计算机行业深度研究：旧格局与新秩序，国产架构服务器研究框架.pdf

- 1 - 敬请参阅最后一页特别声明 市场数据(人民币） 市场优化平均市盈率 18.90 国金计算机指数 6503 沪深300指数 3653 上证指数 2746 深证成指 10150 中小板综指 9702 相关报告 1.鲲鹏，中国计算崛起机遇-国金计算机周报，2020.3.15 2.统信软件五千人招聘说明了什么-国金计算机行业点评，2020.3.10 3.云手机，鲲鹏落地重要场景-国家计算机周观点，2020.3.8 4.工业互联网，科技新基建-计算机行业研究，2020.2.27 5.哪些公司可能跟 HMS 关系更近？-国金计算机周观点，2020.2.24 翟炜 分析师 SAC 执业编号：S1130520020005 zhaiweigjzq 旧格局与新秩序 国产架构服务器研究框架 行业观点 服务器是一种为客户机提供服务的高性能计算机。CPU 作为服务器的运算和控制核心，其指令集架构有 CISC 和 RISC 两种。从性能角度来说，CISC与 RISC并无绝对的孰优孰劣之分。目前看来，CISC与 RISC已逐步走向融合，两方处理器互相借鉴互相优化。目前 X86 架构 CPU 占整体服务器市场约 96%，处于绝对领先的地位。 以 ARM 为代表的国产架构服务器有望异军突起。ARM 早期专注低功耗领域，在移动端处于领先位置，生态体系十分完善，但在服务器等计算市场，多年来推进缓慢。随着多核异构计算时代和场景多样化计算时代到来，带来对计算架构多样性的需求，考虑中国市场政府、金融、能源等行业端生态逐步完善以及华为鲲鹏的入局，以 ARM 为代表的国产架构服务器有望获得一席之地。而 ARM 公司本身也推出了 Neoverse 新架构，以期大幅提升性能，增强在服务器领域的竞争力。 国产架构服务器群雄逐鹿。目前，国产 CPU 包括鲲鹏、飞腾、海光、龙芯、兆芯、宏芯、申威等。在党政军领域，龙芯、飞腾、兆芯等目前占据主流，华为鲲鹏未来有望在商用市场占据主导，海光凭借其出色的单核性能和X86完善生态也有望获得一定市场份额。 华为鲲鹏，壮志凌云打造计算产业生态。2019 年 9 月，华为首次发布“一云两翼双引擎”的计算战略，构筑开放的鲲鹏产业生态。华为将聚焦芯片、开源操作系统、存储、数据库、云等底层产品，其余上层产品和服务开放给鲲鹏凌云合作伙伴，实现生态链互利共赢。 神州数码：华为长期战略伙伴，深度参与鲲鹏生态建设。神州数码与华为合作已久，是华为的全面战略合作伙伴。公司 18 年 3 月正式启动大华为战略，成立华为业务群，形成内部协作。公司是首家宣布拟投资基于“鲲鹏”的国产自主品牌服务器、PC产线的公司，将深度参与鲲鹏生态建设。 东华软件：与华为共同发布鲲鹏服务器“鹏霄”。20 年 1 月，公司与华为联合推出首批基于鲲鹏处理器的“鹏霄”服务器，在宁波市政务云上首次应用，并提出“鹏霄”服务器将在公司所覆盖的多个行业领域进行大规模商业推广及应用。 中国长城：兼具芯片及主机能力。2019 年 8 月，中国长城与华大半导体、中国振华签署协议，拟定收购天津飞腾 35%股权，天津飞腾是国内领先的国产场景 CPU。包括长城在内的国内 20 多家 OEM、ODM厂商已推出基于飞腾芯片的服务器整机产品。 中科曙光：制裁阴影逐渐消失，拐点初现。16 年，中科曙光子公司天津海光与 AMD 合作，获得 AMD Zen 架构授权，18 年 7 月，海光禅定国产芯片量产，中科曙光也推出基于禅定的国产服务器产品。19年 6月，公司进入美国实体名单，目前各环节替代方案逐步完善，制裁影响逐步消除。 投资建议 推荐关注国产架构服务器整机厂商神州数码、中国长城、中科曙光、东华软件。 风险提示 疫情影响全球经济下行风险；国产生态推进不及预期。 