AI服务器加速渗透，多相电源量价齐升2023年6月29日

AI服务器加速渗透，多相电源量价齐升

证券研究报告

行业研究

行业专题研究（普通）

半导体

投资评级看好

上次评级看好

莫文宇电子行业首席分析师

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2023年06月29日

本期内容提要：

多相电源是CPU/GPU供电的主流方案。数据中心需求快速增长，服务器功耗日益提升。与此同时，GPU、CPU等算力芯片朝着更高性能升级也对供电系统提出更高要求。多相控制器+DrMOS的多相电源方案目前被公认为是CPU/GPU供电的最佳解决方案。多相 Buck电源包含控制器和DrMOS，是一种多路交错并联的同步Buck拓扑，每相Buck对应的半桥MOSFET可由包含驱动和温度/电流检测的DrMOS代替，由一个控制器采集反馈的电压、电流、温度/错误等信号，并发出各PWM 波实现功率的闭环控制。控制器可通过特定协议的通信接口和信号指示I/O口，与系统上位机或负载处理器进行信号交互。

AI服务器有望带动多相电源量价齐升。根据MPS的测算，一台普通服务器中CPU及内存电源、POL和EFuse等产品的价值量总计约80美金。AI服务器在普通服务器的基础上，通常会增加4\~8颗GPU，以多相控制器和DrMOS组成的多相电源同样是GPU的供电解决方案，且GPU相较于CPU功耗更高，对多相电源的需求进一步提升。以英伟达H100 为例，一颗GPU需要40\~50颗DrMOS，而服务器多相控制器通常采用12相方案（1颗多相控制器对应12颗DrMOS），因此多相控制器数量约为4\~5颗。考虑一颗DrMOS或多相控制器的价格均为1\~2美金（以1美金/颗进行测算），则一颗H100需要多相电源的价值量约为40\~50美金。若一台AI服务器搭载8颗H100，则单台AI服务器中多相电源的价值量约320\~400美金，相较于传统服务器而言有4\~5倍增量，价值提升显著。

国内多相电源厂商加速替代。多相电源市场仍由海外龙头厂商主导，国内厂商积极突破壁垒。当前多相电源市场的主要供应商包括MPS、TI、英飞凌、安森美、瑞萨等，国内厂商主要包括杰华特、晶丰明源、矽力杰、圣邦股份、长工微、奥拉等。杰华特在2020年成功研发出用于CPU供电的智能功率级模块（DrMOS），2022年，公司DrMOS系列继续推出了多个料号，在计算和服务器领域获得客户的认可，开始大批量供应。晶丰明源目前已有从4相到16相一系列数字多相控制技术，在大电流DrMOS领域，目前公司50A、70A、90ADrMOS处于产品研发阶段。

投资建议：AI技术阶跃式发展带动AI服务器出货量快速提升，多相电源作为服务器CPU/GPU主流供电方案或将持续受益于AI浪潮趋势，我们测算AI服务器多相电源相较于传统服务器有4\~5倍增量，而国内厂商正处于积极突破壁垒、加速导入阶段，未来发展空间较大。建议关注国内多相电源厂商：杰华特、晶丰明源等；服务器厂商：工业富联、沪电股份等；算力芯片厂商：寒武纪、海光信息、兴森科技、芯原股份、深南电路等。

表目录

表1：NVIDIA、AMD 主要 GPU 产品算力和功耗.
表2：杰华特 DC-DC类芯片，智能功率级模块（DrMOS）与国际竞品比较 11
表3：晶丰明源多相数字控制器产品

