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芯片竞赛新战场比特币矿机行业深度报告

2019-02-19 06:04

  矿机作为比特币系统中的关键组成部分,通过消耗计算和电力资源争夺记账权,为该系统增加了“信任价值”;从投资角度而言,比特币矿机可以视为比特币价格的“看涨期权”,正是因为矿工对未来币价持看涨态度,预期未来的挖矿收益会增加,从而加大了矿机的需求。

  矿机销量依赖于全网算力的增长,而算力又和币价密切相关。市场普遍认为目前正处于加密货币市场的熊市阶段,担心比特币矿机需求惨淡。不同于市场认为挖矿行业进入寒冬的看法,我们看到,挖矿仍是传统资本介入区块链最容易接受的模式,通过敏感性分析我们发现,若 2018 年的剩余时间内以 BTC 未来价格 1 万美元估算,则 2018 年将产生 4 万 PH/s 的新增算力需求,同比去年增加 165%;若以 6000 美元估算,则新增算力约 3 万 PH/s,同比增加 96%。虽然相比去年下降,但如此的增速表明算力需求仍处于高速发展阶段。

  目前比特币矿机行业市场集中度高,市场份额排名前两家(比特大陆、嘉楠耘智)占超过 80%的市场份额,行业竞争格局属于寡头垄断。由于两家龙头企业在核心资源上(研发、资金、上下游关系、规模经济效用)更胜其它企业一筹,因此我们认为,未来龙头企业将持续稳固竞争优势,市场维持寡头垄断格局。

  比特币矿机,本质上是一个计算机,其核心部件是计算芯片。具体来讲,目前主流的比特币矿机主要由如下几个部分构成:包含计算芯片、散热片的算力板,风扇,控制器电路板,铝合金外壳,以及外臵的电源。这里面最核心的部件为计算芯片,矿机的计算性能和功耗大小由计算芯片决定,其成本占矿机总制造成本的 80%左右。

  “单位算力功耗”是评价矿机性能的核心指标。矿工在购买矿机时通常不会考虑单台价格,而是关注回本周期,其中的关键指标就是“单位算力功耗”。在相同计算能力的情况之下,矿机的功耗越小,意味着矿机的性能越好,所谓“单位算力功耗”即为矿机的功耗/算力。随着全网算力的整体提升,挖矿成功的难度会越来越大,因此矿机需要不断定期换代以维持原有收益,近几年主流厂商通常每年升级一次产品系列,中间可能会根据市场情况发布更新版本对性能、功耗、价格进行微调。在这个过程中,单个矿机的算力不断得到提升,而核心指标“单位算力功耗”则不断下降。

  优化“单位算力功耗”,需要用专用型芯片代替通用型芯片。比特币矿机芯片的发展经历了从 CPU、GPU、FPGA 到 ASIC 的四个过程。在这个过程中,提供算力的芯片从通用型逐渐转向了挖矿专用型。所谓 ASIC 芯片(Application-Specific-Integrated-Circuit chip),

  即指为专门目的而设计的集成电路。ASIC 的特点是面向特定算法需求,在批量生产时与通用集成电路相比具有体积更小、功耗更低、可靠性提高、单位成本更低的特点。比特币挖矿属于特定算法下的重复计算,因此应用 ASIC 方案会使得芯片性能得到大幅提升。

  ASIC 矿机芯片的工艺制程先进,产品更迭速度快。先进的芯片制程工艺可以提高集成电路的精密度,使得电子器件的特征尺寸不断缩小,从而芯片集成度不断提高,功耗降低的同时芯片算力得到提高。为了获得最优的性能,ASIC 矿机芯片的设计、制造一直走在芯片行业的前沿。目前市场上主流的 ASIC 矿机芯片从 110nm、55nm、28nm 一直升级到 16nm,未来半年内也将推出 7nm 制程的 ASIC 矿机芯片。具体举例,以下是世界第二大比特币 ASIC 矿机供应商嘉楠耘智的产品、芯片更迭情况:

  比特币相关的价值链参与者如下所示:上游为矿机的设计、生产&测试封装、销售商;中游为挖矿的矿池和矿场;下游为比特币交易所及钱包。

  上游为比特币挖矿提供矿机。包含无晶圆厂商,如比特大陆、嘉楠耘智等,它们主要负责芯片设计、矿机组装和销售,而将矿机芯片的制造、测试、封装交给代工厂;也包含相应负责制造、测试、封装的代工厂,如台积电、日月光。

  中游进行挖矿,确认网络中的交易,同时系统增发的比特币通过其流入市场。由于全网算力的指数级上升,目前个体挖矿成功的概率几近为零,因此出现了大大小小的矿场、矿池,通过聚集大量矿机的算力来竞争记账权,增大挖矿成功的概率。主要的参与者有比特大陆、Bitfury、Antpool、F2pool 等。

