人工智能芯片——新架构改变世界_28页_1mb

半导体行业研究报告：人工智能芯片引领底层架构变革

核心内容

本报告探讨了人工智能（AI）对半导体行业带来的深刻影响，尤其是芯片底层架构的变革。随着摩尔定律的放缓和数据量的指数增长，传统的冯诺伊曼架构已无法满足AI对计算能力的高需求。因此，新的芯片架构，如GPU、FPGA、ASIC、VPU、TPU等，正在推动行业的深刻变革。

主要观点

• AI倒逼芯片架构变革：由于数据量的激增，传统冯诺伊曼架构的性能提升已无法满足AI需求，从而推动芯片底层架构的重新设计。
• 新架构的出现：人工智能芯片采用新的计算范式，如神经网络计算，其架构与传统处理器不同，能更高效地处理并行数据。
• 市场空间巨大：通过两个维度测算，预计到2020年，人工智能芯片市场将突破百亿美元规模，未来增长潜力巨大。
• 设计公司主导：AI的发展使得设计公司成为推动行业变革的主导力量，其价值被市场充分认可。
• 不同架构的性能与应用：GPU、FPGA、ASIC等不同架构在AI领域各有优势，GPU擅长训练，FPGA适用于实时处理，ASIC则在特定应用场景中表现卓越。

关键信息

1. 摩尔定律与数据量的矛盾

• 摩尔定律推动芯片性能提升，但数据量的指数增长使得传统架构无法满足需求。
• AI带来的数据处理需求远超传统处理器能力，推动芯片底层架构的重新设计。

2. 人工智能芯片的架构特点

• GPU：基于SIMD架构，擅长大规模并行计算，适用于深度学习训练，但受限于冯诺伊曼架构。
• FPGA：可编程逻辑单元，适合定制化算法，能耗低，性能高，可作为协处理器使用。
• ASIC：专为AI任务设计，功耗低、性能高，但灵活性较差，适合特定应用场景。
• VPU：专用于视觉处理，集成在摄像头中，直接处理图像数据，提升图像识别效率。
• TPU：谷歌为TensorFlow深度学习框架专门设计，性能和能效远超传统处理器。

3. 市场空间测算

• 维度一：根据人工智能市场规模反推，预计2020年AI芯片市场规模为96亿美元。
• 维度二：拆分云端与移动端市场，预计2021年AI芯片市场将达111亿美元，CAGR为20.99%。

4. 重点标的

• Intel：在AI领域有长期布局，通过收购Altera和Movidius强化其在AI芯片市场的地位。
• NVIDIA：在AI芯片市场处于领先地位，其GPU在深度学习训练中具有不可替代性。
• 台积电：提供先进制程，是AI芯片制造的重要支撑。
• 寒武纪：专注于神经网络芯片，试图通过低功耗高性能架构实现AI性能的突破。
• 富瀚微：国内智能视频监控前端芯片解决方案提供商，具备AI芯片应用潜力。

图表与数据

• 图1：遵从摩尔定律发展到微处理器发展
• 图2：摩尔定律在放缓
• 图3：全球智能手机每月产生的数据量（EB）5年提升了13X
• 图4：单一神经元VS复杂神经元
• 图5：两次应用驱动芯片发展
• 图6：英特尔x86处理器总市场份额
• 图7：使用X86架构的单元
• 图8：Intel2012Q1-2016Q4各产品线增速
• 图9：Intel总产品收入VSPC端收入
• 图10：IntelVS全球半导体增速
• 图11：ARM的商业模式
• 图12：ARM架构的发展
• 图13：ARM架构的市场份额
• 图14：高级消费电子产品正在结合更多的ARM技术
• 图15：ARM在载有处理器芯片部门的市场占有率
• 图16：基于ARM芯片的出货量
• 图17：GPU架构流程
• 图18：GPU性能
• 图19：FPGA架构
• 图20：FPGA VS CPU性能
• 图21：FPGA VS CPU功耗
• 图22：VPU架构
• 图23：VPU模组
• 图24：VPU应用
• 图25：3D景深结构
• 图26：3D成像
• 图27：Google公司TPU架构
• 图28：Google公司TPU性能
• 图29：传统硬件处理方式
• 图30：寒武纪处理方式
• 图31：寒武纪芯片性能/能效
• 图32：终端和移动端
• 图33：人工智能市场规模
• 图34：人工智能芯片总市场规模
• 图35：云端领域人工智能芯片规模预测
• 图36：终端领域人工智能芯片市场规模预测

风险提示

• 人工智能芯片发展不达预期，可能影响市场增长。

投资评级

• 行业评级：强于大市（维持评级）

作者

• 农冰立，分析师
• 陈俊杰，分析师

相关报告

1. 《半导体-行业研究周报：一周半导体行业观点：智能手机8月挹注台积电营收，4Q将成半导体产业链今年最强季，关注产业链公司》2017-09-10
2. 《半导体-行业点评：边际改善提升业绩增长，关注半导体族群》2017-09-09
3. 《半导体-行业点评：抽丝剥茧——探寻本轮半导体元器件涨价背后的原因》2017-04-01