超微半导体(AMD.O)报告:海外AI研究系列(一),算力帝国的挑战者

超微半导体(AMD.O)报告:海外AI研究系列(一),算力帝国的挑战者报告出品方:民生证券以下为报告原文节选 1 从端到云,AMD 拥抱 AI 浪潮1.1 复盘发展历程,AI+强化后发优势AMD 成立于

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报告出品方:民生证券

以下为报告原文节选

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1 从端到云,AMD 拥抱 AI 浪潮

1.1 复盘发展历程,AI+强化后发优势

AMD 成立于 1969 年,是全球先进的微处理器厂商,产品包含 CPU、GPU、FPGA 等,业务涵盖数据中心、嵌入式系统、游戏等多个方面。其发展历程主要可分为以下几个阶段:1)(1969-1990)成立初期,产品多为其他厂商的第二供应商:1969 年,杰里·桑德斯等员工从仙童半导体离职,创立了 AMD。在成立初期,AMD 的销售主要来自军工等大企业,当时这些企业对第二供应商有着严格要求,并且对产品质量要求较高,AMD 凭借高产品质量获得了这些客户的认可,成为这些客户的第二供应商,典型代表是在 1982 年,由于 IBM 希望引入除了 Intel 以外的第二家 CPU 供货商,AMD 和 Intel 签署专利交叉授权协议,获得了 Intel 的 X86 架构技术授权。

2)(1991-2005)自研 x86 处理器,正式和英特尔展开竞争:1987 年,由于市场需求下滑等原因,Intel 决定停止对 AMD 的授权,双方开始长达 8 年的专利诉讼,到 1995 年 AMD 获得了 X86 架构专利诉讼的胜利。尽管 AMD 获得了诉讼的胜利,但这 8 年时间对 AMD 拖累严重,Intel 获得了市场上绝大多数市场份额,AMD 决定不再满足于第二供应商的地位。1991 年,AMD 首次展示 Am386 处理器,不再作为英特尔的第二来源供应商,正式与英特尔在 x86 处理器方面展开竞争。
3)(2006-2013)引入 GPU 业务,遭遇发展瓶颈:2006 年,AMD 收购 ATI,获得同时生产高性能 GPU 和 CPU 的能力。此后英特尔不断推出新品,在 CPU 性能上占据优势,AMD 在竞争对手的冲击下暂时落后。2012 年,AMD 开始了 Zen微架构的研发。
4)(2014-2021)推出 Zen 架构,重获竞争优势:2014 年,苏姿丰博士担任 AMD的总裁及 CEO。2016 年,苏姿丰博士对外展示了 Zen 架构微处理器。2017 年,AMD 发布基于 Zen 架构的 Ryzen 处理器,弥补了与英特尔的性能差距。2019 年,在与台积电合作时推出了 7nm 先进制程的 CPU 及 GPU。
5)(2022 至今)提出“AI 优先”,快速抢占市场:近年来,AMD 在数据中心业务上不断发力,于 2022 年进行重大战略调整,提出“AI 优先”的发展战略;同年 , AMD 先 后 收 购 FPGA 厂 商 赛 灵 思 及 DPU 新 锐 Pensando ,形成“CPU+GPU+FPGA+DPU”的数据中心芯片布局。2023 年,AMD 对标英伟达发布了采用 CDNA3 架构的 MI300 系列两款产品的相关细节,争夺市场份额。

