AI 產業鏈架構及相關硬件梳理

在當今智能化的時代浪潮中，AI 已成為驅動各行業變革的核心力量。從日常使用的智能語音助手，到自動駕駛汽車的精準導航，再到智能醫療領域的疾病診斷輔助，AI 的應用正以前所未有的速度滲透到生活的方方面面。而支撐這一切的，是一個龐大而復雜的產業鏈，其中硬件作為算力的根基，尤為關鍵。

AI 產業鏈主要分為上游（基礎層）、中游（技術層）和下游（應用層）三個部分。上游基礎層主要包括計算芯片、傳感器、存儲器件等核心硬件，以及支持 AI 運作的云計算和數據中心基礎設施，是整個 AI 產業鏈的基石。中游技術層包括算法研發、AI 開發平臺、工具鏈和框架，支撐 AI 模型訓練和推理，是連接基礎層和應用層的關鍵橋梁。下游應用層則涉及垂直領域的智能化應用，例如自動駕駛、醫療影像識別、智能安防、工業檢測等，是 AI 技術與實際場景深度融合的關鍵環節，將基礎層算力和技術層算法結合，為各行業帶來變革和價值。

在這個產業鏈中，硬件部分貫穿上下游，其重要性不言而喻。從上游的基礎器件，到中游的硬件設備，再到下游垂直行業的硬件應用中，每一個環節都依賴著硬件的支持，它們共同推動著 AI 技術的發展與應用。接下來，讓我們深入剖析 AI 產業鏈中的硬件世界，探尋其核心組成與發展趨勢。

AI 產業鏈的三層架構

上游：基礎層

上游基礎層是 AI 產業的根基，主要包括計算芯片、傳感器、存儲器件等核心硬件，以及支持 AI 運作的云計算和數據中心基礎設施。計算芯片作為 AI 的核心硬件之一，如 GPU、TPU、ASIC、FPGA 等，為 AI 的大量計算任務提供強大算力。

中游：技術層

中游技術層是連接基礎層和應用層的關鍵橋梁，依托基礎層提供的算力和數據，為 AI 應用開發提供核心技術支持。這一層涵蓋了算法研發、AI 開發平臺、工具鏈和框架，以及 AI 硬件設備。算法研發是 AI 技術的核心，機器學習和深度學習等算法讓機器能夠自主學習和決策。

下游：應用層

下游應用層是 AI 技術與實際場景深度融合的關鍵環節，將基礎層算力和技術層算法結合，在多個垂直領域實現智能化應用，為行業帶來變革和價值。像智能安防，自動駕駛與智能網聯汽車，工業自動化，智能家居，AI 語音助手等領域，都讓人們的生活更加智能化。

AI 產業鏈中的硬件細分

上游硬件供應

1. 計算芯片 

計算芯片是 AI 硬件的關鍵，常見類型包括 GPU、TPU、ASIC 和 FPGA。

lGPU（圖形處理器）：原本用于圖形圖像任務處理，憑借強大的并行計算能力，在深度學習領域發揮著重要作用。深度學習中頻繁的大規模矩陣運算，GPU 能夠同時處理大量數據，運算速度大幅提升。以訓練復雜的圖像識別模型為例，相比 CPU，GPU 可在短時間內完成海量數據處理，效率提升數倍甚至數十倍。

lTPU（張量處理單元）：由谷歌專為深度學習打造，針對張量運算進行優化，能高效執行深度學習算法中的矩陣乘法等核心運算，顯著提高深度學習的計算效率。

 lASIC（專用集成電路）：是針對特定應用場景設計的定制芯片。伴隨著行業的快速發展，對低功耗、小型化和高計算性能的要求也逐步提升，華為昇騰芯片、寒武紀芯片等專為 AI 計算優化的 ASIC 應運而生，在特定任務中可實現高效、低功耗運算。

lFPGA（現場可編程門陣列）：具有可重新編程的特性，開發人員能根據實際需求靈活配置其硬件邏輯。在 AI 推理階段，若產品需求發生變化，利用 FPGA 可快速修改硬件邏輯，實現定制化開發，提升推理效率。

• 代表廠商：GPU 領域的 NVIDIA、AMD；TPU 領域的 Google；ASIC 領域的華為昇騰、寒武紀、Broadcom；FPGA 領域的 Intel（Altera）、賽靈思（Xilinx）。

• 趨勢：隨著 AI 應用場景的不斷細分，定制化 AI 芯片（ASIC）逐漸興起。例如在邊緣計算場景中，ASIC 芯片能夠針對邊緣設備的低功耗、小型化需求進行優化，在實現高效算力的同時降低能耗，滿足如智能攝像頭、工業檢測終端等設備的計算需求。