4668511255576001644568897334190321190621190921191221国金行业 沪深300 2020年 03月 22日 创新技术与企业服务研究中心 计算机行业研究 买入（维持评级） ) 行业深度研究 证券研究报告 行业深度研究 - 2 - 敬请参阅最后一页特别声明 内容目录 一、服务器行业发展简史 .4 1.1 服务器：一种为客户机提供服务的高性能计算机.4 1.2 CPU：服务器的运算和控制核心 .5 1.3 X86一统天下数十年 .6 二、以 ARM为代表的 CISC架构服务器有望异军突起 .8 2.1 ARM公司：全球领先的半导体设计与软件公司 .8 2.2 ARM架构已被广泛应用到各个领域 .9 2.3 ARM在服务器领域的尝试 . 11 2.4 我们的判断：国产 ARM服务器有望成功 .13 三、国产架构服务器竞争格局 .17 3.1 国产架构服务器群雄逐鹿 .17 3.2 国产架构服务器市场判断 .18 四、主要国产架构服务器生态 .19 4.1鲲鹏生态 .19 4.2飞腾生态及龙芯生态 .23 五、国产架构服务器 A股重点标的 .25 5.1神州数码：华为长期战略伙伴，鲲鹏生态核心整机厂商 .25 5.2东华软件：与华为共同发布鲲鹏服务器“鹏霄” .26 5.3中国长城：飞腾芯片 A股唯一 .26 5.4中科曙光：制裁阴影逐渐消失，拐点初现 .27 六、投资建议 .28 七、风险提示 .28 图表目录 图表 1：塔式、机架式和刀片式服务器的区别 .4 图表 2：服务器行业历史发展.4 图表 3：CISC阵营与 RISC阵营比较 .6 图表 4：X86和非 X86架构服务器产品的主要区别 .6 图表 5：X86架构处理器在整体服务器市场占比.7 图表 6：2017-2019Q3中国 X86服务器整体市场规模（按出货量） .8 图表 7：ARM公司发展历程 .8 图表 8：ARM处理器内核总览 .9 图表 9：ARM的三种授权方式 .9 图表 10：ARM全球生态系统.10 图表 11：富士通研发 ARM架构超级计算机“Post-K”. 11 图表 12：AMD、三星、高通、Calxeda、Marvell ARM服务器芯片项目详情 12 pOqOnQmPzQpNtPoNxOmNrO9PcMbRoMrRnPoOfQoOoNjMoMpM9PqRqRxNmRmQxNrNpR行业深度研究 - 3 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 13：Neoverse架构升级策略 .12 图表 14：Microsoft官网上 ARM架构相关的帮助文档.13 图表 15：NVIDIA官宣对 ARM提供支持.13 图表 16：美国对华为的封杀与限制.13 图表 17：国产替代相关部分助推政策 .14 图表 18：我国信创业务的推进方向.14 图表 19：全球公有云市场规模及增速(单位：亿美元).15 图表 20：中国公有云市场规模及增速(单位：亿元) .15 图表 21：华为鲲鹏处理器芯片.17 图表 22：主要国产服务器架构对比.18 图表 23：华为“一云两翼双引擎开放的生态”.20 图表 24：华为鲲鹏计算产业产业链规划.20 图表 25：郭平发表主题演讲与伙伴同行，打造智能社会五朵云之一.21 图表 26：华为鲲鹏生态体系 .21 图表 27：华为鲲鹏伙伴计划 .22 图表 28：华为将携手鲲鹏生态伙伴，实现共赢 .23 图表 29：基于飞腾平台的云计算全栈架构框架 .23 图表 30：基于飞腾2000+的国产高性能服务器产品群发布 .24 图表 31：飞腾云计算全栈生态图谱.24 图表 32：龙芯生态图谱 .25 图表 33：神州数码：前沿的 IT 技术和科技赋能企业和行业 .25 图表 34：神州数码与华为合作里程碑事件 .26 图表 35：“鹏霄”服务器首发首用仪式 .26 图表 36：FT-2000+/64与FT-1500A/16性能对比 .27 行业深度研究 - 4 - 敬请参阅最后一页特别声明 一、服务器行业发展简史 1.1 服务器：一种为客户机提供服务的高性能计算机 服务器是指网络环境中的高性能计算机，包括应用程序服务器、文档服务器、邮件服务器、Web 服务器及代理服务器等。