数据中心行业专题报告：数据中心核心科技概览
（报告出品方/作者：华安证券，张天）
1 基础篇：展望数据中心，智能时代的基础设施
持续增长的市场：数据中心成为科技巨头兵家必争之地
1. 数据中心是算力承载的物理实体，反映的是人类社会信息化、智 能化的持续趋势。只要有层出不穷的应用、持续渗透的数字化以及 算法对算力的持续需求就有数据中心的需要。
2. 新基建方兴未艾，我国数据中心机架过去五年增长220%。未来国内IDC发展速度也不 低于年均20%。全球范围内，疫后线上经济成为工作生活习惯。
3. 巨头必争之地：Intel过去十年数据中心收入CAGR13%，英伟达 数据中心产品收入占比已达40%。巨头科技创新仍在层出不穷反映 行业发展前景景气，未来数据中心仍将是技术迭代最快的领域之一。
驱动因素一：流量和应用向数据中心汇集
1、用流量的角度衡量数据中心下游应用驱动。近十年来移动流量的驱 动因素从PC到移动互联网到云计算再到AIoT，全球流量仍在持续增长， 且连接更广泛、数据类型更加非结构化、算力需求更多元化。
2、东西向流量占比超过85%，数据中心内部的计算和通信占比超七成。 大型数据中心对算力、带宽、时延、功耗、成本要求越来越高，这些 反映的也是大规模采用虚拟机后处理云计算、AI训练的天然技术需求。
3、当前边缘数据流量占比快速增长，边缘数据中心技术将成为未来最 有前景市场。如用户侧图像、安防、直播、大数据、机器互联等，这 些数据需要更靠近用户的处理。
驱动因素二：云计算、AI对算力需求的快速增长
1、云计算快速发展将成为未来算力主要供给。2019年全球云数据 中心资本开支首超本地，并仍在以年复合20%以上速度增长。全球 Top5云厂商每年资本开支的绝大部分都投入在数据中心，并期望以 自研服务器、创新网络结构、代建数据中心等降低投资和运营成本。
2、AI算法对算力需求的增长远超摩尔定律演进速度。OpenAI的模 型显示，2010年以来业内最复杂的AI模型算力需求涨了100亿倍。 人工智能训练模型算力需求水涨船高，目前解决的办法80%靠并行 计算和增加投资，10%靠AI算法进步，10%靠芯片单位算力进步。
驱动因素三：大型云数据中心对提高效能的要求
1、碳中和时代，全球碳达峰预期将对算力能效比提出更高要求。
2、提高算力能效比的手段： 1）半导体制造工艺的进步； 2）3D封装、晶圆级封装“化整为零”； 3）存储介质的**：存内运算； 4）算力池概念的进化，需要更高的芯片级互联带宽。
数据中心核心科技一：持续追赶摩尔定律的计算
1、摩尔定律增长放缓下，算力需求主要靠算力堆叠实现。AI对算力的需求 目前一方面在实现算法改进，但虚拟化软件的引入解决了单机算力瓶颈， 最主要的手段是算力堆叠以及异构计算、并行计算（多路服务器）等。
2、算力进化路径一，more moore。通过新材料、新工艺创新推动摩尔定律 不断实现，TSMC预计在2023年出货3nm芯片，Intel预计也将在明年大批量 生产10nm。
3、算力进化路径二，more than moore。主要通过先进封装工艺实现，如 MCM实现多die单芯片封装、WLCSP实现与内存的2.5D封装等。
数据中心核心科技二：持续挑战冯诺依曼瓶颈的存储
1、如何突破存储IO瓶颈？冯诺依曼架构的本质属性导致内存的IO带宽**了CPU多核发展的快速需求，因此内存 技术每4-5年迭代，2022年将成为DDR5应用元年，为内存模组产业链带来新机。此外，采用2.5D堆叠的HBM存储也 在高性能计算发挥作用。另外一种思路是存内运算，这将对计算机的形态和商业模式都带来颠覆。
2、如何满足指数增长的外部数据存储需求？全闪存介质、软件定义存储、分布式存储以及超融合存储等提升了数 据中心应用的可扩展性、安全性、可管理性并降低了成本。
