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行业动态

中科曙光:X86服务器国产化的“曙光”(深度)| 国君计算机

发布时间:2020-05-08 09:40阅读次数:
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1. 以核心技术立足的高性能计算龙头企业

1.1. 中科曙光是高性能计算领军企业

中科曙光2006年成立,是中国高性能计算领域的领军企业。中科曙光的前身深圳曙光信息产业有限公司自1995年成立起便致力于高性能计算机的研发。2004年6月,十万亿次级别的曙光4000A成功问世,中国高性能计算机首次进入全球前十名。2006年7月,在中国科学院大力推动下,以国家“863”计划重大科研成果为基础的中科曙光正式成立。2010年6月1日,曙光与中科院计算所共同研发的千万亿次“星云”超级计算机问世,并在第35届全球超级计算机500强排名中名列第二,成为国内首台、全球第三台实测性能超千万亿次的高性能计算机。2014年,中科曙光成功在上海证券交易所上市,登陆A股。


1.2. 立足高性能计算,产品线向新兴技术扩展

自2009年起中科曙光十次位列高性能计算机厂商份额首位。2019 年《中国高性能计算机性能TOP100排行榜》显示,中科曙光以39台超算系统与联想并列厂商份额第一,这也是曙光自2009年以来第10次位列榜首。凭借多年以来持续的技术深耕和优秀产品的发布,曙光在高性能计算领域的行业领先地位不断得到巩固。

中科曙光在高性能计算领域继续保持领先优势。2018年曙光发布了新一代硅立方高性能计算机,展现了中国在高性能计算机领域的最高水平。新一代硅立方高性能采用全球首创的浸没式液体相变冷却技术,实现了全球领先的计算密度和节能性,相比其他竞品具有能效比高、通用性强、网络结构先进、易运维管理等优势。2019年10月,新一代硅立方获得世界互联网领先科技成果称号.

以高性能计算为基础,中科曙光积极扩展基于新兴技术的产品线。由于市场竞争加剧,产业上下游趋于集中,高端计算机整体利润空间呈下行趋势,中科曙光积极谋求从硬件制造商向综合信息服务供应商的方向转变。近年来,中科曙光大力布局云计算、大数据、人工智能等领域的技术研发。在存储领域,曙光推出了全新的弹性扩展智能分布式块存储产品,为用户统一构建弹性、可扩展的虚拟存储资源池,大幅降低数据中心构建成本。在云计算领域,曙光发布了云计算操作系统 Cloudview的最新版本 V4,进一步提升了产品竞争力。在网络安全领域,曙光研制了基于安全芯片的汇聚分流设备、DPI 处理设备、智能网卡设备等国产化网络流量处理平台。在大数据领域,中科曙光开发了大数据智能引擎、并行数据库和一体机,为客户提供了高效、智能、敏捷的大数据基础平台。目前中科曙光产品线已广泛覆盖高性能计算机、通用服务器、云计算平台软件、网络安全产品、大数据处理分析软件等先进计算产业。

1.3. 背靠中科院成就巨大科技优势

中科曙光第一大股东为北京中科算源资产管理有限公司。中科算源作为中科院计算所全资设立的资产经营管理公司,持有中科曙光21.32%的股份。中科曙光第二大股东北京思科智控股中心持股比例为4.41%。思科智与中科院计算所的主管单位均为中国科学院,借助中科院强大的科研实力支撑,曙光将进一步巩固行业领先地位。

1.4. 营收与扣非净利润持续增长,研发投入支撑发展韧性

2015-2018年中科曙光营业收入高速增长,2019年受“实体清单”影响营收增速有所放缓但依然实现了持续增长。2015-2018年,中科曙光营收增速均保持在两位数以上高速增长,分别实现营收36.62亿元、43.60亿元、62.94亿元、90.57亿元,同比增速分别为30.94%、19.06%、44.36%、43.89%。2019年度中科曙光实现营业收入95.26 亿元,同比增长 5.18%。

2019年度营收同比增速放缓的主要原因:2019年6月,中科曙光被美国纳入“实体清单”。“实体清单”为曙光供应链保障带来巨大挑战,曙光通过全面梳理供应链,寻找可替代部件,与主要供应商进行了积极有效沟通,有效保障了大部分原材料的供应,实现了营收持续增长。