整个互联网的结构几乎都基于客户机-服务器模型。客户机-服务器模型的本质是客户机请求、服务器响应，即服务器的功能是为客户机提供数据服务。服务器由处理器（CPU）、内存、磁盘、网卡、监视器、电源、机箱等组成，和通用的计算机架构类似，但是由于需要提供高可靠的服务，因此在处理能力、稳定性、可靠性、安全性、可扩展性、可管理性等方面的要求比普通的个人电脑高。 服务器的最大特点就是其强大的运算能力，即使是一部简单的服务器系统，通常也至少要有两颗处理器以构成对称多处理架构，使其能在短时间内完成大量工作，并为大量用户提供服务。 服务器常见的外型有四种：塔式服务器(Tower Server)、机架服务器(Rack Server)、刀片服务器（Blade Server）、 机柜式服务器。其中机柜是指为服务器正常工作提供相适应的环境和安全防护的安装箱，通过机柜可以保证服务器设备稳定可靠地工作。 图表 1：塔式、机架式和刀片式服务器的区别 来源：维基百科，国金证券研究所 服务器行业已经发展了近 60 年。服务器的发展最早可以追溯到 1964 年，IBM 引入 System/360。System/360 是由 5 种功能越来越强大的计算机所组成的系列，这些计算机运行同一操作系统并能够使用相同的44个外围设备。 图表 2：服务器行业历史发展 来源：CSDN，国金证券研究所 行业深度研究 - 5 - 敬请参阅最后一页特别声明 1.2 CPU：服务器的运算和控制核心 中央处理器(Central Processing Unit，简称 CPU)是服务器的核心构成之一，其功能主要是解释计算机指令以及处理服务器中的数据。CPU 的主要运作原理是执行储存“程序”里的一系列指令。程序以一系列数字的形式存储在存储器中。 指令集架构（Instruction Set Architecture），又称指令集或指令集体系，是计算机体系结构中与程序设计有关的部分，包含了基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，存储体系，中断，异常处理以及外部 I/O。指令集架构包含一系列的 opcode 即操作码（机器语言），以及由特定处理器执行的基本命令。简单地来说，指令集一般被整合在操作系统内核最底层的硬件抽象层中，属于计算机中硬件与软件的接口，它向操作系统定义了CPU的基本功能。 CPU 按指令集的架构区分，分为 CISC（Complex Instruction Set Computing ，复杂指令集）型和 RISC （ Reduced Instruction Set Computing，精简指令集）型两类。CISC 的设计者希望通过直接在硬件中构建复杂的指令从而使编程更方便、程序运行速度更快，其架构中每个指令可执行若干低端操作，诸如从存储器读取、存储、和计算操作，全部集于单一指令之中；与之相反，RISC 架构中只包含使用频率高的少量简单指令，并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。 CISC 阵营以 Intel、AMD 的 X86 架构为代表，而 RISC 阵营则包括ARM、MIPS、Power PC等架构; 从硬件角度来讲，CISC 处理的是不等长指令集，而 RISC 执行的是等长精简指令集，在并行处理方面 RISC 明显优于 CISC。由于 RISC 执行的是精简指令集，相比 CISC 在硬件层面需要更少的晶体管，所以它的硬件制造工艺更简单且成本更低廉。RISC 型 CPU 与 CISC 的CPU在软件和硬件上都不兼容，这是由指令集的特性而决定的 从性能角度来说，CISC 与 RISC 并无绝对的孰优孰劣之分。