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1、1 敬请关注文后特别声明与免责条款 AIAI 爆发爆发,服务器服务器模拟模拟 ICIC 鹊起鹊起 方正证券研究所证券研究报告方正证券研究所证券研究报告 行业专题报告 行业研究 半导体行业半导体行业 2023.04.04/推荐 分析师:分析师:吴文吉 登记编号:S03 Table_Author 联系人:联系人:万玮 重要数据:重要数据:上市公司总家数上市公司总家数 114 总股本总股本(亿亿股股)790.21 销售收入销售收入(亿元亿元)3653.45 利润总额利润总额(亿元亿元)635.84 行业平均行业平均 PEPE -110.41 平均股价平均股价(元元)70.52
2、行业相对指数表现行业相对指数表现:-24%-17%-10%-3%4%2022/42022/72022/102023/1半导体沪深300 数据来源:wind 方正证券研究所 相关研究相关研究 士兰微:再获大基金二期增资,期待汽车级功率模块放量2023.03.31 中颖电子:短期业绩承压,23 年增长动能充足2023.03.31 AIGC 赋能服务器芯辰大海2023.03.26 必易微:ACDC 快充鹊起,DCDC+AFE 破浪前行2023.03.25 全球算力规模保持高速稳定增长态势全球算力规模保持高速稳定增长态势。结合华为 GIV 预测,2030年人类将迎来 YB 数据时代,全球算力规模将达
3、56 ZFlops,其中基础算力规模/智能算力规模/超算算力规模将分别达3.3/52.5/0.2 ZFlops,整体平均年增速达 65%。算力需求驱动全球服务器市场持续增长算力需求驱动全球服务器市场持续增长,训练数据规模和模型训练数据规模和模型复杂度提升,推动复杂度提升,推动 AIAI 服务器需求快速增长服务器需求快速增长。整机方面,据 IDC统计数据,2021 年,全球 AI 服务器市场规模达 156 亿美元,同比增长 39.1%,超过全球 AI 整体市场(含硬件、软件及服务)增长率 22.5%,成为 AI 整体市场增长的驱动力量。芯片方面,传统芯片巨头加速完善 AI 芯片产品体系,不断推进
4、全能力建设,抢占多样性算力生态主导权。服务器服务器模拟模拟 ICIC 方面,方面,AIAI 驱动驱动服务器用服务器用电源管理电源管理 ICIC 和和信号链信号链 ICIC市场市场的的持续增长。持续增长。一方面,迅速增长的 AI 市场和与日俱增的电源需求相辅相成,大电流省电超频之星多相控制器+DrMOS 可高能效、高密度地提供高功率的电源管理系统。相较于通用服务器,AI 服务器通常配置 4/8 颗 GPGPU,且常用 16 相多相电源方案(1 颗多相控制器+16 颗 DrMOS),按单台 AI 服务器配置 8 颗GPGPU 计算,单台 AI 服务器将带来 8 颗多相控制器+128 颗DrMOS。
5、另一方面,先进的超薄封装和 3D 技术是下一代高性能节能电源设计的核心驱动力;同时服务器对高速信号传输及高精度低功耗检测提出更高要求。根据根据 MPSMPS 官网官网,服务器,服务器从板级电源到机架及以上从板级电源到机架及以上的的电源电源 ICIC 市场市场规模规模超过超过 4 40 0 亿美金亿美金并且并且快速增长快速增长,其中在服务器主板电源解决方案上,CPU 供电/存储DDR5 供电/PoL 供电/eFuse 供电以及 GPU供电的市场规模分别约为 10 亿/6 亿/2.8 亿/0.6 亿以及 10 亿美金。建议关注建议关注:核心标的核心标的:服务器服务器模拟模拟 ICIC:杰华特,晶丰
6、明源,芯朋微,必易微,纳芯微,帝奥微,赛微微电,雅创电子,希荻微 扩散扩散标的:标的:GPU/CPUGPU/CPU:景嘉微,龙芯中科,海光信息 存储存储 ICIC:兆易创新,普冉股份,恒烁股份,东芯股份,江波龙,北京君正,澜起科技,聚辰股份 AI+SOCAI+SOC:瑞芯微,晶晨股份,富瀚微 SOCSOC 测试设备:测试设备:华峰测控,长川科技 2 行业名称-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 SOCSOC 封装:封装:通富微电,华天科技,长电科技,深科技,利扬芯片,晶方科技 IPIP:芯原股份 FPGAFPGA:复旦微电,安路科技,紫光国微,概伦电子 功率半导体:功率半导体:士兰微
7、,东微半导,新洁能,捷捷微电,扬杰科技,斯达半导,时代电气,华润微,银河微电 射频:射频:卓胜微 MCUMCU:国芯科技,峰岹科技,中颖电子,中微半导,乐鑫科技,国民技术 CISCIS:韦尔股份,格科微,思特威 MEMSMEMS:敏芯股份 SOCSOC:翱捷科技,纳思达,汇顶科技,创耀科技,恒玄科技,全志科技,国科微,炬芯科技,中科蓝讯 ODMODM:闻泰科技 风险提示风险提示:1)半导体下游需求不及预期;2)技术发展不及预期;3)行业竞争加剧。OXjXgVVYhVhUnOpMnP8OdNbRoMpPnPsRjMnNnRkPrRtO8OmOpNMYmOuMuOmQuN 3 半导体-行业专题报告
