電子行業(yè)市場前景及投資研究報告：服務器ARM芯片機遇

證券研究報告（優(yōu)于大市，維持）服務器下ARM芯片的機遇2024年7月24日投資要點

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

Force數據預測，隨著云數據中心的采用逐漸增長，預計到2025年，ARM架構在數據中心服務器市場滲透率將達到22％。

2、Arm相較X86具有獨特優(yōu)勢。通過“堆核”的方式，使得Arm架構處理器在性能快速提升下，也能保持較低的功耗。據半導體產業(yè)縱橫援引Ampere數據，其CPU的性能超越傳統(tǒng)x86處理器3倍，性能功耗比領先近4倍。與x86服務器CPU相比Ampere

Altra系列可用50%的能耗，提供200%的性能。

投資建議：我們認為在服務器側ARM芯片有望快速提高其滲透率，關注國內廠商進展。

風險提示：行業(yè)競爭加??；滲透率不及預期；研發(fā)進度不及預期。2概要1.服務器CPU架構簡介1.1服務器CPU和民用CPU區(qū)別1.2CISC和RISC的區(qū)別2.Arm在服務器行業(yè)大有可為2.1Arm架構在服務器行業(yè)來勢兇猛2.2Arm服務器端生態(tài)伙伴數量增多2.3Arm架構服務器相比X86能耗比有所提升2.4Arm架構從V8走向V91.3基于CISC的X86架構1.4基于

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

Arm架構下的Graviton提升明顯2.8富士通芯片

A64FX

&FUJITSU-MONAKA2.9阿里云的倚天710性能強勁2.10Google

Ampere

紛紛自研Arm芯片2.11未來Arm服務器架構的發(fā)展路徑31.1服務器CPU和民用CPU區(qū)別服務器是通用計算產業(yè)的基石，是中國數字經濟的底層算力支撐，在各行各業(yè)數智化轉型的浪潮中將迎來需求爆發(fā)，特別是在“東數西算”加快推進的背景下。CPU處理器是服務器的核心部件，被譽為服務器的“大腦”，其功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。服務器CPU同樣也包括控制器、運算器，對計算機所有硬件資源進行控制調配。表：服務器CPU和民用CPU區(qū)別兩者區(qū)別接口服務器CPU民用CPU接口搭配主板不同，服務器CPU主板沒有顯卡卡槽且CPU總線帶寬更高穩(wěn)定性要求一般服務器都是365天開機運行，對穩(wěn)定性

按72個小時連續(xù)工作而設計的，穩(wěn)定要求極高性要求低是否多路互聯市場價格是否主流產品價格基本千元以上，甚至過萬普通CPU價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

器

按

照

指

令

集

架

構

分

類

，

可

以

將

服

務

器

分

成

兩

類

：

一

類

是

CISC（Complex

Instruction

Set

Computer復雜指令集）架構服務器，即通常所用的PC服務器。這類服務器基于PC機體結構，采用英特爾或者與之兼容的其他處理器芯片，這一架構以小巧穩(wěn)為特點。另一種則是RISC（ReducedInstructionSet

Computing精簡指令集）架構服務器。這類服務所采用的CPU與日常所用CPU完全不同，此類服務器價格昂貴，但性能和數據處理能力強大。表：CISC和RISC區(qū)別CISCRISC指令系統(tǒng)復雜、龐大簡單、精簡指令數目一般大于200條不固定一般小于100條等長指令字長尋址方式一般大于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)行時間通用寄存器數量只有Load/Store指令絕大多數在一個周期內完成多資料：中關村在線，證券研究所51.3基于CISC的X86架構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。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字來表示80x86。由于以“86”作為結尾，包括Intel

8086、80186、80286、80386以及80486，因此其架構被稱為“x86”。圖：X86架構服務器發(fā)展歷史增強型平臺至x64架構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架構過度到x86-64架構?