2. 傳感器 

傳感器如同 AI 硬件獲取外界信息的 “五官”，不同類型的傳感器功能各異。

lCMOS 傳感器：攝像頭模組中的 CMOS 傳感器通過光電轉換將光信號轉化為電信號，從而采集圖像信息，廣泛應用于安防監控、智能設備拍照等領域。代表廠商有索尼、三星、安森美、豪威科技。

激光雷達：通過發射和接收激光束，測量目標物體的距離，進而構建周圍環境的三維模型，是自動駕駛汽車實現精準導航和避障的關鍵設備。代表廠商有 Velodyne、禾賽科技、鐳神智能。

毫米波雷達：利用毫米波頻段電磁波檢測目標物體的距離、速度和角度，具有抗干擾能力強、全天候工作的優勢，常用于汽車輔助駕駛系統。代表廠商有博世、大陸、華為。

麥克風陣列：用于采集聲音信號，實現語音交互、語音識別等功能，智能音箱依靠它接收用戶的語音指令。常見的麥克風陣列廠商有樓氏電子、歌爾股份等。

• 趨勢：隨著 AI 技術在智能駕駛、智能家居等領域的深入應用，對傳感器的精度、可靠性和集成度提出了更高要求。例如，激光雷達的性能不斷提升，成本逐漸降低，越來越多的自動駕駛汽車開始配備多個激光雷達以實現更全面的環境感知；麥克風陣列也在向小型化、高靈敏度方向發展，以適應智能音箱、智能耳機等設備的需求。

3. 存儲器件

存儲器件負責為 AI 系統存儲數據，常見的有 DRAM、NAND Flash 和 HBM。

lDRAM（動態隨機存儲器）：作為計算機和其他電子設備的主存儲器，用于臨時存儲正在運行的程序和數據，讀寫速度較快，但斷電后數據會丟失。代表廠商有美光、三星、SK 海力士。

lNAND Flash（閃存）：具有非易失性，即使斷電數據也能保存，常用于固態硬盤（SSD）、USB 閃存驅動器等大容量數據存儲。

lHBM（高帶寬內存）：專為 AI 訓練等高性能計算場景設計，具備高帶寬、低延遲特性，能滿足 AI 模型對海量數據的快速讀寫需求，大幅提升計算效率。目前，三星、SK 海力士等廠商在 HBM 領域處于領先地位，其 HBM 產品為 AI 服務器提供了強大的存儲支持。

• 趨勢：隨著 AI 模型的規模和復雜度不斷增加，對存儲的帶寬和容量要求也越來越高。HBM 等高帶寬存儲技術將在 AI 硬件中得到更廣泛的應用，同時，存儲器件也在不斷朝著更高密度、更低功耗的方向發展，以滿足數據中心等大規模 AI 計算場景的需求。

中游 AI 硬件設備

1. AI 訓練設備：

• 類型：高性能計算集群（HPC）是 AI 訓練的核心設備，包括超級計算機與專用 AI 集群。這些集群通常由多個計算節點組成，每個節點配備高性能的處理器、GPU 等計算芯片，通過高速網絡連接，實現大規模的并行計算 。

• 代表案例：NVIDIA DGX 系統是一款專為 AI 計算設計的高性能計算平臺，集成了多個 NVIDIA GPU 和高速網絡，能夠提供強大的算力支持；華為 Atlas 系列 AI 計算平臺基于昇騰芯片，提供了從邊緣到數據中心的全場景 AI 計算解決方案 。

• 代表廠商：NVIDIA、華為。

2. 網絡與數據中心硬件：

• 類型：網絡設備包括高速交換機、光模塊（如 400G/800G），用于實現數據的高速傳輸和交換；數據中心設備則包括服務器（如 AI 專用服務器）、電源管理設備、冷卻系統等，為 AI 計算提供基礎設施支持 。

• 代表廠商：思科、浪潮、新華三、寧暢、超聚變等。

• 趨勢：為了滿足 AI 計算對數據傳輸速度和穩定性的要求，網絡設備正朝著更高帶寬、更低延遲的方向發展。例如，400G/800G 光模塊的應用逐漸普及，能夠實現更高速的數據傳輸。同時，數據中心設備也在不斷優化，以提高能源效率和計算性能，如采用液冷技術的服務器能夠更好地解決散熱問題，提高設備的穩定性和可靠性。