8、 敬请关注文后特别声明与免责条款 目录目录 1 服务器整机与芯片市场概览.5 1.1 全球算力规模保持高速稳定增长态势.5 1.2 算力需求驱动全球服务器市场持续增长.5 1.3 训练数据规模和模型复杂度提升,推动 AI 服务器需求快速增长.5 2 服务器增长拉动相关模拟 IC 需求.6 2.1 服务器用电源管理 IC 发展趋势.6 2.1.1 迅速增长的 AI 市场和与日俱增的电源需求相辅相成.6 2.1.2 AI 服务器要求高能效、高密度提供高功率的电源管理系统.7 2.1.3 多相控制器+DrMOS 高效改善电源系统设计.7 2.1.4 先进的超薄封装和 3D 技术是下一代高性能节能电源
9、设计的核心驱动力.10 2.2 服务器用电源管理 IC 市场规模.13 2.2.1 CPU/GPU 供电.13 2.2.2 EFuse 供电.14 2.2.3 内存 DDR5 供电.14 2.3 服务器用信号链 IC 发展趋势.15 2.3.1 对高速信号传输提出更高要求.15 2.3.2 高精度低功耗检测重要性提升.16 2.4 国内服务器模拟 IC 相关厂商.16 2.4.1 杰华特:提供完整的服务器电源解决方案.16 2.4.2 晶丰明源:发力大电流 DC/DC 电源管理芯片.17 2.4.3 芯朋微:布局服务器应用 DrMOS 和多相并联控制器.17 2.4.4 必易微:逐步向服务器/
10、数据中心电源拓展.18 2.4.5 纳芯微:非隔离接口芯片广泛用于服务器.18 2.4.6 澜起科技:全球首发 PCIe 5.0 Retimer 芯片.19 2.4.7 帝奥微:持续研发高速高精度信号链模拟芯片.19 2.4.8 通富微电:国内领先的功率器件封装测试 OSAT.20 2.4.9 长电科技:全球第三、中国大陆第一 OSAT 厂商.20 4 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表目录图表目录 图表 1:先进计算技术产业体系框架.5 图表 2:中国人工智能市场规模预测(百万美元).6 图表 3:中国 AI 服务器市场规模预测(百万美元).6 图表 4:ST 典型的
11、服务器 PSU 框图.7 图表 5:TI CSD95411 多相控制器内部结构图.8 图表 6:TPS53661 5-PH 效率曲线.8 图表 7:MPS 数据中心解决方案.9 图表 8:DrMOS 示意图.10 图表 9:各公司 DrMOS 产品对比.10 图表 10:各公司多相控制器产品对比.10 图表 11:服务器分布式电源架构示例.11 图表 12:TDK FS1412POLTM外形与内部框图.12 图表 13:芯片占用面积:MPS MPQ8645P vs 离散模拟解决方案.13 图表 14:服务器从板级电源到机架及以上的电源市场规模.13 图表 15:MPS 的服务器(核供电)数据中
12、心解决方案.14 图表 16:DDR4 到 DDR5 的供电结构变化.15 图表 17:MPS 服务器 DDR 供电方案.15 图表 18:服务器用信号链 IC 框图.16 图表 19:晶丰明源服务器 DCDC 全套电源方案.17 图表 20:芯朋微服务器电源管理解决方案.18 图表 21:澜起科技 PCIe Retimer 芯片应用场景.19 图表 22:帝奥微服务器解决方案.20 图表 23:通富微电八大技术优势.20 5 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 1 服务器整机服务器整机与与芯片市场概览芯片市场概览 1.1 全球算力规模保持高速稳定增长态势全球算力规模保持高速
13、稳定增长态势 根据国家数据资源调查报告数据,2021 年全球数据总产量 67 ZB,近三年平均增速超过 26%。根据中国信息通信研究院预测,2021 年全球计算设备算力总规模达 615 EFlops,增速达 44%,其中基础算力规模(FP32)/智能算力规模(FP32)/超算算力规模(FP32)分别为369/232/14 EFlops。结合华为 GIV 预测,2030 年人类将迎来 YB 数据时代,全球算力规模将达 56 ZFlops,其中基础算力规模/智能算力规模/超算算力规模将分别达 3.3/52.5/0.2 ZFlops,整体平均年增速达65%。1.2 算力需求驱动全球服务器市场算力需求
14、驱动全球服务器市场持续增长持续增长 整机方面,整机方面,2021 年全球服务器市场出货量和销售额分别为 1353.9 万台与 992.2 亿美元,同比增长 6.9%与 6.4%。芯片方面芯片方面,服务器芯片市场长期被 x86 架构主导,英特尔与 AMD 的市场份额分别为 81%与16%,随着英特尔在服务器主导地位的削弱,AMD 市场份额仍将持续提升。此外,ARM 服务器芯片产品逐步崛起,英伟达、亚马逊、华为以及阿里等国内外巨头已经陆续推出自研 ARM 服务器 CPU,助推 ARM 服务器市场份额的提升,预计到 2024 年将接近 10%,成为通用算力的重要补充力量。图表1:先进计算技术产业体系
15、框架 资料来源:中国信息通信研究院,方正证券研究所 1.3 训练数据规模和训练数据规模和模型复杂度模型复杂度提升提升,推推动动 AI 服务器需求快速服务器需求快速增长增长 整机方面,整机方面,据 IDC 统计数据,2021 年,全球 AI 服务器市场规模达 156亿美元,同比增长 39.1%,超过全球 AI 整体市场(含硬件、软件及服务)增长率 22.5%,成为 AI 整体市场增长的驱动力量。芯片方面,芯片方面,传统芯片巨头加速完善 AI 芯片产品体系,不断推进全能力建设,抢占多样性算力生态主导权。英特尔发布新一代高性能深度学习 AI 训练处器 Habana Gaudi2,运算速度是上一代的