中科曙光扣非净利润加速增长。2016-2019年曙光扣非净利润分别为1.67亿元、2.06亿元、2.72亿元、3.85亿元,同比增速分别为14.30%、23.04%、31.98%、41.71%。在营收增速放缓的情况下,2019年度曙光实现扣非净利润3.85亿元,同比增长41.71%,其主要原因是公司调整市场和业务布局,适当降低毛利率低的通用产品销售规模,加大高附加值的服务收入比例,充分发挥相关产品优势, 保持了业绩的稳步增长。

中科曙光研发投入进一步加大,支撑公司发展韧性。曙光一直致力于突破核心技术,形成完整的、安全的技术体系,寻求改变上游受制于人的局面。2019年中科曙光进一步加大研发投入力度,研发支出达9.21亿元,同比增长27.26%。研发人员费用、材料及加工费和委外服务费同比大幅增长,研发投入占营收比例达9.67%,创下历年新高。

2. 中国高性能计算机和私有云领军企业

2.1. 公司拥有高性能计算机、通用服务器及存储产品线

中科曙光拥有高性能计算机、通用服务器及存储产品三大类硬件产品,高性能计算机+通用服务器的收入占比大概为80%,存储收入占比大概10%。公司主要生产基地位于天津市高新技术产业区,建筑面积约 3 万平方米。主要生产线可分为服务器生产线、高性能计算机生产线和SMT(Surface Mounted Technology,表面贴装技术)线。其中,高性能计算机节点、通用服务器及存储产品共用“服务器生产线”进行生产,高性能计算机系统(整机)使用“高性能计算机生产线”进行总体组装、调试。根据我们的研究,高性能计算机+通用服务器的收入占比大概为80%,存储收入占比大概10%,其中高性能计算机和通用服务器的收入应该较为接近。

2.1.1. 高性能计算机排名第一

公司高性能计算机大多采用主流的集群架构,具有高性价比、高扩展性等多种优势。高性能计算,又称超级计算,是计算机科学重要的前沿性分支,从电子计算机诞生之日起,计算能力的提升就是信息产业从业人员追求的核心目标之一。它不仅是一个国家综合科研水平的重要标志,也是综合支撑国家安全、经济和社会发展等可持续发展的不可替代的信息技术手段。多年来,中科曙光在国家“863”计划重大专项支持下,一直致力于在高性能计算机领域的探索与研发,从曙光一号、曙光1000、曙光6000到E级超算,先后研制成功了百万亿次、千万亿次高性能计算机系统和E级超算原型机系统。

2019年6月,中科曙光研发的新一代硅立方高性能计算机亮相在德国法兰克福开幕的国际超级计算大会(ISC2019)。硅立方是全球首款采用浸没式液体相变冷却技术刀片服务器的超算系统,这种冷却技术使系统性能提升5%以上,系统的PUE(电能使用效率)值可降至1.04以下,相当于40瓦的功率即可冷却1000瓦的设备,而传统的风冷系统则需要500瓦到1000瓦的功耗。同时,采用液冷系统的余热可二次利用,如用于楼宇供暖等。除了以上优势外,硅立方高性能计算机计算密度提升4到5倍,可帮助用户节省75%机房空间;系统部署曙光全新ParaStor架构存储系统,让其拥有EB级高性能存储和TB/s级存储带宽的同时,获得性能优异的可扩展能力。中科曙光高性能计算机产品分为曙光星云、曙光 5000 系列、个人高性能计算机(PHPC)、GPU 高性能计算机(GHPC)、刀片服务器系列。

高性能计算机市场空间广阔,到2025年全球高性能计算机市场空间将达到315亿美元。过去的二十年,企业已经意识到使用计算机集群解决复杂的数学、计算和仿真/建模问题的价值。Tractica预测,全球企业HPC计算和存储、软件和服务市场将从2017年的188亿美元增加到2025年的315亿美元。企业HPC(高性能计算)市场的新增长点将集中于以人工智能(AI)为重点的用例。虽然以人工智能为重点的高性能计算应用案例在2017年仅占总收入的7.4%,但到2025年这一比例将上升至35.4%。

根据2019年中国高性能计算机TOP100排行榜,曙光领先。2019年11月,在北京举行的首届中国超级算力大会上,2019中国高性能计算机性能排行榜TOP100发布。在厂商份额方面,曙光、联想分别以39台超算系统入围并列第一,这也是“中科系双雄”第5次并列榜首。曙光、联想、

