gpu体系结构图（计算机图显核心）

（报告出品方/作者：天风证券，缪欣君，张若凡）

1.GPU：计算机图显核心

1.1 GPU：计算机图形显示核心

GPU基本概念：图形处理器（graphics processing unit，缩写GPU），又称显示核心、视觉处理器、显示芯片，是一种专门在个人电脑、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上做图像和图形相关运算工作的微处理器。

GPU是显卡的处理器：显卡全称显示适配卡，又称显示适配器，用于协助CPU进行图像处理，作用是将CPU送来的图像信号经过处理再输送到显示器上，由主板连接设备、监视器连接设备、处理器和内存组成，GPU即是显卡处理器。

1.2 GPU擅长大规模并发计算

GPU工作原理：GPU的工作通俗的来说就是完成3D图形的生成，将图形映射到相应的像素点上，对每个像素进行计算确定最终颜色并完成输出，一般分为顶点处理、光栅化计算、纹理贴图、像素处理、输出五个步骤。GPU采用流式并行计算模式，可对每个数据行独立的并行计算。

GPU与CPU区别：CPU基于低延时设计，由运算器（ALU）和控制器（CU），以及若干个寄存器和高速缓冲存储器组成，功能模块较多，擅长逻辑控制，串行运算。GPU基于大吞吐量设计，拥有更多的ALU用于数据处理，适合对密集数据进行并行处理，擅长大规模并发计算，因此GPU也被应用于AI训练等需要大规模并发计算场景。

1.3 GPU可分为独立GPU和集成GPU

独立GPU：独立GPU一般封装在独立的显卡电路板上，使用专用的显示存储器，独立显卡性能由GPU性能与显存带宽共同决定。一般来讲，独立GPU的性能更高，但因此系统功耗、发热量较大。

集成GPU：集成GPU常和CPU共用一个Die，共享系统内存。集成GPU的制作由CPU厂家完成，因此兼容性较强，并且功耗低、发热量小。但如果显卡运行需要占用大量内存，整个系统运行会受限，此外系统内存的频率通常比独立显卡的显存低很多，因此一般集成GPU的性能比独立GPU更低。

1.4 GPU广泛运用在图显和并行计算场景

GPU拥有单一的强大并行计算能力，所以用途往往是需要大规模并行计算的场景。早期GPU多被用于2D和3D图形的计算和处理，因为图形数据的处理往往涉及到大量的大型矩阵运算，计算量大但易于并行化。近年由于大数据、人工智能发展，GPU也常常被用于需要大量重复计算的数据挖掘领域，如机器学习，深度学习等。

GPU使用场景：GPU被广泛地运用于PC、服务器、移动等领域。其中服务器GPU可做专业图形处理、计算加速、深度学习等应用，以独立GPU为主；移动端GPU主要采用集成GPU；PC根据使用用途不同，既可以搭载独立GPU，也可以使用集成GPU。

1.5 全球GPU巨头：Nvidia、AMD

NVIDIA（英伟达）：创立于1993年，1999年发明了GPU，最初专注PC图形，后来拓展到密集计算领域，Nvidia利用GPU创建了科学计算、人工智能、数据科学、自动驾驶汽车、机器人技术、AR和VR的平台。 Nvidia是目前全球最大的独立GPU供应商，2020年营收166.8亿美元，2021Q2 Nvidia全球独立GPU市场份额达到83%。

AMD（超威半导体）：成立于1969年，目前业内稀缺的可以提供高性能CPU、高性能独立显卡GPU、主板芯片组三大组件的半导体公司。2020年AMD营收97.6亿美元，其中计算和图形（包括CPU、GPU、APU等）业务营收64.3亿美元，2021Q2 AMD全球独立GPU市场份额达到17%。

2.GPU两大应用场景：图显、计算

2.1 2020全球GPU市场规模接近千亿美元

2020年全球GPU市场规模达到999.1亿美元。3D图像显示、人工智能深度学习的需求支撑GPU市场持续增长，根据Verified Market Research数据，2020年全球GPU市场规模达到999.1亿美元，预计2028年达到1581.6亿美元，CAGR为5.9%。

测算2020年中国大陆独立GPU市场规模约235亿美元。中国是全球GPU市场重要组成部分，2020年Nvidia、AMD在中国大陆收入占比分别为23.3%、23.9%，我们假设中国大陆独立GPU市场占全球23.5%，测算2020年中国大陆独立GPU市场规模约为235亿美元。

