AI芯片产业研究.docx

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1、A1芯片产业研究1 .AI芯片的竞争点不止是芯片本身A1芯片作为硬科技产品，为何主要厂商对软件研发这么重视？甚至是连英伟达都觉得A1芯片公司本质其实是软件公司？智能计算系统分为硬件和软件两部分：从指令集到物理层是硬件部分，从应用层到指令集是软件部分一一大家多度关注前者关于A1芯片本身的硬件设计，而忽视了A1芯片设计公司已经往上做到了部分软件层的事实。智能计算系统自上而下可以分为应用软件、算法、编程语言、汇编语言、机器码、指令集、微体系结构、门、计算器器件、物理层。其中指令集是智能计算系统软硬件之间的接口，A1芯片公司定义完指令集后根据指令集去设计微体系结构去支持指令集。从最上层应用软件到指令集

2、为软件部分，从指令集到物理层为硬件部分。针对硬件部分AI芯片公司对应的设计工作包括怎样把指令集做得非常快、流水线设计、运算部件怎么做、访存部件怎么做，最后需要软硬件之间的映射等一一大家通常理解的A1芯片设计公司需要做的工作只有上述关于A1芯片本身的硬件部分的设计；而实际上AI芯片公司还往上一直做到了编程语言为止的三层软件，这一点往往被绝大多数投资者忽视了。软件已经成为A1新芯片公司IC设计成本中最“重”的投入。根据IBS的数据，随着工艺制程的演进，主流芯片设计成本中软件将成为占比最大的投入，而Verification、Va1idationIPQUa1ifiCatiOn为相较于软件投入占比依次往

3、下。2 .前车之鉴：PC时代的Winte1联盟英伟达靠A1软件工具链已经塑造出来了强大的生态壁垒和护城河一一这已经是产业界和投资界公认的事实，而且英伟达凭借这一优势一直保持数据中心AI市场97%以上绝对垄断的份额。但是相较于现状，大家更关心终局：A1软件生态壁垒是否将成为永远无法跨越的鸿沟，而使得除了英伟达之外的A1芯片公司后续都没有从英伟达手中抢夺份额机会了？我们可以从PC时代CPU从产业初期混战到如今产业成熟这段经典的商业史中探索这一问题的启发性答案。CPU、GPU从产业角度上而言其实有诸多相似之处：龙头垄断市场（CPU由英特尔垄断；A1芯片由英伟达垄断）；靠系统软件形成了极强的产业生态（

4、英特尔+微软；英伟达靠A1软件工具链+深度学习框架）。1975年，微处理器市场伊始，有6个主要玩家参与市场角力。彼时已经发布了4004、8008和8080微处理器的英特尔并不被看好：大家认为英特尔的芯片不如齐洛格好，不能像摩托罗拉那样大批量生产，不如MoSTechno1ogies的便宜，不能顶住德州仪器的价格战。20世纪70年代后期，苹果占据了小型计算机PC市场90%以上份额，IBM占据了大型计算机市场80%以上份额。为了迅速抢夺PC市场份额，IBM想要在不到1年时间里就把自己的个人计算机推向市场。为了完成这一计划，IBM决定抛弃过去软硬件全自研的做法而采用开放式设计，向外采购CPU和操作系统

5、1980年夏天，IBM分别找到了英特尔和微软。英特尔为IBM提供了8088中央处理器，微软为IBM设计了操作系统MS-DOSo1981年8月，TBM个人计算机PC-XT推向市场并大获成功。自此苹果市场份额直线下滑，10年之内其份额下降至个位数。1984年，IBM推出了第二代个人计算机PCAT,里面安装了英特尔286处理器，是上一代PC计算速度的3倍，PCAT取得巨大成功，一年之内PCAT占到所有PC销量的70%以上。后续由于IBM高层认为PC只能在市场的低档产品中找到出路，随着PC声势越来越大，IBM为了避免PC吞噬其高端产品，所以停止了对PC的开发。为了保护低档小型机的销售，IBM推迟发售装

