爆火的ChatGPT，能帶飛哪些芯片廠（附國產(chǎn)廠商名錄）

前 言

最近，人工智能公司OpenAI推出的聊天機(jī)器人ChatGPT全面出圈，掀起一陣全球性的熱潮。去年11月30日，ChatGPT一經(jīng)推出就迅速成為史上用戶增長速度最快的消費(fèi)級應(yīng)用，僅5天注冊用戶數(shù)就超過100萬。

短短兩個月后，其用戶數(shù)已突破1億，刷新了人工智能聊天程序用戶數(shù)增長的記錄。微軟、谷歌、阿里、騰訊、百度等國內(nèi)外大廠也都在搶占布局ChatGPT，競相宣布將推出相關(guān)產(chǎn)品，使其熱度持續(xù)高漲。

ChatGPT是人工智能技術(shù)驅(qū)動的自然語言處理工具，它能夠通過學(xué)習(xí)和理解人類的語言來進(jìn)行對話，還能根據(jù)聊天的上下文進(jìn)行互動，真正像人類一樣來聊天交流，甚至能完成撰寫郵件、視頻腳本、文案、翻譯、代碼，寫論文等任務(wù)。

我們正在進(jìn)入一個以ChatGPT代表的AI新時代，而高算力AI應(yīng)用需要大規(guī)模數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和快速運(yùn)算，AI芯片的需求將隨之暴增。

中商產(chǎn)業(yè)研究院指出，人工智能商業(yè)化應(yīng)用將加速落地，推動AI芯片市場高速增長，預(yù)計全球AI芯片市場規(guī)模有望從2020年的約175億美元提升到2025年的726億美元(近5000億元)。據(jù)億歐智庫測算，2025年中國人工智能核心產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到4000億元，其中基礎(chǔ)層芯片及相關(guān)技術(shù)的市場規(guī)模約1740億元。

因此，在ChatGPT背后提供算力的GPU、CPU、FPGA、ASIC等芯片必將迎來新的增長點(diǎn)。本文將簡要梳理這四類芯片在ChatGPT應(yīng)用中的重要性，及其各自的市場規(guī)模、國產(chǎn)化現(xiàn)狀、替代廠商名單等。

01

AI時代，GPU迎來黃金發(fā)展期

• GPU：AI時代的算力核心

從構(gòu)建AI模型的過程來看，首選要用超大算力和數(shù)據(jù)構(gòu)建預(yù)訓(xùn)練模型，然后要在預(yù)訓(xùn)練模型上進(jìn)行針對性訓(xùn)練。由于具備并行計算能力，可兼容訓(xùn)練和推理，GPU被廣泛應(yīng)用于加速芯片。

在AI時代的云端訓(xùn)練芯片中GPU占據(jù)較大的份額達(dá)到64%，被視為AI時代的算力核心。ChatGPT訓(xùn)練模型中就已導(dǎo)入至少1萬顆英偉達(dá)GPU，ChatGPT的火熱興起對GPU的需求可見一斑。

• GPU市場規(guī)模

根據(jù)Verified Market Research數(shù)據(jù)顯示，2020年全球GPU市場價值為254.1億美元，2027年有望達(dá)到1853.1億美元，年平均增速高達(dá)32.82%；2020年中國大陸的獨(dú)立GPU市場規(guī)模為47.39億美元，預(yù)計2027年中國大陸GPU市場規(guī)模將超過345.57億美元。

圖源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院

隨著云計算、人工智能等高性能異構(gòu)計算的發(fā)展，GPU并行計算的優(yōu)勢被進(jìn)一步發(fā)掘，成為高性能計算領(lǐng)域的“寵兒”。從2020年開始，GPU便成為國內(nèi)芯片領(lǐng)域“最吸金”賽道之一，融資總額已超過200億元。

• GPU國產(chǎn)化現(xiàn)狀

放眼全球，GPU呈現(xiàn)寡頭高度壟斷的格局。在GPU市場，排名前三的英偉達(dá)、AMD、英特爾的營收幾乎壟斷整個GPU行業(yè)，占據(jù)市場份額高達(dá)63%。在中國市場中，三大巨頭也是分走了大部分“蛋糕”。