浪潮“国产三强”占据整个榜单份额的92%,国防科大、华为、国家并行计算机工程技术研究中心分享了剩余8%的份额。

2.1.2. 通用服务器市场主流玩家

中科曙光服务器广泛支持主流操作系统和主流厂商处理器,还提供基于龙芯的通用服务器产品。曙光通用服务器产品从产品形态结构来看,可分为塔式服务器、机架式服务器,共计20 余款产品。它们分别可以配置单路、双路、四路和八路处理器,广泛支持 Windows、Linux 等主流操作系统,而且可以选择配置 Intel、AMD 等主流厂商的处理器,能够满足政府、能源、互联网、教育、国防等行业的需求。此外,公司还提供部分基于国产龙芯处理器的通用服务器产品,主要应用于需要全自主可控、强调安全性的领域,目前在政府和国防等行业获得应用。

服务器市场小幅下滑,曙光市场份额排名第六。根据IDC《2019年第三季度中国 X86 服务器市场跟踪报告》显示,2019 年第三季度,中国 X86 服务器市场出货量为 86.15万台,同比下滑4.2%;市场规模为48.33 亿美元(约合 341.86 亿元人民币),同比增长0.4%。中国 X86 服务器市场从厂商来看,按出货量和销售额前三名厂商依次均为浪潮、华为和新华三。从行业来看,互联网、政府和电信依然是前三大行业,占据整体市场出货量 60% 以上的份额。曙光市场份额4%,排名第六(受美国实体清单影响,曙光占比较二季度有所下降)。

2.2. 股东背景助力政务云推广

历时10余年,中科曙光已建设、运营40余个城市云计算中心和千余个行业云数据中心,服务超过1200家政府单位,支撑了5000余项政务应用。政务云,是指为政府施政行为的信息化而建设一种云计算的服务形式。政务云主要体现在政府的社会管理、城市管理和民生服务三个方面。“数据中国”战略由曙光公司在2015年初正式发布,即通过建设“百城百行”云计算中心,深挖现有数据和计算资源,打造一张中国云数据服务网络,让全社会共享数据价值。以包头为例,包头云计算中心是曙光和包头市政府合作共建的云计算项目,依托曙光公司优势资源,于2012年8月16日正式开通运行,是内蒙古自治区首个企业投资建设并运营的云计算中心。中心创新性的采用了“企业投资运营,政府采购服务”的全新模式,打造了高效的云计算运营体系和稳定可靠的云平台运维体系。中心目前已连接国家教育专网、卫计专网和审计专网等,承载了包头50多个政务云、工业云等应用服务系统,是全市信息化发展的基础平台,服务着包头及内蒙古地区的科技民生。

未来中国私有云市场仍将稳定增长,其中政府投资是最大需求来源。IDC 预计,未来几年,中国私有云市场仍将保有 18.9%的年复合增长率,2023 年中国私有云建设整体市场规模将达到 183.9 亿美元。其中政府、金融和电信依然是私有云平台建设投入最大的行业,这三个行业的投入在总市场投入的占比超过 50%,其中政府和金融行业的私有云投入增长最快,是拉动整体私有云市场增长的主要驱动力。

3. X86服务器国产化,未来前景看好


3.1. 中国CPU国产化有两条不同路线

CPU的指令集可以分为复杂指令集和精简指令集,对应这两种指令集,我国CPU国产化也有了不同路线。CPU的含义,亦即中央处理器,是负责计算机主要运算任务的组件。CPU执行计算任务时都需要遵从一定的规范,程序在被执行前都需要先翻译为CPU可以理解的语言。这种规范或语言就是指令集。程序被按照某种指令集的规范翻译为CPU可识别的底层代码的过程叫做编译(compile)。通常可以将CPU指令集分为复杂指令集(X86)和精简指令集(以 ARM、MIPS、POWER等为代表),前者主要用于PC而后者主要用于手机平板等设备。现在我们的CPU国产化路线也是围绕着这两种指令集展开的——海光和兆芯是采用X86指令集,而华为海思和飞腾采用的是ARM指令集,申威采用ALPHA指令集,龙芯采用MIPS指令集。下面我们主要对X86和ARM两种架构做一个对比。3.2. X86架构发展史:英特尔和AMD的生死斗