但在发展过程中，CISC阵营的 Intel和 AMD在提升芯片性能上做出了持续的努力，芯片的功耗被放在了性能后的第二位；而 RISC 本身出现时间较CISC 晚十年左右（ARM 诞生于 1985 年，X86 诞生于 1978 年），ARM、MIPS 在创始初期缺乏与 Intel 产品对抗的实力，专注于以低功耗为前提的高性能芯片。RISC阵营的 Power PC架构最初是为个人计算机产品而设计，但其出现时已是 1992 年，此时 Intel 旗下的 80386和 80486 占据了大部分 PC 市场。次年，Intel 赫赫有名的奔腾系列发布并助力 Intel 占领了绝大部分 PC 市场，这是第五代基于 CISC 的X86 架构微处理器，Intel 将其命名为“Pentium”。在整个 1990 年代中期，PowerPC 处理器均达到或超过了最快的 x86 CPU 的基准测试成绩。但由于 PowerPC面向 Windows、OS / 2和 Sun的客户都存在应用软件极度缺乏的问题，所以最终并未在 PC 市场溅起水花。但其后 Apple因为 PowerPC处理器的更高性能，在 Macintosh个人电脑系列使用了 PowerPC 处理器。2005 年，出于发热量和能源消耗有关的考虑，Apple 宣布不再在其 Apple Macintosh 计算机中使用 PowerPC处理器，转而支持 Intel 生产的处理器。此后 PowerPC 开始往超高性能服务器方向发展。 CISC 与 RISC 已逐步走向融合，两方处理器互相借鉴互相优化。例如，Intel 公司的 Pentium Pro 种内含三个能够把 x86 指令转换成 118 位定长的 RISC风格微操作的译码器。 行业深度研究 - 6 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 3：CISC阵营与RISC阵营比较 来源：维基百科，国金证券研究所 1.3 X86一统天下数十年 X86 泛指一系列英特尔公司用于开发处理器的指令集架构。该系列较早期的处理器名称是以数字来表示 80X86，包括 Intel 8086、80186、80286、80386以及 80486。由于以“86”作为结尾，因此其架构被称为“X86”。 图表 4：X86和非X86架构服务器产品的主要区别 来源：维基百科，国金证券研究所 X86在计算市场取胜的原因主要有以下四点： Intel与 AMD竞争不断，造就高性能 X86。Intel 具有很强的研发实力，芯片性能一直处于行业领先。在 20 世纪 70 年代至 21 世纪初,厂商最看重的因素之一即为处理器的性能，而 RISC本身出现时间较 CISC晚十年左右，ARM、MIPS 在创始初期缺乏与 Intel 产品对抗的实力，改行业深度研究 - 7 - 敬请参阅最后一页特别声明 以专注于以低功耗为前提的高性能芯片。同时 Intel X86 也很早开始借鉴 RISC 架构优势，不断技术革新，比如“Pentium”奔腾处理器就采用了超标量架构，即有一个处理简单和通用指令的管线。Intel 最新产品十代酷睿桌面版 Comet Lake-S 系列处理器及 400 系芯片组中，最低配置的酷睿 i3-10100 四核处理器已经达到 3.6GHz 基础频率，4.3GHz 睿频，全核 4.1GHz。从单机性能上来讲，Intel 目前依旧处于强势地位。 Wintel联盟建立四十余年，X86软件生态完善。1981年，由于个人计算机市场不受 IBM看重，IBM选取 8088 做个人计算机业务的 CPU，并将操作系统外包给微软，Wintel 联盟就此开始征程。在 Wintel 建立之初，微软并没有打算唯一地只支持 Intel，早期，微软操作系统有两条业务线，一条专用支持 X86 架构，另一条则支持考虑了操作系统的可移植性，可支持 RISC架构的计算机。