AI芯片彰顯威力：各領(lǐng)域最強(qiáng)算力被巨頭把控

　　AI 芯片設(shè)計是人工智能產(chǎn)業(yè)鏈的重要一環(huán)。 自 2017 年 5 月以來，各 AI 芯片廠商的新品競相發(fā)布，經(jīng)過一年多的發(fā)展，各環(huán)節(jié)分工逐漸明顯。 AI 芯片的應(yīng)用場景不再局限于云端，部署于智能手機(jī)、 安防攝像頭、及自動駕駛汽車等終端的各項產(chǎn)品日趨豐富。 除了追求性能提升外， AI 芯片也逐漸專注于特殊場景的優(yōu)化。

　　自 2017 年 5 月以來發(fā)布的 AI 芯片一覽

　　目前， 人工智能產(chǎn)業(yè)鏈中，包括提供 AI 加速核的 IP 授權(quán)商，各種 AI 芯片設(shè)計公司，以及晶圓代工企業(yè)。

　　按部署的位置來分， AI 芯片可以部署在數(shù)據(jù)中心(云端)，和手機(jī)，安防攝像頭，汽車等終端上。

　　按承擔(dān)的任務(wù)來分，可以被分為用于構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練芯片，與利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行推斷的推斷芯片。 訓(xùn)練芯片注重絕對的計算能力，而推斷芯片更注重綜合指標(biāo)， 單位能耗算力、時延、成本等都要考慮。

　　訓(xùn)練芯片受算力約束，一般只在云端部署。推斷芯片按照不同應(yīng)用場景，分為手機(jī)邊緣推斷芯片、安防邊緣推斷芯片、自動駕駛邊緣推斷芯片。為方便起見，我們也稱它們?yōu)槭謾C(jī) AI 芯片、安防 AI 芯片和汽車 AI 芯片。

　　由于 AI芯片對單位能耗算力要求較高，一般采用 14nm/12nm/10nm等先進(jìn)工藝生產(chǎn)。臺積電目前和 Nvidia、 Xilinx 等多家芯片廠商展開合作，攻堅 7nm AI 芯片。

　　AI 芯片投資地圖

　　AI 芯片市場規(guī)模： 未來五年有接近 10 倍的增長， 2022 年將達(dá)到 352 億美元。根據(jù)我們對相關(guān)上市 AI 芯片公司的收入統(tǒng)計，及對 AI 在各場景中滲透率的估算， 2017年 AI 芯片市場規(guī)模已達(dá)到 39.1 億美元，具體情況如下：

　　2017 年全球數(shù)據(jù)中心 AI 芯片規(guī)模合計 23.6 億美元，其中云端訓(xùn)練芯片市場規(guī)模 20.2億美元，云端推斷芯片 3.4 億美元。

　　2017 年全球手機(jī) AI 芯片市場規(guī)模 3.7 億美元。

　　2017 年全球安防攝像頭 AI 芯片市場規(guī)模 3.3 億美元。

　　2017 年全球自動駕駛 AI 芯片的市場規(guī)模在 8.5 億美元。

　　AI 芯片市場規(guī)模及競爭格局

　　Nvidia 在 2017 年時指出，到 2020 年，全球云端訓(xùn)練芯片的市場規(guī)模將達(dá)到 110 億美元，而推斷芯片(云端+邊緣) 的市場規(guī)模將達(dá)到 150 億美元。 Intel 在剛剛結(jié)束的 2018 DCI峰會上，也重申了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)驅(qū)動硬件市場增長的觀點。 Intel 將 2022 年與用于數(shù)據(jù)中心執(zhí)行 AI 加速的 FPGA 的 TAM 預(yù)測，由 70 億美元調(diào)高至 80 億美元。

　　而同時我們也注意到：

　　1)手機(jī) SoC 價格不斷上升、 AI 向中端機(jī)型滲透都將為行業(yè)創(chuàng)造更廣闊的市場空間。

　　歷代 Apple 手機(jī)芯片成本趨勢

　　2)安防芯片受益于現(xiàn)有設(shè)備的智能化升級，芯片需求擴(kuò)大。

　　自動駕駛算力需求加速芯片升級

　　3)自動駕駛方面，針對豐田公司提出的算力需求，我們看到當(dāng)下芯片算力與 L5 級自動駕駛還有較大差距。 英飛凌公司給出了各自動駕駛等級中的半導(dǎo)體價值預(yù)測， 可以為我們的 TAM 估算提供參考。

