先进制程受限下终端算力的系统级突破,鸿蒙,AIoT芯片新机遇

报告研读小助理 2024-01-23 11:41:45

报告出品方:东北证券

以下为报告原文节选

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1. OpenHarmony 千帆启航, C 端 B 端打通万物互连

1.1. 操作系统世界的第二种选择,OpenHarmony 与 HarmonyOS 双线推进,创造 C 端 B 端闭环生态

鸿蒙全场景联接,All Intelligence 加速千行百业智能化转型。作为华为战略发展的重要方向,All Intelligence 战略旨在加速千行万业的智能化转型,让所有对象可联接,让所有应用可模型,让所有决策可计算。而鸿蒙是实现万物互连的第一步,凭借分布式、跨终端的优势,实现终端之间、端管云之间的按需协同,进一步使能千行百业。

一次开发,多端部署。鸿蒙具有多端统一 OS,采用一套架构积木化拼装,可以覆盖轻量、小型、标准等多种应用场景与对应设备形态。在一套开发框架下,支持应用在不同设备形态下运行。与此同时,鸿蒙具有统一的驱动框架,为驱动使用者提供丰富、稳定的接口,为开发者提供驱动开发模板,降低开发难度。通过一次开发,可在代码级实现多设备工程管理、多目标构建以及一体化打包;在多端运行中实现逻辑与 UI(用户界面)解耦以及跨端接口差异化屏蔽;在界面级实现自适应布局、响应式布局以及多态组件。在软硬件相互配合的作用下,真正形成超级终端。以上可以理解为,鸿蒙对于开发者非常友好,开发者只需要做一次代码开发,就可以把这套代码应用到不同的终端,比如手机、平板、PC、手表等终端中,大大减少了开发者同一套逻辑的代码工程在不同终端适配开发的重复工作。

基于 Linux,对标安卓,构筑全新操作系统。安卓操作系统作为当前唯二移动端主流操作系统之一,基于 Linux 系统并于 2007 年进行开源。小米、华为、Vivo、魅族、一加等众多厂商基于开源的安卓(AOSP,Android Open Source Project)进行进一步的系统开发。谷歌也通过 GMS(Google Mobile Services)+AOSP 的形式为广大客户提供服务支持。华为在 2019 年后无法正常使用 GMS,以自研 HMS(Huawei Mobile Services)应对制裁。与此同时,基于 Linux 自研 Openharmony 操作系统,直接对标安卓 AOSP。目前华为通过 Openharmony+HMS 构建 HarmonyOS,并逐步降低安卓APK(Android application package,Android 应用程序包)的使用率,搭建独立于安卓之外的“纯血”鸿蒙系统(HarmonyOS NEXT,鸿蒙星河版),给世界提供第二种选择。

OpenHarmony 为基,HarmonyOS 为旗,开源鸿蒙迎来星辰大海。华为在 2020 年、2021 年分两次把鸿蒙系统的基础能力全部捐献给开放原子开源基金会,形成OpenHarmony 开源项目。华为继续持续参与 OpenHarmony 开源项目共建,为其消费者业务打造 HarmonyOS 系统。在 2024.1.18 日鸿蒙生态千帆启航仪式上,华为发布鸿蒙星河版(HarmonyOS NEXT),首批 200 多个鸿蒙原生应用已在加速开发,覆盖便捷生活、出行文旅、金融便利、社交资讯、生产力工具、影音娱乐、游戏等领域,鸿蒙原生应用版图已基本成型,鸿蒙生态进入第二阶段。除了华为主导的HaarmonyOS,更有 4 大鸿蒙共建单位和 24 家鸿蒙使能单位携手超过 400 家企业进行鸿蒙原生应用开发,覆盖信创、医疗、教育、金融、交通、电力等多个应用领域,未来有望实现全面鸿蒙生态。

