半导体人工智能芯片-新架构改变世界.pdf
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半导体
证券研究报告
2017 年 09 月 16 日
投资评级
行业评级
强于大市(维持评级)
上次评级
强于大市
作者
农冰立
分析师
SAC 执业证书编号：S1110516110006
nongbingli@tfzq.com
陈俊杰
分析师
SAC 执业证书编号：S1110517070009
chenjunjie@tfzq.com
资料来源：贝格数据
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行业走势图
人工智能芯片——新架构改变世界
人工智能倒逼芯片底层的真正变革
人类精密制造领域（半导体制造是目前为止人类制造领域的最巅峰）遇到硅
基极限的挑战，摩尔定律的放缓似乎预示着底层架构上的芯片性能的再提升
已经出现瓶颈，而数据量的增长却呈现指数型的爆发，两者之间的不匹配势
必会带来技术和产业上的变革升级。变革从底层架构开始。计算的体系处
于碎片化引发架构变革。数据的扩张远大于处理器性能的扩张，依靠处理
器性能在摩尔定律推动下的提升的单极世界已经崩溃，处理器性能提升的速
度并不足以满足 AI 所需的应用程序的需求。大量数据消耗的数字运算能力
比几年前所有数据中心加起来还要多。基于冯诺伊曼架构的拓扑结构已经持
续了很多年并没有本质上的变化。而人工智能带来的，是在摩尔定律放缓
维度下引发芯片底层架构重构的变革。有可能引发的是一次超越以往任何
时代的科技革命
基于摩尔定律的机器时代的架构——从 Wintel 到 AA
冯诺伊曼架构带来了计算体系的建立并通过 Intel 实现了最大化；ARM 通过
共享 IP 的商业模式带来了更开放的生态体系，实现了软硬件的结合延伸了
人类的触角观察 Intel 和 ARM 的黄金十年，站在现在时点往后看，我们提出
以下观点：过去十年以下游的应用驱动设计公司的成长转换为由设计公司
主导应用正在发生。从需求层面看企业成长空间。类似 90 年代的 PC 和 10
年的智能手机带来的亿级大空间增量市场将很容易推动企业的快速增长。设
计企业能够在成长轨迹上实现跨越式突破的可能性来自于赛道的选择。但站
在现在时点看，人工智能是确定性的方向，在所有已有领域的人工智能渗透，
都将极大的改变人类的生活。处于最前沿的芯片公司的革新正在以此而发
生，重新定义底层架构的芯片，从上游推动行业的变革。在并没有具体应
用场景爆发之前已经给予芯片公司充分的高估值就是认可设计公司的价值
人工智能芯片——新架构的异军突起
观察人工智能系统的搭建，以目前的架构而言，主要是以各种加速器来实现
深度学习算法。讨论各种加速器的形式和实现，并探讨加速器变革下引发的
行业深层次转变。认为人工智能芯片将有可能在摩尔定律放缓维度下引发
芯片底层架构重构的变革。
从 2 个维度测算人工智能芯片空间
从两个维度讨论人工智能芯片的市场空间测算。维度一从人工智能总市场规
模空间反推芯片，维度二详细拆分云端/移动端所需人工智能加速器的 BOM
进而推断人工智能芯片市场空间。二个维度印证到 2020 年人工智能芯片将
达到百亿美元市场
重点标的：Intel，台积电，NVIDIA，全志科技，富瀚微，北京君正
风险提示：人工智能芯片发展不达预期
-23%
-17%
-11%
-5%
1%
7%
13%
2016-09 2017-01 2017-05
半导体
沪深300
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内容目录
1. 人工智能倒逼芯片底层的真正变革 ........................................................................................... 4
2. 基于摩尔定律的机器时代的架构——从 Wintel 到 AA ......................................................... 6
2.1. Intel——PC 时代的王者荣耀 ....................................................................................................... 6
2.1.1. Intel 公司简介 ........................................................................................................................ 6
2.1.2. Intel 带来的 PC 行业的市场规模变革和产业变化 .................................................... 7
2.2. ARM——开放生态下移动时代的新王加冕 ............................................................................ 9
2.2.1. ARM 公司简介 ....................................................................................................................... 9
2.2.2. ARM 架构——重新塑造移动智能时代 ...................................................................... 10
2.2.3. 生态的建立和商业模式的转变——ARM 重塑了行业 .......................................... 12
3. 人工智能芯片——新架构的异军突起..................................................................................... 15
3.1. GPU——旧瓶装新酒 ..................................................................................................................... 16
3.1.1. GPU 芯片王者——NVIDIA .............................................................................................. 17
3.2. FPGA——紧追 GPU 的步伐 ........................................................................................................ 19
3.3. ASIC——定制化的专用人工智能芯片 .................................................................................... 21
3.3.1. VPU——你是我的眼 ......................................................................................................... 22
3.3.1. TPU——Google 的野心 ................................................................................................... 23
3.4. 人工神经网络芯片 ........................................................................................................................ 24
3.4.1. 寒武纪——真正的不同 ................................................................................................... 25
4. 从 2 个维度测算人工智能芯片空间......................................................................................... 26
5. 重点标的 ....................................................................................................................................... 29
图表目录
图 1：遵从摩尔定律发展到微处理器发展 .............................................................................................. 4
图 2：摩尔定律在放缓 ................................................................................................................................... 4
图 3：全球智能手机每月产生的数据量（EB）5 年提升了 13X ...................................................... 4
图 4：单一神经元 VS 复杂神经元 .............................................................................................................. 5
图 5：2 次应用驱动芯片发展 ...................................................................................................................... 6
图 6：英特尔 x86 处理器总市场份额 ........................................................................................................ 6
图 7：使用 X86 架构的单元 ......................................................................................................................... 7
图 8：摩尔定律下推动下的 Intel 股价上扬 ............................................................................................. 8
图 9：Intel 2012Q1-2016Q4 各产品线增速 .......................................................................................... 8
图 10：Intel 总产品收入 VS PC 端收入 ................................................................................................... 8
图 11：Intel VS 全球半导体 增速 ............................................................................................................. 8
图 12：ARM 的商业模式 ............................................................................................................................... 9
图 13：ARM 架构的发展 ............................................................................................................................. 10
图 14：高级消费电子产品正在结合更多的 ARM 技术 ..................................................................... 12
图 15：ARM 在智能手机中的成分 ........................................................................................................... 13
图 16：基于 ARM 芯片的出货量 .............................................................................................................. 13
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