2.2 PC GPU：2020年全球出货3.94亿片

PC（个人电脑）是GPU重要应用场景，根据Jon Peddie Research（JPR）数据，2020年全球GPU出货3.94亿片，同比增长17.9%。

2.3 PC GPU：Nvidia和AMD占据独立GPU市场

Intel领导集成GPU市场。Intel（英特尔）是全球最大的CPU制造商，2021Q2占据全球77.5%的x86 CPU市场，集成GPU集成在CPU中，Intel凭借CPU市场地位，占据全球PC GPU大部分市场。根据JPR数据，2021Q2 Intel占据全球68.3%的PC GPU市场份额，Nvidia和AMD市场份额分别为15.2%、16.5%。

Nvidia和AMD占据独立GPU市场。在独立GPU领域，Nvidia具备明显的份额领先，2021Q2市占率达到83%。2006年AMD收购ATI，2010年放弃ATI品牌后推出AMD Radeon（镭龙）独立显卡系列，2021Q2 AMD独立PC GPU市场份额17%。

2.4 AI服务器与加速芯片

AI服务器：通常搭载GPU、FPGA、ASIC等加速芯片，利用CPU与加速芯片的组合可以满足高吞吐量互联的需求，为自然语言处理、计算机视觉、机器学习等AI应用场景提供强大的算力支持，支撑AI算法训练和推理过程。

AI加速芯片：由于CPU并不适合大规模并行计算，因此需要加速芯片执行AI算法，目前AI加速芯片主要包括图形处理器（graphics processing unit，GPU）、现场可编程门阵列（field-programmable gate array，FPGA）、专用集成电路（application specific integrated circuits，ASIC）、神经拟态芯片等。

2.5 GPU是AI服务器首选加速方案

服务器是AI核心基础设施。根据IDC数据，2020年中国AI基础设施市场规模为39.3亿美元，同比增长26.8%，并将在2024年达到78.0亿美元，其中2020年服务器市场规模占AI基础设施的87%以上，承担着最为重要的角色。

互联网行业是AI服务器最大采购行业。根据IDC数据，2020年上半年，互联网占整体加速计算服务器市场近60%的份额，同比增持超过100%；政府行业和服务业分别依次位居第二位和第三位。

GPU服务器是AI加速方案首选。IDC预计2021年中国GPU服务器占比91.9%左右的市场份额，是数据中心AI加速方案首选。根据IDC数据，2019年中国GPU服务器市场规模达到20亿美元，预计2024年将达到64亿美元。

2.6 AI服务器通常配置多个GPU芯片

GPU加速服务器能够提供优秀的浮点计算能力，从容应对高实时、高并发的海量计算场景，例如深度学习、科学计算、3D动画渲染、CAE等应用场景。

3.NVIDIA：全球GPU巨头

3.1 全球GPU巨头

Nvidia成立于1993年，1999年上市，市值近10年增长超过83倍，近6年增长超过49倍。截至2021年11月5日，Nvidia总市值7438亿美元，总市值美股排名第七，是目前全球市值最大的半导体公司。（报告来源：未来智库）

3.2 三大因素推动地位提升

技术革新、场景拓展、外延并购，Nvidia引领全球GPU发展。

GPU架构：Nvidia坚持每2-3年推出一代新的GPU架构，持续保持技术领先，新的Ampere已经采用7nm工艺；应用场景：从最初图形处理到通用计算，再到AI深度学习和自动驾驶，Nvidia不断推动GPU应用场景的突破；外延并购：2000-2008年Nvidia密集收购额多家公司，涵盖显卡、图形处理、半导体等多个领域，2020年宣布计划收购ARM。

3.3 近年业绩高速增长

Nvidia产品主要分为两大类：图形处理、计算&网络。下游市场包括游戏、专业可视化、数据中心、汽车四大类。

2020年Nvidia营收166.8亿美元（yoy 52.7%），净利润43.3亿美元（yoy 54.9%），其中图形处理业务营收98.3亿美元，计算&网络业务营收68.4亿美元。除去2019年游戏市场需求波动造成业绩下滑外，Nvidia近5年营收、利润均保持较快增长。

得益于基于Ampere架构新GPU产品带动游戏业务高增，以及数据中心对算力需求旺盛，2021上半年Nvidia营收、净利润快速增长。

3.4 游戏是最大市场，数据中心市场增速较快

Nvidia下游市场分为四类：游戏、专业可视化、数据中心、汽车，各市场重点产品如下：

游戏：GeForce RTX/GTX系列GPU（PCs）、GeForce NOW（云游戏）、SHIELD（游戏主机）；专业可视化：Quadro/RTX GPU（企业工作站）；数据中心：基于GPU的计算平台和系统，包括DGX（AI服务器）、HGX（超算）、EGX（边缘计算）、AGX（自动设备）；汽车：NVIDIA DRIVE计算平台，包括AGX Xavier（SoC芯片）、DRIVE AV（自动驾驶）、DRIVE IX（驾驶舱软件）、Constellation（仿真软件）。