  下游为比特币的交易、使用和储存服务商。比特币交易所可以提供法币与比特币、比特币与其它加密货币之间的交易兑换,相关交易所为 Coinbase、Bitfinex、OKCoin、火币等;比特币的支付转账、存储功能则可以通过比特币钱包完成,主流钱包有 Blockchain、 BitPie 等。

  比特币矿机供应商一般采用无晶圆厂模式。即其只负责矿机芯片的设计,而将芯片的生产、测试、封装交由第三方代工。由于芯片制造过程需要巨额的资本支出,这样的模式可以让比特币矿机供应商专注于产品核心——芯片的研发,同时获得定价合理、流程先进的产能。

  上游代工厂先进产能受限,新产能扩充慢。由于比特币 ASIC 矿机对性能要求很高,因而新产品需要应用最先进的制造、封装工艺。这就对相应代工厂提出了一定准入门槛,只有拥有先进制程工艺流水线、高质量封装水准(产品集成度高、散热效果好)的代工厂才能接下订单。而在芯片领域这样的代工厂通常具有数量少、市场份额大的特点,以即将投入量产的 7nm 制程工艺流水线来看,全球相关市场被台积电一家独霸。另一方面,由于新技术处于初期量产阶段,相应流水线的产能受限,而新产能的建设往往需要大量资金和时间投入,短期难以得到提升。

  上游代工厂话语权强,只有订单量大、价格高、预付款的客户才能优先锁定产能。由于可选择的代工厂为行业龙头,同时产能有限,再加上同期竞争代工厂产能份额的还有各大手机芯片商(苹果、高通、华为等等),因此矿机供应商对上游代工厂的话语权相对较弱。只有订单量大、价格高的才能成为代工厂的优先客户,并且需要以预付的形式提前锁定产能,这对矿机供应商的规模、资金流转状况都提出了门槛要求。

  有限的产能+寡头垄断,使得比特币矿机供应商对下游具有极强议价能力。近年来比特币价格不断上升,拉动矿机新需求,上游矿机供应商在产能有限(受代工产能限制)、寡头垄断的情况下,对矿机有着绝对的定价权,自然矿机价格此时也是水涨船高,今年年初比特币价格疯涨的时候,蚂蚁矿机 S9 在华强北市场一度卖出 34000 元的期货单价。那么,矿机究竟如何定价呢?利用历史价格数据我们做出如下分析:

  通过将历史的月度矿机价格和当月平均挖矿日收入(此处只为收入,而非收益,即不包含电力、租金等成本)作图可知,当期挖矿日收入与当期矿机价格之间呈线性关系。我们将其解读为以下公式:P = D×(R - C),其中 P 为矿机价格,D 为回本周期,R 为当期挖矿收入,C 为当期挖矿成本,R – C 即为当期挖矿收益。即当期矿机价格与当期挖矿日收益呈正比关系。

  比特币矿机供应商主流采用无晶圆厂模式,自身的竞争优势主要体现在ASIC 矿机芯片的设计上,而 ASIC 芯片设计属于高科技行业,需要企业能够及时根据市场推出性能更佳的世代产品,因而对企业的研发能力、资金投入等方面都提出比较高的准入门槛,企业需要拥有以下资源才能在该行业中立身不败:

  强大的研发能力。针对下游挖矿业全网算力不断增长的情况,上游 ASIC 矿机芯片设计商需要有能力适应产品快速更迭市场。只有以行业领先的速度,不断地推出更高性价比的产品,才能占得同类新产品市场的先机,获得相应的溢价和更多的客户青睐。同时,快速、有效的研发能力也能减少企业在研发中失败的次数,从而减少不必要的研发费用。而这一切都需要芯片设计商拥有强大的研发团队、多年的研发经验和积累的研发数据。

  雄厚的资本保障。芯片设计具有前期投入大、周期长的特点,因而需要企业前期投入大量的研发经费,并有能力承受因此带来的潜在亏损。这对企业的流动资产和现金流提出了一定门槛要求。

  与上游优质代工厂之间的良好合作关系。只有最高效的 ASIC 矿机才能获得市场的青睐,而在代工厂的生产工艺中,矿机芯片所采用的制程工艺对其性能影响极其关键。鉴于高端制程工艺流水线产能有限,唯有企业的订单优先被代工厂执行,才能保证企业的最新产品及时进入市场,占据先机。因而需要企业与优质代工厂之间保持良好的合作关系,而这一资源通常是潜在进入者不具备的。