受限于工藝制程、EDA等技術(shù)封鎖，國內(nèi)廠商目前在自主研發(fā)領(lǐng)域的成果與國際一流水平存在較大差距。但隨著國內(nèi)自研GPU的領(lǐng)軍企業(yè)景嘉微、壁仞科技、芯動科技等逐漸嶄露頭角，各廠家已發(fā)展出一系列產(chǎn)品線，并且均采用國內(nèi)成熟制程工藝及自主架構(gòu)，國產(chǎn)替代浪潮下，國內(nèi)獨(dú)立GPU廠商的廣闊市場空間已被打開。

眼下，ChatGPT的爆火正呼喚更強(qiáng)性能GPU的面世，而這將促使資金加快流入行業(yè)，國產(chǎn)廠商將有機(jī)會在其中分得一杯羹。

02

FPGA芯片發(fā)展?jié)摿薮?/span>

• FPGA：人工智能時代的驅(qū)動引擎

FPGA（Field Programmable Gate Array）又稱現(xiàn)場可編程門陣列，是指一種通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)和邏輯單元，完成既定設(shè)計功能的數(shù)字集成電路。

FPGA芯片在實時性（數(shù)據(jù)信號處理速度快）、靈活性等方面優(yōu)勢明顯，還可以編程、并行計算，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域占據(jù)不可替代地位。

相比于CPU/GPU/ASIC，F(xiàn)PGA具有更高的速度和極低的計算能耗，常被用作專用芯片的小批量替代品。在AI模型構(gòu)建時，F(xiàn)PGA要實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)功能，需要與CPU結(jié)合，共同應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)模型，同樣可以實現(xiàn)龐大的算力需求。

• FPGA市場規(guī)模

根據(jù)Future Market Insights的預(yù)測，F(xiàn)PGA芯片全球市場規(guī)模在2032年有望達(dá)到約139億美元，2022-2032年CAGR為7.6%。

隨著下游應(yīng)用的拓展，中國FPGA的行業(yè)規(guī)模也持續(xù)提升，根據(jù)華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院與Frost&Sullivan數(shù)據(jù)顯示，2021年中國FPGA芯片市場規(guī)模為176.8億元，2016-2021年CAGR為 22%；2025年中國FPGA芯片市場有望達(dá)到332.2億元，2021-2025年CAGR為17%。

FPGA是集成電路中的卡脖子領(lǐng)域，技術(shù)門檻極高，現(xiàn)有國內(nèi)市場規(guī)模每年超百億元。得益于5G通信技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)的興起和應(yīng)用場景的拓展，中國FPGA市場將進(jìn)一步擴(kuò)容，預(yù)計將達(dá)到全球市場份額的1/3。

• FPGA國產(chǎn)化現(xiàn)狀

全球FPGA芯片市場中賽靈思和英特爾合計占有率高達(dá)87%左右，前四家美國公司即占據(jù)了全世界 92%以上的FPGA供應(yīng)市場。國內(nèi)FPGA市場中賽靈思和英特爾合計占據(jù)80%的市場份額，國產(chǎn)廠商只占4%，擁有廣闊的提升空間。

由于FPGA芯片擁有較高的技術(shù)和資金壁壘，國內(nèi)FPGA廠商硬件性能指標(biāo)相較賽 靈思、Intel等技術(shù)水平較低，在成本控制能力、軟件易用性等方面都與頭部 FPGA廠商存在一定的差距。

從供應(yīng)角度看，目前國外公司占據(jù)了90%以上國內(nèi)市場份額，進(jìn)口替代需求強(qiáng)烈，尤其在28nm以上中高端領(lǐng)域國產(chǎn)化率更低，國產(chǎn)替代空間大。