16、2 倍。AMD 在完成赛灵思的收购后,计划在 CPU 中融入赛灵思的 FPGAAI 引擎。英伟达推全 6 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 新架构 GPU,采用台积电 4nm 工艺,集成 800 亿个晶体管,大幅提升了 AI 计算速度。图表2:中国人工智能市场规模预测(百万美元)图表3:中国 AI 服务器市场规模预测(百万美元)资料来源:IDC,浪潮官网,方正证券研究所 资料来源:IDC,浪潮官网,方正证券研究所 2 服务器服务器增长增长拉动拉动相关相关模拟模拟 IC 需求需求 模拟芯片主要包括电源管理芯片和信号链芯片。电源管理芯片是电子设备的电能供应心脏,负责电子设备所需
17、的电能变换、分配、检测等管控功能;是电子设备中的关键器件,其性能优劣对电子产品的性能和可靠性有着直接影响,广泛应用于各类电子产品和设备中,是模拟芯片最大的细分市场之一。电源管理芯片可划分为 AC/DC(交流转直流)、DC/DC(直流转直流)、驱动 IC、保护芯片、LDO、负载开关、PMIC 等。当前,电源管理芯片逐渐朝微型化、集成化、高效率、低功耗、数字化及智能化方向发展。信号链芯片是连接真实世界和数字世界的桥梁,主要是处理、接收发送模拟信号,将光、磁场、温度、声音等信息转化为数字信号。信号链芯片可以进一步分为放大器、比较器、模数/数模转换器及各类接口产品。2.1 服务器用服务器用电源管理电源
18、管理 IC 发展发展趋势趋势 2.1.1 迅迅速速增长的增长的 AI 市场市场和和与日俱增与日俱增的的电源电源需求需求相辅相成相辅相成 AI 综合了数学、计算统计、机器学习和预测分析等多种解决问题的方法,AI 系统通过基于计算机的“神经”网络来模仿人脑学习并解决问题。这种神经网络由并行处理器组成,能够运行复杂的学习任务并执行软件算法,如今的 AI 仍在改革计算架构以复制模仿人脑的神经网络。尽管在具有传统中央处理器(CPU)的服务器上也可以训练或开发通用模型,但大多数神经网络都需要自定义的内置硬件来进行训练。图形处理单元(GPU)和张量处理单元(TPU)是用于加速神经网络训练的常见加速器,可以处
19、理重复性和密集型计算,却异常耗电。例如,早期的 AI 市场主导者英伟达的 DGX-1 GPU 超级计算机内置 8个 Tesla P100 GPU,每个 GPU 算力达到 21.2 TeraFLOP,总共需要3200W 的系统总功率;最新一代的 DGX-2 超级计算机则内置 16 个Tesla V100 GPU,每个 GPU 算力达到 2 petaFLOP,所需系统总功率 7 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 达到 10kW。因此,AI 市场将迅速增长以满足不断增长的电源需求。同时,随着终端流量地激增,高算力需求亦驱动 AI 服务器的增长,数据中心的电力需求不断增加,因此,服
20、务器的出货量增长亦将持续拉动服务器用电源管理芯片的需求。2.1.2 AI 服务器要求服务器要求高高能能效效、高密度提供高功率的电源管理系统高密度提供高功率的电源管理系统 数据中心容纳数以千计的服务器,通常建立在非常密集的网络中。下图为 ST的服务器 PSU 框图,从前端AC-DC阶段到后端DC-DC配电,配电链需要在效率、功率密度和与数字世界的接口能力方面提供最佳性能。在电信系统的电源方面,使用复杂的 ASIC 来管理不断增长的数据流量,正在推动电源的极限。AI 服务器对高性能电源的要求驱动电信电源管理系统必须在保持合理功耗的同时,高能效和高密集度地提供所需的高水平功率。图表4:ST 典型的服
21、务器 PSU 框图 资料来源:ST 官网,方正证券研究所 2.1.3 多多相相控制器控制器+DrMOS 高效改善电源系统设计高效改善电源系统设计 1)面对面对大大电电流流和和特定功率特定功率需求,需求,驱动驱动服务器服务器负负载载的的传统传统多相稳压器多相稳压器已达已达性能极限。性能极限。数据中心应用由于采用了功能强大的 CPU、GPU和 ASIC SoC 而消耗大量电流(几十安培到几千安培);而且电流 8 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 由于其特定的功率需求而波动极快。因此,电源设计面临越来越大的输出阻抗以及庞大的去耦电容器(例如 POSCAP)不断增长的占用空间等重重
22、挑战。驱动数据中心应用如服务器负载的传统多相稳压器已达到其性能极限。2)服务器服务器多核多核架构架构驱动驱动 VRM 提升提升功率密度功率密度与与功率转功率转换效率换效率。随着技术进步,多核架构使微处理器在水平尺度上变得更密集、更快速。因此,驱动微处理器器件需要的功率急剧增加。微处理器所需的这种电源由稳压器模块(VRM)提供。在该领域,推动稳压器发展的主要有两个参数:一个参数是稳压器的功率密度(单位体积的功率),为了在有限空间中满足系统的高功率要求,必须大幅提高功率密度;另一个参数是功率转换效率,高效率可降低功率损耗并改善热管理。3)大电流省大电流省电超频之电超频之星星多相控制器多相控制器+D