下游垂直行業設備

 1. 邊緣計算設備：

• 類型：邊緣計算設備是部署在靠近終端的小型算力設備，如邊緣 AI 芯片模組、AI 盒子、工業級計算設備等。它們能夠在本地對數據進行實時處理和分析，減少數據傳輸延遲，提高系統的響應速度 。

•  代表案例：NVIDIA Jetson 系列是一系列面向邊緣計算的 AI 平臺，提供了豐富的硬件接口和軟件支持，能夠方便地集成到各種邊緣設備中；Intel Movidius 系列則專注于提供低功耗、高性能的邊緣 AI 計算解決方案，適用于智能攝像頭、無人機等設備；樹莓派（附加 AI 加速模塊）作為一款開源的單板計算機，通過添加 AI 加速模塊，也能夠實現邊緣 AI 計算功能 。

2. 智能安防：

AI 攝像頭、人臉識別門禁系統等廣泛應用，如人臉識別、行為分析、異常檢測等功能，有力保障了城市安全。通過 AI 技術對監控視頻的實時分析，能快速定位可疑行為和人員，大幅提升安防效率，降低人力成本 ，并能在事后通過智能檢索快速回溯相關事件，為案件偵破提供有力支持。

3. 自動駕駛與智能網聯汽車：

自動駕駛計算平臺、車載攝像頭、雷達等是關鍵設備。例如自動駕駛技術的廣泛應用不僅提高出行的安全性，減少人為失誤導致的交通事故，還能提升交通效率，緩解交通擁堵，同時為智能網聯汽車發展奠定基礎，實現車與車、車與基礎設施之間的信息交互，拓展更多增值服務，如遠程車輛控制、實時路況導航等。

 4. 工業自動化：

工業機器人、智能檢測設備等助力工業智能化升級。它們能實現生產過程的自動化控制、精準裝配、質量檢測等功能，提高生產效率和產品質量，降低廢品率，還能在危險、惡劣環境下替代人工操作，保障工人安全。通過工業大數據和 AI 分析，還能優化生產流程，實現預測性維護，減少設備停機時間。

5. 醫療設備：

AI 輔助診斷設備等為醫療診斷提供更準確高效的手段。GE 醫療、聯影醫療等廠商產品實現醫療影像智能分析和疾病診斷，輔助醫生工作。例如在醫學影像領域，AI 能快速識別 X 光、CT、MRI 等影像中的異常，幫助醫生更準確地發現早期病變，提高診斷準確率，縮短診斷時間，使患者能得到更及時的治療。同時，AI 還能對醫療數據進行分析挖掘，輔助醫療決策，推動精準醫療發展。

AI 硬件的發展趨勢

1.邊緣計算爆發

邊緣計算設備正朝著小型化、低功耗化的方向發展，這一趨勢使其能夠更便捷地部署在靠近終端的場景中，有力地推動了 AI 向終端的滲透。在工業檢測領域，邊緣計算設備能夠實時分析傳感器采集到的數據，快速準確地預測設備故障，及時發現產品質量問題，從而實現對生產過程的精準控制，提高生產效率和產品質量。以智能工廠中的自動化生產線為例，邊緣計算設備可以實時監測生產線上各個設備的運行狀態，通過對振動、溫度、電流等數據的分析，提前預警可能出現的故障，避免生產線的停機，減少生產損失。

2.寬禁帶半導體助力硬件效率提升

SiC（碳化硅）/GaN（氮化鎵）器件在 AI 設備電源管理中得到了越來越廣泛的應用，它們為提升 AI 硬件的能效帶來了顯著的效果。與傳統的硅基半導體器件相比，SiC/GaN 器件具有寬禁帶寬度、高電子遷移率和擊穿電場強度等優異特性，使其能夠在高溫、高壓、高頻的環境下穩定工作。在數據中心的 AI 服務器中，采用 SiC 功率器件可以將電源轉換效率大幅提升。這不僅降低了服務器的能耗，減少了運行成本，還減輕了散熱系統的負擔，提高了服務器的穩定性和可靠性。隨著技術的不斷進步和成本的逐漸降低，SiC/GaN 器件有望在更多的 AI 設備中得到應用，進一步推動 AI 硬件的發展。未來，我們可能會看到更多采用寬禁帶半導體器件的 AI 芯片、邊緣計算設備和數據中心服務器，它們將以更高的效率和更低的能耗，為 AI 技術的應用提供更強大的支持。