OpenHarmony 快速迭代,不断升级迅速壮大。自从开源鸿蒙 2020 年成立以来,版本不断迭代,并于今年 1 月发布 OpenHarmony4.1 Beta1。OpenHarmony 整体遵从分层设计,从下向上依次为:内核层、系统服务层、框架层和应用层。系统功能按照“系统 > 子系统 > 组件”逐级展开,在多设备部署场景下,支持根据实际需求裁剪某些非必要的组件。OpenHarmony 面向全场景、全连接、全智能时代,基于开源的方式,搭建智能终端设备操作系统的框架和平台,促进万物互联产业的繁荣发展。

OpenHarmony 与 HarmonyOS 有相同底层:OpenHarmony 面向千行百业,HarmonyOS 面向消费电子,B 端 C 端将共享软硬件生态。考虑到 HarmonyOS 出身于 OpenHarmony,二者具有相同的分布式底层,从应用程序角度而言,二者均运行HAP 格式的鸿蒙应用程序包(HAP:HarmonyOS Ability Package),因此十分有利于打通 C 端和 B 端的软硬件生态。试想一下,在 B 端的 PC 和平板上,如何可以安装华为手机平板端海量的软件,对于该 B 端 PC 和平板的价值提升无疑是非常吸引人的。或者,在信创应用中,未来的鸿蒙生态可以使得信创端用上 C 端的行业应用软件,C 端的优势是有海量用户和高频迭代,打通 C 端和 B 端,未来 B 端也能享受到C 端的海量应用和高频更新,打造更好的行业体验。

HarmonyOS 扬帆起航,星河版迈入星辰大海。在 2024.1.18 的鸿蒙生态千帆启航仪式中,华为官方宣布鸿蒙生态设备数量在 5 个月内已快速从 7 亿增长至 8 亿,并正式发布了 HarmonyOS NEXT 鸿蒙星河版,面向开发者开放申请。鸿蒙星河版将打造原生精致、原生易用、原生流畅、原生安全、原生智能、原生互联等极致体验。自去年 9 月份华为宣布 HarmonyOS NEXT 蓄势待发、鸿蒙原生应用全面启动以来,首批 200+鸿蒙原生应用已在加速开发,覆盖便捷生活、出行文旅、金融便利、社交资讯、生产力工具、影音娱乐、游戏等领域,鸿蒙原生应用版图已基本成型。与此同时,为加速鸿蒙生态建设与鸿蒙人才培养,目前已有 305 所高校学生参与鸿蒙活动,鸿蒙校园公开课进入 135 所高校,286 家企业参加鸿蒙生态学堂,38 万+开发者通过鸿蒙认证,150 多个产学合作项目,为鸿蒙生态的持续创新和繁荣发展提供充足的技术储备和人才储备。华为终端云总裁朱勇刚表示,预计在今年年底实现 5000+鸿蒙原生应用开发,并最终实现 50 万应用。璀璨星河逐渐汇聚,万亿蓝海正被点亮。

C 端庞大用户基数,带来 B 端非凡体验。鸿蒙已拥有 8 亿用户终端的庞大基数,开发者必然会重视鸿蒙系统的应用开发,今年预计实现 5000+原生应用开发。鉴于鸿蒙系统的分布式跨终端的功能优势,还将吸引更多开发者投入鸿蒙原生应用的开发,应用功能与兼容性也将在众多用户的使用下,至臻至美,共筑繁荣生态。在打通 B端 C 端软硬件畅通的繁荣生态下,原本用户基数少,软件开发成本高的 B 端,将在共享的繁荣生态下,获得 C 端般的非凡体验。B 端的智能化之路将更为顺畅,开启新一轮智能化赋能下的生产力变革,得到更好的投入产出效益。

1.2. 星光汇聚看黎明,OpenHarmony 社区迅速发展

开源鸿蒙蓬勃发展,项目持续推进。截至 2023 年 11 月数据,OpenHarmony 社区累计超过 6200 名贡献者产生 24.4 万多个合并请求(PR),2.3 万多个点赞(Star),6.2万多个克隆(Fork)以及 59 个特别兴趣小组(SIG)。代码共建组协同华为、深开鸿、软通动力、润和软件、开鸿智谷、九联科技、君正、京东、诚迈科技、中国科学院软件所、中软国际等共建单位锁定 2023 年共建目标,合计实现 3400+人/月共建工作量。社群共沉淀开发者 11959 人,整个开源鸿蒙项目蓬勃发展。