23、rMOS 炙手可热。炙手可热。传统的模拟传统的模拟控制器控制器在优化补偿回路时需进行多次迭代计算外部元件正确值以满足多种工作条件;模拟控制需要大量外部器件进行环路补偿和负载-线性校准,占板面积大且设计复杂;传统模拟控制器使用一个 PWM 信号来驱动单个功率级,无法满足 500A 以上的大电流需求。数字多相控制器是改善数据中心效率和尺寸的关键技术数字多相控制器是改善数据中心效率和尺寸的关键技术。数数字多相控制器字多相控制器由于具有自动环路补偿的功能,避免了潜在的重复劳动,从而有更好的瞬态性能;同时无需任何外部元器件便可完成系统微调,在减少PCB布局复杂程度的同时亦减少了占板面积;无需使用倍相器便
24、能满足 500A 以上的大电流需求。图表5:TI CSD95411 多相控制器内部结构图 图表6:TPS53661 5-PH 效率曲线 资料来源:TI 官网,方正证券研究所 资料来源:TI 官网,方正证券研究所 多相控制器多相控制器是一种为 CPU、GPU、SoC 以及 ASIC 等供电的功率转换控制系统。该技术可以通过自适应切相和相位控制等方法,根据负载电流的变化改变相位操作来提升多相变换器的效率。这一技术可满足服务器和计算系统对大电流、低电压和快速瞬态响应的需求。多相控制器多相控制器为数模混合器件,对设计要求较高。多相控制器可用于实现多相拓扑结构的 DC-DC 转换器,相比于传统的单相拓扑
25、,多相控制器可以挂载两多相控制器可以挂载两个或更多的转换器单元个或更多的转换器单元(DrMOS),并且这些转换器单元相互同步但以不同于锁定的相 9 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 位运行。这种方法降低了输入纹波电流、输出纹波电压以及总的RFI(射频干扰)特征值,同时提供了单个大电流输出或完全稳定输出电压下的多个较低电流输出。图表7:MPS 数据中心解决方案 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 传统的传统的 CPU/GPU 电源供应器电源供应器,由于是高频电源转换,主要由PWM 控制器产出运作的时钟(Pulse)给 Driver,再利用 Driver去控制 High s
26、ide/Low side MOSFET 的开关(如图表 8 所示)。传统做法需使用三颗 IC:Driver、high side MOSFET、low side MOSFET,这三个独立 IC 分散在主板上,彼此间的讯号传递路径很长,因此操作频率无法太高,只能控制在 200KHz-400KHz 之间;若需在更高频的环境下操作,传统若需在更高频的环境下操作,传统电源供应器无法提供电源供应器无法提供CPU/GPU足够的动态电流。足够的动态电流。面对推动 VRM 向高功率密度与高功率转换效率发展,一种解决方案是将 Driver、High side MOSFET、Low side MOSFET 集成到单
27、个芯片中并采用高级封装,从而实现紧凑高效的功率转换,这种 DrMOS 功率级集成大幅降低控制讯号的传递路径,可将操作频率提至 550KHz-850KHz 之间,提供 CPU/GPU 足够的动态电流。因此,使用 DrMOS 的主板,在相同的散热条件下,温度及阻值更低,展现更好的用电效率;此外,透过 DrMOS 的超低电源反应时间及低阻抗特性,主板也会有更好的超频表现。因此,DrMOS凭借其可提供凭借其可提供充足动态电流、高速功率转换以及使组件小型化的充足动态电流、高速功率转换以及使组件小型化的优势,多用在优势,多用在 CPU/GPU 供电、服务器、数据库、供电、服务器、数据库、5G 等需要高等需
28、要高频操作的应用。频操作的应用。相较于通用服务器,AI 服务器通常配置 4/8 颗 GPGPU,且常用16 相多相电源方案(1 颗多相控制器+16 颗 DrMOS),按按单台单台 AI服服务器务器配置配置 8 颗颗 GPGPU 计算,计算,单台单台 AI 服务器服务器将带来将带来 8 颗颗多相多相控制器控制器+128 颗颗 DrMOS。10 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表8:DrMOS 示意图 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 图表9:各公司 DrMOS 产品对比 资料来源:各公司官网,方正证券研究所 图表10:各公司多相控制器产品对比 资料来源:各公司官网,
29、方正证券研究所 2.1.4 先先进的超薄封装和进的超薄封装和3D技术是下一代高性能节能电源设计的核技术是下一代高性能节能电源设计的核心心驱动力驱动力 11 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 1)服务器服务器典型典型电源架构电源架构后端后端的的较多较多负负载点载点要求要求电源电源简化设计简化设计。服务器、电信和网络基础设施使用的典型电源架构包含一个 AC/DC 前端,负责生成 48V 直流电。该直流电会被输送至 DC/DC 变换器,在这里电压被转换成 12V 中间母线结构,然后将 12V 母线电压分配至板上多个负载点(POL)变换器中,为芯片或子电路提供电源。大数据服务器通常
