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超级计算平台初步成型,星辰大海再扬帆

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一、半导体及GPU行业概览
半导体行业长期稳健增长,也呈现出一定周期性
2002~2021全球半导体销售额CAGR约21%,库存周期和创新周期因素叠加影响,板块表现出一定周期性。 HPC(高性能计算)、新能源车、AIoT等新产业驱动半导体开启新一轮超级景气周期。2021全球半导体年销售额超5400亿美 元,增速超26%。
英伟达营收位居半导体设计公司第二
半导体产业链分为设计、材料、 设备、制造、封测几大环节, 英伟达属于最上游的Fabless设 计公司。英伟达2021年营收规模超过博 通(AVGO.O) ,位居半导体 设计公司第二。
英伟达在Fabless中营收增长显著,行业研发费用率较高
2013~2014英伟达营收小于AMD、联发科(2454.TW),2015年英伟达超越AMD,2017年英伟达超越联发科。(博通2016 营收大增主要是2015年Avago以370亿美元蛇吞象式并购博通)。Fabless行业研发费用率较高,整体保持在17%-25%区间。
GPU:计算机图显核心,擅长大规模并行计算
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。
GPU与CPU区别:CPU基于低延时设计,计算核 心和控制器以及若干级缓存组成,擅长逻辑控制, 串行运算。GPU基于大吞吐量设计,拥有更多的 计算核心,适合对密集数据进行并行处理,因此 GPU被应用于AI训练等需要大规模并发计算场景。
CPU已经逐渐脱离摩尔定律,出现性能提升瓶颈, Nvidia预计GPU的计算能力在10年内将超越CPU 1000倍。
GPU市场格局:一超两强
PC GPU市场,英伟达接近70%份额,英特尔(INTC.O) CPU集成低端的 GPU,市场份额与AMD (AMD.O)相当。只看独显市场,英伟达市场份 额高达70%-80%,AMD占20%-30%。英特尔今年也将推出首批主打笔记 本的独显。 服务器GPU英伟达占据70%以上份额。
独显价格长期上升,2021年中触顶后有所回调
独显平均出货价格长期呈上升趋势,源于定期的产品升 级换代以及竞争格局稳定。2021年中显卡价格达到阶段顶点,RTX 30系列平均价格 涨至建议零售价300%之上。随后由于加密货币行情、库 存等因素,显卡市场供需改善价格有所回落。
二、公司深度分析
公司介绍:GPU发明者、AI首倡者
英伟达是一家主要做GPU(图形处理器)的半导体设计公司。公司成立于1993年,由黄仁勋联合Sun公司两位年轻工程师共同创立。英伟达在AI行业发展初期市场皆不看好的情况下,前瞻性预见了GPU在AI市场的应用。
英伟达收入结构:游戏占比持续降低,数据中心即将成为第一大业务
游戏业务仍是支柱业务,占比近半。 数据中心占比持续攀升,预计很快成为第一大业务。 专业可视化业务营收占比约8%。汽车业务占比仍较小。
英伟达增速、毛利率、OCF margin优于同业
英伟达、AMD (AMD.O)营收近两年保持高增速,英特尔 (INTC.O)基本停滞。 英伟达毛利率65%,领先竞争对手AMD与英特尔。英伟达经营现金流率略低于英特尔,大幅高于AMD。
游戏:量价齐升,技术创新持续引领行业
近5年营收CAGR 25%,ASP CAGR 13%,出货量 CAGR 11%。PC GPU营收超AMD3倍。目前主力产品为安培架构的RTX30系列,安培架构显卡采用 Lite Hash Rate(精简哈希率)较少挖矿需求。下半年有望推 出最新Ada Lovlace架构下的RTX40系列显卡。
英伟达游戏业务主要由桌面端电脑、笔记本电脑显卡以及 Switch游戏机处理器构成,游戏本业务增速最快(全球游戏本 市场五年销量增十倍) ,疫情也刺激了高端笔记本的需求。英伟达引领游戏行业变革。在游戏画面4K60帧早已成为可能 的情况下,游戏硬件行业面临瓶颈。英伟达创造性提出光线追 踪技术、DLSS、8K、云游戏等,引领行业。
持续迭代架构,无视工艺的顶级芯片设计能力
英伟达的GPU架构平均每2年更新一次架构, 每 6 个月推出一款新产品 。 从 Tesla 到 Ampere、从 GTX 到 RTX 性能稳步提升。同代显卡制程工艺落后于AMD情况下性能、 能耗比却能与AMD打平,反映出英伟达顶级 芯片设计能力。