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1.2 四大业务板块,数据中心开启发力

AMD 共有数据中心、客户端、游戏及嵌入式四大业务板块。
1)数据中心业务:利用 CPU、GPU、FPGA、DPU、SoC 等芯片产品为客户提供先进的数据中心解决方案。近年来随着 AI 行业的快速发展,数据中心业务成为公司重点布局方向。2022 年公司通过收购赛灵思及 Pensando 完善数据中心芯片布局,23Q1 推出高性能的 MI300 GPU 加速器,对英伟达形成强有力的竞争。
2)客户端业务:为笔记本电脑、台式电脑、商业工作站等提供 CPU 和 APU 产品。
AMD 在 1000 年推出 Athlon 处理器,进入高端处理器市场,并在 2023 年推出首个与 X86 兼容的 64 位处理器,助力公司市场份额提升。2005-2017 年 AMD受限于 CPU 架构,产品与 Intel 的差距逐渐拉大,而 2017 年公司推出的第一款Zen 架构处理器帮助公司夺回客户端市场份额。
3)游戏业务:产品包括台式机和笔记本电脑 GPU,游戏机及半定制 Soc。2022年 AMD 发布 Radeon RX 7900 系列显卡,是全球首款采用先进的 AMD chiplet设计的游戏显卡。
4)嵌入式业务:面向较为广泛的市场,产品包括自适应的 SoC 及 FPGA,嵌入式CPU 和 GPU 等。AMD 的嵌入式业务收入主要来自对赛灵思的收购,2022 年一季度 AMD 对赛灵思完成收购,该板块业务的下游市场主要涵盖航空航天、工业、汽车、消费电子、通信和数据中心等。

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分业务看,游戏业务营收占比较高,数据中心及嵌入式业务营收不断提升。
2023 年公司数据中心业务营收占比 28.64%,客户端业务营收占比 20.51%,游戏业务营收占比 27.39%,嵌入式业务营收占比 23.46%,数据中心业务首超游戏业务成为占比最高的业务板块,客户端营收占比持续下滑。2021-2023 年公司数据中心业务营收占比从 22.48%提升到 28.64%,上升 6.16pct;嵌入式业务营收占比从 1.50%提升到 23.46%,上升 21.96pct,数据中心及嵌入式业务重要性不断提升。

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1.3 景气度影响短期业绩,产品组合构筑长期竞争力

近年来,数据中心及嵌入式业务成为公司业绩增长的主要驱动力,但由于下游需求波动,公司短期业绩承压。2022 和 2023 年下游市场的需求放缓对公司业绩产生了不利影响。2023 年公司实现营收 226.8 亿美元,同比下降 3.90%,实现净利润 8.54 亿美元,同比下降 35.3%。公司业绩下降主要原因为 2022 和 2023 年全球 PC 和数据中心市场需求放缓。展望 2024 年,全球 PC 市场有望复苏,且AIPC 将带动新一轮的 PC 换机周期,服务器市场也有望伴随云厂商资本开支的提升回暖。另一方面,当前数据中心在公司业务占比中持续提升,且加速卡持续发力,后续业绩有望实现较快增长。

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受益于产品结构优化,近年来公司毛利率不断改善。近年来公司不断推出高端处理器产品,带动毛利率持续上升,并于 2022 年赶超竞争对手英特尔,但仍落后于英伟达。2022 年公司毛利率为 45.74%,相较 2021 年下降 2.51pcts,主要原因为游戏业务及客户端业务表现不佳;2023 公司毛利率为 46.14%,同比提升0.4pcts,主要原因是嵌入式及数据中心业务发展带动。

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2 CPU:Zen 架构优势凸显,助力 AMD 崛起

2.1 Zen 架构王者归来

2.1.1 AMD 凭借架构的持续迭代,打入高端 CPU 市场

Zen 架构带领 AMD 进入高端 CPU 市场,正式与 Intel 开启竞争。AMD 在2017 年以前的 CPU 架构为推土机(Bulldozer)架构系列,该架构在 2011 年首次发布,并在 2012 年、2013 年以及 2015 年分别推出了名为打桩机(Piledriver)、压路机(Streamroller)和挖掘机(Excavator)的更新版架构。在推土机架构时代,AMD 的 CPU 和英伟达产品性能相去甚远,采用“价格战”的方式维持市占率,但在 2017 年 Zen 架构推出以前,AMD 在客户端 CPU 市场份额仍在逐年下降。
Zen 架构的推出,使得 AMD 的 CPU 性能大幅提升,正式与 Intel 同台竞技。Zen 架构的研发始于 2015 年,2017 年发布首款基于 Zen1 架构的锐龙一代处理器,采用格罗方德 14nm 工艺和更加主流的 SMT 多线程,CCX 内有四个 x86核心,每个核心都有独立的 L1 和 L2 缓存,单个模块共享 8MB L3 缓存,性能相较上一代产品提升 40%。此后 AMD 稳扎稳打,连续推出后续更新版架构,每一代的产品 IPC 性能均提升很多。