30、需要强大的 ASIC、FPGA、GPU 和 CPU,而后者又需要低电压、大电流,并在紧凑封装内实现高功率密度。为了确保整个系统的电源完整性,目前多采用分布式电源管理系分布式电源管理系统统,将 DC/DC 电源直接引入负载点(POL),即高性能处理器,有时可能存在 50 多个负载点(POL)电压轨,因此在一块板子上可以有诸多这样的 DC/DC 电源转换器,所以设计者面临的问题是如设计者面临的问题是如何使这些器件尽可能何使这些器件尽可能小型化小型化以节省板空间以节省板空间、需要满足性能、延迟、需要满足性能、延迟、散热、散热、效率和可靠性要求,同时效率和可靠性要求,同时还要简化设计过程,降低还要简化
31、设计过程,降低成本成本。图表11:服务器分布式电源架构示例 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 2)先进的超薄封装和先进的超薄封装和 3D 技术技术满足满足电源电源小型化小型化需求。需求。TDK 株式会社推出 FS1412 microPOL(POL)电源模块,该电源模块使用先进的超薄封装和 3D 技术,为高密度解决方案,适用于空间受限但需要较薄电源的应用;可扩展且高度可配置,具有多次可编程存储器,利用数字通信(I2C 和 PMBus)提供广泛的灵活性。FS1412的尺寸为 5.8 mm x 4.9 mm x 1.6 mm,是新系列 POL直流-直流转换器的一部分,具有更高的性能、最小的可用
32、尺寸、易于使用且简化集成,适用于大数据、机器学习、人工智能(AI)、5G 蜂窝、物联网联网、电信和计算机企业等应用。POL 技术包括一个放置于 ASIC、FPGA 等复杂芯片组附近的直流-直流转换器。通过缩短转换器和芯片组之间的距离,使电阻和电感元件实现最小化,允许在动态负载电流下进行快速响应和精确调节。多年以来,TDK 一直在开发这项技术,以使系统级解决方案能够提高电气性能和热性能,为空间受限而需要较薄电源的应用提供高密度、高性价比的解决方案。这些新的解决方案将高性能半导体融入了先进的封装技术中,比如半导体嵌入式基板(SESUB)和先进的电子元件,以通过 3D 集成在更小的尺寸和更薄的外形中
33、,实现独一无二的系统集成。这种集成允许 TDK 以目前较低的总系统成本提供更高的效率和易用性。新型 POL 直流-直流转换器系列可在-40 C125 C的宽结温范围内运行,并具有每立方英寸 1000 A 以上的高电流密度。该系列提供 12A 电流,市场上有售的最低高度为 1.6 mm,同时提供比其他 12 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 同类产品少 50%的解决方案尺寸。因此,这也最大限度地降低了系统解决方案成本,减少了电路板尺寸和装配成本以及 BOM 成本和 PCB 成本。图表12:TDK FS1412POLTM外形与内部框图 资料来源:TDK 官网,方正证券研究所 3
34、)PMBus 使使供电更灵活。供电更灵活。I2C(Inter-Integrated Circuit)是一种常用的串行通信协议,用于在器件之间特别是两个或两个以上不同电路之间建立通信,I2C Primer 是最常用的 I2C。从 I2C 的基本原理出发,I2C 有系统管理总线(SMBus)和电源管理总线(PMBus)这两个变体子集。PMBus 是一种开放标准电源管理协议,这种灵活且高度通用的标准允许基于模拟和数字技术的器件之间进行通信,并提供真正的互操作性,由此将能降低电源系统设计的复杂性并缩短产品上市时间,同时 I2C 和 PMBus 在电气要求和命令语义上是兼容和可互操作的。为满足有源功率管
35、理为满足有源功率管理的增长需求,很多新系统设的增长需求,很多新系统设计计转向采用转向采用使使供供电电更加灵活更加灵活的的 PMBus 技术技术。最新的 PMBus 规格(1.3 版本)介绍了自适应电压调节功能(AVS),该功能可以支持处理器自主降低时钟频率和电源电压。当输出负载较轻时,它自己的功耗就会降到最低,从而显著节电。PMBus 1.3 版本进行了诸多改进,比如更快的 PMBus 速度以加载更大的数据量AP1 YT2,更强的输出电压跟踪系统以报告AP3 YT4 警报阈值,用于与高优先级设备进行高速通信的快速区域读/写功能,以及允许在更宽范围内实现更高精度的修订数据格式。比如,MPS 提出
36、了一种整体解决方案MPQ8645P 是一款 16V降压稳压器,可兼容 PMBus 接口,其单相电流传输能力高达 30A,采用同步整流器以获取最高效率,采用散热性能更强的 TQFN(4mmx5mm)封装,将所有元器件集成在单个硅片中,尺寸比使用独立控制 IC 和功率级(不包括外部器件)的离散模拟解决方案 13 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 小 20-50%。图表13:芯片占用面积:MPS MPQ8645P vs 离散模拟解决方案 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 2.2 服务器用服务器用电源管理电源管理 IC 市场规模市场规模 根据 MPS 官网,服务器从板级电源到