图目录

图1：数据中心电源架构（a:传统 12V总线电源架构；b：新兴 48V总线电源架构）...4
图2：CPU/GPU 对功耗要求逐渐提升 .4
图3：基于多相 Buck的小占空比供电架构方案 .5
图4：DrMOS采取合封方式有效降低面积、提升效率. .5
图 5：与传统分立设计相比，DrMOS 效率高达95%，且能减少功耗、降低温度 .6
图6：MPS 测算普通CPU服务器中电源价值量约为80美金. ...8
图7：H100 中 DrMOS 的分布.. .8
图8：GH200 超级芯片中 DrMOS 和电感的分布. .9
图9：2020-2023年全球服务器整机出货量. ..9
图10：2022-2026年全球AI服务器出货量及预估， ..9
图11：多相电源解决方案供应商. ..10
图12:MPS数据中心解决方案 .10
图13:MPS 在计算领域的布局. ..10

多相电源是CPU/GPU供电的主流方案

数据中心需求快速增长，服务器功耗日益提升。近年来，随着人工智能、大数据、云计算、5G通信等新兴技术的迅速发展，数据中心的算力和存储也在不断迭代，为满足不断增长的需求，数据中心正成为支撑现代信息社会正常运行的关键基础设施。而与此同时，数据中心所消耗的电能也急剧增长，中国电子技术标准化研究院数据显示，2021年全国数据中心能源消耗达到2166亿千瓦时，较2020年增加44%，占全社会用电量的2.6%左右。

传统的数据中心电源架构通常采用12V总线电压，随着服务器功耗逐渐增大，12V总线系统面临着高损耗、架构复杂及高成本等瓶颈，未来或将逐渐转变为48V总线电压系统。而核心元器件负载所需要较低的电压（0.5V\~2V），因此从12V直流总线到低压高功耗的处理器需要DC/DC降压芯片提供稳定电源输出及数字调节监控功能。

图1：数据中心电源架构（a:传统12V总线电源架构；b:新兴48V总线电源架构）

资料来源：J.Liang,L.Wang,M.Fu, J.Liang and H.Wang,"Overview of Voltage Regulator Modules in 48 VBus-Based Data Center Power Systems"，信达证券研发中心

与此同时，GPU、CPU等算力芯片朝着更高性能升级也对供电系统提出更高要求。算力的提升需要更大的耗电，这对供电电压调节器模块（VRMVcore）和负载点电源（PoL）提出了严峻挑战，包括更高的效率、更高的功率密度，以及同时满足处理器di/dt>1000A/us 瞬态响应要求。

图2:CPU/GPU对功耗要求逐渐提升

资料来源：矽力杰半导体，信达证券研发中心

多相控制器+DrMOS 的多相电源方案目前被公认为是CPU/GPU供电的最佳解决方案。多相 Buck电源包含控制器和DrMOS，是一种多路交错并联的同步Buck拓扑，每相Buck对应的半桥MOSFET可由包含驱动和温度/电流检测的DrMOS代替，由一个控制器采集反馈的电压、电流、温度/错误等信号，并发出各PWM波实现功率的闭环控制。控制器可通过特定协议的通信接口（如PMBus，AVSBus，SVID，SVI2/3，PWM-VID等）和信号指示I/O口，与系统上位机或负载处理器进行信号交互。

图3：基于多相Buck的小占空比供电架构方案

资料来源：矽力杰半导体，信达证券研发中心

DrMOS集成MOSFET和driverIC，有效提升转换效率、提高功率密度、降低器件体积。DrMOS将2个功率MOSFET和driverIC集成在一个芯片中，采用芯片封装工艺，在内部优化功率回路和驱动回路，可以最大程度减少寄生电感和电容影响；另外，系统整体尺寸进一步降低，功率密度大幅度提高，满足高端主板更严苛超频工作，提升整体效率。DrMOS内部增加电流和工作温度检测功能，电流和工作温度信号输出给PWM控制器或CPU/DSP（数字控制器），不但可以进行系统控制和反馈调节，还可以保护功率器件安全工作，提高系统可靠性。