数据中心产业链概览：云计算的星辰大海
1、数据中心上游是各种服务器和网络设备芯片，如CPU、DRAM、FLASH、芯片组、 FPGA、AI加速芯片、GPU等。数据中心应用芯片通常需求同时满足高算力、高稳定性 以及尽量低的功耗，通常整合多核CPU、高密度互联IO接口以及大容量高性能存储，需 要设计大die，因此代表了全球芯片设计和制造的最高水平。（报告来源：未来智库）
2、数据中心中游是所谓的云基础设施。从网络配置角度看底层到上层分别是服务器、 接入交换机、汇聚交换机、核心交换机、出口路由器、防火墙&**等。近年来，数据 中心网络有扁平化、SDN和NFV三个主要的特点。
3、下游云计算市场空间更加广阔。从北美云巨头发展过程来看，IaaS率先快速发展， 而更大的市场在于SaaS。目前我国头部云厂商已跻身全球Top5之列，IaaS预计将保持平 稳较快增长，PaaS层各种云原生开发工具和信创生态值得期待。SaaS层受用户使用习惯、 政企保密安全型需要等多重原因，虽不及欧美渗透高但也出现许多爆款应用。
数据中心TCO视角：服务器是绝对大头，光模块增长值得重视
1、从Capex的角度看，服务器是数据中心投资最大的部分，而运营过程中的电费是OPEX占比最大的部分。
2、超大型数据中心的变化。服务器的数量增长了10倍，而加速服务器对高IO的需求以及更低收敛比的网络结构也带动了网络 设备和光模块的更快速增长。亚马逊大型数据中心光模块需求增速是服务器增速的3.5倍，光模块在网络成本中占比接近翻倍。
3、如何降低TCO？从亚马逊的运营经验来看，首要是提升数据中心的PUE，采用高能效比电源和制冷，其次是降低服务器采 购成本（ODM代工）、自研能效比更高的芯片（例如亚马逊）和更高效的服务器管理软件。
2 成长篇：数据中心未来十年最具看点的赛道有哪些 ？
概览：已经在发生的变化正逐步改变数据中心
1、数据中心演进关键词：
1）碳中和：Science统计数据显示数据中心用电量约占全球发电量的3%，绿色数据中心将成为一种准强制标准，催生低PUE基础设施、自研CPU、CPO交换机等多种需求。
2）异构计算：摩尔定律演进放缓、多核CPU I/O瓶颈、“数据中心税”等问题令异构计算愈加普遍，CPU、GPU、DPU、ASIC等承担更多功能处理他们相对擅长的数据类型。
3）虚拟化：软件定义基础设施（SDI）和超融合（HCI）实现了硬件的灵活可扩展和标准化，DPU针对虚拟机、SDS、vGPU等之间的通信能更好加速，此外SD-WAN优势仍在。
4）数据为中心：基于大数据和AI的预测性手段将取代传统基于日历或故障驱动维护方式。以数据为中心的网络将突破I/O瓶颈和数据搬移延迟，数据中心从松耦合向紧耦合进化。
2、高成长赛道扫描：异构计算芯片成长最快，中游光模块值得关注。
1）空间大：云基础设施仍然是未来投入最高的领域，全球服务器市场仍将包括7.1%的增速并在2025年突破1320亿美元。
2）成长快：高速数通光模块可能是云基础设施中增长最快的品类。而上游逻辑和存储芯片类增速普遍更高，特别是代表异构计算的GPU、AI ASIC等。
微电网数据中心：未来或在西部地区助力碳中和实现
1、碳中和大背景下我国能源结构将发生深刻变革，“风光”转型势不可挡。《2030碳达峰行动方案》明确了我国长期能源结构的深刻演变，到2030年非化石能源 消费比重将达到25%作用，“风&光”总装机量达到12亿千瓦以上。而彭博新能源财经预测到2050年“风&光”装机占比将达到58%。
2、微电网是可以自产自消的区域型电网，电化学储能成本的下降助力微电网装机量普及。微电网由分布式电源、储能装置、能源转换装置、监控和保护装置、负 荷等组成，旨在解决数量庞大形式多样的分布式电源并网问题。储能成本的迅速下降将有力推动微电网在新能源产地的消纳和并网，西门子电气预计2026年全球工 商业微电网装机规模将达到5400MW。