37、机架及以上的电源 IC 市场规模超过 40 亿美金并且快速增长,其中在服务器主板电源解决方案上,CPU 供电/存储 DDR5 供电/PoL 供电/eFuse 供电以及 GPU 供电的市场规模分别约为 10 亿/6 亿/2.8 亿/0.6 亿以及 10 亿美金。图表14:服务器从板级电源到机架及以上的电源市场规模 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 2.2.1 CPU/GPU 供电供电 具体来看,为了满足云计算与 AI 技术不断增长的数据和处理需求,服务器和数据中心需要具备前所未有的数据处理速度。在不降低效率 14 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 或可靠性的前提下,不断
38、缩小的占板空间内需要容纳史无前例的高功率密度,核心电压轨必须能够提供卓越的速度、保护功能和灵活性,以跟上不断增长的需求。如图表 15 为 MPS 的服务器(核供电)数据中心解决方案,在保证效率的同时,能保持较低的整体系统成本。其散热管理专为高密度、高耗电的服务器而设计,能够节约能源并优化输出。图表15:MPS 的服务器(核供电)数据中心解决方案 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 2.2.2 EFuse 供电供电 当串联到主电源线时,eFuse 就像标准保险丝一样工作,具有检测能力,并对过流和过电压条件做出快速反应。发生过载情况时,器件会将输出电流限制为由用户定义的安全值内。如果异常过载情
39、况持续存在,则设备进入打开状态,断开来自电源的负载。过载电流限值可通过外部电阻来设定。MPS 专有的 Intelli-PhaseTM 技术可保持并提高每个新设计的性能,这些可扩展的解决方案还提供了热插拔功能和先进的 FET 技术,可帮助简化设计,实现节省空间的封装。2.2.3 内存内存 DDR5 供电供电 服务器比消费类电子(Notebook,Desktop,All in One,Smart phone 等)对内存有着更高的可靠性要求,最特殊的一点是要支持 ECC 功能。目前出货量产的服务器多使用内存 DDR4,JEDEC(固态技术协会)于2012年9月发布DDR4 SDRAM标准(JESD7
40、9-4C),截止目前DDR4已经商用 10 年左右。如今随着对内存带宽有强烈需求的专业应用领域如云服务器、边缘计算,人工智能,自动驾驶等应用场合的快速发展,DRA 内存市场逐步向 DDR5 升级,JEDEC 于 2020 年 7 月正式发布了 DDR5 SDRAM 标准(JESD79-5)的最终规范,各大服务器OEM/ODM 开始使用 DDR5,到 2025 年 DDR4 将有可能彻底退出服务器市场。对于内存条 module 供电而言,DDR4 到 DDR5 的供电变化非常大,DDR5 内存条在内存条在 DIMM 上加入上加入了了 PMIC 电源管理电源管理 IC,主,主要原因要原因是大是大容
41、容量和高速度的量和高速度的 DDR5 颗粒对电源完整性提出了更高的颗粒对电源完整性提出了更高的要求要求,DDR5 内存颗粒需要更内存颗粒需要更低的工作电压低的工作电压,VDD/VDDQ/VPP 分别为:1.1/1.1/1.8(V),JEDEC 要求 DDR5 的 VDDQ 电压波动范围允许值 15 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 不高于 3%,小于33mV,如果用主板上的 VR 出 1.1V 给 DDR5 供电,很难满足该电压的波动范围。因此 JEDEC 建议厂商在内存条上集成电源 IC 满足电源完整性的要求,当然无疑提高了 DDR5 内存的成本。图表16:DDR4 到
42、DDR5 的供电结构变化 资料来源:CSDN,方正证券研究所 图表17:MPS 服务器 DDR 供电方案 资料来源:MPS 官网,方正证券研究所 2.3 服务器用服务器用信号链信号链 IC 发展趋势发展趋势 随着 5G、物联网技术的普及以及 USB Type C 等接口技术的发展,信号链模拟芯片领域的技术发展呈现多样化。2.3.1 对高速信号传输提出更高要求对高速信号传输提出更高要求 目前机架式服务器主板广泛采用高速信号设计,其高速 SerDes FIT 信 16 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 号互连速率高达 32Gbps,在如此高速率数据传输的情况下,主板面临损耗、反
43、射、串扰等信号完整性问题,并且由于 PCB 上 FIT 信号传输线走线较长,对传输链路上的各种要素,例如传输线、连接器、器件封装、过孔等,都提出了更高的电气性能要求。同时,振动冲击等外在环境因素,也会直接的影响到服务器信号传输的稳定性,因此因此需要需要信号转接驱动器(信号转接驱动器(Re-Driver)或者重新定时器)或者重新定时器(Re-Timer)来保证)来保证经过长距离线缆传输后信号的完整性经过长距离线缆传输后信号的完整性。2.3.2 高精度低功耗检测重要性提升高精度低功耗检测重要性提升 5G 基站和服务器需要更大电流和更高功率的检测和控制,因此,对于运算放大器的精度要求和抗浪涌等级要求