当下X86指令集专利使用权仅由英特尔、AMD和台湾威盛拥有。众所周知,X86由英特尔研发,但因为IBM生产PC需要采购英特尔的X86处理器,但英特尔产能无法满足IBM订单需求,于是IBM要求英特尔找伙伴公司代工生产X86处理器,同时IBM为了规避将来可能出现的采购风险(避免独家供应商坐地起价),要求英特尔将X86专利授权给代工的公司,AMD因此获得了X86指令集专利授权。同时期还有其他一些公司获得了授权,在80386之前,有十几家厂商生产X86 CPU。但八十年代初,英特尔主营业务DRAM内存遭受日本半导体厂商冲击,最终不得不放弃内存业务。为了让当时还很弱小的CPU业务顶上,英特尔决定终止向其他半导体公司提供80386的技术资料。Cyrix是一家fabless半导体公司,它只做设计,不生产处理器,而是交给代工厂生产,因为代工厂有授权,所以Cyrix的x86 CPU不算侵权,随着x86 CPU里的知识产权壁垒越来越高,X86芯片市场就只剩下英特尔、AMD、Cyrix三家厂商,后来Cyrix经营不善,被转卖给台湾威盛电子。2013年4月,上海兆芯集成电路有限公司宣告成立,由上海市国资委下属上海联和投资有限公司和台湾威盛集团所属公司合资成立,中方国资占据控股地位(持股约 80%)。上海兆芯因此也顺利从威盛(VIA)那里获得了 X86 架构的授权(2018年5月前的所有指令集永久使用权)。

X86指令集1978年起源于英特尔。1971 年,英特尔为一家日本计算器厂商制造了英特尔历史上的第一块处理器——4位的4004。很快,在1975年,英特尔又推出了8位处理器8008和8080。1978年6月8日,英特尔发布了新款16位微处理器“8086”,也同时开创了一个新时代:x86架构诞生了。虽然随着CPU技术的不断发展,英特尔陆续研制出更新型的i80386、i80486直到今天的Pentium 4(以下简为P4)系列,但为了保证电脑能继续运行以往开发的各类应用程序以保护和继承丰富的软件资源,所以英特尔公司所生产的所有CPU仍然继续使用X86指令集,所以它的CPU仍属于X86系列。

1969年5月1日,AMD公司正式成立,后来获得英特尔的X86芯片授权。AMD成立之初,公司定位就非常清楚:凭借质优价廉的产品努力成为各类产品的第二供应商(Second Source)。作为第二供应商要求的不是技术领先与创新能力,而是学习模仿以及生产制造能力。1975年,英特尔起诉AMD侵犯其可擦除可编程制度存储器(EPROM)的专利技术,经过和解,英特尔不仅没有深究或者打压AMD,反而将其纳为自己的第二供应商体系,建立了战略伙伴关系。如前文所述,为了争取IBM订单,英特尔开放技术,全面授权AMD生产X86系列处理器,而AMD则放弃了自己的竞争产品,成为英特尔后备供应商。双方联手合作,终于拿下了IBM的订单。

1987年,在英特尔打压之下,AMD发展遇到困境。1987年,Intel提前结束了在5年前与AMD签订的技术交流协议,停止向AMD公司授权386技术。经过历时五年的诉讼,1992 年法院裁定AMD可获得:a) 一千万美元的赔偿加上判决前的利息,b) 以及对386 微处理器中的任何知识产权(包括X86指令集)的一项永久的、非排他性的、免专利费的许可权。可尽管如此,Intel采取各种手段,又将判决的执行拖到了两年后。AMD永远错过了PC市场发展的黄金时期,处理器技术也因此停顿,而Intel在这7年里则借着PC的东风,在产品上先后推出了386(1985年)、486(1989年)以及奔腾处理器(1993年),从此一骑绝尘。

1997年,AMD抓住英特尔的战略失误,再次回到舞台中央,在2003年通过64位X86芯片首次领先对手。在九十年代末,英特尔投入数亿资金进行了一项64位处理器(安腾,Itanium)的研发,该处理器放弃了原有的X86体系,如果一旦为市场接受,包括AMD在内的很多处理器厂商将受致命打击(无法再跟随)。但英特尔过分高估了自己在产业链的霸主地位,安腾处理器采取了后向不兼容的策略,最终导致该产品在2001年推出后,由于缺乏配套应用而失败。AMD抓住了这个百年不遇的机会,坚决地在Socket7架构上推出高频K6,并提出了Super7架构。1999年,AMD基于K7微架构的Athlon处理器诞生,综合性能超越同频的奔腾III(代号Katamai),摆脱了英特尔代工厂的形象。此后,AMD通过一系列高性价比的芯片产品,通过低价策略跟英特尔展开艰苦斗争,并在2003年8月发布了Athlon 64位芯片,X86-64技术使得AMD在长达30多年的技术竞争史上首次领先对手。从2002年收购ATI之时,AMD就已经开始为APU以及异构计算铺路。2011年,AMD推出了酝酿多年的APU,自此,AMD走上了与Intel差异化竞争的道路——把重点放在GPU部分,强调异构运算。