主仓代码修改量突破 5000 万行,迭代速度与覆盖度显著提升。截至 2024 年 1 月 16日,合作伙伴TOP20主仓代码修改量达到5156.31万行,其中华为贡献占比为91.02%。

按不同周期来看,从 2020 年鸿蒙开源以来,近一年 TOP20 代码修改量占总修改量的 41.52%,其中上半年占比 17.39%,下半年占比 24.13%,整体迭代速度持续加快。

分贡献者来看,近一年/近半年/近一月华为贡献主仓代码修改量占比分别为91.38%/90.16%/85.45%,越来越多的合作开发者加入鸿蒙迭代进程中。

兼容设备数量快速提升,下游应用场景不断拓展。截至 2023 年 11 月末,累计已有165 个厂家的 448 款产品通过兼容性测评,其中商用设备/软件开发版/开发版与模组分别为 225/43/180 个。上年同期通过兼容性测试的产品数量仅为 198 个,同比增幅126.26%,其中商用设备/软件开发版/开发版与模组分别为 88/26/84 个,同比增速分别为 155.68%/65.38%/114.29%。若统计 2022 年 10 月至 2023 年 11 月数据,商用设备/软件开发版/开发版与模组分别平均每月新增 11/2/9 个产品。从下游应用来看,新增设备来自边缘计算、安防、网联、工业控制等多个领域。未来随着更多的合作伙伴加入,有望实现全产业覆盖。

公开技术交流充分,社区月活快速增加。截至 2023 年 11 月末,OpenHarmony 相关社区月度累计发布技术文章及视频教程达到3177个,累计数量平均月增幅为8.17%,每月新增技术文章及视频教程平均数量为 149 个。近一年发布技术文章及视频教程为 1793 个,占总发布量的 56.44%。社区累计浏览量达到 279.7 万次,累计浏览量平均月增幅为 16.78%,每月平均新增浏览量为 16.77 万次。近一年社区浏览量新增224.69 万次,占总浏览量的 80.33%。随着 OpenHarmony 项目的快速推进,相关社区关注度迅速提升,同时反向推动 OpenHarmony 的持续迭代,形成正向循环。

2. 鸿蒙不是对安卓等的平替,而是超越:终端交互方式的颠覆式创新,先进制程受限下的系统级突破途径

鸿蒙系统的最基础能力是“跨终端、分布式”,也是其最大优势。鸿蒙操作系统(包括 HarmonyOS 和 OpenHarmony,以及以 OpenHarmony 为基础的其他鸿蒙操作系统)的最基础特点是“跨终端、分布式”,是真正的万物互联的操作系统,为不同设备的智能化、互联和协同提供了统一的语言。按照华为对鸿蒙系统的描述,鸿蒙操作系统具有三大特征:一是一套操作系统可以满足大大小小设备需求,实现统一 OS,弹性不熟;而是搭载该操作系统的设备在系统层面融为一体、形成超级终端,让设备的硬件能力可以弹性扩展,实现设备之间的硬件互助,资源共享;三是面向开发者,实现一次开发,多端部署。我们把以上描述理解为:搭载鸿蒙系统的硬件,形成互联时(比如“超级终端”功能),所有硬件的系统暂时融合“同一个系统”,在“同一个系统”下,不同硬件终端尽管在物理上并没有有线连接,终端存储也并未装配在同一块 PCB 主板上,但是在“同一个系统”下,终端之间的计算、存储以及其他功能都可以共享和相互调用。在分布式的操作系统下,终端之间的交互方式获得了革命性的创新,比如可以实现“跨端迁移”、“多端协同”、“分布式硬件”等颠覆式的体验。