44、越来越高。36V 耐压以及耐压以及自带自带 ADC 和功率检测功能将成为关键技和功率检测功能将成为关键技术,术,从而大幅降低对主控芯从而大幅降低对主控芯片的模数片的模数转转换器资源的依赖。换器资源的依赖。图表18:服务器用信号链 IC 框图 资料来源:ADI 官网,方正证券研究所 2.4 国内国内服务器服务器模拟模拟 IC 相关相关厂商厂商 2.4.1 杰华特:杰华特:提供完整的提供完整的服务器电源解决方案服务器电源解决方案 17 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 2019 年,杰华特基于自有的高压工艺和 DC-DC 控制技术,在国内率先量产了应用于通讯和工业市场的 65V
45、 大电流 MOSFET 集成降压芯片;2020 年,杰华特在国内又率先推出了 100V 大电流降压控制器芯片,同年成功研发出用于 CPU 供电的智能功率级模块(Smart Power Stage,又名 DrMOS),该芯片基于公司自有工艺和技术,具有极好的兼容性,单芯片可支持 60A 输出电流,打破了欧美厂商垄断。2021年与 2022 年,杰华特相继研发车规 DrMOS 产品以及 90A DrMOS 产品,在智能功率级模块产品上持续增强市场竞争力。杰华特现已覆盖了大部分业界主流电源管理芯片品类,并逐步覆盖多品类信号链产品,在各大产品线形成了具有首创性的系列产品,研发出了诸如高频 SR 系列同
46、步整流产品、面向通讯和服务器电源市场的100V 半桥大电流驱动产品以及支持 PoE+协议的 PSE 芯片等。杰华特已研发了大电流 PoL、负载开关和 USB 开关、电子保险丝和热插拔等产品,其中于 2019 年研发完成的 48V 热插拔合路芯片以及批量应用于通信和服务器市场的 FET 驱动芯片具有国内首创性。杰华特与英特尔开展深入合作,开发的多相控制器产品可以为 CPU,GPU 以及 ASIC 供电,已开发了应用于服务器和计算机应用的多款多相产品,可同时覆盖服务器、通讯、交换机、笔记本和台式机市场。截至 2022H1,杰华特持续研发降压 DC-DC 芯片、主芯片供电解决方案芯片以及高性能点负载
47、供电芯片等,逐步打通模拟芯片全布局。2.4.2 晶晶丰丰明源:明源:发力发力大电流大电流 DC/DC 电源管理芯片电源管理芯片 晶丰明源的 DC/DC 全套电源方案(多相数字控制器、Smart DrMOS、POL、eFuse/HotSwap)满足各种服务器平台的电源规格需求。在大电流 DC/DC 电源管理芯片产品线方面,公司在 2022H1 正式推出首款国产 10 相数字控制电源管理芯片 BPD93010,有望广泛应用于 PC、服务器、数据中心、基站等领域。同时首家客户正式量产,于 2022H1实现销售收入 4.10 万元。图表19:晶丰明源服务器 DCDC 全套电源方案 资料来源:晶丰明源官
48、网,方正证券研究所 2.4.3 芯芯朋微朋微:布局布局服务器应用服务器应用 DrMOS 和多相和多相并联控制器并联控制器 18 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 目前芯朋微量产的服务器用电源产品包括CV降压/降压-升压转换器、低待机功耗离线 PWM 转换器、具有内部自供供电电路的 AC/DC 转换器、4 相桥式驱动器以及 2 相低边驱动器。同时,公司在研服务器用 DrMOS 和多相并联控制器,拟通过非线性控制、多相交错并联、相数管理等先进控制,搭配 DrMOS 满足不同输出功率要求。图表20:芯朋微服务器电源管理解决方案 资料来源:芯朋微官网,方正证券研究所 2.4.4 必
49、易微:逐步向服务器必易微:逐步向服务器/数据中心电源拓展数据中心电源拓展 随着交错式 PFC、LLC 等产品的推出,可支持的功率达 3000W,必易微已向工业电源、服务器/数据中心电源、电源转换及储能等方向拓展并逐步增加市占率。同时随着整个电源市场呈现出需求多样化、应用细分化的特点和高效低耗化、内核数字化、智能化的发展趋势,在内核数字化方面,近年来必易微凭借调试灵活、响应快速、高集成度以及高度可控的优势,以数字控制内核为特点的新一代数模混合电源管理芯片以高端服务器和通信设备应用为主导,逐步拓展至其他更多应用领域,已显示出良好的发展势头。2.4.5 纳纳芯微:芯微:非隔离接口非隔离接口芯片芯片广
50、泛用于广泛用于服务器服务器 纳芯微量产的非隔离接口芯片NCA9XXX 系列产品包括I2C总线缓冲器、I/O 扩展器、I2C 开关和多路复用器、电平转换器等,具有宽供电电压范围,支持业界通用电平标准及封装,可简化 I2C 总线并达到减少通信错误的目的,广泛适用于工业自动化、智能电网、服务器、通信基站等场景。2022H1,纳芯微陆续发布了十余款新品系列,其中霍尔效应电流传感器 NSM2015/NSM2016 系列加速出货;非隔离高压半桥驱动 NSD1624、磁角度传感器 NSM301X 系列量产出货;智能低边开关 NSE11409 系列、表压压力传感器 NSPGS5 系列进入试量产阶段;上述新品广
51、泛应用于汽车电子、光伏储能、电机驱动、通讯、服务器 19 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 电源等领域;在研 CMOS 温度传感器芯片,包括适用于 PC/服务器,基站行业测温的 NST175、NST112-DSTR 系列,产品矩阵持续拓宽。2.4.6 澜起科技:澜起科技:全球全球首发首发 PCIe 5.0 Retimer 芯片芯片 澜起科技的 PCIe Retimer 芯片,采用先进的信号调理技术来补偿信道损耗并消除各种抖动源的影响,从而提升信号完整性,增加高速信号的有效传输距离,为服务器、存储设备及硬件加速器等应用场景提供可扩展的高性能 PCIe 互连解决方案。其中,PC