数据中心:爆炸式增长,前景无限
英伟达数据中心业务营收5年CAGR 53%。注册Nvidia开发者达到 3百万人。自然语言处理、深度学习、云计算带来的AI运算需求持 续增长。主力硬件产品包括V100、A100加速卡,以及搭nvidia GPU、网 卡以及AMD或Intel CPU的DGX服务器等。全球云计算巨头AWS、 微软Azure、Google Cloud、阿里云都大量部署了英伟达V100显 卡以及DGX服务器。英伟达最新加速卡H100单精度算力高出 AMD、摩尔线程相对应最新产品25%、400%。GPU因性能高、通用性好是AI服务器首选加速方案,ASIC缺点是 灵活性不够,FPGA缺点在于开发难度大,价格高。超算中心市场 份额超70%,超算AI加速卡市场份额90%。
3U一体的数据中心新计算架构
英伟达2019年宣布以69亿美元全额收购以色列超算以太网公司Mellanox,全球超算Top500中,96.3%采用了Mellanox互联技术。 在收购Mellanox之后,英伟达在这家公司原来硬件基础上开发了BlueField系列DPU,将DPU定位为数据中心继CPU和GPU之后的 “第三颗主力芯片”。DPU可集中处理加速数据密集型任务,包括网络、安全与存储。
2021年英伟达发布是专为大规模人工智能和高性能计算应用而设计Grace CPU,基于ARM架构,72个核心,集成198MB缓存,搭 档LPDDR5X内存。推出CPU被黄仁勋称为是完成了“解决问题的最后一块拼图”。
汽车业务:重心调整生态优化,即将步入收获期
汽车业务营收5年CAGR 3%。智能座舱芯片因高通、AMD均 发力,利润空间有限已战略收缩;定位高端的智能驾驶芯片 Xavier、Pegasus此前市场表现不及主打中低端的Mobileye。
英伟达2019年底发布世界最强算力的自动驾驶芯片Drive AGX Orin,算力是前代7倍,已与2021Q4开始交付 。
自动驾驶的浪潮来临后,英伟达与整车厂、Tier 1、Robotaxi 等智能汽车产业链建立合作,打造智能汽车生态。目前自动驾 驶未来6年在手订单超110亿美元。
专业可视化业务:由专业渲染到为各行各业AI赋能
专业可视化业务营收5年CAGR 20%,Omniverse是未来重要 驱动因素。主力硬件产品包括Quadro RTX、Titan RTX系列,与思科、惠 普、戴尔等PC厂商合作提供专业桌面、笔记本电脑;软件包括 虚拟协作、实时模拟的omniverse系统。占据工作室图形处理市场90%份额,终端应用行业包括娱乐媒 体,建筑、工程等。(报告来源:未来智库)
三、投资亮点
CUDA为始打造软件生态,构建极高竞争壁垒
2006 年推出的 GPU 软件套件CUDA(Compute Unified Device Architecture,统一计算架构)是一个基于英伟达 GPU 平台上面定制的特殊计算体系/算法。 CUDA 系统助力英伟达 GPU 方便且高效地发挥其并行计算能力,使 GPU 的使用范围不 仅限于显卡,而成为了 GPGPU(General-Purpose GPU)。
CUDA平台上又有cuDNN这样的扩展计算库,针对深度神经网络 等细分模型加速,可以集成到更高级别的机器学习框架中,如谷 歌的Tensorflow,进一步完善了CUDA生态。
CUDA 经过多年优化,形成独特软硬件配合的生态系统,逐渐成 为高端计算和图形领域的权威标准,即使 AMD 的 GPU 和英伟 达 GPU 性能相差不多,但是在人工智能领域的受欢迎的程度却 有天壤之别。除 CUDA 外,目前还有广泛支持各家硬件的 OpenCL也可以实现对 GPU 计算能力的调用,但整体优化效果 不如 CUDA。
软硬件体系打造全栈服务,英伟达已是计算平台公司
在芯片、服务器等硬件设施之上,CUDA、DOCA 等开发套件构成了英伟达软件业务的底层基础框架,在此之上形成HPC、AI、 Omniverse平台,最终在应用工具&框架层面提供企业 AI、自动驾驶、云游戏、元宇宙、医疗等众多计算服务。英伟达已从一家 GPU公司升级成计算平台公司。
游戏、芯片与系统、AI与企业软件、Omniverse、汽车有望为英伟达分别带来1000亿、3000亿、1500亿、1500亿以及3000亿美 金可获取市场规模。