近年來中國FPGA廠商積極布局人工智能、自動駕駛等市場，領(lǐng)先企業(yè)已經(jīng)實現(xiàn)了部分技術(shù)突破。如去年8月，京微齊力發(fā)布首顆國產(chǎn)22nm的FPGA芯片并成功量產(chǎn)。在行業(yè)整體規(guī)模上升與進(jìn)口替代加速的驅(qū)動下，未來國產(chǎn)FPGA企業(yè)將有望縮小與國際先進(jìn)水平的差距，并實現(xiàn)業(yè)績和規(guī)模的進(jìn)一步增長。

03

CPU：國內(nèi)六大廠商崛起，實現(xiàn)自主可控

• CPU：計算機(jī)運(yùn)算與控制的核心

從深度學(xué)習(xí)的角度來看，雖然GPU是最適合深度學(xué)習(xí)應(yīng)用的芯片，但CPU作為計算機(jī)運(yùn)算與控制的核心，自然也不可忽略。想要實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)功能，其它芯片均需要與CPU結(jié)合，共同應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)模型，以實現(xiàn)龐大的算力需求。CPU作為智能化的核心部件，一直以來都受到國內(nèi)重視，我們正在加速改變對國外CPU過度依賴的局面，加大相關(guān)政策和資金的扶持，實現(xiàn)技術(shù)自主可控。

近期，在ChatGPT帶動下，國內(nèi)各科技大廠也紛紛表示早已布局相關(guān)產(chǎn)品，比如百度的“文心一言”、網(wǎng)易有道的AI口語老師等。這些產(chǎn)品背后所均需要的強(qiáng)大算力支持，未來將拉動CPU等相關(guān)硬件的投資，國產(chǎn)CPU市場規(guī)模也將進(jìn)一步得到拓展。

• CPU全球市場規(guī)模

根據(jù)全球半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計組織（WSTS） 的數(shù)據(jù)，2019年，受國際貿(mào)易影響，全球CPU行業(yè)總收入略有下降；2020年，因貿(mào)易摩擦緩解，加之?dāng)?shù)據(jù)中心、5G商用、 智能汽車等需求的增加，全球CPU行業(yè)市場規(guī)模上升至839億美元，CAGR（復(fù)合年均增長率）4.1%，市場重回穩(wěn)步增長態(tài)勢。預(yù)計2030年全球CPU市場規(guī)模將達(dá)到1287.4億美元。

目前，Intel、AMD仍占據(jù)著全球CPU主要市場份額，兩家企業(yè)出貨量占市場份額近乎100%，寡頭壟斷特征明顯。

2021年全球服務(wù)器CPU市場格局（數(shù)據(jù)來源：IDC，國聯(lián)證券研究所）

• CPU國產(chǎn)化現(xiàn)狀

我國CPU起步并不晚，但發(fā)展歷程較為坎坷。近年來，在國產(chǎn)CPU企業(yè)奮力追趕之下，近年來已取得較大進(jìn)展。

2016年3月，國內(nèi)24家軟硬件關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用研究單位，共同發(fā)起成立了一個非營利性社會組織“信息技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新工作委員會”，簡稱“信創(chuàng)”，旨在解決核心技術(shù)“卡脖子”的問題，它的成立，進(jìn)一步推動了國產(chǎn)CPU的發(fā)展進(jìn)程，各大廠商研發(fā)實力快速提升，逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化替代。

近年來，在黨政、金融、電信、教育、交通、公用事業(yè)等信創(chuàng)重點(diǎn)領(lǐng)域中，國產(chǎn)CPU及其配套軟硬件逐漸擁有越來越高的市占率。根據(jù)國泰君安預(yù)測，2025年國產(chǎn)CPU潛在市場規(guī)模達(dá)到360億元。

目前，鯤鵬、飛騰、龍芯、兆芯、海光、申威等一批優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)CPU廠商快速崛起，進(jìn)入“春秋六國”時代。

