为什么x86架构如此重要

x86架构为当前全球CPU领域主流，生态丰富、性能强劲且市占率领先。1）长期以来，x86架构在桌面PC及服务器领域占据统治地位，而ARM架构在移动终端和嵌入式领域应用较为普遍，根据IDC数据，2020年，我国x86服务器销售量占整体服务器市场比例已达到97.30%，领先地位显著。2）分析其原因，除了在乱序指令执行、单核多线程能力等方面的应用性能优势，完善的生态体系构成了x86指令集的核心壁垒。迄今为止，x86架构由Intel主导了半个多世纪，已经形成了完善的产业和生态环境，从各类配套芯片、操作系统、数据库、中间件到大量丰富的应用软件应有尽有，是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构之一，生态壁垒极高。3）从主导厂商来看，x86架构CPU核心企业包括Intel及AMD，其中，虽然近年AMD依靠Zen架构强势崛起，但服务器市场主流依然是Intel，体现B端业务壁垒。2021Q4，根据Mercury Research统计，AMD在x86 CPU市占率达到25.6%，环比提升1个百分点、同比增长3.9个百分点。4）同时，Intel及AMD亦持续基于x86架构不断迭代产品，2021年10月Intel发布12代酷睿AlderLake桌面处理器、2020年10月AMD介绍新一代Zen 3架构，其相比上一代产品性能均显著提升，x86架构领先优势持续巩固。 芯片厂商逐步放量，海光有望成为x86架构的最优解。1）麒麟、海光、飞腾、龙芯均为CPU典型代表，各自基于不同的路线选择，并取得快速进步、逐步实现规模化商用，并逐渐搭建起健康的产业生态，芯片产业发展有望进入正循环轨迹。2）海光信息于2016年与AMD成立合资公司，合法获得完整Zen架构设计方案，具备优秀研发基础。而在人才方面，海光也已经汇集了国内乃至全球的顶级芯片设计团队，把握IC设计的核心要素。截至2021年，公司已在国内率先完成了高端通用处理器和协处理器产品成功流片，并实现了规模化商用，广泛应用于电信、金融、互联网、教育、交通等重要行业或领域。2021年，公司营业收入达到23.10亿元，同比增长126.07%；实现归母净利润3.27亿元，已成功扭亏为盈。3）研发路线上，CPU角度来看，公司秉承“销售一代、验证一代、研发一代”的产品研发策略，海光一号及二号为当前主要的出货产品，2021年总计出货量约为57.7万片，同比增长148.46%；海光三号及四号的研发进程也正稳步推进。GPU角度来看，公司DCU系列产品已成功量产，能够较好地适配、适应国际主流商业计算软件和人工智能软件，软硬件生态丰富，并且在典型应用场景下，公司深算一号指标达到国际上同类型高端产品的水平。 维持“买入”评级。根据关键假设，预计2021-2023年营业收入分别为111.83亿、123.75亿及137.46亿元，归母净利润分别为11.34亿、15.80亿、21.90亿。维持“买入”评级。 风险提示：服务器行业竞争加剧；芯片量产化不及预期；贸易摩擦加剧。 财务指标 财务报表和主要财务比率 资产负债表（百万元） 现金流量表（百万元） 一、x86架构为当前全球CPU领域主流，生态丰富、性能强劲且市占率领先 x86架构长期在桌面PC与服务器领域占据统治地位。x86架构芯片主要有两个特点：1）性能强。用户使用电脑的时候的操作往往是非常随机的，造成了指令也是无法预测，x86为了增强对这种情况下的处理能力，加强了乱序指令的执行；同时，x86架构还增强了单核的多线程能力。2）功耗高。x86为了增强乱序执行能力，就不得不把大部分的模块都保持开启，并且始终也保持切换，这样做的直接后果就是耗电高。目前行业格局来看，x86架构统治着桌面PC与服务器领域，ARM架构统治着移动终端和嵌入式领域。在服务器端，而ARM架构的服务器虽然性能能耗比、性价比较高，但软件支持较少、在满足多样化的需求方面亦存在一定欠缺，尤其无法满足云计算厂商的需求。