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Zen 架构相较于上一代推土机架构的提升主要包括性能、吞吐能力、能效三个方面。性能方面,AMD 通过增强分支预测,微指令缓存等方式,增强了指令调度窗口、指令分发宽度和执行资源能力,使得 CPU 的单线程性能大幅提升。吞吐能力方面,Zen 架构采用高带宽、低延迟的缓存系统,单个核心缓存带宽最大提升5 倍;使用 AMD Hyper Transport 总线技术用于内部核心互联,提升了互联速度。能效方面,Zen 架构将制程从此前的 28nm 升级到 14nm,大大降低功耗,并提升了 CPU 频率。

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Zen 架构不断更新迭代,Chiplet 成为设计的重要组成部分。Zen2 架构开始,AMD 采用 Chiplet 设计,使用小芯片作为 CPU 的处理器,每个小芯片都包含多个基于“Zen”的核心,其核心数从 2-128 不等,为消费者带来前所未有的可扩展性和灵活性。以 Zen4 架构的锐龙 7000 系列处理器为例,CPU 内部含有两个 CCD和一个 IOD,最多可以支持 16 核心,其中 CCD 为 Compute Die,用于计算;IOD 为 Input/Output Die,用于数据的输入和输出,CCD 和 IOD 之间通过 Infinity Fabric 技术实现芯间的高速互联。通过不同的 CCD 和 IOD 数量,AMD 可以实现不同客户需求的产品部署,例如 Genoa EPYC 7004 服务器的 CCD 数量达到 12个,从而增强了 CPU 的计算能力。

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2.1.2 AMD CPU 产品矩阵

根据下游应用,AMD 处理器可分为服务器处理器、工作站处理器、PC 处理器等多个品类。服务器处理器主要使用霄龙 CPU 产品,可用于云计算、数据库和数据分析、超融合基础设施和虚拟化、高性能计算等多个领域;工作站处理器主要使用锐龙 CPU 产品,根据不同应用场景设置锐龙 Threadripper PRO、锐龙Threadripper、锐龙 PRO 移动处理器三个产品品类;嵌入式处理器主要使用霄龙及锐龙 CPU 产品,半定制处理器使用 ARM 多核 CPU;PC 端主要使用速龙及锐龙 CPU 产品,具有多个细分产品品类。

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2.1.3 客户端:短暂衰落后重回巅峰

2017 年以前,AMD 在客户端 CPU 的市场份额呈现逐步下降的态势。2003年 AMD 推出 64 位指令集的 K8 处理器并大获成功,此后的几年时间里面 AMD在客户端 CPU 市场站稳了脚跟。而 2011 年开始,AMD 的推土机(Bulldozer)架构 CPU 产品发展缓慢,部分代际间的 IPC 提升不足 10%,而竞争对手 Intel 在2012 年推出的第三代酷睿系列处理器已经达到 22nm 制程,两家厂商之间的性能差距逐步拉大,AMD 的市场份额也随之从 2011 年的 20%下降至 2017 年谷底的8%。
Zen 架构推出后,AMD 在客户端的 CPU 市场份额快速回升,2023 年已达到 22.83%。2017 年,伴随 AMD 研发了 3 年的 Zen 架构问世,AMD 在 CPU处理性能上开始快速赶超,同时凭借相较 Intel 更高的制程,AMD 的处理器在功耗、性价比方面均有优异的表现,公司的 CPU 市场份额也随之快速提升,2023 年AMD 在客户端 CPU 的市场份额已达到 22.83%,基本达到历史最高水平。

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2.1.4 服务器:推出霄龙系列,AMD 强势回归

AMD 曾中途放弃服务器 CPU 市场,而 Lisa Su 凭借霄龙处理器,使得 AMD在服务器市场强势回归。由于投入过高,投入时间过长以及回报低等问题,AMD在 2013 年宣布退出服务器市场,AMD 在服务器市场的份额也从 2006 年最高点的 14%一路下降至 2016 年的 1%。而 2014 年伴随 Lisa Su 加入 AMD 以及 Zen架构的开发,2017 年 AMD 发布的第一代 EPYC(霄龙)处理器,公司在服务器CPU 的市场份额开始快速提升,2021 年 AMD 服务器市场份额已达到 15%。尽管受到全球经济下行的冲击,2022 年公司市场份额有所回落,2023 年公司市场份额再次同比提升 2pct,达到 14%。目前全球服务器市场基本被 AMD 和 Intel两家公司主导,而凭借霄龙处理器的强劲性能,AMD 已经基本在服务器市场站稳脚跟。