但由于 RISC处理器在 PC端的份额远不及 X86，微软又取消了对部分 RISC 架构的支持。后来，X86 成为了个人电脑的标准平台，也成为了历来市场上最成功的 CPU架构。 专注芯片架构研发，不碰设备生态。就 Intel 来讲，不与设备生产商、软件开发者或者系统开发者成为利益竞争关系是一个十分重要的致胜因素。IBM和 SUM大包大揽生产多种服务器设备，但其它设备生产商可能会基于不支持竞争对手的角度不愿意选择 PowerPC 和 SPARC 架构，而选择 X86架构。 从成本、性能、生态三方面来讲，X86 都是早期数据中心的最优选。从成本和性能角度来讲， X86 相比大型机与小型机，在RAS(Reliability, Availability, Serviceability)有所欠缺，但具有生态系统开放、兼容性高、价格便宜的优势。且由于分布式系统成熟，X86 服务器集群的性能并无较大差距。大型机和小型机价格昂贵、体系封闭，一般只在部分要求零宕机的领域使用（如银行业、电信业等）。从生态的角度来讲，由于 X86 在市场上占有率高，相比其它架构而言，X86有着独一无二的软件和硬件生态优势，故目前全球的数据中心大部分都是采用 Intel的 X86架构服务器芯片，X86生态系统也愈发强大。 根据 DRAMeXchange 调查显示，服务器用 CPU 中，X86 架构 CPU占整体服务器市场约 96%。 图表 5：X86架构处理器在整体服务器市场占比 来源：DRAMeXchange，国金证券研究所 行业深度研究 - 8 - 敬请参阅最后一页特别声明 图表 6：2017-2019Q3中国 X86服务器整体市场规模（按出货量） 来源：IDC中国，国金证券研究所 二、以 ARM为代表的CISC 架构服务器有望异军突起 2.1 ARM 公司：全球领先的半导体设计与软件公司 ARM 架构，从 1983 年开始由艾康电脑公司设计开发，最早为其命名为Acorn精简指令集机器(Acorn RISC Machine)。1980年代晚期，苹果电脑开始与艾康电脑合作开发新版的 ARM 核心，为了更好地支持这一重要项目，艾康电脑将设计团队组成了一间名为安谋国际科技(Advanced RISC Machines Ltd.)的新公司，基于此原因人们也常常将 ARM 称作高级精简指令集机器(Advanced RISC Machine)。但在 2016年，安谋国际科技被日本软银集团以 3.3 万亿日元（约合 311 亿美元）收购，此后，ARM公司退出股市。 图表 7：ARM公司发展历程 来源：维基百科，国金证券研究所 不同于 Intel 自主完成架构、芯片设计和芯片制造，也不同于无工厂模式(Fabless)的 AMD、NVIDIA 自己完成架构和芯片设计而将芯片制造工作交行业深度研究 - 9 - 敬请参阅最后一页特别声明 给代工厂完成，ARM 公司本身并不靠自有的设计来制造或出售 CPU，而是通过提供各种授权条款来获得收益。 图表 8：ARM处理器内核总览 架构提出时间 ARM 指令集架构 ARM 处理器家族 1985年 ARMv1 ARM1 1986年 ARMv2 ARM2、ARM3 1989年 ARMv3 ARM6、ARM7 1994年 ARMv4 StrongARM、ARM7TDMI、ARM9TDMI 1999年 ARMv5 ARM7EJ、ARM9E、ARM10E、XScale 2001年 ARMv6 ARM11、ARM Cortex-M 2005年 ARMv7 ARM Cortex-A、ARM Cortex-M、ARM Cortex-R 2011年 ARMv8 Cortex-A35、Cortex-A50 系列、Cortex-A72、Cortex-A73 来源：维基百科，国金证券研究所 ARM公司一般有三种授权方式：指令集授权、内核授权和使用权授权。 