图4:DrMOS采取合封方式有效降低面积、提升效率

资料来源：ASRoCk，信达证券研发中心

图5：与传统分立设计相比，DrMOS效率高达95%，且能减少功耗、降低温度

资料来源：ASRoCk，信达证券研发中心

AI服务器有望带动多相电源量价齐升

GPU算力持续升级带来功耗提升，对多相电源的数量和性能提出更高要求。以Transformer为核心的大模型 AI路径已被ChatGPT等模型证实，AI或将引领新一轮科技产业革命，而算力芯片作为AI的“基础设施”成为此轮浪潮下的关键。“大参数+大模型”的持续演进以及应用场景的增多都对算力提出更高需求，算力芯片供应商不断推出更高算力的产品，而算力的提升也带来更高的功耗。以GPGPU两大国际龙头的产品为例，英伟达H100NVL最大功耗已经达到800W，而AMD InstinctMI250X最大功耗也达560W。

表1:NVIDIA、AMD主要GPU产品算力和功耗

厂商	产品	发布时间	浮点算力（TFlops）			INT8定点算力 (TOPS)	显存	最大功耗
厂商	产品	发布时间	FP64	FP32	FP16	INT8定点算力 (TOPS)	显存	最大功耗
NVIDIA	H100 SXM	2022	34	67	1979	3958	80GB	700W
	H100 PCle	2022	26	51	1513	3026	80GB	350W
	H100 NVL	2022	68	134	3958	7916	188GB	800W
	A100 SXM	2020	9.7	19.5	624	1248	80GB	400W
	A100 PCle	2020	9.7	19.5	312	624	80GB	300W
	V100 PCle	2017	7	14	112	1	32GB	250W
	V100 SXM2	2017	7.8	15.7	125	-	32GB	300W
	V100S PCle	2017	8.2	16.4	130	-	32GB	250W
AMD	Instinct MI300X	2023	-	1	-	-	192GB	-
	Instinct Ml300	2023	1	-	1	1	128GB	1
	Instinct Ml250X	2021	47.9	47.9	383	383	128GB	560W
	Instinct Ml250	2021	45.3	45.3	362.1	362.1	128GB	560W
	Instinct Ml210	2022	22.6	22.6	181	181	64GB	300W
	Instinct MI100	2020	11.5	23.1	92.3	184.6	32GB	300W

资料来源：NVIDIA，AMD，Tom'sHardware，信达证券研发中心

普通CPU服务器中主板电源价值量约为80美金。普通服务器通常采用两颗CPU，根据CPU的功耗要求配套多套多相电源（一套多相电源由一颗多相控制器+8\~12颗DrMOS 组成）。根据MPS 的测算，一台普通服务器中CPU及内存电源、POL和EFuse等产品的价值量总计约80美金。

图6:MPS测算普通CPU服务器中电源价值量约为80美金

资料来源：MPS，信达证券研发中心

AI服务器中多相电源单机价值量提升约4\~5倍。AI服务器在普通服务器的基础上，通常会增加4\~8颗GPU,以多相控制器和DrMOS组成的多相电源同样是GPU的供电解决方案，且 GPU相较于CPU功耗更高，对多相电源的需求进一步提升。以英伟达H100 为例，一颗GPU需要40\~50颗DrMOS，而服务器多相控制器通常采用12相方案（1颗多相控制器对应12颗DrMOS），因此多相控制器数量约为4\~5颗。考虑一颗DrMOS或多相控制器的价格均为1\~2美金（以1美金/颗进行测算），则一颗H100 需要多相电源的价值量约为40\~50 美金。若一台AI服务器搭载8颗 H100，则单台AI服务器中多相电源的价值量约320\~400美金，相较于传统服务器而言有4\~5倍增量，价值提升显著。

图7:H100 中 DrMOS 的分布

资料来源：NVIDIA，信达证券研发中心

图8：GH200超级芯片中DrMOS和电感的分布

资料来源：NVIDIA，信达证券研发中心

AI服务器加速渗透下，服务器多相电源有望实现量价齐升。在ChatGPT、元宇宙、人工智能等概念火热的时代，有大量的数据需要在云端存储以及运算，云计算相关的算力基础设施迎来需求增长期。根据TrendForce预测，2023年Al服务器出货量近120 万台，同比增长38.4%，占整体服务器出货量近9%；到2026年AI服务器出货量将达237万台，占整体服务器出货量达22%，且2022-2026AI服务器出货量CAGR为22%。根据我们测算，2026年AI服务器多相电源市场贡献的增量将达到7.6\~9.5亿美金。