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2.2 客户端 CPU:7000 系列性能强劲,下游市场逐步企稳

2.2.1 PC 端锐龙 7000 系列处理器持续迭代

PC 端处理器方面,锐龙 7000 系列处理器对标英特尔 13 代酷睿处理器,二者总体性能较为相近,AMD 在时钟频率、集成显卡、节能方面具有优势,英特尔在核心数量、性价比方面具有优势。
1)核心数量:英特尔第 13 代酷睿处理器核心数更多,酷睿 i9-13900 系列处理器核心数可达 24 个,可以确保 CPU 的稳健表现。
2)缓存:锐龙 7000 系列的三级缓存较大,最高可达 64MB,英特尔第 13 代酷睿处理器二级缓存为 20-32MB,显著高于锐龙 7000。
3)时钟频率:锐龙 7000 基础频率为 4.5-4.7GHz,显著高于第 13 代酷睿处理器。
4)集成显卡:锐龙 7000 系列的所有处理器均配备 Radeon 显卡,第 13 代酷睿处理器中有 3 个配备 Intel UHD Graphics 770 显卡。
5)热设计功率:第 13 代酷睿处理器的热设计功率为 181-253 瓦,压力条件下耗电量比锐龙 7000 系列更大。
6)价格:英特尔 13 代酷睿处理器价格在 294-589 美元之间,相比于锐龙 7000系列性价比更高。

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2023 年初 AMD 发布锐龙 7000X3D 系列台式机处理器,进一步扩充高性能台式处理器产品阵容。据 AMD 官方披露,锐龙 7000X3D 处理器相比上一代性能提升 14%,具有 AMD 3D V-Cache 技术以及 AM5 插槽,是世界领先的游戏处理器,并于 2023 年 2 月上市。锐龙 7000X3D 系列产品发布进一步完善公司高性能台式处理器产品矩阵,有利于增强在 PC 端处理器的竞争力。

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2.2.2 PC 市场复苏,客户端业务有望企稳回升

PC 市场在 2022 年出现下滑,2Q23 开始 PC 市场逐步回暖。2013-2018 年,全球 PC 年出货量持续下滑,由于居家期间线上办公需求增加,2019-2021 年全球 PC 年出货量有所回暖,从 2.61 亿台上升至 3.39 亿台。受全球经济下行影响,2022 年全球 PC 市场出现较大下滑,2022 年全球 PC 出货量下滑至 2.83 亿台,同比下降 16.42%。2023 年二季度开始,全球 PC 市场呈现复苏态势,2Q23-4Q23全球 PC 销量环比分别增长 8.07%,7.76%和-1.41%。伴随生成式人工智能的快速发展,AIPC 有望掀起新一轮的 PC 换机周期,AMD 有望充分受益。
AMD 在 CY4Q23 客户部门实现收入 15 亿美元,同比+62%。公司在 2024年 1 月推出了最新一代 Ryzen 8000 系列 PC 处理器,OEM 系统预计将于 2024年第二季度上市。展望 2024 年,得益于 AI PC 销售的增加,PC 市场空间将稳步增长,公司认为客户端业务将实现强劲增长。

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2.3 服务器 CPU:霄龙系列的重磅回归

2.3.1 服务器端第四代霄龙处理器性能强劲

服务器处理器方面,公司在数据中心端发力,第四代霄龙处理器性能强劲。
2022 年,AMD 推出第四代霄龙处理器,旨在打造高性能、高效率的数据中心 CPU。
根据 Wccftech 统计,SPEC2017 整数基准下第四代霄龙处理器有多个产品测试得分在 1000 以上,显著优于英特尔可比产品至强系列 8380 及 8362 处理器;其中霄龙 9654 处理器测试得分为 1550,是英特尔至强系列 8380 处理器的 2.5 倍。

