的RISC-V架構(gòu)RISC-V是一個(gè)基于RISC的開源指令集架構(gòu)。與大多數(shù)指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設(shè)計(jì)、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。因?yàn)槠湓O(shè)計(jì)使其適用于現(xiàn)代計(jì)算設(shè)備（如倉(cāng)庫(kù)規(guī)模云計(jì)算機(jī)、高端移動(dòng)電話和微小嵌入式系統(tǒng)）。設(shè)計(jì)者考慮到了這些用途中的性能與功率效率。表：RISC-V架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)RISC-V指令集完全開源，采用寬松的

BSD協(xié)議，企業(yè)可以自由免費(fèi)使用，并且可以添加自有指令集而無需開放共享，從而實(shí)現(xiàn)差異化發(fā)展。完全開源架構(gòu)簡(jiǎn)單RISC-V架構(gòu)簡(jiǎn)單，基礎(chǔ)指令集只有

40多條，加上模塊化擴(kuò)展指令也只有幾十條指令，文檔也比較簡(jiǎn)潔，便于開發(fā)和移植新的操作系統(tǒng)和應(yīng)用。RISC-V提供詳細(xì)的特權(quán)級(jí)和用戶級(jí)指令規(guī)范，使得開發(fā)者能夠方便地將

Linux和

UNIX系統(tǒng)移植到

RISC-V平臺(tái)上，保障操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。易于移植RISC-V架構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，使其可以通過靈活組合不同模塊，滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景的需求，如嵌入式低功耗場(chǎng)景或高性能應(yīng)用場(chǎng)景。模塊化設(shè)計(jì)RISC-V社區(qū)提供了完整的工具鏈G，CC包、含QEMU

等主要工具，使得芯片完整的工具鏈設(shè)計(jì)公司可以專注于芯片設(shè)計(jì)，而無需擔(dān)心工具鏈的問題。資料：芯語，證券研究所91.7基于RISC的mips架構(gòu)MIPS（Microprocessor

without

Interlocked

Pipeline

Stages）是一種精簡(jiǎn)指令集（RISC）架構(gòu)，由MIPS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)公司開發(fā)。MIPS最早是32位，最新版本為64位，主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是ARM和RISC-V。MIPS架構(gòu)當(dāng)前版本是MIPS32/64Release

6，并有多個(gè)擴(kuò)展（如MIPS-3D、MDMX、MIPS16e、MIPS

MT）。MIPS架構(gòu)在大學(xué)和技術(shù)學(xué)校的計(jì)算機(jī)架構(gòu)課程中廣泛教學(xué)，并影響了后來的精簡(jiǎn)指令集架構(gòu)如Alpha。2021年3月，MIPS宣布停止開發(fā)，轉(zhuǎn)向RISC-V。圖：LSILR3000GC20

MIPS

CPU圖：基于MIPS架構(gòu)的龍芯3號(hào)資料：愛集微，cpushack，證券研究所101.8CPU各個(gè)架構(gòu)具體區(qū)別CPU處理器架構(gòu)指的是處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能，也就是處理器如何執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)的方式。不同的處理器架構(gòu)有不同的指令集，也就是處理器能夠理解和執(zhí)行的基本操作。處理器架構(gòu)對(duì)于處理器的性能、功耗、兼容性等方面有重要的影響。常見的架構(gòu)有x86、ARM、RISC-V和MIPS。表：各個(gè)架構(gòu)具體區(qū)別架構(gòu)指令集類型

優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)代表芯片計(jì)算性能強(qiáng)，兼容性好，生態(tài)成熟功耗高，指令集封閉，授權(quán)限制Intel

Corei9,

AMDRyzen9X86CISCRISC計(jì)算性能弱，授權(quán)費(fèi)用高，受美國(guó)制裁影響阿里倚天710、Ampere

Altra亞馬遜Graviton功耗低，架構(gòu)靈活，授權(quán)模式多樣ARM生態(tài)不完善，技術(shù)不成熟，缺乏商業(yè)支持SiFive

FreedomU740,

AlibabaXuanTie

C910開源免費(fèi)，架構(gòu)模塊化，自主研發(fā)空間大RISC-VMIPSRISCRISC簡(jiǎn)潔，優(yōu)化方便，高拓展性市場(chǎng)份額小，競(jìng)爭(zhēng)力不足，生態(tài)落后龍芯3A5000,Loongson