2.1. 跨端迁移:鸿蒙应用在硬件、设备之间的自由流转

跨端迁移,鸿蒙应用自由地在多个设备之间流转。跨端迁移是指将一个软件实体从一台设备转移到另外一台设备上运行。借助跨端迁移能力,鸿蒙生态应用可以自由地在多个设备之间流转,为用户带来无缝的用户体验,也会为开发者带来更多的入口和流量。用户使用应用的情境发生变化时(例如从室内走到户外、从办公室到车上等),之前使用的设备可能已经不适合继续当前的任务,或者周围有更合适的设备,此时,可以选择使用新的设备来继续当前的任务。

跨端迁移的应用场景:在外时手机上编辑邮件,到家后迁移到平板上继续编辑;在外时手机玩游戏,到家后迁移到平板上继续玩;在家里智慧屏上看视频,出门时迁移到手机上继续观看;手机视频通话迁移到智慧屏,更沉浸地视频聊天。

2.2. 多端协同:不同硬件、设备协同完成同一项任务

多端协同,多个物理设备协作完成同一项任务。多端协同是指运行在多个物理设备上的软件彼此协作完成一项任务。通过充分发挥每种设备的优势能力(例如智慧屏显示能力、手机输入输出能力等),为用户提供更好的体验。根据协同能力的不同,例如显示能力、交互能力等,可以创造出丰富的协同模式。开发者可以根据应用的实际特点基于鸿蒙系统提供的分布式开放能力,选择合适的模式进行体验设计,或者展开更多探索、创造出新的协同模式。《鸿蒙生态应用开发白皮书》中展示了三种多端协同的应用场景:显示协同、交互协同、算力协同。下面依次对这三个多端协同的场景进行描述展示。

显示协同的应用场景:文档编辑应用的文档内容和周边工具菜单可以分别显示在智慧屏和手机上, 在手机上快速操作编辑菜单,在智慧屏上更清晰地查看编辑的效果。

交互协同的应用场景:在智慧屏上进行搜索时,在手机上进行文本输入。通过智慧屏上网课时,在手机上进行手写答题或绘画。如此,手机成为了智慧屏的一个输入设备,又或者说,智慧屏成为了手机的显示器。

算力协同的应用场景:分布式游戏,在手机/大屏上玩游戏时,利用周边设备(手机、平板、笔记本等)协助完成游戏应用的计算任务(AI 计算、图像渲染),提升游戏帧率、画质。算力协同可以解决单个终端算力的不足的问题,从系统层面,形成硬件、设备集群,利用集群的算力来完成同一个任务,是多端协同颠覆式创新的结果。

2.3. 分布式操作系统的应用案例

2.3.1. 多机位直播场景

用户通过手机拍摄短视频/直播时,边拍摄边控制手机非常不方便,且无法做到多视角拍摄。在一些多人场景下如果能支持多机位、多视角拍摄,短视频或者直播的效果会更加出色。例如:乐队直播音乐表演时,智慧屏拍摄整个乐队,多台手机单独拍摄主唱和其他伴奏成员,最后通过一个平板或者手机整体控制切换不同的拍摄视角,完成整个直播的拍摄工作。这样拍摄出来的视频,既可以看到乐队的整体,又可以看到每个乐队成员的细节,体验更佳。该场景使用到的鸿蒙系统的开放能力有:多端协同、分布式硬件(摄像头、麦克风)。

2.3.2. 分布式健身场景

用户通过智慧屏上的健身课程视频健身,单设备的智慧屏设备无法获取用户在健身过程中的健康数据(例如:心率、消耗热量等),进而无法根据运动数据给出更加科学的健身建议,可能会导致用户出现运动量过大或者不足等问题。基于鸿蒙系统提供的分布式能力,可以通过手表获取用户实时的心率数据,并把数据同步显示在智慧屏上,帮助用户了解健康状态。该场景使用到的鸿蒙系统的开放能力有:多端协同、分布式硬件(Sensor)。