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凭借出色的能效,霄龙四代处理器可帮助企业提升能源使用效率,降低成本。
据 AMD 官方披露,在同时处理 1995 个虚拟化需求时,平均 5 台霄龙 9654 处理器即可满足单个企业的使用需求,而英特尔至强 8380 处理器则需要 15 台才能达到同等效果。通过使用霄龙四代处理器,企业可节省许多服务器和电力。
2.3.2 X86 占据主导地位,服务器长期成长空间广阔

服务器市场规模呈波动上升趋势,长期市场空间广阔。据 IDC 统计,2014 至2022 年全球服务器销售额从 509.8 亿美元增长至 1215.8 亿美元。从出货量看,2022 年全球服务器出货量为 1516.5 万台,同比增长 12%;据 IDC 预计,2026年全球服务器出货量达 1885.1 万台,2021-2026 年 CAGR 达 6%。AI 带动全球云商资本开支快速提升,服务器市场长期成长空间广阔。

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3 GPU 市场地位稳固,数据中心开启发力

3.1 收购 ATI,GPU 架构持续升级

3.1.1 收购 ATI,强强联合

AMD 的 GPU 业务始于 2006 年对 ATI 的收购。此次收购旨在扩大产品组合和技术能力,以提供更全面的计算解决方案。ATI 创立于 1985 年,曾是世界著名的显示芯片生产商。起初 ATI 仅涉足 OEM 业务,为 IBM 等公司制造显示芯片,而后 ATI 自研出了性能超越 IBM 显卡的 EGA/VGA Wonder 系列显卡,声名大振,从此在图形领域占据立足之地。21 世纪初,图形市场竞争格局有所改变,NVIDIA 接替 3DFX 成为新的领军企业,在此背景下,ATI 又推出了 Radeon 显示核心与之抗衡。2002 年 ATI Radeon 9700 的率先推出对 NVIDIA 造成了打击,这颗芯片支持 DirectX 9.0,并且从显存宽位、渲染管道等方面都超越了 NVIDIA产品。据 Jon Peddie Research 统计,2006 年第一季度 ATI 在图形芯片市场的占有率为 29%,而 NIVIDA 仅有 19%。
在收购 ATI 之前,AMD 的业务版图内还没有图形芯片板块,主要向 NVIDIA采购图形芯片,而 ATI 与英特尔的业务关系更为紧密,若英特尔收购 ATI,业务单薄的 AMD 将会面临竞争压力。在 2006 年 7 月 24 日,AMD 宣告以 54 亿美元收购 ATI,并于 10 月 25 日完成收购,最终收购对价为 43 亿美元现金加 5800 万AMD 普通股。AMD 成为当时唯一一家拥有 CPU+GPU 技术的公司,并将 ATI的 Radeon 品牌和技术整合到自身产品线中。

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3.1.2 GPU 持续架构迭代,性能领先

AMD GPU 架构保持高速的迭代,以确保产品与时俱进。最初 AMD 的 GPU产品采用 Terascale 架构,主要用于游戏和多媒体应用。它采用了流处理器(StreamProcessor)的设计,支持高效的并行计算。

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在 2010 年代初,为了迎合通用计算 GPU 的潮流,AMD 又推出了 GCN 架构。GCN 架构是一种全新的消费类 GPU 设计方式,是世界上第一款 28nm GPU架构,其中配有 32 个计算单元(2048 个流处理器),每个单元中包含一个标量协处理器。同时,GCN 架构中相同空间的容量由 26 亿个晶体管变为 43 亿个晶体管(GPU 的最基本单元)。相较于前一代 Terascale 架构,GCN 提高了 GPU 的多线程处理能力,提高了扩展能力和弹性。在此架构下,AMD 推出了性能一流的 AMD Radeon™ HD 7000 系列显卡产品。

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在 2019 年和 2020 年,AMD 相继推出 RDNA 架构和 CDNA 架构,以分别支持 GPU 图形显卡和通用 GPU。当前最新的 RDNA 3 架构应用于 Radeon RX7900 XTX 和 Radeon RX 7900 XT 显卡。RDNA 3 架构采用了基于 Chiplet 设计的 MCM 策略,这种封装方式提供了更高的灵活性和性能优化。最重要的改进在于 RDNA 3 架构的流处理器采用了双发射设计,这一设计大大地提升了峰值浮点性能,从而实现 FP32 算力的翻倍效果。此外,RDNA 3 架构还引入了全新的 AI运算单元,每个计算单元配备两个专门的 AI 运算单元,可提高 2.7 倍的相关运行效率,为未来在人工智能领域的应用奠定基础。

