兴业证券计算机小组
蒋佳霖/徐聪/孙乾/吴鸣远/冯欣怡
前言
明天（3月27日），华为开发者大会（HDC）2020将于线上召开！预计本届大会将基于华为自主研发的计算芯片双底座“鲲鹏+昇腾”，发布其计算产业战略。作为国产芯片的巨子，华为公司在芯片自主研发的道路上披荆斩棘30年，到目前形成了手机SoC芯片（麒麟）、高性能计算芯片（鲲鹏&昇腾）、通信芯片（巴龙&天罡）、联接芯片（Boudica&凌霄）、视频芯片（鸿鹄）5大芯片板块，同时华为公司芯片业务的主体华为海思2018年收入已超过500亿元，并有望在2019年持续快速增长。我们此前已在【“鲲鹏+昇腾”投资机会全梳-华为开发者大会前瞻】链接http://suo.im/5MAIJh中，对华为公司的高性能计算芯片“鲲鹏+昇腾“产业链进行了深入研究，本文为续篇，将对华为公司的芯片产业布局进行全面梳理。文章将围绕以下内容依序展开：
1、华为公司三十年芯片自研之旅回溯
2、快速崛起的计算芯片双底座：鲲鹏、昇腾
3、从追赶到领跑的手机SoC芯片：麒麟
4、5G通信设备制霸的核心芯片：巴龙、天罡
5、为物联网而生的联接芯片：Boudica、凌霄
6、始于安防彰于显示的视频芯片：鸿鹄
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华为公司三十年芯片自研之旅回溯
1991年，华为芯片事业刚起步，由集成电路设计中心负责。当时，华为面临着芯片成本高、产品利润空间小的困境。首款流片成功的芯片为SD502，用于交换机多功能接口控制。1993年，华为依托海外采购的EDA软件，成功开发出支持无阻塞时隙交换的SD509，并用于自主研发的第一台数字程控交换机C&C08，该款交换机后成为全球销量最大的交换机之一。
1995年，华为中央研究部成立，下设基础业务部，接手通信系统芯片研发工作。
2004年，华为决定成立海思半导体，以数字安防芯片起家。2009年，推出一款GSM低端智能手机的一站式解决方案，芯片名为K3V1，开启了手机芯片的漫漫探索之路。此后，华为2012实验室成立，海思归属实验室管辖，但地位等同于华为一级部门。
经历三十载的辛勤探索，目前，华为共有五大系列芯片。麒麟芯片为手机SoC芯片，集成应用处理器与基带处理器，广泛应用于华为系列手机上。计算芯片中，鲲鹏用于高性能计算，昇腾为商用AI芯片。通信芯片中，巴龙与天罡分别用于基带与基站，正打造5G布局。联接芯片对应万物互联时代，包括Boudica与凌霄两大品牌。视频芯片是华为长期发力的方向，安防芯片、机顶盒芯片占据大量市场份额，芯片出货量也达到千万级。
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快速崛起的计算芯片双底座：鲲鹏、昇腾
当今数字化时代，万物互联带来数据量的爆发式增长，向IT基础架构的计算能力提出了更高要求。IDC预测，到2023年，全球计算产业投资空间高达1.14万亿美元，中国占比近10%，是全球计算产业发展的重要驱动。
为满足新算力需求，华为围绕“鲲鹏+昇腾”双算力引擎，打造了“算、存、传、管、智”五个子系统的芯片族，实现了计算芯片领域的全面自研。华为是唯一同时拥有“CPU、NPU、存储控制、网络互联、智能管理”5大关键芯片的厂商。我们将重点围绕核心芯片“鲲鹏+昇腾“展开分析。
布局一：鲲鹏系列
鲲鹏系列包括服务器和PC机处理器。早在十余年前，华为开发的嵌入式CPU Hi1380小有所成，成为鲲鹏处理器的开端。后历经鲲鹏912、916两代产品，最终开发出当下的旗舰产品鲲鹏920与鲲鹏920s，分别用于服务器和PC机。
鲲鹏处理器具备“端边云算力同构”的优势。其基于ARM V8架构，处理器核、微架构和芯片均由华为自主研发设计。市场上目前存在超过500万基于ARM指令集的安卓应用，与ARM服务器天然兼容，无需移植即可直接运行，且运行过程中无指令翻译环节，性能无损失，相比X86异构最高能够提升3倍性能。
2019年1月，华为宣布推出业界最高性能ARM架构处理器——鲲鹏920，以及基于鲲鹏920的TaiShan服务器和华为云服务。
鲲鹏920采用7nm制造工艺。规格方面，支持64内核，主频可达2.6GHz，集成8通道DDR4，支持PCIe4.0及CCIX接口，可提供640Gbps总带宽。鲲鹏920主打低功耗、强性能，在典型主频下，SPECint Benchmark评分超过930，超出业界标杆25%；同时，能效比优于业界标杆30%。之前的记录保持者是富士通的7nm A64X，每个芯片可以达到2.7 teraflops的性能。
布局二：昇腾系列
在摩尔定律逐渐失效的情况下，AI芯片有助于解决算力问题。昇腾系列是华为全面AI战略的重要支撑。2018年华为全联接大会上，昇腾310与910同时发布，证实了外界对华为研制AI芯片的猜测。