数据中心业务长期受益于企业AI和HPC需求增长
基于 H100,最新企业级 AI 基础设施 DGX H100 系统、DGX POD、DGX SuperPOD将于今年三季度供应。财富 10 强企业和 100 强企业中,分别有 8 家和 44 家企业使用 DGX 作为 AI 基础架构。
英伟达加速卡正在被大规模计算中心加速采用,A100营收达到V100 3倍。H100 可部署于各种数据中心,预计于今年底前全面发 售,阿里云、AWS、百度智能云、谷歌云、微软 Azure、Oracle Cloud、腾讯云和火山引擎等云服务商均计划推出基于 H100 的 实例。
人工智能爆发式增长对加速卡需求强劲
深度学习模型复杂度对芯片算力需求激增,自2012年以来,人工智能训练任务所需求的算力每 3.43 个月就会翻倍,大大超越了芯 片产业长期存在的摩尔定律(每 18 个月芯片的性能翻一倍)。整体AI模型算力需求平均2年增25倍,2017年Google发明的 Transformer模型算力需求平均2年增275倍。
H100具有新Transformer 引擎,该引擎将新的 Tensor Core 与能使用 FP8 和 FP16 数字格式的软件结合,动态处理 Transformer 网络的各个层,可将 Transformer 模型的训练时间从数周缩短至几天。
汽车业务TAM巨大,但也面临特斯拉、苹果等封闭生态竞争
全球自动驾驶正迈入商用阶段,IDC预计L1和L2级自动驾驶在2024年的市场份额预计分别为64.4%和34.0%。汽车智能化进程推动 数据处理量呈现指数级上升,英伟达预计汽车业务远期TAM3000亿美金。英伟达已量产Orin芯片254TOPS,遥遥领先行业(FSD HW3.0为144TOPS(两颗芯片72TOPS*2 ))被一线新能源车企广泛采用。同时,英伟达汽车业务作为开放生态代表也面临特斯拉、 苹果这类全封闭生态对手的竞争。
元宇宙技术平台底座,Omniverse未来可期
Omniverse 能将英伟达旗下GPU、CUDA、实时光线追踪 RTX 技术等所有软硬件技术集中到一个平台,形成完整全栈解决方案, 从而以更高效和兼容的方式,解决与“物理世界拟真”相关的各项痛点,是英伟达为创建元宇宙数字化虚拟空间的技术平台底 座。Omniverse让各类设计参与方和开发人员在统一平台下解决数据传输问题,统一应用软件格式,在不同地点无缝协作。当 前该平台在建筑工程施工、媒体娱乐、制造业、超级计算及游戏开发等多个领域,已有成熟解决方案。
游戏业务预计稳健发展,GeforceNow 有望带来增量空间
GeForce NOW是英伟达的云游戏平台,用户可以访问 虚拟化的 NVIDIA 游戏机,并通过高带宽连接享受高性 能的游戏体验,而无需考虑本地硬件(包括移动智能手机/ 平板电脑游戏以及将 PC 游戏扩展到电视。GeForce Now 提供三档订阅方案(免费版、49.99 美元/半年、 99 美元/年),营收贡献较少,仍在培育期。
四、盈利预测
财务预测
分项业务中,我们看好数据中心业务长期表现,考虑到高性能计算以及企业AI算力的强劲需求,我们预计该业务延续快速增长趋 势,FY 2023(对应自然年2022.02.01-2023.01.30)增速52%,未来两年保持40%+。
汽车业务由于在手订单110亿美元在6年时间逐步转化为收入以及新增订单,具备高确定性和高成长性,考虑今年下游车企受制于 供应链等因素,预计FY 2023该业务营收11.2亿,同比翻倍。FY 2024收入有望超20亿美元。
游戏业务考虑到高端笔记本和显卡需求减弱等因素我们认为FY 2023收入增速将放缓。中长期看,由于全球游戏玩家稳步增长, RTX渗透率较低以及英伟达高端显卡优势,我们认为游戏业务有望保持中低双位数增长。
我们预计FY 2023毛利率保持稳定,整体费用率保持稳定,GAAP净利115亿美元,同比增18.5%, GAAP净利率32%; NonGAAP净利133亿,同比增18% ,Non- GAAP净利率37%。GAAP与Non- GAAP差异主要由于股权激励以及收购相关的无形资产摊销,参考近两年水平测算。按照4月22日英伟达市值5050亿美金,对应GAAP动态PE约44倍,Non- GAAP动态PE约为38倍。


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