英伟达(上):五年二十倍的芯片大牛是如何炼成的?
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启动资金只有 4 万美金的创业公司,是如何成长为全球市值最大的算力芯片公司。英伟达的 “草根” 逆袭是表明算力 “新时代” 的到来吗?2021 年 9 月,英伟达的市值超过 5000 亿美元,已经达到老牌芯片厂商英特尔的两倍有余。
来源:海豚投研整理
GPU 领域的性能之王稳固了英伟达游戏业务的基本盘,如火如荼的数据中心云业务给公司带来二次成长的强劲动力,自动驾驶的发展蕴含着巨大的潜力。叠加矿机、VR/AR、AI 等领域对算力的迫切需求,算力将为大数据时代的核心。
英伟达凭借在 GPU 上积累的全球领先计算能力,推出 “GPU+CPU+DPU” 的 “三芯” 战略。在构建产品矩阵的同时,“三芯” 协同将性能进一步提升。在全球最强超级计算机和最强算力的自动驾驶芯片加持下,不仅期待每年发布的新品,更期待着英伟达开辟算力新时代!
对于英伟达的个股研究,海豚君本篇在于阐述英伟达的 “草根逆袭 “之路、英伟达各核心业务情况和公司未来的战略规划,主要分析以下几个问题:
1、英伟达如何从 “草根 “逆袭成为最大算力芯片公司?
2、英伟达游戏业务、数据中心业务和汽车业务的发展情况如何?在传统优势 GPU 业务中的地位怎么样?
3、英伟达的 “三芯” 计划下,公司有什么样的未来发展战略?
一、英伟达:“草根逆袭 “的典型
英伟达在 1993 年由黄仁勋、Chris Malachowsky 和 Curtis Priem 成立,从当时启动资金 4 万美元如今已成长为市值超 5000 亿美元的全球最大算力芯片公司。
在早期的图形处理器市场中玩家众多, 3dfx 通过推出 Voodoo 3D 加速卡在当时领先于市场同行。英伟达由于蔑视当时的主流标准,采用自创的四边形成像(QTM)技术,在同时期公司打造的 NV1 和 NV2 都未成功。
英伟达在成立的第 7 年将前全球领先厂商 3dfx 收入囊中。公司在 NV1 和 NV2 后,陆续推出了 Riva128、TNT 和 TNT2 产品。尤其是 TNT2 的发布对 3dfx 带来致命一击,并于 2000 年英伟达将 3dfx 的知识产权买断。
1999 年英伟达发布世界上第一款 GPU——Geforce256,首创了 “GPU” 一词。在进入 21 世纪后,英伟达从此前的蛮荒时代中脱颖而出,市场中主要还剩下英伟达和 ATI(2006 年
被 AMD 收购)。
在 AMD 收购 ATI 之后的重心更多地转向中低端市场,性能端渐渐落后于英伟达。而后英伟达牢牢掌控着高端市场,而 AMD 的 GPU 则成为性价比的代名词。
随着人工智能、深度神经网络技术的突破发展,带来 AI、VR 和矿机等的巨大需下,英伟达的业务从游戏拓展到数据中心、专业可视化、汽车和 OEM 等。英伟达公司收入规模从 2015 年的 50.12 亿美元成长至 2020 年的 166.75 亿美元,成长至 3 倍有余。游戏业务仍为公司最大的收入来源,而数据中心业务增长是最为明显的,在 5 年间增长近 20 倍。
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二、主要业务情况:
英伟达 2021 年第二季度收入达到 65.07 亿美元,创公司季度收入新高,业务的主要关注点来自于游戏、数据中心和汽车业务。游戏业务是公司收入的最大来源,占比将近一半。数据中心成长为公司第二大收入来源,汽车占比虽只有 2%,但随着自动驾驶的普及具备未来快速增长的潜力。
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2.1 游戏业务:GPU 的高端王者
英伟达 2021 年二季度游戏业务收入达 30.61 亿美元,继上季度同比高增后,二季度游戏收入再创季度新高。游戏业务的收入主要来自于台式机和笔记本的 GPU,公司游戏业务屡创新高主要是由于公司基于 Ampere GPU 架构的游戏产品,连续 4 个季度都保持强劲的需求。
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GPU 是图像处理芯片,外表与 CPU 有点相似,是显卡的 “心脏 “。GPU 因并行计算任务较重,所以功耗较大,只能焊接在显卡的电路板上使用。
CPU 和 GPU 都是芯片,区别在于不同的架构下适用不同的场景。从芯片架构图来看(黄色用来表示控制单元,绿色用来表示计算单元,橙色用来表示存储单元)。可以看到 GPU 就像是 CPU 的 “变种” 版本,在 CPU 中控制单元、计算单元和存储单元相对比较均衡,而 GPU 则尤为偏科,其中有将近 80% 的计算单元。