在架構(gòu)上，我國CPU主要分為x86、Arm、MIPS和Risc-V四大生態(tài)陣營。在這些指令集架構(gòu)中，x86和Arm架構(gòu)都受到西方國家掣肘，而MIPS等架構(gòu)則不符合主流發(fā)展趨勢，所以目前來看，Risc-V或?qū)⒊蔀閲a(chǎn)CPU重要發(fā)展方向之一。

04

ASIC：解決人工智能時代的基礎(chǔ)算力瓶頸

• ASIC：算力顯著優(yōu)于傳統(tǒng)芯片

隨著數(shù)據(jù)量的不斷增加和芯片工藝的極限到來，對算力的訴求越來越難以被滿足，ASIC由此誕生。ASIC(Application Specific Integrated Circuit)，即專用集成電路，其計算能力和計算效率可根據(jù)用戶特定需求進(jìn)行定制，廣泛應(yīng)用于人工智能設(shè)備、虛擬貨幣挖礦設(shè)備、耗材打印設(shè)備、軍事國防設(shè)備等智慧終端。

ASIC芯片可根據(jù)終端功能不同分為TPU芯片、DPU芯片和NPU芯片等。其中，TPU（Tensor Processing Unit）為張量處理器，專用于機(jī)器學(xué)習(xí)。DPU（Data Processing Unit），可為數(shù)據(jù)中心等計算場景提供引擎。NPU（Neural-network Processing Unit）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器，在電路層模擬人類神經(jīng)元和突觸，并用深度學(xué)習(xí)指令集直接處理大規(guī)模電子神經(jīng)元和突觸數(shù)據(jù)。

ASIC 芯片有以下幾個優(yōu)勢：

• 規(guī)格優(yōu)勢：ASIC芯片在設(shè)計時充分利用單位運(yùn)算單元功能，避免冗余計算單元存在，有利于縮小芯片體積。

• 能耗優(yōu)勢：ASIC芯片單位算力能耗相對CPU、GPU、FPGA較低，如GPU每算力平均約消耗0.4瓦電力，ASIC單位算力平均消耗約0.2瓦電力，更能滿足新型智能家電對能耗的限制。

• 集成優(yōu)勢：因采用定制化設(shè)計，ASIC芯片系統(tǒng)、電路、工藝高度一體化，有助于客戶獲得高性能集成電路。如TPU1是傳統(tǒng)GPU性能的14-16倍，NPU是 GPU的118倍。寒武紀(jì)已發(fā)布對外應(yīng)用指令集，ASIC將是未來AI芯片的核心。

相比于GPU和FPGA，ASIC缺乏靈活性，特別是在AI、服務(wù)器這類領(lǐng)域，在各種算法不斷迭代的情況下，ASIC芯片的特性反而成為了它的累贅。但地平線CEO余凱曾公開表示，一旦軟件算法固定下來，專用集成電路ASIC一定是未來的方向，按每瓦功耗計算能力看，ASIC可比GPU提升30-50倍，這也將是未來行業(yè)的競爭焦點(diǎn)。

• ASIC全球市場規(guī)模

Research and Markets的報告顯示，2018年全球ASIC芯片市場規(guī)模為148.7億美元，到2025年，全球ASIC芯片市場規(guī)模預(yù)計將達(dá)到247億美元，在預(yù)測期內(nèi)以8.2%的復(fù)合年增長率增長。從數(shù)據(jù)上可以看到，其實ASIC芯片的市場規(guī)模并不小。

2019年-2025年ASIC全球市場規(guī)模（數(shù)據(jù)來源：KBV Research）

• ASIC國產(chǎn)化現(xiàn)狀

上文已提到，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計算的發(fā)展，大量數(shù)據(jù)處理任務(wù)，讓人們對計算效率、計算能耗等都提出了更高的要求，在此背景下，ASIC芯片開始受到重視，國外谷歌、英特爾、英偉達(dá)等科技巨頭相繼發(fā)布了TPU、DPU等ASIC芯片，國內(nèi)大廠也開始瞄準(zhǔn)這一市場迅速發(fā)力。

目前國內(nèi)主流ASIC廠商信息整理如下：