52、Ie 4.0 Retimer 芯片符合 PCIe 4.0 基本规范,PCIe 5.0/CXL 2.0 Retimer 符合 PCIe 5.0 和 CXL 2.0 基本规范,支持业界主流封装,功耗和传输延时等关键性能指标达到国际先进水平,并已与 CPU、PCIe 交换芯片、固态硬盘、GPU及网卡等进行了广泛的互操作测试。图表21:澜起科技 PCIe Retimer 芯片应用场景 资料来源:澜起科技官网,方正证券研究所 2.4.7 帝帝奥微:奥微:持续研发持续研发高速高精度信号链模拟芯片高速高精度信号链模拟芯片 在高精度产品方面,帝奥微不断升级现有高精度运算放大器的产品系列,扩展高压 36V 高精
53、度产品系列,从现在 26V 的中小电流检测的运算放大器,扩展到超大电流(36V/15A)检测的高精度运算放大器,开发低功耗快速转换的 16/18 位 SAR 架构的精密 ADC 器件的研发,进一步拓展高速高精度信号链模拟芯片在服务器/数据中心等市场的占有率。20 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款 图表22:帝奥微服务器解决方案 资料来源:帝奥微官网,方正证券研究所 2.4.8 通富微电:通富微电:国内领先的功率器件封装测试国内领先的功率器件封装测试 OSAT 图表23:通富微电八大技术优势 资料来源:通富微电官网,方正证券研究所 2.4.9 长电科技长电科技:全球全球第三、
54、第三、中国中国大陆大陆第一第一 OSAT 厂商厂商 随着半导体工艺节点向 7nm 及以下发展的速度减慢,集成电路行业逐渐走进后摩尔时代。在高性能计算领域,技术创新对高效节能芯片的要求越来越强烈,而各种先进封装技术也受到越来越多的重视。目前,系统级封装 SiP 已经成为高性能计算领域主流的封装解决方案。其中,Chiplet技术和2.5D/3D封装已经快速兴起并成为高性能计算应用的技术趋势。长电科技为高性能计算提供一系列封装和测试解决方案,涵盖焊线封装、倒装芯片封装、晶圆级封装(WLP)和系统级封装(SiP)。长电科技独有的 XDFOI 技术,作为一种新型无硅通孔(TSV)晶圆级极高密度封装技术,
55、可以为高性能计算应用提供多层极高密度走线 21 半导体-行业专题报告 敬请关注文后特别声明与免责条款(3 层 RDL、L/S 2 微米)和极窄节距凸块互联(节距 40 微米),并可集成多颗芯片、高带宽内存(HBM)和无源器件,在优化成本的同时实现更好的性能及可靠性。22 半导体-行业专题报告 分析师声明分析师声明 作者具有中国证券业协会授予的证券投资咨询执业资格,保证报告所采用的数据和信息均来自公开合规渠道,分析逻辑基于作者的职业理解,本报告清晰准确地反映了作者的研究观点,力求独立、客观和公正,结论不受任何第三方的授意或影响。研究报告对所涉及的证券或发行人的评价是分析师本人通过财务分析预测、数
56、量化方法、或行业比较分析所得出的结论,但使用以上信息和分析方法存在局限性。特此声明。免责声明免责声明 本研究报告由方正证券制作及在中国(香港和澳门特别行政区、台湾省除外)发布。根据证券期货投资者适当性管理办法,本报告内容仅供我公司适当性评级为C3及以上等级的投资者使用,本公司不会因接收人收到本报告而视其为本公司的当然客户。若您并非前述等级的投资者,为保证服务质量、控制风险,请勿订阅本报告中的信息,本资料难以设置访问权限,若给您造成不便,敬请谅解。在任何情况下,本报告的内容不构成对任何人的投资建议,也没有考虑到个别客户特殊的投资目标、财务状况或需求,方正证券不对任何人因使用本报告所载任何内容所引
57、致的任何损失负任何责任,投资者需自行承担风险。本报告版权仅为方正证券所有,本公司对本报告保留一切法律权利。未经本公司事先书面授权,任何机构或个人不得以任何形式复制、转发或公开传播本报告的全部或部分内容,不得将报告内容作为诉讼、仲裁、传媒所引用之证明或依据,不得用于营利或用于未经允许的其它用途。如需引用、刊发或转载本报告,需注明出处且不得进行任何有悖原意的引用、删节和修改。公司投资评级的说明:公司投资评级的说明:强烈推荐:分析师预测未来半年公司股价有20%以上的涨幅;推荐:分析师预测未来半年公司股价有10%以上的涨幅;中性:分析师预测未来半年公司股价在-10%和10%之间波动;减持:分析师预测未来半年公司股价有10%以上的跌幅。行业投资评级的说明:行业投资评级的说明:推荐:分析师预测未来半年行业表现强于沪深300指数;中性:分析师预测未来半年行业表现与沪深300指数持平;减持:分析师预测未来半年行业表现弱于沪深300指数。地址地址 网址:https:/ E-mail: 北京北京 西城区展览馆路 48 号新联写字楼 6 层 上海上海 静安区延平路 71 号延平大厦 2 楼 深深圳圳 福田区竹子林紫竹七道光大银行大厦 31 层 广州广州 天河区兴盛路 12 号楼 隽峰苑 2 期 3 层方正证券 长沙长沙 天心区湘江中路二段 36 号华远国际中心 37 层