指令集授权是 ARM 公司提供的最大限度的授权，其产品形式为 ARM v系列（即 ARM架构）。被授权方可以对 ARM公司的指令集进行扩展或缩减，从而得到其自己的指令集架构。苹果公司就取得了这种授权。例如，iphone 11/ 11 pro/ 11 pro Max等机型上搭载的 Apple A13芯片，其微架构就是基于 ARMv8.3-A指令集架构自主研发。此外，华为、长城、高通、三星等公司也取得了 ARM的指令集授权。 内核授权的产品主要是指 ARM 公司提供的一系列微架构，目前主要是 ARM cortex 系列。被授权方可以在内核基础上对缓存、I/O 等设计进行修改。这是 ARM 公司提供的最广泛的授权方式。ARM 是广为人知最昂贵的 CPU内核之一。取得这种授权的公司包括高通、三星、华为、德州仪器(TI)、博通、飞思卡尔、富士通以及 Calxeda等等。 使用权授权的产品则是指 ARM 已经设计好的 CPU/GPU。被授权人可以使用 ARM设计好的 CPU/GPU。在这一种授权中，被授权人可自由发挥的空间非常小。 图表 9：ARM的三种授权方式 来源：维基百科，国金证券研究所 2.2 ARM 架构已被广泛应用到各个领域 ARM公司的商业发展极其迅速，主要有以下几点原因： 发展早期避开 Intel 锋芒，专注低功耗领域。ARM 公司发展之初也在个人计算机领域做出了努力，但后来发现其产品与 Intel 的新品无法竞行业深度研究 - 10 - 敬请参阅最后一页特别声明 争之后，迅速转换路径投入了以低功耗为前提的高性能芯片的研发。早期清晰的发展路线也为 ARM之后抓住智能手机爆发机遇做好了铺垫。 授权策略正确，内核授权价格低，厂商间竞争激烈。1991 年 ARM 公司就开始了授权模式。MIPS 的定价策略是内核授权很贵，而架构授权很便宜，且对指令集扩展不受限制；而 ARM的定价策略是架构授权非常昂贵而内核授权很便宜，且厂商需要修改设计需要继续付大量的费用。从实践结果来看，ARM的授权策略优于 MIPS。MIPS便宜的架构授权吸引了一批有能力通过指令集开发 CPU的厂商，但由于允许厂商自行修改指令集，导致生态碎片化且互相不兼容，也极大影响了开发者和使用者的热情；而 ARM 的授权模式对无能力通过指令集开发CPU的厂商十分友好，这些厂商能通过购买内核授权来快速推出 CPU产品，甚至有研发能力的公司也愿意使用现成的 ARM 内核来集成CPU，从而大幅度降低产品开发成本和缩短开发周期。ARM 的商业模式也使得进入厂商多，激烈的竞争使得 ARM产品价格不断下降，生态日趋完善。 完善的生态体系。ARM 完善的硬软件生态使得设备厂商、开发者和使用者都充满信心。 ARM 架构的应用领域已十分广泛。据 2011 年 ARM 的客户报告统计，79亿 ARM 处理器出货量，占有 95%的智能手机、90%的硬盘驱动器、40%的数字电视和机上盒、15%的微控制器、和 20%的移动电脑。十年来，ARM 市场格局变化不大。截止到 2017 年，已经生产的 ARM架构的处理器超过 1000 亿个，是应用最广泛的指令集架构，也是产量最大的指令集架构。 由于 ARM 在成本、功耗和散热上的优势，它对于便携式电池供电的设备（包括智能手机、便携式计算机和平板电脑以及其他嵌入式系统）来说十分理想。同时对于消耗大量电力的超级计算机与云计算数据中心，ARM 也是一种节能的优秀解决方案。目前，ARM 处理器可以在很多消费性电子产品上看到，从便携式设备（PDA、移动电话、多媒体播放器、掌上型电子游戏和计算机）到电脑外设（硬盘、桌面型路由器），甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的存在。在此之外，还有一些基于 ARM 设计的衍生产品，包括 Marvell的 XScale架构和德州仪器的 OMAP系列。 图表 10：ARM全球生态系统 来源：ARM 官网，国金证券研究所