6、有英特尔386芯片的PC（因为小型机相比于386个人计算机功率大不了多少）。因此英特尔找到康柏合作，康柏在1986年首次独家推出搭载MS-DOS的386计算机（1982年6月，康柏推出了第一台IBM兼容机），从而名声大噪，立即成为美国商业界的一个空前范例。IBM市场份额不断缩小（1983年IBM的份额为76%,1986年份额已经下降到26%）,各种克隆机厂商涌入市场，为了和IBMPC兼容，这些厂商基本上都采用的英特尔处理器和微软操作系统，自此正式开启了Winte1时代。2.1 五次失败的冲击：五种不同的致命失误20世纪80-90年代对Winte1生态主动发起冲击的著名事件一共有5次:（1）IB

7、M自研OS/2操作系统；（2）IBM、DEC等发展UNIX；（3）IBM.苹果、摩托罗拉联手打造POWerPC处理器；（4）苹果经典MacOS;（5）RISC阵营兴起。上述对WinteI的冲击均以失败告终，从多个角度反映了生态壁垒难以突破的原因。第一次冲击：OS/2受到以康柏为代表的克隆机厂商的冲击，TBM为了挽回颓势，从两方面出击：一个是软件，一个是硬件。1987年4月，IBM发布了一体化硬件/软件，硬件叫做PS/2,运行新的操作系统OS/2。软件：OS/2是IBM全公司软件计划的核心部分，由IBM负责设计，微软负责编写实际代码；但是与第一次合作不同的是，只有IBM拥有将该操作系统的授予第三

8、方的权利。另外IBM还计划在OS/2上自己开发一整套办公室应用系统（名称为“办公视野”），IBM希望有了这些应用软件，IBM就会成为PC应用软件市场的主力。硬件：IBM在PS/2硬件上最大的特点是采用了“微通道总线”电路，但是CPU仍然采用的英特尔的8086/80286/80386处理器。由于采用了全新的硬件设计和操作系统，使得克隆机厂商不可能在短时间内仿制出类PS/2的产品。1991年IBM和微软终止了在OS/2的开发合作，由IBM单方面进行后续开发，另外“办公视野”的项目也被最终取消了。IBM在1987年推出OS/21.0,1988年推出OS/21.1,1992年OS/22.0版本正式发布

9、，这也是OS/2的正式可用版本。在推出之后，IBMPS/2系列产品在短时间内销售得很好（大约在1988年1月售出了150万台），但相对于PC兼容机，其相对较高的价格却让大多数消费者级用户望而却步。对于IBM来说更糟糕的是，它在PS/2中所做的每一项改进都被或克隆，然后被兼容机厂商超越。PS/2的销售在上个世纪80年代的后期急剧下滑。到1990年，IBM不再主导PC兼容机的市场了。1994年，康柏取代IBM成为美国最大的个人PC生产商。2005年7月，IBM宣布在2005年底正式停止销售OS/2。IBM通过自研OS/2对WinteI联盟发起的冲击失败，我们认为其主要原因是IBM在早期开发上犯错错

10、过了窗口期+再加上定价上的失误进一步导致其生态建立的失败：1、 早期开发上屡屡犯错：1985年10月英特尔已经发布了性能比286更好的386处理器，但是IBM坚持决定让OS/2适配286处理器（因为担心基于386处理器PC会吞噬其小型机市场）；IBM一再坚持OS/2上的应用软件必须与其主计算机和中型机系统兼容，所以最后第一版OS/2开发出来更像笨重复杂的主计算机OS而非桌面0S,另外OS/2与WindOWS不兼容，也使得OS/2缺乏软件开发者支持没有足够的应用。2、 价格贵：IBM对准备复制PS/2的克隆机厂商的专利许可费用达到5%；另外OS/2每套的授权价格为325美元，比微软MS-DOS贵

11、2倍。性能弱且定价贵从而更没有电脑商会购买OS/2授权。第二次冲击：UNIX1988年春，IBM与其他计算机生产厂商联手为促销UNIX建立了“开放式软件基金会（OSF）。UNIX原是一个1969年由AT&T公司的贝尔实验室开发出来的操作系统，发展至1988年已经衍生出来了各种不同的版本。微软公司前CTo麦沃尔德曾经在一份备忘录中提到微软DoS在面临的两个威胁之一就是UNIXUN1X主要有两大魅力：（1）技术：UNIX可以同时处理很多个计算任务，很容易与其他计算机连接，而不需要修改大量代码就可以工作在其他任何类型的硬件上。（2）实惠：UNIX是免费的。但是UN1X有一个致命的缺陷：不存在通用版本