昇腾310面向边缘场景，高效、灵活、可编程。基于典型配置，八位整数精度（INT8）下的性能达到16TOPS，16位浮点数（FP16）下的性能达到8 TFLOPS，而其功耗仅为8W。基于已实现量产的昇腾310，华为发布Atlas 200、Atlas 300、Atlas 500、Atlas 800等产品，广泛应用于安防、金融、医疗、交通、电力、汽车等行业。
昇腾910面向训练场景，具有超高算力，其最大功耗为310W，自研的达芬奇架构大大提升了其能效比。八位整数精度下的性能达到512TOPS，16位浮点数下的性能达到256 TFLOPS。昇腾910的测试表现远超NVIDIATesla V100和Google TPU v3。2019年8月，910正式发布，标志着华为AI战略的执行进入新的阶段。
未来，针对不同场景，华为仍将持续推出更多的AI处理器，提供更充裕、更经济、更适配的AI算力，华为部分在研与规划的AI芯片包括用于自动驾驶开发的昇腾610、310升级而来的320（计划2021年推出）以及910升级而来的920。
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从追赶到领跑的SoC芯片：麒麟
手机SoC（System-on-a-Chip）芯片由应用处理器（AP）与基带处理器（BP）组成。其中，AP包括CPU（中央处理器）、GPU（图形处理器）、ISP（图像处理器）等，负责操作系统、用户界面和应用程序处理；BP包括基带和射频部分，负责通信信号处理。
近年来，各大芯片厂商开始研发SoC芯片，提供整体解决方案，华为海思也积极布局。从技术上来看，SoC芯片研发的难点在于各个组成部分的集成与协同。
华为起步于一款算不上成功的产品——K3V1。2006年，成立两年的海思受联发科启发，开始研究手机芯片，三年后推出第一款应用处理器，即K3V1，但由于110nm工艺远落后于当时的主流方案，且对应Windows Phone系统，最终未能上市。2012年，K3V2发布，工艺仍相对落后且发热较严重，但性能差距在缩小，搭载于华为D、P和Mate系列上，激励着芯片技术的提升。
转机最终出现于2013年，海思推出第一款手机SoC芯片——麒麟910，是全球首款四核SoC芯片，采用当时主流的28nm工艺，匹配Mali 450MP4 GPU，集成自研巴龙710基带，应用于华为P6s。此次崭露头角为更大的成功奠定了基础。
此后，麒麟920、925、928、930、935、950、960、970、980以及面向中端手机的620、650、710、810等先后发布，制程工艺不断升级，实现了由追赶到并排，再到领跑的转变。
其中，麒麟925应用于华为Mate7上，全球销量超700万部；620先后应用于中端的荣耀4X、4C上，荣耀4X销量破千万；930标志着手机芯片进入64位时代；950、970、980分别在全球率先商用16nm、10nm和7nm工艺；970还首次在SoC芯片中集成人工智能计算平台NPU，开创端侧AI先河，搭载该芯片的Mate 10出货量累计达1000万台。
2019 年 9 月，华为最新一代旗舰芯片麒麟 990 系列推出，包括麒麟 990 和麒麟 990 5G 两款芯片，采用 7nm+工艺 这句改成 其中前者采用7nm工艺，后者采用7nm+工艺。其中，麒麟990 5G是全球首款旗舰5G SoC芯片，首次将5G Modem集成到SoC芯片中，率先支持NSA/SA双架构和TDD/FDD全频段，是业界首个全网通5G SoC。基于巴龙5000的5G联接，麒麟990 5G实现了2.3Gbps的5G峰值下载速率，5G上行峰值速率达1.25Gbps。
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5G通信设备制霸的核心芯片：巴龙、天罡
布局一：巴龙系列基带芯片
基带芯片用来合成即将发射的基带信号，对接收到的基带信号进行解码。2007年开始，华为布局基带芯片研发，原因是华为当时的热门产品数据卡的基带芯片依赖于高通，常常断货。2010年，华为推出首款TD-LTE基带芯片——巴龙700，打破高通的垄断。2014年，在麒麟910上，华为第一次将基带芯片和AP集成在一块SoC上。目前，巴龙4G系列套片全球累计发货过亿，有完整的产品组合，能力从Cat 4到Cat 19，对应单连接速率从150Mbps到1.6Gbps不等。
2018年2月，华为发布巴龙5G01基带芯片，是第一款商用的、基于3GPP标准的5G芯片，但体积较大；此前，高通曾发布业界首款5G调制解调器骁龙X50，但并非基于3GPP标准，且仅支持5G网络而不兼容前代网络。
2019年1月，华为发布巴龙5000。其体积小、集成度高，支持5G及前代网络制式。巴龙5000率先实现了业界标杆的5G峰值下载速率，在Sub-6GHz（低频频段，5G的主用频段）频段实现4.6Gbps，在毫米波（高频频段，5G的扩展频段）频段达6.5Gbps，是4G LTE可体验速率的10倍。华为表示，巴龙5000除用于智能手机外，还可以在家庭宽带终端、车载终端等场景下使用。
