数据中心：AI 高算力关键基础设施，核心环节全景梳理
不见利就追
公社达人
2023-05-26 13:04:54
随着云计算、物联网、人工智能等信息技术的快速渗透，近年来全球数据量呈几何增长态势。当前全球海量数据催生了巨大的数据处理和存储需求，作为信息系统运行的重要物理载体，数据中心已成为不可或缺的关键基础设施。近日英伟达披露，由于数据中心需求强劲，公司已经提高了下半年对供应商的采购量。国内方面来看，AI 国产化趋势确立，高性能计算硬件的“基础设施”建设或成为关键。新型数据中心发展三年行动计划（2021-2023年）》明确到2023年底，全国数据中心机架规模年均增速保持在20%左右，平均利用率力争提升到60%以上，总算力超过200EFLOPS，高性能算力占比达到10%。加快高性能、智能计算中心部署，推动CPU、GPU等异构算力提升。根据Gartner 的预测数据，2025 年服务器、数据中心和存储的市场规模将达到1,120 亿美元，20 -25年CAGR 为8.0%。
数据中心是用于在网络上传递、加速、展示、计算和存储数据信息的物理场所，主要应用于对数据计算和储存有较大需求的组织。一个完整的数据中心由数据中心IT设备和数据中心基础设施构成。数据中心IT设备主要包括连接器（光纤、光模块）、网络设备（交换机、路由器）、算力设备（服务器）、存储设备（存储器）等。数据中心基础设施是支撑数据中心正常运行的各类系统的统称，主要包括供配电设备（UPS、蓄电池、柴油发电机、配电单元）、温控设备（冷源设备、机房空调、新风系统）等。01 光模块
光模块大幅增长背后的驱动力是全球对于 AI 算力建设的预期提升。在 AI 数据中心的加速部署下， 800G 光模块在数据传输中扮演核心角色之一。国内800G光模块已有多家厂商推出，包括中际旭创、新易盛、光迅科技、华工科技、索尔思、剑桥科技和亨通光电等厂商。在今年3月的 OFC 大会上，中国各大光模块厂商推出其最新光模块产品。中际旭创在现场展示 1.6T OSFP-XD DR8+可插拔光通信模块、基于 5nm DSP 和先进硅光子 技术的第二代 800G 模块、功耗低于 14W 的 800G OSFP DR8+和 2xFR4 光通信 模块。新易盛在现场推出 800G LPO（线性直驱可插拔光模块），在单模光纤应用 下，具备基于 EML、硅光、薄膜铌酸锂调制器的 LPO 收发器，新易盛具有业界领 先功耗水平 11.2W 的最新 800G 光模块包括基于薄膜铌酸锂调制器 TFLN 技术的 800G OSFP DR8，配合 5nm DSP 以及集成的 TIA。剑桥科技在现场推出低功耗 的 Direct Drive 800G 光模块方案，其日本子公司 Oclaro 专注于高端的 800G/1.6T 的研发设计，美国子公司 Macom 则专注 TIA Driver 芯片的研发。联特科技的在现场展示带有 TFLN（薄膜铌酸锂）调制器的 800G 光模块，产品具备超高带宽、低 功耗、可扩展性等优势。华工科技在大会现场推出 800G 光模块、应用在 ChatGPT、 在线云办公、自动驾驶、远程医疗以及人工智能等新型应用的相干光模块 400G ZR/ZR+/ZR+ Pro。据Yole预测，至2026年全球光模块市场规模达209亿美元，呈现量价齐升趋势。
02 CPO
CPO(Co-packagedoptics)共同封装光子，是业界公认未来高速率产品形态，是未来解决高速光电子的热和功耗问题的最优解决方案之一，有望成为产业竞争的主要着力点，其成熟与商业化有望引发光模块竞争格局变革。CPO指的是将网络交换芯片和光模块共同装配在同一个插槽上，缩短芯片和模块之间的走线距离，形成芯片和模组的共封装，逐步替代可插拔光模块。从而在成本、功耗和尺寸上都进一步提升数据中心应用中的光互连技术，实现高算力场景下的低能耗、高能效。国内厂商在积极布局CPO领域，先发布局厂商包括亨通光电、中际旭创、新易盛、天孚通信、剑桥科技、光迅科技、仕佳光子、华工科技、博创科技、光库科技、锐捷网络和联特科技等。根据LightCounting预测，按照端口数量统计，CPO的发货量将从2023年的5万件增加到2027年的450万件，以800G和1.6T CPO为主。CPO 预计将在一年左右的时间内进入其他类型的数据中心，未来将进一步在边缘和城域网络、高性能计算和传感器等领域发挥更多优势。从行业趋势来看，CPO将在51.2T交换机时代将成为重要的技术流派，数年内成为光通信行业内必不可少的技术，同时结合硅光技术将最大化发挥出共封装形态产品的优势。
03 服务器
服务器按应用场景分类可分成存储服务器、云服务器、AI服务器和边缘服务器。服务器产业链上游包括芯片、PCB、DRAM内存及模组、电源、HDD/SSD、散热、互联接口、网卡等，中游主要为主板/系统集成商、服务器品牌运营商，下游为互联网、云计算服务商、运营商、企业客户等。全球服务器产业链范围广泛提供众多机遇，国内公司在各个细分领域均有布局。