CPU 是顺序执行运算,而 GPU 是可以大量并发的执行运算,通俗的说就是CPU 做事情是一件一件来做,而 GPU 是很多件事情同时做。在适用场景上,CPU 精于控制和复杂运算的场景,而 GPU 精于简单且重复运算的场景。
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在全球 GPU 市场中目前主要有 3 个玩家,英特尔、AMD 和英伟达。英特尔和 AMD 由于自身有 CPU 业务,在 2009 年后两家厂商都各自大力发展内置于 CPU 的高性能集成式图形处理内核。而英伟达仍专注于 GPU 领域,由于此前不具备 CPU 业务,公司重心放在更高性能的独立显卡方向。
由于英特尔和 AMD 在 CPU 市场的巨大市场优势,带动两家厂商集成显卡的出货。英特尔凭借在 CPU 市场 60% 以上的市场份额,获得了 GPU 市场份额上的领先地位。英伟达 GPU 的市场份额稳定在 15-20% 区间,主要来自于公司独立显卡的出货,公司凭借性能优势牢牢占据 GPU 的高端市场。
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显卡分为独立显卡和主板上集成显卡,独立显卡主要由 GPU、显存和接口电路构成,集成显卡没有独立显存而是使用主板上的内存。
性能上,独立显卡优于集成显卡。独立显卡的显示芯片由独立的显存,不需要占用内存;集成显卡没有显存,只能是靠共享一定的内存作为显存,一定程度上会影响性能的发挥;
功耗上,独立显卡高于集成显卡。独显的散热改善和更大的电路板设计空间,独立显卡允许更强的供电设计和更大的功耗,用以支撑独立显卡更强的发挥,而集成显卡的功耗比独显的要低。
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由于独显在性能上的优势,能应付更高算力的应用场景,所以更多地用于高端市场。即使英特尔在 GPU 市场占据领先的市场份额,也未能进入高端独显市场。在全球独显市场的主流玩家仅剩两家,英伟达和 AMD。
凭借产品领先的性能,英伟达在独显市场牢牢占据领先地位。在 2021 年二季度独显市场中,英伟达的市占率已经达到 83%,遥遥领先于 AMD。随着英伟达 Ampere GPU 架构的游戏产品发布,市场需求带来公司游戏业务的高增。英伟达在全球独显市场的优势不断扩大,从 19Q2 的 68% 的市占率逐季提升至 80%。
来源:JPR、海豚投研整理
显卡是电脑必备硬件,任何电脑没有显卡,显示器都不会有画面提示。对于一般办公、浏览网页,普通核显也都能满足需求。如果是游戏爱好者或者设计等专业用户,更高性能的独立显卡才能满足需求。英伟达凭借自身领先的产品性能,引领独显产品的发展,牢牢占据 GPU 的高端市场。
2.2 数据中心业务:大数据时代的 “佼佼者”
英伟达 2021 年二季度数据中心业务收入达 23.66 亿美元,持续创季度新高。数据中心业务的收入占比从 2014 年初的 5% 增长至超 35%,成为影响公司收入的重要部分。英伟达数据中心业务的提升主要来自于 2020 年二季度公司对 Mellanox 的并表。
然而在并表的影响过后,公司在今年二季度仍取得 35% 的同比增长,体现下游的强劲需求。继 AWS 和谷歌云平台在前几个季度全面上市后,公司旗舰 A100 继续向超大规模和垂直客户提供服务。垂直行业的需求主要在金融服务、超级计算和电信客户的带动下,同时公司推理处理器也取得非凡增长。
来源:公司公告、海豚投研整理
当数据大爆炸后,传统的 CPU 有点力不从心,并行计算是更高效的计算方式。而GPU 从一开始就为并行计算而生,动辄几百个内核,使其能够很轻松地同时处理数千个线程。
2012 年吴恩达领衔谷歌大脑从 1000 万张图中识别一只猫,整个过程动用了 1000 台电脑和 16000 个 CPU。而之后吴恩达用英伟达的 GPU 代替了英特尔的 CPU,仅用了 16 台电脑和 64 个 GPU 就完成了同样的识别工作。在大数据处理上,GPU 拥有天然的优势。英伟达在最新的世界 500 强超级计算机中 342 台提供支持,其中包括 70% 的所有新系统和前 10 名中的 8 台。
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数据时代的浪潮下,各大公司都大力开展云服务,英伟达尤为受益。从云业务的资本开支情况看,全球云业务的资本开支呈现稳步上升的态势。同时英伟达的数据中心业务增长迅猛,依托 AWS、谷歌云等大客户的发展,公司数据中心业务在全球云业务资本开支的占比提升显著,从 2016 年初的不到 2% 提升至 2021 年二季度的 7% 左右。