布局二：天罡系列基站芯片
天罡是业界首款5G基站核心芯片，在集成度、算力、频谱带宽等方面取得了突破性进展。天罡首次在极低的天面尺寸规格下, 支持大规模集成有源功放和无源阵子；实现2.5倍运算能力的提升，搭载最新的算法及波束赋形，单芯片可控制高达64路通道；极宽频谱，支持200M运营商频谱带宽。天罡芯片为有源天线处理单元带来了革命性的提升，实现基站尺寸缩小超50%，重量减轻23%，功耗节省达21%，安装时间比标准的4G基站节省一半。
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为物联网而生的链接芯片：Boudica、凌霄
布局一：Boudica系列NB-IOT芯片
NB-IoT（NarrowBand Internet of Things，窄带物联网）聚焦低功耗、广覆盖物联网（IoT）市场，可在智能停车、智慧农业、远程抄表等垂直行业广泛应用，具有低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点。近年来，工信部以及三大运营商均在不同程度上予以扶持。但受限于技术因素，NB-IoT发展仍较为缓慢，其中终端芯片是核心难点之一。
华为2014年开始进行NB-IoT芯片研发。2015年，推出基于预标准的芯片原型产品。2016年9月，发布业界首款商用NB-IoT芯片Boudica 120。此后，又推出支持3GPPR14的完全成熟的Boudica 150，可实现更低的能耗，并应用于更多的场景。2019年4月，华为披露，Boudica 120出货量突破700万；性能更优越的Boudica 150出货量则突破了1300万。华为预计2020年推出Boudica200，支持3GPPR15及后续标准演进，拥有更优的集成度、安全性与开放性。
布局二：凌霄系列WiFi芯片
在路由器的现实使用中，掉线、延时、卡顿等问题普遍存在，为了解决这些问题，华为研发了凌霄系列路由芯片，由路由CPU、路由WiFi芯片、电力猫芯片三大产品线组成。2018年12月，凌霄芯片正式亮相，荣耀路由Pro 2搭载了凌霄5651和凌霄1151。其中，凌霄5651为四核1.4GHz CPU，凌霄1151为双频Wi-Fi芯片。
2019年的华为开发者大会（HDC2019）上，华为正式发布凌霄WiFi-loT芯片，服务于华为的全场景智慧生活战略。该芯片于2019年底上市，用于家庭接入类产品。
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始于安防彰于显示的视频芯片：鸿鹄
布局一：安防芯片
安防产品需要四类芯片：ISP（图像信号处理）芯片对前端摄像头采集的信号进行处理，DVR（数字硬盘录像机）SoC芯片用于模拟音视频的数字化、编码压缩与存储，IPC（IP摄像机）SoC芯片支持视频分析，NVR（网络硬盘录像机）SoC芯片用于视频数据存储。
海思芯片事业起步于安防领域，首先量产的是安防芯片，并在与德州仪器、博通等巨头的竞争中茁壮成长。不同于德州仪器采用的ARM+DSP架构，海思采用ARM+IVE架构，在功耗、成本和运算效率上具备优势。目前，海思是全球IPC芯片的领头羊，市场份额一度高达70%；在其他三大类芯片中，海思同样具有较高的市场份额。在市场开拓方面，海思同海康威视、大华长期保持紧密合作。
布局二：机顶盒芯片
在安防芯片领域取得巨大成就的同时，2008年海思也开始积极发力机顶盒芯片，并在与意法半导体和高通等的竞争中崭露头角，基本做到国内第一，全球第二，仅次于博通。智能机顶盒芯片方案分为OTT和IPTV两种，根据格兰研究，2018年，我国IPTV/OTT机顶盒采用的芯片方案以海思和晶晨为主。
布局三：鸿鹄系列显示芯片
鸿鹄芯片主要用于智慧显示领域。华为已积累多年，海思于2014年就推出首款4K电视芯片。华为2019年透露，鸿鹄视频显示芯片累计发货已超4000万片。
2019年7月，华为发布的荣耀智慧屏率先搭载了鸿鹄818芯片。鸿鹄818采用双A73+双A53架构CPU和4*Mali-G51 GPU，解码速度领先。鸿鹄818具备动态画面补偿、高动态范围成像等七重画质技术，集成Histen音质优化技术，能给用户带来出色的音画体验。
目前，华为五大芯片系列正并驾齐驱，在各自的领域均取得了突破性成就，成功走出了一条“逆袭”之路。回望华为芯片事业刚刚起步的1991年，正是当时对芯片独立自主的觉醒，才为如今的辉煌埋下了伏笔；正是在一步一步的试错中，才走出了一条独立设计之路。展望未来，随着我国自主创新力量的不断崛起，以“中国芯”为底座的IT产业必将迎来巨大机会，华为公司作为国产之光，在“开源、开放”的战略下，有望带领产业链相关公司快速崛起。
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