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最新的 CDNA 3 架构融合了 5nm 制程的小芯片、3D 芯片堆叠技术、第四代Infinity Architecture、下一代无限缓存技术以及 HBM 显存,这些元素被集成在一个封装中。CDNA 3 是 AMD Instinct 系列加速器最新产品的专用计算架构,采用先进的封装和小芯片技术。相较于 AMD CDNA2 架构,预计 CDNA3 架构在AI 训练工作负载上的每瓦性能将提高超过 5 倍以上。

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在GPGPU领域,AMD采用了CDNA系列架构(CDNA、CDNA2、CDNA3)。
CDNA 架构在计算单元方面,分为 4 个 ACE(异步计算单元),每个 ACE 包含了40 个 CU(计算单元),共 120 个 CU,7680 个流处理器。首个采用 CDNA 架构的产品是 AMD Instinct MI100 加速器,它拥有卓越的计算性能和强大的浮点运算能力。

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CDNA 2 架构有 4 个计算引擎 CE,每个 CE 包含 28 个 CU,总共包含了 112个物理 CU。是为了加速繁重的科学计算工作负载和机器学习的应用,主要应用于AMD Instinct MI200 系列加速器。它使用了 AMD 独特的 Infinity Fabric 来扩展跨封装的 on-die 模组,以使封装内的每个 GCD 都可以作为一个 GPU 使用。
CDNA 3 架构融合了 5nm 制程的小芯片、3D 芯片堆叠技术、第四代 Infinity Architecture、下一代无限缓存技术以及 HBM 显存,这些元素被集成在一个封装中。CDNA 3 是 AMD Instinct 系列加速器最新产品的专用计算架构,采用先进的封装和小芯片技术。相较于 AMD CDNA2 架构,预计 CDNA3 架构在 AI 训练工作负载上的每瓦性能将提高超过 5 倍以上。这使得 MI300 能够为 AI 训练等任务提供更高效的性能。

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在 CDNA 架构的基础上,AMD 推出了 Radeon Instinct AI 芯片系列,助力其进军人工智能领域。Radeon Instinct 提供 AI 加速器芯片,用于机器学习、深度学习和高性能计算等任务。这些 AI 芯片具备强大的并行计算能力,可提供卓越的 AI 推理和训练性能,有助于加快各种复杂的数据分析和人工智能工作负载。
芯片具备强大的并行计算能力,为复杂数据分析和人工智能工作负载提供出色的AI 推理和训练性能。它们有助于加快各种复杂任务的处理速度。

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3.2 显卡市场稳步增长,Radeon 系列经久不衰

3.2.1 AMD 显卡产品力行业领先

由于游戏、专业图形渲染等领域的旺盛需求,图形 GPU 市场正在稳步发展。
随着游戏玩家对游戏画质和图像帧率等要求的不断升级,高性能 GPU 在特殊渲染算法等性能方面的支持变得至关重要,以满足游戏领域日益增长的技术需求。据Konvoy 数据显示,2023 年全球游戏市场规模预计为 1880 亿美元,到 2028 年将增长至 2880 亿美元,2023-2028 年的 CAGR 为 8.94%,这将持续拉动游戏领域对 GPU 的市场需求。

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在专业图形渲染领域,随着设计、动画及虚拟现实行业的迅速崛起,市场对高性能图形 GPU 的需求持续增长。随着技术的不断进步,图形设计、编辑及渲染软件得以持续优化,并充分利用高性能 GPU 的强大计算能力。高性能 GPU 的应用不仅加速了图形渲染速度,还显著提升了渲染质量,确保了高清晰度、多帧率图像的流畅呈现。

— 报告摘录结束 更多内容请阅读报告原文 —

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(特别说明:本文来源于公开资料,摘录内容仅供参考,不构成任何投资建议,如需使用请参阅报告原文。)

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