3A4000資料：CSDN、芯智迅，證券研究所111.9CPU

+GPU異構(gòu)計(jì)算逐漸流行異構(gòu)計(jì)算是指系統(tǒng)同時(shí)使用多種處理器或者核心，這些系統(tǒng)通過增加不同的協(xié)處理器提高整體的性能或者資源的利用率。這些協(xié)處理器可以負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)中特定的任務(wù)，例如用來渲染圖形的

GPU。CPU

雖然能夠很好地處理通用的計(jì)算任務(wù)，但是因?yàn)楹诵臄?shù)量限制在圖形領(lǐng)域卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如GPU，復(fù)雜的圖形渲染、全局光照等問題仍然需要

GPU

來解決，而大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展也推動(dòng)著

GPU

的演進(jìn)。表：CPU和GPU具體區(qū)別圖：CPU和GPU架構(gòu)圖示擅長(zhǎng)復(fù)雜、單線程任務(wù)，兼容性高；處理復(fù)雜邏輯和少量計(jì)算CPUGPU擅長(zhǎng)大規(guī)模并行計(jì)算，適合處理大量簡(jiǎn)單任務(wù)；處理大量數(shù)據(jù)并行任務(wù)；多核架構(gòu)提高計(jì)算效率；處理并行任務(wù)時(shí)延時(shí)較低比CPU更節(jié)能，降低運(yùn)行成本和熱處理需求；與CPU間數(shù)據(jù)傳輸速度快資料：CSDN

，證券研究所122.1ARM架構(gòu)在服務(wù)器行業(yè)來勢(shì)兇猛據(jù)TrendForce集邦咨詢研究顯示，近年企業(yè)對(duì)于人工智能、高效能運(yùn)算等數(shù)字轉(zhuǎn)型需求加速，帶動(dòng)云端采用比例增加，全球主要云端服務(wù)業(yè)者為提升服務(wù)彈性，陸續(xù)導(dǎo)入ARM架構(gòu)服務(wù)器，預(yù)期至2025年ARM架構(gòu)在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器滲透率將達(dá)22%。圖：X86和Arm服務(wù)器市場(chǎng)份額圖圖：

X86和Arm服務(wù)器市場(chǎng)份額預(yù)測(cè)圖100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%202020212022e2023fintelAMDArmOthers資料：digitimes，《Redefining

Computing:

Riseof

ARMfrom

consumer

to

Cloud

for

energy

efficiency》Tahmid

NoorRahman,

etc

，13證券研究所2.2Arm服務(wù)器端生態(tài)伙伴數(shù)量增多Arm服務(wù)器芯片在云計(jì)算市場(chǎng)迅速崛起，得益于Oracle、Amazon、、阿里等眾多行業(yè)巨頭的生態(tài)伙伴支持，推動(dòng)了其軟件生態(tài)和供應(yīng)鏈的快速發(fā)展，展現(xiàn)了強(qiáng)大的增長(zhǎng)勢(shì)頭和生態(tài)伙伴的日益增多。圖：基于ARM服務(wù)器的生態(tài)伙伴增多2021年阿里平頭哥發(fā)布倚天7102019年推出鯤鵬920芯片2018年Amazon發(fā)布Graviton芯片部署在AWS2017年Ampere成立專注于Arm服務(wù)器2018年2019年2021年2024年2017年資料：愛集微

，證券研究所142.3Arm架構(gòu)服務(wù)器相比X86能耗比有所提升Arm架構(gòu)因其在云計(jì)算中的高能效、成本效益和增強(qiáng)的安全性而受到青睞。與傳統(tǒng)的x86架構(gòu)相比，基于Arm的服務(wù)器在性能和功耗方面表現(xiàn)出了更優(yōu)的每瓦特性能。Ampere

Altra等高性能Arm服務(wù)器處理器的推出，為云原生工作負(fù)載提供了強(qiáng)有力的支持。Arm架構(gòu)在云托管領(lǐng)域的變革潛力主要體現(xiàn)在混合云解決方案、微型數(shù)據(jù)中心、定制資源分配以及對(duì)云原生生態(tài)系統(tǒng)的全面支持。圖：Arm服務(wù)器相較于X86的優(yōu)缺點(diǎn)資料：cloudpanel