图9：2020-2023年全球服务器整机出货量

资料来源：TrendForce，信达证券研发中心

图10：2022-2026年全球AI服务器出货量及预估

资料来源：TrendForce，信达证券研发中心

国内多相电源厂商加速替代

多相电源市场仍由海外龙头厂商主导，国内厂商积极突破壁垒。由于多相电源直接向主控芯片供电，其性能和稳定性直接关系到主控芯片的性能及寿命，因此对供应商的设计和工艺水平要求较高，属于电源管理芯片中壁垒较高的细分品类。当前多相电源市场的主要供应商包括MPS、TI、英飞凌、安森美、瑞萨等，国内厂商主要包括杰华特、晶丰明源、矽力杰、圣邦股份、长工微、奥拉等。

图11：多相电源解决方案供应商

资料来源：信达证券研发中心

》MPS：全球多相电源龙头，Nvidia和AMD主要供应商

芯源系统（Monolithic Power Systems，MPS）于1997年在硅谷成立，是一家专注于高集成度模拟与混合信号芯片产品的公司，当前公司产品数量已超过4,000种，覆盖存储及计算、消费、汽车、通讯、企业数据、工业等多个下游领域。MPS深耕多相电源领域数年，2010 年公司发布Intelli-phase技术，为全球首个单die 高精度电源方案；2012年公司开发QSMOD（Quantum StateModulation），基于最小的数字步骤调节以确定实时输出电压;2014年6月MPS首个服务器电源解决方案成功进入英特尔Grantley平台。目前MPS 服务器多相电源解决方案已在全球主流服务器客户内广泛使用。

图12:MPS数据中心解决方案

资料来源：MPS，信达证券研发中心

图13：MPS在计算领域的布局

资料来源：MPS，信达证券研发中心

》杰华特：国产多相电源方案领军者，虚拟IDM模式助力提升工艺水平

杰华特是以虚拟IDM为主要经营模式的模拟芯片设计企业，目前公司产品以电源管理芯片为主，包括AC-DC、DC-DC、Linear Power、BMS 等类别并拥有40 余条子产品线，是业界产品线最全的厂商之一。根据公司招股说明书，公司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、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。2020年公司成功研发出用于CPU供电的智能功率级模块（DrMOS），该芯片基于公司自有工艺和技术，具有较好的兼容性,单芯片可支持60A输出电流。2021年与2022年,公司相继研发车规DrMOS产品以及90A DrMOS产品。2022年，公司 DrMOS 系列继续推出了多个料号，在计算和服务器领域获得客户的认可，开始大批量供应。

表2：杰华特DC-DC类芯片，智能功率级模块（DrMOS）与国际竞品比较

关键性能指标	杰华特	国际竞品一	国际竞品二	与竞品对比情况
电压范围(V)	3~16	3~16	4.5~16	达到国际同类产品水平
关键负载范围的效率	高	略低	低	达到国际同类产品水平
重载结温	低	低	中	达到国际同类产品水平

资料来源：杰华特招股说明书，信达证券研发中心

》晶丰明源：LED驱动芯片龙头，进军电源管理领域

晶丰明源是国内领先的LED驱动照明芯片设计企业，依托在LED驱动领域的积累，公司不断向AC/DC、DC/DC类电源管理领域拓展，目前拥有LED照明驱动芯片、AC/DC电源芯片、电机控制芯片及DC/DC电源芯片四条产品线。根据公司2022年报，公司率先开发出数字多相控制技术，目前已经有从4相到16相一系列产品。在大电流DrMOS领域，目前公司50A、70A、90ADrMOS处于产品研发阶段，该产品通过优化工艺、电路设计以及封装设计，整体效率表现已经跟国际一线的同类产品平齐，较国内竞品有明显优势。