　　英飛凌對各自動駕駛等級中半導(dǎo)體價值的預(yù)測

　　結(jié)合以上觀點，及我們對 AI 在各應(yīng)用場景下滲透率的分析，我們預(yù)測：

　　云端訓(xùn)練芯片市場規(guī)模在 2022 年將達(dá)到 172 億美元， CAGR～54%。

　　云端推斷芯片市場規(guī)模在 2022 年將達(dá)到 72 億美元， CAGR～84%。

　　用于智能手機(jī)的邊緣推斷芯片市場規(guī)模 2022 年將達(dá)到 38 億美元， CAGR～59%。

　　用于安防攝像頭的邊緣推斷芯片市場規(guī)模 2022 年將達(dá)到 18 億美元， CAGR～41%。

　　用于自動駕駛汽車的邊緣推斷芯片市場規(guī)模 2022 年將達(dá)到 52 億美元， CAGR～44%。

　　云端訓(xùn)練芯片： TPU 很難撼動 Nvidia GPU 的壟斷地位

　　訓(xùn)練是指通過大量的數(shù)據(jù)樣本，代入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型運算并反復(fù)迭代，來獲得各神經(jīng)元“正確”權(quán)重參數(shù)的過程。 CPU 由于計算單元少，并行計算能力較弱，不適合直接執(zhí)行訓(xùn)練任務(wù)，因此訓(xùn)練一般采用“CPU+加速芯片”的異構(gòu)計算模式。目前 Nvidia 的 GPU+CUDA計算平臺是最成熟的 AI 訓(xùn)練方案，除此還有：

　　AI 芯片工作流程

　　第三方異構(gòu)計算平臺 OpenCL + AMD GPU 或 OpenCL+Intel/Xilinx 的 FPGA。

　　云計算服務(wù)商自研加速芯片(如 Google 的 TPU) 這兩種方案。各芯片廠商基于不同方案，都推出了針對于云端訓(xùn)練的 AI 芯片。

　　云端訓(xùn)練芯片對比

　　Google

　　在 GPU 之外，云端訓(xùn)練的新入競爭者是 TPU。 Google 在去年正式發(fā)布了其 TPU 芯片，并在二代產(chǎn)品中開始提供對訓(xùn)練的支持，但比較下來， GPU 仍然擁有最強(qiáng)大的帶寬(900GB/s，保證數(shù)據(jù)吞吐量)和極高的深度學(xué)習(xí)計算能力(120 TFLOPS vs. TPUv2 45 TFLOPS)，在功耗上也并沒有太大劣勢(TPU 進(jìn)行訓(xùn)練時，引入浮點數(shù)計算，需要逾 200W 的功耗，遠(yuǎn)不及推斷操作節(jié)能)。目前 TPU 只提供按時長付費使用的方式，并不對外直接銷售，市占率暫時也難以和 Nvidia GPU 匹敵。

　　Intel

　　雖然深度學(xué)習(xí)任務(wù)主要由 GPU 承擔(dān)，但 CPU 目前仍是云計算芯片的主體。 Intel 于 2015年底年收購全球第二大 FPGA 廠商 Altera 以后，也積極布局 CPU+FPGA 異構(gòu)計算助力 AI，并持續(xù)優(yōu)化 Xeon CPU 結(jié)構(gòu)。 2017 年 Intel 發(fā)布了用于 Xeon 服務(wù)器的，新一代標(biāo)準(zhǔn)化的加速卡，使用戶可以 AI 領(lǐng)域進(jìn)行定制計算加速。得益于龐大的云計算市場支撐， Intel 數(shù)據(jù)中心組業(yè)務(wù)收入規(guī)模一直位于全球首位， 2016-17 年單季保持同比中高個位數(shù)增長。 2017年 4 季度起，收入同比增速開始爬坡至 20%左右，但相比 Nvidia 的強(qiáng)勁增長態(tài)勢仍有差距。

　　AMD

　　AMD 雖未單獨拆分?jǐn)?shù)據(jù)中心收入，但從其計算和圖像業(yè)務(wù)的收入增長情況來看， GPU 銷量向好。目前 AMD GPU 也開始切入深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練任務(wù)，但市場規(guī)模落后于 Nvidia。

　　云端推斷芯片：百家爭鳴，各有千秋

　　推斷是指借助現(xiàn)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行運算， 利用新的輸入數(shù)據(jù)來一次性獲得正確結(jié)論的過程。 推斷過程對響應(yīng)速度一般有較高要求， 因此會采用 AI 芯片(搭載訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型)進(jìn)行加速。

　　相比訓(xùn)練芯片，推斷芯片考慮的因素更加綜合：單位功耗算力，時延，成本等等。初期推斷也采用 GPU 進(jìn)行加速，但由于應(yīng)用場景的特殊性，依據(jù)具體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法優(yōu)化會帶來更高的效率， FPGA/ASIC 的表現(xiàn)可能更突出。除了 Nvidia、 Google、 Xilinx、 Altera(Intel)等傳統(tǒng)芯片大廠涉足云端推斷芯片以外， Wave computing、 Groq 等初創(chuàng)公司也加入競爭。中國公司里，寒武紀(jì)、比特大陸同樣積極布局云端芯片業(yè)務(wù)。

　　主要云端推斷芯片對比