3.5 计算业务驱动高成长

计算业务是Nvidia成长的主要驱动力：数据中心已成规模，智能汽车将进入收获期。

在数据中心市场，Nvidia拥有芯片、硬件、硬件的全栈布局。得益于全球AI应用场景的快速增加，对算力的需求飙升。是Nvidia成长最快的市场，2020年营收达到约66.96亿美元，近4年CAGR达到68.5%，远高于游戏市场的17.6%。2020年Nvidia数据中心市场营收占比已经超过40%，预计未来仍将继续提升。

在智能汽车市场， Nvidia形成了全栈式自动驾驶解决方案。AGX Xavier芯片于2018年开始出货，下一代自动驾驶芯片Orin计划用于2022年量产，算力将达到254TOPS，目前已经获得蔚来、理想、沃尔沃、奔驰等多个整车厂定点项目。我们认为2022年高阶自动驾驶汽车或将集中落地，Nvidia自动驾驶将进入收获期。

3.6 中国大陆收入贡献提升

Nvidia中国大陆收入快速增长。2020年Nvidia来自中国大陆收入38.86亿美元，同比增长42.3%，近4年CAGR达到31.4%，同期Nvidia整体营收CAGR为24.6%。

Nvidia中国大陆收入占比呈上升趋势。2020年Nvidia中国大陆收入占比达到23.3%，相比于2016年的18.9%提升4.4pct，2021上半年Nvidia中国大陆收入占比25.6%，上升趋势明显。

我们预计中国大陆占比仍将提升。图显业务层面，人均收入提升将带动PC需求增加；计算业务层面，目前中国大陆在AI算法、应用层面具有领先优势，自动驾驶场景也将率先得到释放。

4.景嘉微：国产GPU领军

4.1 国内唯一商用GPU公司

景嘉微成立于2006年，公司主营业务分为图形显控、小型专用化雷达、GPU芯片三类。其中图显、雷达产品主要面向军用市场，GPU芯片产品包括JM5400、JM7200，其中JM5400主要应用于公司图显模块中，JM7200成功拓展了民用和信创市场。2021年9月，公司第三代GPU芯片JM9成功流片，目前正在进行性能测试。

4.2 两个系列、三款GPU量产应用

景嘉微已完成两个系列、三款GPU芯片量产应用。第一代GPU产品JM5400于2014年流片成功，主要支撑军用装备，已在国产军用飞机上实现了对ATI M9、M54、M72等芯片的替代；第二代产品JM7200于2018年8月流片成功，性能与 Nvidia的GT640显卡相近。在JM7200基础上，公司又推出能耗更低的JM7201，成功进入民用领域。

4.3 JM7200已在信创市场批量落地

目前JM7200已完成与国内主要的CPU和操作系统厂商的适配工作，与长城、联想、同方等十余家国内主要计算机整机厂商建立合作关系并进行产品测试，成功进入商用领域。JM7201是JM7200针对民用市场的升级，在保证性能基础上降低能耗。

2019年11月，景嘉微全资子公司长沙景美与湖南长城科技信息有限公司签署了《战略合作协议》，根据协议，2020年湖南长城拟采购10万套基于JM7200芯片的国产图形显卡；2020年3月，景嘉微全资子公司长沙景美与北京神州数码有限公司签署《采购合作框架协议》，神州数码以景嘉微“大陆地区经销商”名义代理公司GPU及显卡产品。

预计JM9271系列芯片性能达到GTX1080水平，目标中高端市场。根据公司公告，JM9231和JM9271将采用业界主流的统一渲染架构，支持 OpenGL4.5接口，可以无缝兼容市面上主流的CPU、操作系统和应用程序。

JM9231性能与国际同类公司2016年中低端产品性能相当，主要针对国产化办公电脑，便携式计算机、中低端的游戏机和高端嵌入式系统等消费电子领域。

JM9271在JM9231基础上对科学计算能力进行大幅度提高和改进，可以达到国际同类公司2017年中高端产品的性能，主要针对人工智能、安防监控、语音识别、深度学习、云计算等对计算速度要求非常高的高端应用领域。

报告节选：

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）

精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站

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