2.3.3. 分布式打车场景

用户外出旅行或者出差,到达机场之后需要用手机打车到目的地,当用户手上拿了行李时,用手机查看出租车的实时状态非常不方便。通过鸿蒙系统提供的分布式能力可以很轻松的解决这个问题,只需要把出租车信息从手机流转到手表,用户抬腕就可以轻松查看出租车的最新状态。该场景使用到的鸿蒙系统的开放能力有:跨端迁移。

2.3.4. 分布式办公场景:不用上云,本地同步

用户在上班路上通过手机编辑文档,到公司之后需要通过 PC 继续编辑时,传统的文档编辑应用需要借助云同步才能实现该需求。从用户体验看,借助“云”同步文件,如果文件很大,同步速度慢并且需要用户多次操作才能完成文档的接续编辑。

从开发者投入成本看,“云”同步文件,需要服务器资源和云文件同步功能的开发,开发者在传统的单设备操作系统上开发“一多”应用也会有很多端侧重复适配工作,大大增加开发成本。通过鸿蒙系统提供的分布式能力,开发者只需要花费很小的成本便可实现用户的跨设备文档同步并接续编辑的需求。用户只需要在手机编辑文档的页面点击流转按钮,选择需要流转的 PC,手机的文档就会同步到 PC,同步完之后自动打开文档进入编辑页面,用户就可以接着在 PC 上继续编辑这个文档了。不用上云,本地同步。该场景使用到的鸿蒙系统的开放能力有:一次开发、多端部署,跨端迁移,分布式文件。

2.3.5. 分布式游戏场景:任何终端硬件都可以是输入设备

亲子游戏时,分布式游戏可以用于活跃家庭气氛,增进亲子关系。但是一般的多人游戏需要多个游戏手柄才能进入游戏,居家生活中,经常会出现找不到手柄的状况。

通过鸿蒙提供的分布式能力,只需要把手机作为游戏手柄,随时可接入游戏。该场景使用到的鸿蒙系统的开放能力有:多端协同、分布式硬件(Sensor)。

2.4. 鸿蒙是现阶段先进制程受限背景下系统层面突破算力瓶颈的重要途

径美国对华为和中国多次进行先进制程封锁。自 2019 年 5 月 15 日美国商务部以国家安全为由,将华为公司及其 70 家附属公司列入出口管制“实体清单”以来,美国对华为的制裁就不断加深。2020 年 5 月 15 日,美国升级禁令,只要有公司用美国设备和技术给华为生产芯片,就必须得到美国批准。在此制裁下,华为芯片全面断供,手机出货量锐减,国内外收入同步下滑。随后美国联邦通信委员会又将华为认定为“国家安全危险”,将华为在内 5 家公司列入“对国家安全构成威胁的通信设备和服务清单”,限制华为设备进入海外市场,对华为实施全面封锁。自贸易战以来,美国商务部的实体清单名单越来越长,涉及中电、华为、中兴、海康威视、中芯国际、福建晋华、长江存储、上海微电子、寒武纪、ICRD、鹏芯微等研究单位以及高科技企业。除此以外,在 14nm 及以下逻辑芯片领域,美国不仅限制中国企业使用美国产的半导体设备,还阻止其他国家向中国出售这一领域的关键设备和材料,加强了对该领域的技术封锁和管制。在 18nm 及以下制程的内存和 128 层及以上的存储领域,美国也采取了类似的制裁和管制措施,削弱了中国半导体企业在这些领域中的竞争力和市场份额。

先进工艺受限,重构基础理论、架构和软件,寻求系统突。2022 年 3 月,在世界移动通信大会以及华为 2021 年年度报告发布会上,华为轮值董事长郭平表示,华为正在努力实现三个“重构”,包括基础理论重构、架构重构、软件重构,这三个重构将支撑华为 ICT 行业长期可持续的发展;同时,华为努力跨越摩尔定律限制,用面积换性能、用堆叠换性能,使得非先进工艺也能够维持华为在未来产品里面的竞争力。

面对先进工艺和高算力芯片的供给端限制,华为需要从原先基于单点技术领先的路线上,拓宽技术路径,积极寻求系统层面的突破。华为正加大对根技术的战略投入,将科技发展作为重中之重,提出了基础理论、架构和软件三个“重构”设想。