3、数据中心将是微电网重要应用场景，预计在西部地区率先推广。数据中心将整合冷热电联产、可再生能源、燃料电池和储能成为微电网的重要落地场景，未来 消纳全球微电网发电量有望达30%以上。我国中西部地区风、光资源丰富，而当地也是冷数据、西数东算的主要基地，国家将持续推进微电网技术应用。
4、**性的市场机遇：储能、变流器、智能配电、智能电网和富有经验的数据中心集成商。CNESA预测我国电化学储能装机5年增速达57.4%，我国光伏协会预测 5年全球光伏逆变器增速19%。除此之外，针对微电网定制的智能配电、高可靠UPS、水冷**、AI动环监控**都将是IDC基础设施和集成商可能涉足的方向。
边缘数据中心和服务器将成为算力的重要组成部分
1、离用户更近的好处：大带宽、低时延、成本和安全优势。算力未来需求持续增加下，网络带宽和时延**（性能）和网络带宽**（成本）导致的算力需求错配需要通过边缘端部署算力支撑。华为预测，引入边缘计算后，计算、网络、存储成本可以节约30%以上。
2、全球边缘计算数据中心万亿级市场，垂直行业是主要需求方。边缘计算市场包括终端触点、边缘计算设备、边缘应用/软件和边缘服务。对于边缘 数据中心，***基站、边缘DC到2025年有望达到6万个，投资规模1800亿元。按照KPMG预测，下**业价值我国约占全球10%，其中前五大行业 分别是游戏文娱、工业化制造、互联网医疗保健、智能云数、环境监控。
3、边缘计算设备形态或多元化，重边缘场景服务器将是最大市场。轻边缘设备如工业一体机、IoT**等一般部署在基站前面，提供丰富工业IO接口， 能通过内置软件承载部分单向双向控制，预计2025年市场规模约50亿元。而重边缘设备形态通常为定制的高密度服务器，在5G、F5G等接入手段下能 实现更大带宽、更强算力和更好私密性，预计2025年国内边缘服务器市场将达到62亿美元。
人工智能数据中心和加速服务器市场在快速增长
1、从云时代到AI时代，人工智能训练和推理需求驱动数据中心智能算力大幅提升。过去十年，用于人工智能的训练模型计算资源激增，AI训练计算 复杂度每年增10倍，信通院预计2020年我国智能算力占比41%，2023年预计提升至70%。
2、AI加速服务器成为AI市场支出的主要组成部分，基于GPU和NPU的加速是主流。现阶段AI投资主要是为了满足对AI模型的训练及预测，因此国内 约70%的相关支出来自AI硬件，IDC预测2025年国内AI服务器市场达64亿美元。AI服务器相比于普通服务器，拥有更多的加速卡、更高P2P带宽以及 更好散热设计。目前GPU芯片占据AI加速服务器95%份额，未来ASIC等将加速应用以满足差异化场景需求。
3、智能计算数据中心助力AI产业化、产业AI化。2020年4月，***首次将智能计算中心纳入算力基础设施范畴，并提出在全国布局10个左右区域级 数据中心集群和智能计算中心，在AI产业化和产业AI化加速行业创新发展。智算中心与普通数据中心相比，在AI芯片、AI服务器、高速互联、深度 学习框架、资源调度等组成要素上更加先进，目前包括浪潮、商汤、三大***都在将推动智算中心快速落地。
3 投资篇：资本市场的关键赛道
中上游投资逻辑：全球产业链比较优势
1、工程师红利仍然会带来成本优势。未来一段时间，研发成本优势或将逐步替代单纯的制造业成本优势，在一些中游的高端制造业如光模块， 我们已经看到国产厂商对全球龙头地位的牢牢把控。
2、完整的配套产业链无可取代。**康、苹果等OEM和EMS巨头多年来培育了国内完整的电子零部件产业链，很多公司如立讯精密、歌尔股份 都经历了从量变到质变，从零部件到模块、**的延伸。