因此，x86架构在服务器领域拥有绝对统治地位，根据IDC数据，我国x86架构服务器市占率在90%以上，且未来几年有望逐步上升。 图表1：不同指令集芯片特点比较 图表2：2014-2020年全球x86服务器销售量占比 生态体系是指令集的核心壁垒，x86架构由Intel主导半个多世纪，生态体系最完善。 不仅是应用能力的差异，每种广泛采用的指令集背后都有一个强大的生态系统，这个生态系统入驻的有编译器、操作系统、芯片方案、应用程序等。x86生态系统占据食物链顶层的是Intel和微软；占据ARM生态系统食物链顶层的是高通、苹果和三星。由于各自形成了庞大的生态系统，各环节之间相互绑定，指令集成为了一道非常高的壁垒。x86架构由Intel主导了半个多世纪，已经形成了完善的产业和生态环境，从各类配套芯片、操作系统、数据库、中间件到大量丰富的应用软件应有尽有，是整个产业中最庞大、最完善、应用最广泛的处理器架构。例如，x86架构兼容老旧应用程序的能力非常强。当年，8086把8位的8080升级为16位的时候，80386升级到32位的时候，都完全兼容旧有的程序。直到今天，Intel的处理器依然支持虚拟8086模式，在此模式下，可以运行30多年前的8086程序。多年积累下来，生态体系会越来越庞大。 图表3：指令集背后的生态体系 苹果M1芯片基于ARM架构性能进步显著，但短期仍难解决生态适配问题。 1）2020年11月，苹果正式发布M1芯片，采用ARM架构、RISC指令集，为首款专为Mac打造的芯片，性能出色、功能强大、能效表现优越。这款低耗能芯片搭载了苹果最快的中央处理器核心，拥有卓越的中央处理器性能功耗比；配备了其最快的个人电脑集成显卡；它的Apple神经网络引擎更带来了突破性的机器学习性能。得益于此，M1芯片将中央处理器速度提升至最高3.5倍，将图形处理器速度提升至最高6倍，将机器学习的速度提升至最高15倍，而且在实现这一切的同时，还将电池续航时间最高提升至上一代Mac机型的2倍。这些性能和能效上的跃升，意味着M1芯片将Mac带入一个全新纪元。 图表4：M1CPU功耗比大幅优化 图表5：M1CPU速度提升至最高3.5倍 2）虽然M1系列芯片性能强势，但作为苹果OS生态中的一员，其依旧有一定缺陷，其中生态问题或最为突出。在PC端，“Wintel”或为使用人群最多的生态体系之一，其中Windows一直以来都是搭载于x86架构、使用CISC指令集，而其上建立的各种软硬件生态，长久以来亦是深度适配于x86路线的“Wintel”体系。这意味着Windows及相关软件生态想要调用到M1的GPU，就需要重新编写程序代码，且微软还需要重新开发一套启动程序及匹配硬件控制逻辑。 3）短期内，M1与Windows适配问题依旧难以解决。根据澎湃新闻报道，早在几年前，高通推出ARM电脑处理器时，微软就成立“Windows on ARM”项目，让Windows上从x86到ARM进行效率转化，但结果差强人意，最终搭载高通ARM处理器的笔记本电脑只能使用安卓系统。M1芯片推出后，微软只能宣布在M1 Mac上运行ARM版Windows 11将不是“受支持的场景”；Windows 11不会通过虚拟化或其他方式为M1 Mac提供官方支持。 即使近年AMD依靠Zen架构强势崛起，但服务器市场主流依然是Intel，体现B端业务壁垒。1）Zen架构表现优异，使得AMD市占率持续提升。2017年2月21日，AMD正式公布了Ryzen的初步规格、性能、价格，Zen架构实际提升幅度高达52%。2017年3月，AMD推出x86微处理器Ryzen系列，即Ryzen 7、Ryzen 5和Ryzen 3。由于Ryzen系列具有较高的性价比，AMD的全球市场份额在近年来首次出现上涨趋势，尤其在欧洲地区，其月销售份额由2017年3月的35.6%上涨到8月的54.0%。面对激烈的竞争，Intel随即宣布将产品全线降价，降幅最高达2000元。