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Arm架構，過去稱作高級精簡指令集（Advanced

RISC），是一個精簡指令集（RISC）處理器架構家族，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設計。由于節(jié)能的特點，其在其他領域上也有很多作為。ARM處理器非常適用于移動通信領域，符合其主要設計目標為低成本、高性能、低耗電的特性。同時，在服務器領域超算消耗大量電能，Arm同樣被視作更高效的選擇。表：Arm架構的特點ARM芯片使用精簡指令集，即每條指令只完成一項簡單的操作，從而提高指令的執(zhí)行效率和處理器的性能。精簡指令集ARM芯片使用負載，即只有專門的負載和存儲指令可以訪問內存，其他指令只能在寄存器之間進行操作。這樣可以減少內存訪問的次數和延遲，提高數據處理的速度。負載/存儲架構統(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，沒有專門的數據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一個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PowerPC(Performance

Optimization

With

Enhanced

RISC

–

PerformanceComputing)是一種RISC架構的CPU，其基本的設計源自IBM的POWER。PowerPC

處理器有非常強的嵌入式表現，因為它具有優(yōu)異的性能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。除了像串行和網控制器那樣的集成

I/O，該嵌入式處理器與臺式機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)芯援引中國電子頂級開發(fā)網，證券研究所81.6基于RISC的RISC-V架構RISC-V是一個基于RISC的開源指令集架構。與大多數指令集相比，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允許任何人設計、制造和銷售RISC-V芯片和軟件。因為其設計使其適用于現代計算設備（如倉庫規(guī)模云計算機、高端移動電話和微小嵌入式系統(tǒng)）。設計者考慮到了這些用途中的性能與功率效率。表：RISC-V架構的優(yōu)勢RISC-V指令集完全開源，采用寬松的

BSD協議，企業(yè)可以自由免費使用，并且可以添加自有指令集而無需開放共享，從而實現差異化發(fā)展。完全開源架構簡單RISC-V架構簡單，基礎指令集只有

40多條，加上模塊化擴展指令也只有幾十條指令，文檔也比較簡潔，便于開發(fā)和移植新的操作系統(tǒng)和應用。RISC-V提供詳細的特權級和用戶級指令規(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平臺上，保障操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。易于移植RISC-V架構模塊化設計，使其可以通過靈活組合不同模塊，滿足各種應用場景的需求，如嵌入式低功耗場景或高性能應用場景。模塊化設計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計公司可以專注于芯片設計，而無需擔心工具鏈的問題。資料：芯語，證券研究所91.7基于RISC的mips架構MIPS（Microprocessor

without

Interlocked

Pipeline

Stages）是一種精簡指令集（RISC）架構，由MIPS計算機系統(tǒng)公司開發(fā)。MIPS最早是32位，最新版本為64位，主要競爭對手是ARM和RISC-V。MIPS架構當前版本是MIPS32/64Release

6，并有多個擴展（如MIPS-3D、MDMX、MIPS16e、MIPS

MT）。MIPS架構在大學和技術學校的計算機架構課程中廣泛教學，并影響了后來的精簡指令集架構如Alpha。2021年3月，MIPS宣布停止開發(fā)，轉向RISC-V。圖：LSILR3000GC20

MIPS

CPU圖：基于MIPS架構的龍芯3號資料：愛集微，cpushack，證券研究所101.8CPU各個架構具體區(qū)別CPU處理器架構指的是處理器的內部結構和功能，也就是處理器如何執(zhí)行指令和數據的方式。不同的處理器架構有不同的指令集，也就是處理器能夠理解和執(zhí)行的基本操作。處理器架構對于處理器的性能、功耗、兼容性等方面有重要的影響。常見的架構有x86、ARM、RISC-V和MIPS。表：各個架構具體區(qū)別架構指令集類型

優(yōu)勢劣勢代表芯片計算性能強，兼容性好，生態(tài)成熟功耗高，指令集封閉，授權限制Intel

Corei9,

AMDRyzen9X86CISCRISC計算性能弱，授權費用高，受美國制裁影響阿里倚天710、Ampere

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

FreedomU740,

AlibabaXuanTie

C910開源免費，架構模塊化，自主研發(fā)空間大RISC-VMIPSRISCRISC簡潔，優(yōu)化方便，高拓展性市場份額小，競爭力不足，生態(tài)落后龍芯3A5000,Loongson

3A4000資料：CSDN、芯智迅，證券研究所111.9CPU

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

GPU。CPU

雖然能夠很好地處理通用的計算任務，但是因為核心數量限制在圖形領域卻遠遠不如GPU，復雜的圖形渲染、全局光照等問題仍然需要

GPU

來解決，而大數據、機器學習和人工智能等技術的發(fā)展也推動著

GPU

的演進。表：CPU和GPU具體區(qū)別圖：CPU和GPU架構圖示擅長復雜、單線程任務，兼容性高；處理復雜邏輯和少量計算CPUGPU擅長大規(guī)模并行計算，適合處理大量簡單任務；處理大量數據并行任務；多核架構提高計算效率；處理并行任務時延時較低比CPU更節(jié)能，降低運行成本和熱處理需求；與CPU間數據傳輸速度快資料：CSDN