3.3. ARM指令集发展史:开放授权,商业模式创新

ARM指令集诞生于英国剑桥。1978年,一家名字叫CPU(Cambridge Processor Unit)的公司在英国剑桥诞生,后来改名叫Acorn。1985年,它研发出了精简指令集架构处理器,名为Acorn RISC Machine,简称就是著名的ARM。作为一家处理器设计公司,其研发的ARM架构最初面向的是低功耗、低成本、高性能处理器,时至今日,ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例。ARM处理器可以在很多消费性电子产品上看到,从便携设备(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、桌上型路由器)甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有它的身影。不同于x86架构的复杂指令集(CISC)架构,ARM是一种精简指令集(RISC)架构。相对于CISC架构处理器,采用精简指令集设计的ARM架构设计目标是能在尽量高的时钟频率下通过很少周期执行的指令集,大幅减少不常用的指令,降低芯片复杂度。

自诞生以来,ARM架构不断演进,V9版本将面世。1985年,ARM V1架构诞生,该版架构只在原型机ARM1出现过,只有26位的寻址空间(64MB),没有用于商业产品。2011年,ARM V8架构诞生。从ARM V7架构开始,ARM的命名方式有所改变。新的处理器家族改以Cortex命名,并分为三个系列,分别是Cortex-A,Cortex-R,Cortex-M,这三个系列的应用场景不同。ARM公司的商业模式是将处理器架构授权给其他厂商生产,自身收取授权费。1990年,Acorn为了和苹果合作,成立了一家合资公司,名叫ARM(Advanced RISC Machines)。苹果投了150万英镑,芯片厂商VLSI投了25万英镑,Acorn本身则以150万英镑的知识产权和12名工程师入股。ARM公司的竞争策略是不再生产芯片,转而以授权的方式将芯片设计方案转让给其他公司,收取一次性技术授权费用和版税提成。具体来说,ARM有三种授权方式:使用层级授权、内核层级授权和指令集层级授权。为了应对其他技术架构的竞争,ARM公司于2019年宣布对芯片设计方案和专利方案采用新的授权模式,新的收费方式只需要芯片厂商在前期支付少量费用,便可以获得ARM的芯片设计方案,等到芯片投入生产的时候再支付授权费和专利费即可,这样的操作可以大大缓解中小型公司的压力。国产处理器芯片中,华为和飞腾芯片是基于ARM V8指令集自主研发。华为在2013年获得了Arm指令集架构ARM V8的永久授权(该版本发布于2011年),华为自主研发的麒麟数字系列处理器,就是建立在ARM V8的指令集架构之上的,在V8基础上,华为可以自行对指令集进行二次开发,不受后续授权的影响(但通常情况下,新版本的性能会较上一版本有大幅提升)。飞腾同样也是ARM V8架构永久授权,在此基础上开发了自己的架构。

3.4. X86与ARM对比:生态+性能VS效率+低功耗

X86和ARM两种指令集各擅胜场,X86生态优势强大,ARM优势在于简单和功耗低。这两种指令集的优劣势在某种程度上也决定了国产化芯片要走上的不同道路,采用X86指令集能够获得多年以来windows-intel积累的生态优势(x86服务器最大的特色在于可以兼容Windows操作系统),用户可以直接替换国外芯片,迁移成本几乎为零,但是开发自由度低。而采用ARM指令集,一旦获得架构授权,能够从指令集本身开始自主研发,但生态方面不具备优势,这也正是华为为什么要开展鲲鹏计划,就是为了调动所有的国产化厂商一起,构建以ARM指令集和Linux操作系统为核心的生态体系,因为代码易得,生态难求。

3.5. 海光承担了X86服务器国产的重任

海光信息是与AMD合作的主体,目标是通过2到3代处理器芯片、加速器芯片的设计,逐步掌握最先进的高端处理器设计技术。中科曙光持有海光信息36.44%股权,是公司第一大股东。根据公司年报,2019年海光信息收入3.90亿元,净利润6011.9万元。目前海光芯片已经落地诸多应用场景,未来销量将超预期。

海光信息为公司带来投资收益,另外自产服务器芯片将提升公司服务器毛利率。我们预测2020-2022年海光的出货量分别为40万片、90万片和150万片,将为中科曙光带来投资收益。另外,公司未来采购海光服务器芯片将提升自身服务器业务毛利率,增加业绩弹性。


合规声明:本文节选自国泰君安正式研究报告《X86服务器自产的“曙光”》,报告入库时间:2020年4月27日,如需报告原文PDF请后台留言。