另外，AMD已经至少规划到了Zen 5架构，未来数年AMD公司的CPU产品竞争力或将持续提升。2）根据CPU Benchmarks数据，2006年以来，AMD在PC市场的份额不断下降，从2006年的50%左右下滑到2016年的不到20%。而2017年第一季度AMD发布Zen架构产品以来，市场占有率开始不断提升。2021Q4，根据统计机构Mercury Research数据显示，AMD占比达到25.6%，环比提升1个百分点、同比增加3.9个百分点，主要贡献来自于服务器、游戏主机产品：1、服务器市场：AMD份额达到10.7%，环比提升0.6个百分点，同比提升3.6个百分点。2、桌面级市场：AMD份额达到16.2%，环比下降0.8个百分点、同比下降3.1个百分点。3、笔记本市场：市场份额达到21.6%，环比下降0.4个百分点、同比提升2.6个百分点。3）可见，海光获得授权的Zen架构方案属于国际顶级水平，基于较高的技术起点，公司未来有望成为国内x86顶级架构CPU的核心供应商。 图表6：2021Q4AMD在x86处理器市场占有率 图表7：2017-2021年Intel营业总收入和净利润（亿美元） 图表8：2017-2021年AMD营业总收入和净利润（亿美元） Intel（12代）和AMD（Zen3）性能显著提升，x86架构的领先优势持续巩固。1）2021年10月，Intel发布全新12代酷睿AlderLake桌面处理器，采用最新公布的Intel7节点工艺打造，采用全新混合架构，最高125WTDP，并搭载IntelThreadDirector硬件调度器，支持DDR5和PCIe5.0等。其内存和IOFabric全面提升，分别高达204GB/s和64GB/s；采用全新的小核E-Core架构，比双核SkylakeCPU性能提升80%以上，且能耗比也提升80%；同时，Alder Lake CPU还将配备一个硬件线程调度器，该调度程序将与操作系统调度程序进行通信，这项技术称为Intel Thread Director，可根据电源设置和发热情况动态调整。 图表9：Alder Lake内存及IO Fabric 图表10：E-core架构性能及能耗比 2）2020年10月，AMD在发布会上介绍新一代Ryzen处理器及新的Zen 3架构，在提升单线程性能、统一核心与缓存、提升通信效率并降低延迟、继续提高能效比等方面均有显著提升。基于多种改进，Zen3架构IPC提升多达19%，来自前端、载入/存储、执行引擎、缓存预取、微操作缓存、分支预测等部分的合力贡献；同时，能效方面，Zen3架构的锐龙9 5950X、锐龙9 5900X相比于i9-10900K分别达到了2.8倍、2.4倍；延迟方面，也统一了8核心与32MB三级缓存。 图表11：Zen 3架构相比Zen2IPC提升幅度 图表12：Zen 3架构能效相比i9-10900K提升幅度 二、芯片厂商逐步放量，海光有望成为x86架构最优解 芯片厂商逐步放量，各大生态体系架构落地加速。1）“麒麟”、“海光”、“龙芯”、“飞腾”为CPU典型代表，各自基于不同的路线选择均取得快速进步。2）海光CPU系列产品兼容x86指令集以及国际上主流操作系统和应用软件，性能优异，软硬件生态丰富，安全可靠，得到了国内用户的高度认可，已经广泛应用于电信、金融、互联网、教育、交通等重要行业或领域。3）“飞腾处理器”是国防科技大学计算机学院开发的银河飞腾系列通用CPU，得到国家“核高基”项目的专项资金支持，采用ARM 64位V8系列处理器架构。根据飞腾官方微信公众号，2020年，飞腾公司全年芯片交付已达到150万片，实现营收13亿元，相比2019年增长5倍以上；合作伙伴数量约1600家、完成了与423个合作伙伴的924个项目开案设计与支持。根据中国长城公司公告，2021H1，飞腾信息实现营业收入11.8亿元，同比增长约250%；实现净利润4.6亿元，同比增长约850%。4）2001年5月，在中