，證券研究所152.4Arm架構(gòu)從V8走向V9Armv9采用Arm機(jī)密計(jì)算架構(gòu)（CCA），基于Armv8既往成功的基礎(chǔ)，增添了針對(duì)矢量處理的DSP、機(jī)器學(xué)習(xí)和安全等這三個(gè)技術(shù)特性。目前64位上的Armv8架構(gòu)中的所有功能均能在v9架構(gòu)中得到支持，且v9架構(gòu)將支持在32位v8的架構(gòu)功能。同時(shí)Arm基于Armv9指令集架構(gòu)推出了Neoverse

N2、NeoverseV2等平臺(tái)，旨在為云端、超大規(guī)模和HPC提供新一代基礎(chǔ)設(shè)施。圖：Armv9迭代梯形圖資料：linuxeden

，證券研究所162.5NVIDIA入局Arm服務(wù)器芯片NVIDIA

Grace專為處理海量數(shù)據(jù)產(chǎn)生智能并實(shí)現(xiàn)卓越能效的新型數(shù)據(jù)中心而設(shè)計(jì)。這些數(shù)據(jù)中心可運(yùn)行各種工作負(fù)載，包括

AI、數(shù)據(jù)分析、超大規(guī)模云應(yīng)用以及高性能計(jì)算

(HPC)。與當(dāng)今的前沿服務(wù)器相比，NVIDIA

Grace

可提供每瓦兩倍的性能、兩倍的封裝密度和超高內(nèi)存帶寬，以滿足數(shù)據(jù)中心極為嚴(yán)苛的需求。圖：Grace芯片圖樣圖：Grace芯片數(shù)據(jù)對(duì)比資料：NVIDIA，證券研究所172.6AWS采用Arm架構(gòu)性能有所提升Amazon

Graviton由

AWS使用

64

位

Arm

Neoverse內(nèi)核定制而成，為在Amazon

EC2中運(yùn)行的云工作負(fù)載提供更高的性價(jià)比。與第一代

Graviton處理器相比，Graviton2

處理器不管在性能還是功能上都實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。它們可以提供高

7

倍的性能、多

4倍的計(jì)算核心、快

5倍內(nèi)存和大

2倍緩存。表：Graviton三代參數(shù)對(duì)比處理器型號(hào)GravitonGraviton2Graviton

3Arm核Cortex-A72Neoverse

N1Neoverse

V1Arm架構(gòu)核數(shù)Armv816Armv8.264Arm8.4647倍性能提升2倍單核性能提升25%的提升；2倍浮點(diǎn)性能提升；

3倍機(jī)比上一代性能提升無器學(xué)習(xí)性能提升工藝功耗16nm95W7nm---5nm100W；比Graviton

2減少60%的能耗資料

：軟硬件結(jié)合微信公眾號(hào)，證券研究所182.7

Arm架構(gòu)下的Graviton提升明顯Graviton3

處理器是

Graviton處理器系列中已經(jīng)GA的最新產(chǎn)品。與

Graviton2處理器相比，它們的計(jì)算性能提高了

25%，浮點(diǎn)性能提高了

2倍，加密工作負(fù)載性能提高了

2倍。與

Graviton2

處理器相比，

Graviton3

處理器在機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載方面的性能提高了

3倍，包括對(duì)

bfloat16

的支持。測(cè)試表明，MilvusonGraviton3

(m7g)

的總體性能比

Intel

XeonPlatinum

8375C

(m6i)

實(shí)現(xiàn)了更好的

QPS(13.7%)。圖：Intel

和

Graviton3

實(shí)例之間的性能比較資料：亞馬遜云科技，證券研究所192.8富士通芯片A64FX&FUJITSU-MONAKA2018年公開的A64FX不僅是首批用上7nm工藝的超算處理器，也是首個(gè)基于ArmV8.2A指令集加SVE的Arm處理器，單芯片峰值算力達(dá)到2.7TFLOPS。FUJITSU-MONAKA

是富士通下一代高性能/節(jié)能處理器，旨在提高數(shù)據(jù)中心的能源效率和數(shù)據(jù)處理速度。其基于富士通獨(dú)特的技術(shù)，如K

Computer和Fugaku的微架構(gòu)和低壓技術(shù)、Armv9-A

架構(gòu)、臺(tái)積電的2nm工藝和

chiplet的3D

安裝技術(shù)。包含約

150

個(gè)基于

Armv9-A

指令集架構(gòu)的內(nèi)核，具有可擴(kuò)展向量擴(kuò)展

2

(SVE2）。圖：A64FX芯片示意圖