资料来源：招商证券整理2022年全球服务器约1500万台，其中AI服务器出货量约13万台，AI服务器的占比不到1%。受各企业相继发布大模型，对推理和训练的算力需求大幅上升，AI服务器出货量有望迎来爆发式增长。AI服务器核心组件包括GPU（图形处理器）、DRAM（动态随机存取存储器）、SSD（固态硬盘）和RAID卡、CPU（中央处理器）、网卡、PCB、高速互联芯片（板内）和散热模组等。根据TrendForce统计，2023年预估在ChatBot相关应用加持下，可望再度刺激AI相关领域出货，预估出货量年成长可达8%，2022~2026年复合成长率将达10.8%。市场格局方面来看，AI服务器份额较为集中，其中浪潮信息占据全球市场份额为20.2%，稳居第一，头部国内厂商还包括中科曙光、拓维信息、神州数码和紫光股份等。资料来源：浪潮信息、中科曙光、拓维信息、浙商证券等考虑到未来AI服务器的价值量构成中，GPU等大算力芯片将占据绝对大头，GPU和CPU等核心算力芯片的公司也值得首要关注。当前国内二级市场中，布局GPU芯片的主要有寒武纪、海光信息、景嘉微等公司，同时国内一级市场同样涌现出众多推出优质GPU的创业公司，GPU市场竞争相对激烈，未来在算力需求大幅提升背景下有望提供满足实际需求的GPU产品以及创造业绩的厂商优势凸显。04 存储系统
全球数据上云背景下，数据流量爆发增长为存储行业带来较大的需求空间。存储芯片，又称为存储器，是指利用磁性材料或半导体等材料作为介质进行信息存储的器件。存储芯片的种类繁多，不同技术原理下催生出不同的产品，具有各自的特点和适用领域。按照信息保存的角度来分类，可以分为易失性存储器（Volatile Memory）和非易失性存储器（Non-volatile Memory）。全球存储类芯片市场中以DRAM和NAND Flash为主，2022年市场规模占整体存储芯片市场规模的比例分别为56.4%和40.1%，DRAM和NAND Flash合计占比约为96.5%。按照市场流行程度可分为主流产品和利基产品，利基产品一般是从主流规格中退役的产品。利基存储产品包括SLCNAND、容量小于等于4GB的MLC/TLCNAND、利基DRAM、Nor、SRAM等产品，在这些细分市场中主要是中国台湾的南亚、华邦、旺宏等厂商角逐，大陆长鑫、兆易创新等也是利基产品。主流产品包括容量大于4GB的MLC/TLCNAND产品、PCDRAM、MobileDRAM、ServerDRAM,这些是主要市场，国际一流大厂三星、美光、海力士、东芝是代表厂商。1. NAND Flash：六大龙头竞争，格局稳定
NAND Flash 为大容量数据存储的实现提供了廉价有效的解决方案，是目前全球市场大容量非易失存储的主流技术方案。全球NAND市场被六家海外厂商垄断，合计市占率长期稳定在95%以上，格局稳定。22Q4全球NAND Flash市场规模为102.87亿美元，主要被三星、铠侠、SK 海力士、西部数据、美光五家垄断，五家市场份额高达96.9%。
来源：ICE，Trendforce中国是全球第一大NAND市场，占据37%的市场份额，美国占NAND市场的31%，位列第二。长江存储是大陆首家3DNANDIDM厂商，2016年成立，计划建立三个工厂，每个工厂规划产能为10万片/月，计划于2025年实现满产；2019年Q3基于Xtacking架构的64层3DNAND量产，2021年128层TLC和业界首款128层QLCNAND量产；2021年中国大陆NAND产能占全球6%，长存NAND产能占全球6%，引领大陆发展。大陆首家3DNANDIDM厂商，2016年成立，计划建立三个工厂，每个工厂规划产能为10万片/月，计划长存NAND层数紧跟海外大厂步伐。
资料来源：半导体行业观察根据中金企信统计数据，预计到2025年，全球NAND Flash市场规模将达到931.9亿美元，2021年至2025年，CAGR增速7.4%。2. DRAM：全球呈现“三足鼎立”格局
DRAM按照产品分类分为DDR/LPDDR/GDDR和传统型（Legacy/SDR）DRAM。DDR是Double Data Rate SDRAM的缩写，即双倍速率同步动态随机存储器，主要应用在个人计算机、服务器上。
资料来源：《集成电路产业全书》，拓荆科技DRAM竞争格局历经洗牌，现阶段韩国三星、韩国海力士、美国美光三大寡头垄断市场，呈现“三足鼎立”之势格局稳定，三家市场份额合计高达95.8%。据TrendForce数据，22Q4全球DRAM市场规模为121.55亿美元。