3、供应商通常与大客户建立了长期合作关系。对于供应商的认证严格且耗时，因此我们认为类似于苹果产业链，数据中心产业链供应商的订单 可预测性也较强。
4、妥善处理与**的竞合关系，国内电子信息产业快速发展。目前在服务器产业链，无论PCB、电源以及板载的网卡、声卡、BMS等芯片，** 都在全球供应链中占有举足轻重的地位。在可预见的将来，国内厂商或迅速缩小与**的差距，以期未来从竞争关系转向协同共生关系。
中游投资逻辑：需求驱动
1、整机环节，国内服务器和网络设备已基本实现进口替代。另一方面海外贸易摩擦因素仍存，国内品牌出海客观因素受限。因此 从天花板来看，我们认为影响服务器、交换机等中游硬件设备成长的因素主要是下游需求。
2、移动互联网、云计算、AI、元宇宙接力，云基础设施具有长期成长逻辑。我们认为，下游层出不穷的应用仍会驱动科技巨头和 互联网厂商对于基础设施投资。从历史上复盘来看，国内服务器市场规模与BAT资本开支高度相关，而近几年Top5云资本开始强 度已基本保持0.11的稳定水平。
3、信创市场开拓了全新的服务器生态体系，打破Wintel联盟。由于国内信创体系的快速发展，目前国内有基于ARM的鲲鹏、飞腾 生态，基于MIPS的龙芯生态等。这些生态的逐渐完整给予服务器产业链存量替换的刚性和增量创造的想象空间。（报告来源：未来智库）
上游投资逻辑：国产替代
1、计算机市场含硅量最高，数据中心市场容量仅次于手机、汽车，国内芯片公司发展舞台广阔。
2、卡脖子领域环环相扣，需要整条产业链各个击破。当前服务器产业计算、存储、通信各条线国产化率均非常低，网络设备在华为芯片 产能受限下，绝大部分份额由思科、博通、Marvell等海外公司把控。而光模块25G PAM4以上电芯片替代能力也几乎为零。
3、芯片创业公司频现，科创板注册制提供一二级良性循环。我们认为科创板初筛了国内资质最优秀的芯片创业企业，是投资享有未来快 速成长的**时期。
4、摩尔定律发展放慢给国内公司创造历史机遇。虽然数据中心逻辑芯片制程要求通常较高, 但我们已经可以看到国产28nm、14nm带来的 重大机遇。
下游投资逻辑：**供给侧变化
1、IDC产业从需求侧走入供给侧，未来年增速或不低于20%。2017到2020，在移动互联网快速发展和云计算的茁壮成长下，国内IDC市场增速达32%。 2020年下半年开始，IDC能耗指标逐渐收紧，行业增速明显下滑。随着《新型数据中心发展三年行动计划》的**，IDC逻辑转向供给侧变化。其中， 全国IDC机架规模年均增速保持在20%左右，上架率目标2023年为60%以上，有望引导行业落后产能出清。
2、《碳中和指引》对数据中心PUE提出硬指标，或带来老、小数据中心整合。文件重点提出将年综合能耗1万吨标煤以上IDC全部纳入重点用能单位 能耗在线监测**，推动既有设施绿色升级改造，将带来高效制冷、直流供电、“光伏+储能”、AI能控等多种新型基础设施需求。从各地来看，均 发布了节能审查具体措施，可以预期未来两年将迎来“老旧”IDC的集中升级改造和部分关闭腾退。
3、长期来看，我们认为IDC主要份额将向大型、核心区、国资***倾斜。《三年行动计划》引导大型IDC向国家枢纽节点集中（不低于70%），运 营商和互联网企自建由于坐拥网络和流量发端优势，将作为主力。而布局国家枢纽地区的具有与规模效应的第三方IDC也具有稀缺性和灵活性，长期 发展看好。
报告节选：
（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）
精选报告来源：【未来智库】。未来智库 - 官方网站
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