3.定制化 ASIC 加速普及

隨著 AI 應用場景的日益細分，特定場景對算力優化的需求愈發迫切，定制化 ASIC（專用集成電路）應運而生。在自然語言處理（NLP）領域，定制化 ASIC 能夠針對文本處理的算法和任務特點進行優化，顯著提升文本處理的速度和準確性。它可以快速地對大量的文本數據進行分析、理解和生成，為智能語音助手、機器翻譯、文本分類等應用提供高效的計算支持。在圖像處理領域，定制化 ASIC 同樣表現出色，能夠快速處理圖像數據，實現圖像識別、目標檢測、圖像分割等功能。在智能安防監控系統中，定制化 ASIC 芯片可以實時分析監控視頻中的圖像，準確識別出人員、車輛、異常行為等信息，為安防決策提供有力依據。

4.高帶寬存儲需求激增

隨著 AI 模型的復雜度不斷提升，對高帶寬存儲的需求呈現出激增的態勢。AI 模型的訓練和推理過程需要處理海量的數據，這些數據的讀寫速度對模型的性能和效率有著至關重要的影響。HBM（高帶寬內存）等高性能存儲專為 AI 訓練等高性能計算場景而設計，具有高帶寬、低延遲的特點，能夠滿足 AI 模型對數據快速讀寫的嚴格要求。在訓練大型語言模型時，模型參數和訓練數據量巨大，需要頻繁地讀取和寫入數據。HBM 能夠提供高速的數據傳輸通道，大大縮短了數據的讀寫時間，加速了模型的訓練過程。如果使用傳統的存儲設備，由于其帶寬和延遲的限制，會導致模型訓練時間大幅延長，效率低下。

隨著 AI 技術的持續發展，模型的規模和復雜度還將不斷增加，對高帶寬存儲的需求也將越來越高。高帶寬存儲技術將成為推動 AI 硬件及設備發展的關鍵因素之一。為了滿足這一需求，存儲廠商不斷加大研發投入，推出更高性能的存儲產品。未來，我們有望看到更高帶寬、更大容量的存儲設備出現，為 AI 的發展提供更強大的存儲支持，助力 AI 在更多領域實現突破和創新。

5.光子計算興起

光子芯片在高速數據處理方面展現出了巨大的潛力，為 AI 計算帶來了革命性的提升。光子芯片以光子作為信息載體，利用光的高速傳播特性，能夠實現數據的超高速傳輸和處理。在 AI 計算中，光子芯片可以通過光信號的并行處理，快速完成大規模的矩陣運算和神經網絡計算，極大地提高了 AI 模型的訓練和推理速度。與傳統的電子芯片相比，光子芯片具有高速、低功耗、并行性強等優勢。光子的傳播速度接近光速，遠遠超過電子的傳輸速度，這使得光子芯片能夠在極短的時間內處理大量的數據。同時，光子芯片在運行過程中產生的熱量較少，功耗更低，有利于降低設備的能耗和散熱成本。

雖然目前光子計算技術尚處于發展階段，面臨著制造工藝復雜、成本較高以及與現有計算機系統兼容性等問題，但隨著科研人員的不斷探索和創新，這些問題正在逐步得到解決。未來，光子計算有望成為 AI 計算的重要方向，為 AI 技術的發展注入新的活力。一旦光子芯片技術成熟并實現大規模應用，將會推動 AI 在各個領域的應用取得更大的突破，如更智能的自動駕駛系統、更精準的醫療診斷、更高效的智能安防等。

結語

AI 產業鏈的發展不僅將推動科技的進步，還將深刻影響經濟和社會的發展。它將催生新的產業和商業模式，創造更多的就業機會，提高生產效率和生活質量。但與此同時，AI 產業的發展也帶來了一些挑戰，如數據隱私、倫理道德、就業結構調整等問題，需要我們共同努力，制定相應的政策和規范，確保 AI 技術的健康、可持續發展。

AI 服務器電源：下一篇的探索之旅

隨著 AI 算力需求的不斷增長，AI 服務器電源的功率和效率要求也將不斷提高。未來，AI 服務器電源將朝著更高功率、更高效率、更智能化的方向發展，為 AI 服務器的穩定運行提供可靠的電力保障。其中有著許多值得探究的奧秘。下一篇文章，我們將聚焦 AI 服務器電源，圍繞其架構、發展空間與趨勢展開闡述。

參考資料：

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[6]AI 算力產業鏈如何解讀？一文看懂 [EB/OL].(2024-09-26)[2024-11-27].AI算力產業鏈如何解讀？一文看懂 文章整理：鄭竹英（Tetikuei），轉載請注明來源自ChatGPT爆紅以來，生成式AI（AIGC）已迅速成為ICT領域... - 雪球

注釋：本文含AI生成部分，請仔細甄別。