，證券研究所122.1ARM架構在服務器行業(yè)來勢兇猛據TrendForce集邦咨詢研究顯示，近年企業(yè)對于人工智能、高效能運算等數字轉型需求加速，帶動云端采用比例增加，全球主要云端服務業(yè)者為提升服務彈性，陸續(xù)導入ARM架構服務器，預期至2025年ARM架構在數據中心服務器滲透率將達22%。圖：X86和Arm服務器市場份額圖圖：

X86和Arm服務器市場份額預測圖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服務器端生態(tài)伙伴數量增多Arm服務器芯片在云計算市場迅速崛起，得益于Oracle、Amazon、、阿里等眾多行業(yè)巨頭的生態(tài)伙伴支持，推動了其軟件生態(tài)和供應鏈的快速發(fā)展，展現了強大的增長勢頭和生態(tài)伙伴的日益增多。圖：基于ARM服務器的生態(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架構服務器相比X86能耗比有所提升Arm架構因其在云計算中的高能效、成本效益和增強的安全性而受到青睞。與傳統(tǒng)的x86架構相比，基于Arm的服務器在性能和功耗方面表現出了更優(yōu)的每瓦特性能。Ampere

Altra等高性能Arm服務器處理器的推出，為云原生工作負載提供了強有力的支持。Arm架構在云托管領域的變革潛力主要體現在混合云解決方案、微型數據中心、定制資源分配以及對云原生生態(tài)系統(tǒng)的全面支持。圖：Arm服務器相較于X86的優(yōu)缺點資料：cloudpanel

，證券研究所152.4Arm架構從V8走向V9Armv9采用Arm機密計算架構（CCA），基于Armv8既往成功的基礎，增添了針對矢量處理的DSP、機器學習和安全等這三個技術特性。目前64位上的Armv8架構中的所有功能均能在v9架構中得到支持，且v9架構將支持在32位v8的架構功能。同時Arm基于Armv9指令集架構推出了Neoverse

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

，證券研究所162.5NVIDIA入局Arm服務器芯片NVIDIA

Grace專為處理海量數據產生智能并實現卓越能效的新型數據中心而設計。這些數據中心可運行各種工作負載，包括

AI、數據分析、超大規(guī)模云應用以及高性能計算

(HPC)。與當今的前沿服務器相比，NVIDIA

Grace

可提供每瓦兩倍的性能、兩倍的封裝密度和超高內存帶寬，以滿足數據中心極為嚴苛的需求。圖：Grace芯片圖樣圖：Grace芯片數據對比資料：NVIDIA，證券研究所172.6AWS采用Arm架構性能有所提升Amazon

Graviton由

AWS使用

64

位

Arm

Neoverse內核定制而成，為在Amazon

EC2中運行的云工作負載提供更高的性價比。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現了巨大的飛躍。它們可以提供高

7

倍的性能、多

4倍的計算核心、快

5倍內存和大

2倍緩存。表：Graviton三代參數對比處理器型號GravitonGraviton2Graviton

3Arm核Cortex-A72Neoverse

N1Neoverse

V1Arm架構核數Armv816Armv8.264Arm8.4647倍性能提升2倍單核性能提升25%的提升；2倍浮點性能提升；

3倍機比上一代性能提升無器學習性能提升工藝功耗16nm95W7nm---5nm100W；比Graviton

2減少60%的能耗資料

：軟硬件結合微信公眾號，證券研究所182.7

Arm架構下的Graviton提升明顯Graviton3

處理器是

Graviton處理器系列中已經GA的最新產品。與

Graviton2處理器相比，它們的計算性能提高了

25%，浮點性能提高了

2倍，加密工作負載性能提高了

2倍。與

Graviton2

處理器相比，

Graviton3

處理器在機器學習工作負載方面的性能提高了

3倍，包括對

bfloat16

的支持。測試表明，MilvusonGraviton3

(m7g)

的總體性能比

Intel

XeonPlatinum

8375C

(m6i)

實現了更好的

QPS(13.7%)。圖：Intel

和

Graviton3

實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，也是首個基于ArmV8.2A指令集加SVE的Arm處理器，單芯片峰值算力達到2.7TFLOPS。FUJITSU-MONAKA

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

Computer和Fugaku的微架構和低壓技術、Armv9-A

架構、臺積電的2nm工藝和

chiplet的3D

安裝技術。包含約

150

個基于

Armv9-A

指令集架構的內核，具有可擴展向量擴展

2

(SVE2）。圖：A64FX芯片示意圖