12、。每家公司都对UNIX作了改进,以适应各家公司自己的计算机，结果使得各公司的操作系统之间无法兼容。而微软一直能提供兼容性，因为硬件制造商已经达成协议，禁止对微软的兼容性造成影响的任何修改。UNIX冲击Winte1生态失败的原因我们认为主要可以归结为以下两点：UNIX失败最主要的原因主要是各种版本的UNIX无法兼容，而是一组相互竞争的操作系统。操作系统无法兼容从而使得上层软件兼容很难实现，因此阻碍了一个强大的UN1X第三方软件市场的出现。只有少量的软件公司有实力为UNIX十来种不同的版本逐一开发并测试其应用程序。本质原因是一个成员互为竞争对手的组织想要人为制定一个统一的标准是非常困难的。UNIX

13、开放式软件基金会成员均为IBM、DEC等公司，各方都为其自己的UN1X版本能够创利而投入,利益冲突的成员之间想要最终达成统一的合作几乎是不可能的。第三次冲击：POwerPC微处理器1991年，IBM联合苹果与摩托罗拉也结成一个联盟AIM,利用苹果操作系统软件的长处，和摩托罗拉结合IBM在处理器方面的优势，共同推出POWerPC微处理器，以期遏制“Winte1”联盟。1994年第一台搭载PoWerPC处理器的苹果电脑PoWerMaCintoSh发布，此后苹果基于PoWerPC处理器推出了一系列产品，包括多款POWerBOok笔记本。但是在2005年的WWDC,乔布斯宣布停止使用PC)WerPC芯

14、片，转而使用英特尔的X86架构CPU；2019年8月IBM正式将PoWerPC架构和指令集开源。苹果对外表示放弃POWerPC的主要原因是因为功耗问题。2003年6月苹果发布PowerMacG5,其中搭载的CPU是IBM的PowerPC970处理器，PowerPC970是市面上较早的64位芯片，其处理速度和效率远高于英特尔32位芯片，但是其制程为130nm,所以其1.8GHZ左右的运行频率已经是极限。苹果要求CPU运行速度要达到3GHz,这样就必须在单位面积晶圆上集成更多数量的晶体管，需要用业界正在努力想要达成的90nm制造工艺，另外制程越高功耗越低。所以PowerPC970由于散热和功耗的问

15、题无法用于笔记本电脑。在PC领域除了苹果没有其他知名电脑制造商选择PoWerPC是因为作为苹果为了保证MaC机的销量不愿意将MaeOS对外授权。IBM研发升级PoWerPC处理器需要不断投入到芯片研发和编译器维护上，但是OS厂商中只有苹果建立在PowerPC,而苹果为了保持自己PC的差异化竞争力和高利润，拒绝将MaCoS对外授权，所以PoWerPC处理器只有在苹果电脑上有销量。IBM投入了大量研发却只能获得不到10%的PC处理器市场份额，这样就使得IBM没有持续利润投入到P。WerPC持续研发上，无法形成商业正循环，PoWerPC性能功耗最终不敌英特尔，另外由于苹果销量很小，也没有足够多的开发

16、者基于POWerPC和MaCOS生态去开发软件，最终导致了生态的失败。如果苹果不愿意将MaCOS授权，那么为何IBM不自己开发一个适配PowerPC的操作系统对外授权从而保证POWerPC的销量？其实IBM在上世纪90年代也做过这样的尝试IBM于1994-1996年发售过采用PoWerPC架构处理器的ThinkPadPowerSeries800系列，兼容WindowsNT.OS/2,AIX.So1aris1inUX等对应的PoWerPC版本。但是IBMThinkPadPC）Wer系列定价过高（7000多美元），性能没有显著优势，不兼容x86,最后也惨淡收场。第四次冲击：苹果经典MacOS苹果MaC电脑上的OS发展经历了三个阶段1984-2000年，经典MacOS（一直迭代到MacOS9）；2001-2011年，MacOSX;2012年至今，