资料来源：IDC，Dramexchange中国是全球第二大DRAM市场，占据34%的市场，仅次于美国的39%。国内DRAM领军企业是合肥长鑫存储，2016年在合肥成立，规划三期，产能共36万片/月。2019年19nm8GbDDR4投产，2022年量产17nm；2021年中国大陆DRAM产能占全球4%，长鑫产能占全球DRAM3%，引领大陆发展。
资料来源：中泰证券3. NOR Flash：国产化率最高
NORFlash凭借快速读写、XIP等特点，满足了消费电子、工业控制、家电、通信等应用领域的数据需求。NORFlash广泛应用于需要存储系统程序代码的电子设备；是除DRAM和NAND Flash之外市场规模最大的存储芯片。NORFlash 行业目前已形成了华邦电子、旺宏电子、兆易创新、赛普拉斯和美光科技组成的五强竞争格局。NOR Flash头部企业市场份额相对稳定，产品特点各有侧重。华邦电子、旺宏电子侧重于工业控制领域，赛普拉斯布局工业市场、航天市场以及车用电子市场。兆易创新作为大陆领先的闪存芯片设计企业，产品以NORFlash、SLCNAND等利基存储器为主，随着大厂不断淡出，逐渐成为利基市场的顶级玩家。随国际巨头逐渐离场，本土厂商竞争力渐强，国产替代比例逐步提高，行业内中小厂商市占率逐年提升，其中大多为国内厂商，如普冉、东芯等。据Insight Partners预测，全球NOR Flash市场规模将在2028年达到60.70亿美元，发展趋势良好。
05
制冷系统：液冷成数据中心新趋势
人工智能技术的迅猛发展，极大增加了相关产业对高性能算力的需求。高算力提升促使数据中心功率密度提高，对制冷系统提高更高要求。数据中心冷却技术包含风冷冷却、水冷冷却、自然冷却及液冷冷却等技术。传统的空气冷却散热系统已不能完全满足服务器散热需求。伴随国家双碳节能政策驱动，市场对液冷的需求将逐步提升。根据CDCC，由于液体的比热容高，所以液体的热传导效果大大高于空气的效果，是空气的25到1000倍，热传导效果更快、更优。液冷是以液体作为热量传导媒介，通过冷却液与服务器发热部件直接或间接接触的方式换热，将发热部件产生的热量带走的一种服务器散热技术。液冷分为间接冷却和直接冷却，典型方式有冷板式、浸没式。
资料来源：《液冷技术在通信行业中的应用及相关建议》冷板式液冷则是通过铜、铝等导热性较好的金属构成的冷板散热器，将发热元器件的热量传导给散热器中的冷却液体，将热量带走的冷却方式。浸没式液冷技术是一种以液体作为传热介质，发热器件浸没于液体中，通过直接接触进行热交换的冷却技术。2021年11月国家发改委等部门发布相关政策，明确要求到2025年全国新建大型、超大型数据中心PUE低于1.3，国家枢纽节点低于1.25。浸没式液冷实现100%液体冷却，具有更优节能散热效果，在超算、高性能计算领域取得了广泛应用。随着数据中心单机柜功率密度不断上升，预计浸没式液冷数据中心比重逐年增长，2025年有望达到40%以上。
资料来源：《中国信通院》数据中心白皮书液冷系统的核心为冷水机组和液冷板，其中冷水机组包括压缩机、冷凝器、节流器、蒸发器等部件，市面上冷水机组生产商包括英维克、同飞股份等；液冷板是将上游的铜和铝等原材料进行加工成相应的板材，液冷板的生产工艺分为钎焊、吹胀、压铸、冲压、搅拌摩擦焊等，市面上液冷板生产商包括银轮股份、三花智控、飞荣达、科创新源等。
从液冷历史来看，海外厂商具有先发优势，中国厂商后来居上实现突围。以中科曙光为首的国内厂商已经积累了一定的商业化经验，据《中国液冷数据中心发展白皮书》在2020年对于中国液冷数据中心厂商竞争力的研究，基于产品营收、市占率、客户反馈等指标，中科曙光为市场的绝对领导者，浪潮信息、华为、阿里巴巴、联想、英维克、高澜股份等紧随其后。资料来源：《绿色高能效数据中心散热冷却技术研究现状及发展趋势》（陈心拓等）
相较风冷方案，液冷方案初期capex投资有所提升，同时在AIGC、东数西算等带动IDC建设需求的趋势下，液冷方案渗透率的提升有望带动数据中心温控市场的量价齐升。据《液冷白皮书》，考虑到液冷对传统市场进行替代，包括风冷的机房空调市场、服务器市场以及数据中心基础设施（机柜、CDU、冷却塔等）市场，预计2025年，保守测算下中国液冷数据中心市场规模将达1283.2亿元，乐观测算下中国液冷数据中心市场规模将达1330.3亿元。从数据中心发展趋势来看，国家政策鼓励方向主要包括集约绿色和安全可靠两方面。国家网络节点重点发展京津冀、长三角、粤港澳大湾区、成渝，以及贵州、内蒙古、甘肃、宁夏八个地区。集约化、规模化、绿色化方面鼓励（超）大规模数据中心建设，鼓励高能效比的绿色数字中心建设；鼓励数据中心采用自主创新技术，重点发展网络安全等方面。在国家政策指引下，数据中心有望迎来高速发展机遇。
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