  规模经济效应。通常来说,芯片的硬件成本=(晶片成本+测试成本+封装成本+掩膜成本)/最终成品率。高效的 ASIC 芯片需要应用最先进的制程工艺,而最新的制程工艺问世之初,掩膜成本的耗费颇为不菲,多达十亿美金(成熟的制程工艺可能只有几百万美金)。只有企业形成规模经济效应后,才能将掩膜成本分摊,使得单位成本下降,形成产品的成本优势。

  全球比特币矿机市场呈现寡头垄断格局。以比特币 ASIC 矿机为例,比特大陆、嘉楠耘智合计占据超过 80%的市场份额。以 2017 年矿机交付量来看,比特大陆一家独占近 70%,嘉楠耘智占 20%左右。快速强大的研发能力、雄厚的资本保障、与上游代工厂的良好关系、规模经济效应,这些无一不是行业龙头所牢牢把握的独有资源。与此相应的,它们享有着头部的市场份额和绝对的产品定价权。

  比特大陆创立于 2013 年,是全球最大的比特币矿机供应商,其设计的比特币矿机算力占据全网算力的 70%。目前比特大陆的蚂蚁矿机 S9 系列采用 16nm 制程的 ASIC 芯片,算力达到 14TH/s,单位功耗低至 94W/THs,凭借其性价比、稳定的工作状态、良好的售后服务而近乎垄断了市场。比特大陆也向产业链下游延伸,目前控制了三个矿池进行比特币挖矿,Antpool、ConnectBTC,这三个矿池的算力合计达到全球算力的近 40%。与此同时,比特大陆也对外出售针对莱特币、以太币、门罗币等其它加密货币的 ASIC 矿机,并逐步转型向云基础设施、AI 计算领域靠拢。值得一提的是,市场在认可其产品的同时,也对其垄断算力资源、大幅变动产品价格的行为提出了质疑。

  嘉楠耘智目前是全球第二大比特币矿机供应商,占据 20%的市场份额。公司创始人张楠赓在 2013 年初研发出了第一台 FPGA 矿机,开启了 FPGA 挖矿的新纪元,之后其率领的研发团队深耕比特币 ASIC 矿机产品——阿瓦隆系列。该系列产品具有高效低耗、高热密度、故障率低的特点,主打产品 Avalon 841 采用 16nm 制程的 ASIC 芯片,算力达到13TH/s,单位功耗低至 99W/THs。公司将于 2018 年下半年领先市场,推出基于 7nm工艺的比特币 ASIC 矿机。除了积极布局区块链行业之外,公司正在开发人工智能 AI 芯片,用于语音识别、基因检测和无人驾驶等领域。

  亿邦通信为一家通信相关企业,在数据通信、光纤传输通信、软件开发、ASIC 设计等领域具有较强的技术实力和市场竞争力。公司旗下拥有翼比特系列矿机,主流产品 E9.3 采用其自主研发的 10nm 芯片,算力达到 16TH/s,单位功耗 110W/THs。

  Pangolin Miner 的神马矿机 M3X 是一款采用 28nm 芯片的 ASIC 矿机,算力可达 13TH/s,单位功耗为 162W/THs。该产品主打性价比,通过低价打入市场,以相对大厂而言较短的回本周期获得部分用户青睐。

  Halong Mining 是一家 ASIC 芯片制造公司,由国外比特币开发者成立,公司意图为市场提供比特大陆矿机以外的优质选择,打破原有的垄断格局。目前该公司产品线只有一种机器:DragonMint T1,算力达到 16TH/s,单位功耗低至 90W/THs,产能限制是该产品遇到的主要问题,目前该产品已处于售罄状态。未来公司除了售出矿机之外,也将单独发售挖矿芯片。

  芯动科技是一家国内 IP/IC 设计公司,在国内和北美均拥有设计团队,通过先进的产品和服务,芯动科技 IP 已经帮助许多一线公司实现了 SOC 的快速成功。目前,公司最新的比特币矿机产品 INNOSILICON T2 采用 10nm 的 ASIC 芯片,拥有 17.2TH/s 的强大算力,单位功耗为 91W/THs。但与此同时,该矿机的定价高达 1500 美元,相对其它矿机而言,静态回本周期较长。

  比特币矿机行业未来竞争格局不变,两家龙头企业在核心资源上更胜其它企业一筹。通过产品对比,我们可以发现,市场龙头比特大陆、嘉楠耘智在产品的两大核心参数(“单位算力功耗”、“单位算力价格”)上褒有优势,每年更迭不断的新产品同样证明了这两家公司研发能力的可持续性;相比而言,其它的矿机供应商或存在规模效应不足、产品定价过高、系列开发能力不足的问题。

  来源:本文节选自国盛证券研究所研报《芯片竞赛新战场,共识缔造新载体——比特币矿机行业深度报告》

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