表3：晶丰明源多相数字控制器产品

	状态	相数	最小输出电压 M	最大输出电压 M	典型静态电流 (mA)	接口	封装
BPD93010E	正式量产	10	0	2.8	1	PWM-VID; PMBUS	QFN5*5
BPD93004E	正式量产	4	0	2.8	1	PWM-VID; PMBUS	QFN5*5
BPD93036	送样阶段	16	0	2.8	15	PWM-VID; PMBUS	TQFN7*7
BPD95036	送样阶段	16	0.2	2.8	15	PMBUS; AVSBus	TQFN7*7

资料来源：晶丰明源官网，信达证券研发中心

风险因素

AIGC技术发展不及预期；

AI服务器渗透率不及预期；

国内产品技术突破不及预期。

研究团队简介

莫文宇，毕业于美国佛罗里达大学，电子工程硕士，2012-2022年就职于长江证券研究所，2022年入职信达证券研发中心，任副所长、电子行业首席分析师。

郭一江，电子行业研究员。本科兰州大学，研究生就读于北京大学化学专业。2020 年8 月入职华创证券电子组，后于2022年11月加入信达证券电子组，研究方向为光学、消费电子、汽车电子等。

韩字杰，电子行业研究员。华中科技大学计算机科学与技术学士、香港中文大学硕士。研究方向为半导体设备、半导体材料、集成电路设计。

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华北区销售总监	陈明真	15601850398	chenmingzhen@cindasc.com
华北区销售副总监	阙嘉程	18506960410	quejiacheng@cindasc.com
华北区销售	祁丽媛	13051504933	qiliyuan@cindasc.com
华北区销售	陆禹舟	17687659919	luyuzhou@cindasc.com
华北区销售	魏冲	18340820155	weichong@cindasc.com
华北区销售	樊荣	15501091225	fanrong@cindasc.com
华北区销售	秘侨	18513322185	miqiao@cindasc.com
华北区销售	赵岚琦	15690170171	zhaolanqi@cindasc.com
华北区销售	张斓夕	18810718214	zhanglanxi@cindasc.com
华北区销售	王哲毓	18735667112	wangzheyu@cindasc.com
华东区销售总监	杨兴	13718803208	yangxing@cindasc.com
华东区销售副总监	吴国	15800476582	wuguo@cindasc.com
华东区销售	国鹏程	15618358383	guopengcheng@cindasc.com
华东区销售	朱尧	18702173656	zhuyao@cindasc.com
华东区销售	戴剑箫	13524484975	daijianxiao@cindasc.com
华东区销售	方威	18721118359	fangwei@cindasc.com
华东区销售	俞晓	18717938223	yuxiao@cindasc.com
华东区销售	李贤哲	15026867872	lixianzhe@cindasc.com
华东区销售	孙僮	18610826885	suntong@cindasc.com
华东区销售	王爽	18217448943	wangshuang3@cindasc.com
华东区销售	石明杰	15261855608	shimingjie@cindasc.com
华东区销售	粟琳	18810582709	sulin@cindasc.com
华东区销售	曹亦兴	13337798928	caoyixing@cindasc.com
华东区销售	王赫然	15942898375	wangheran@cindasc.com
华南区销售总监	王留阳	13530830620	wangliuyang@cindasc.com
华南区销售副总监	陈晨	15986679987	chenchen3@cindasc.com
华南区销售副总监	王雨霏	17727821880	wangyufei@cindasc.com
华南区销售	刘韵	13620005606	liuyun@cindasc.com
华南区销售	胡洁颖	13794480158	hujieying@cindasc.com
华南区销售	郑庆庆	13570594204	zhengqingqing@cindasc.com
华南区销售	刘莹	15152283256	liuying1@cindasc.com
华南区销售	蔡静	18300030194	caijing1@cindasc.com
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