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2.3 汽车业务:结构转型,释放自动驾驶潜力
英伟达 2021 年二季度汽车业务收入达 1.52 亿美元,同比增长 3%。主要由于信息娱乐收入出现连续下滑,但同时自动驾驶的增长抵消了颓势。汽车业务板块目前占比虽不到 3%,对公司整体收入影响较小。但目前正处于结构转型期,展望未来汽车业务有望受益于自动驾驶的巨大变化。
来源:公司公告、海豚投研整理
NVIDIA DRIVE 平台正在从乘用车到自动驾驶出租车,再到卡车运输和运货车辆的整个运输行业中迅速采用。Auto X 推出的自动驾驶平台,同样适用于 NVIDIA DRIVE 提供支持的机器人出租车。在自动驾驶卡车运输方面,NVIDIA DRIVE 生态系统合作伙伴 plus 与亚马逊签署了一项协议,为亚马逊的送货车队提供至少 1000 辆自动驾驶系统。
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三、英伟达的 “三芯” 战略:算力新时代
在 2021 年的 GTC21 上,英伟达首席执行官黄仁勋将产品路线升级 “GPU+CPU+DPU” 的 “三芯” 战略。不同于过往 20 余年围绕 GPU 打造产品,英伟达首次推出 CPU 产品。
1)GPU 是公司传统优势业务,基本盘上选择 Ampere 架构,产品推出后在市场上获得强劲需求。2)CPU 产品是公司推出的首款数据中心 CPU 叫Grace,主要面向大型数据密集型 HPC 和 AI 应用,预计 2023 年可以供货。3)DPU 产品是由收购的 Mellanox 内部孵化的, Bluefield DPU 主要用于数据处理。DPU 的出现,就可以先在 DPU 将大量的信息先做消化,接着再传递给 CPU 做其他的分配,如此一来能减少 CPU 约 30% 的消耗。
“我们每年都会发布激动人心的新品。三类芯片,逐年飞跃,一个架构。” 黄仁勋表示。
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“三芯” 战略下的未来发展
游戏业务:英伟达在高端 GPU 市场拥有绝对领先优势,在独显市场占有 80% 以上的份额。根据 “三芯” 规划,公司全面进行 Ampere 架构,并在未来每 2 年左右都会有新 GPU 产品出现,有望继续维持公司的领先优势;
数据中心业务:“三芯” 战略的最为受益业务,也体现了公司对数据中心业务的重视。本次推出的Grace CPU 定位在数据中心,此前推出的BlueField DPU 也将主要对数据中心的海量数据进行预处理。同时基于 Grace 的系统与英伟达 GPU 紧密结合,性能将比目前最先进的 NVIDIA DGX 系统(在 x86 CPU 上运行)高出 10 倍;
黄仁勋表示,“基于今天新发布的 Grace CPU 以及下一代 GPU,瑞士国家超级计算中心、苏黎世联邦理工大学将构建一台名为阿尔卑斯的超级计算机,算力 20Exaflops(目前全球第一超算富岳的算力约为 0.537Exaflops),将实现两天训练一次 GPT-3 模型的能力,比目前基于英伟达 GPU 打造的 Selene 超级计算机快 7 倍”。
汽车业务:“三芯” 战略有望显著提升公司自动驾驶的竞争力。基于英伟达新一代 GPU 架构、全新 Arm CPU 以及深度学习和计算机视觉加速器,黄仁勋推出了新一代面向自动驾驶汽车的 NVIDIA DRIVE Atlan,该处理器性能最高达每秒超过 1000 万亿次(TOPS)运算,约是上一代 Orin 处理器的 4 倍,超过了绝大多数 L5 无人驾驶出租车的总计算能力。DRIVE Atlan SoC 也集成 BlueField DPU,可以支持自动驾驶汽车中的复杂计算和 AI 工作负载。预计 DRIVE Atlan 将搭载在多家汽车制造商的 2025 年车型上。
来源:公司资料、海豚投研整理
四、总结
英伟达通过对芯片性能的极致追求,从图像处理器的 “蛮荒时代” 中脱颖而出。经过 20 余年的发展,英伟达从 4 万美金的初创公司发展为全球最大算力芯片公司。
GPU 性能的碾压级表现,收获口碑的同时在游戏高端独显市场构造领先地位。在大数据时代中,数据中心的强劲表现成为公司成长新动力。展望未来,自动驾驶、AI、AR/VR 等对算力的强劲需求,英伟达有望成为算力赛道之王。
“三芯” 战略下,英伟达从 GPU 业务拓展至 DPU 和 CPU 产品,拓宽产品矩阵同时进一步提升了产品性能,打造全球最强算力超级计算机和自动驾驶芯片。“GPU+CPU+DPU”,英伟达在开辟下一个 “芯算力” 时代。
下篇海豚君将主要解决下列问题 “英伟达的成长空间如何看待” 以及 “英伟达的投资价值怎么样?”。