鸿蒙分布式操作系统即是华为对架构和软件层面的重构。在计算架构方面,传统的计算架构是以 CPU 为中心的冯诺依曼架构,其特征是计算和存储功能分离。传统CPU 擅长处理整型、浮点运算,但当今世界,大量新应用涌现,特别是对于 AI 和大数据类应用,其需要处理庞大的计算密集型任务,CPU 处理这类应用的效率不高。

而 GPU、NPU 及计算类新硬件中,集成了大量的 ALU(算术逻辑单元),处理计算密集型任务更为高效,但因传统计算架构原因,无法直接访问内存、存储,亦影响了效率的施展极限。因此,华为提出重构计算架构,抛弃原有的以 CPU 为中心的架构,设计以 AI 为核心的“对等”架构,充分释放 GPU、NPU 等处理计算密集型任务的效率和能力。华为通过计算架构的重构,绕开先进工艺对 CPU 发展的限制,为AI 和大数据应用开辟更广阔的空间。在软件架构方面,实现以 AI 为中心的混合计算全栈软件重构,华为提出了 “软件性能倍增计划”,比如,通过软件优化将无线小区数和调度用户等关键指标提升一倍;通过鸿蒙和欧拉两大操作系统,可以直接连接鲲鹏和昇腾计算体系中的多种硬件,更快速的做到任务分发,从而更有效地发挥硬件的潜能。

通过对基础理论、架构和软件的三个“重构”,在硬件和软件端充分协同,有望尽可能减小先进工艺缺失导致的技术代差劣势,从更顶层和系统级思维出发,维持华为在系统级产品上的竞争力。在此背景下,鸿蒙面向万物互联的物联网硬件(物联网操作系统,包括 PC、手机、平板、手表、MR 以及商用行业终端等),欧拉面向数字技术设施硬件(数据中心、服务器操作系统)。

本研报核心结论:鸿蒙的分布式特点,使得单个终端算力不再受限。在不通过云端协助的前提下,用户可以通过鸿蒙硬件连接形成集群的算力来解决对算力需求较高的端侧任务,大大解放端侧硬件算力的要求。鸿蒙符合我国先进制程发展的历史背景,是现阶段从系统层面绕开先进制程限制的一种重要途径。有了分布式的鸿蒙生态后,单个 CPU 算力不再是决定端侧应用大小的最重要因素,开发者可以将更多的创新施展在端与端的交互上,我国物联网软硬件生态将因为鸿蒙而更加繁荣,中国物联网软硬件的竞争力将得到显著提升,从而提升全球竞争力。

3. 鸿蒙显著提升终端交互体验,OpenHarmony 是海思以外芯片的温室

3.1. OpenHarmony 是跨设备的操作系统,运行于不同体量的硬件设备OpenHarmony 全场景覆盖,三类系统有力支持各类设备。OpenHarmony 是面向全场景、支持各类设备的系统,其支持的设备包括 MCU 单片机,以及 RK3568 等多核 CPU。为适应各种硬件,OpenHarmony 提供 LiteOS、Linux 等不同内核,基于这些内核,形成不同的系统类型,在这些系统中构建统一的系统能力。目前OpenHarmony 主要有 3 种系统类型:轻量系统、小型系统以及标准系统,轻量系统目前搭载 liteos-m 内核,该内核对硬件资源较少,适用于单片机;小型系统目前搭载 liteos-a 和 Linux 两种内核;标准系统目前搭载 Linux 内核,开发者可以基于 Linux内核演进。

南向生态持续完善,各种终端的适配芯片日趋齐全。鸿蒙分为南向和北向生态,南向是向下兼容各种硬件平台,北向是向上提供接口培育更多的软件应用。对于南向生态,截至 2023 年 7 月,业界头部 28 家芯片厂商,55 款芯片型号已适配完成;欧美的意法半导体、智恩浦、高通的共 5 款芯片已完成适配。

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