马毅煌@驭势资本 · 2020年12月11日

服务器芯片赛道分析

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文章大纲

  • 服务器芯片逆疫情现增长
  • 服务器芯片双位数增长可期
  • 服务器芯片相关供应商
  • 服务器 CPU -CISC vs. RISC
  • 估值分析

半导体

服务器芯片双位数增长可期

因为新型冠状肺炎(COVID-19)继续在欧美国家扩大,而带动各种线上游戏,线上视频(Netflix,YouTube,Facebook,Twitter,Instagram),电话/视频会议软件服务,远程办公、在线教育及医疗的流量大幅增加,全球计算机半导体(服务器,桌上型计算机,笔电x86 CPU,GPU,AI)市场将在2020/2021年同比增长7-9%(从之前预测的6%/6%),但预期整个市场应该是由AMD的7纳米Rome及7纳米+Milan服务器CPU,Intel 38核心的10纳米服务器CPU Ice Lake,华为7nm鲲鹏服务器ARM CPU,中国长城16nm的四核飞腾FT-2000/4,信骅及新唐的服务器远端控制芯片BMC(Baseboard Management Controller),AI ASIC/GPU,澜起的内存接口芯片,三星,海里士,镁光所设计及生产的服务器用DRAM,这些芯片市场以超过10%以上同比营收的增长所带动,这远比以智能手机芯片为主体的全球逻辑半导体2020年营收1-3%同比增长来得好很多。

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2020年服务器半导体市场增长>10%:在服务器市场于2019年衰退近5个点之后,2020年服务器半导体市场增长可期,英特尔之前公布其去年服务器x86 CPU出货量在1Q/2Q/3Q19同比衰退了8%/12%/6%。但四季度同比增长了12%,而云服务器客户于四季度同比大幅成长了48%,而在三季度同比需求拐点出现后,我们估计全球服务器市场出货量在2020/2021年有10%/22%的同比增长机会,而统计彭博及Wind分析师对全球服务器制造商及半导体相关公司2020年营收的预期。

全球服务器制造商及半导体市场(浪潮36%,中科曙光11%,纬颖20%,信骅22%,澜起42%)于2020年同比增长应该可以轻易超过10%。因为我们认为服务器需求将被各种线上游戏,视频,会议,办公,教学,医疗所带动,高速,低功耗需求让半导体芯片朝向更先进制程(Intel 10nm,10nm+,AMD使用台积电的7nm,7nm+,5nm制程),更多的核芯运算,更多的PCI Express接口,及更多内存通道方向迈进,加上良率不佳,产能短缺,所以我们不排除单价的提升会让2020年全球服务器半导体市场同比增长轻易地超过10%。

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服务器产业链受惠可期:当然服务器及服务器半导体市场的复苏,也会带动内存DRAM,闪存3D NAND市场,以及x86 CPU大载板(Ibiden,Shinko,欣兴),服务器CPU插槽(嘉泽),服务器x86 CPU晶圆代工(台积电7nm,7nm+,5nm),封测(通富微-AMD,日月光/长电-海思鲲鹏)市场的复苏。举例而言,DRAMeXchange/TrendForce最近预测服务器用内存DRAM二季度价格将环比上涨20%,这对2020年全球内存DRAM市场的增长有7个点的贡献。

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Chiplets小芯片架构利好封测及ABF大载板行业:在Intel雇用了前AMD CPU架构师Jim Keller后,我们预期英特尔未来也要跟随AMD在2021年推出小芯片(chiplets)大载板架构10nm++的服务器x86 Eagle Stream CPU及FPGA来改善良率及成本,我们期待这趋势利好于封测及ABF(Ajinomoto Build-up Film)大载板行业及其龙头厂商Ibiden,Shinko,欣兴Unimicron。ABF树酯载板是由英特儿所主导的材料,适合高脚数,细线路,高传输,耐高温x86 CPU封装。
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半导体

服务器芯片相关供应商

英特尔Intel在10nm的逆袭:在10纳米制程一连串的新产品推出延迟后,英特尔终于要在2020年末或2021年初推出其第一颗10nm(相当于TSMC的7nm)服务器x86 CPU Ice Lake-SP。虽然Ice Lake-SP最多只能有38核心,比起AMD Rome的64核心还是有些差距,270瓦的散热设计功耗Thermal Design Power TDP也仍高于AMD EPYC 7742的225瓦,低于AMD EPYC 7H12的280W,但提升了CPU到内存的内存条通道从6到8,可连接64条PCIe 4.0通道,然而其内存条通道增加到8,但仅跟AMD 7nm的Rome相同,而64条PCIe 4.0通道,还是明显低于AMD„s 128条PCIe通道。

但就制程而言,英特尔的10nm制程工艺在鳍片间距Transistor fin pitch(34nm)是大于台积电7nm制程30nm鳍片间距,但54nm栅极间距Poly pitch/contacted gate pitch是小于台积电的57nm,36nm金属间距metal pitch(interconnects)也是小于台积电的38/40nm。所以AMD除了在小芯片架构,成本结构,耗能,及128条PCIe通道上占有极大优势外,在比较使用台积电7nm制程的AMD Rome CPU与英特尔的10nm制程的Ice Lake-SP CPU后,在执行速度,晶体管增加数就略逊一筹。

这就是为什么有些测试机构(GeeBench)发现英特尔Ice Lake-SP CPU以不到一半的核心,提供近80%更快的执行速度打败AMD Rome CPU。而英特尔将在明年推出的10nm EUV服务器CPU是建立在Eagle Stream平台的Sapphire Rapids,将采取小芯片架构来改善良率,成本,及耗能,并用DDR5存储器及PCIe 5.0通道来加快系统速度。这就是为什么AMD不能用台积电的7nm EUV制程工艺产出的Milan CPU来竞争,而要用台积电5nm EUV制程产出的Genoa CPU来竞争。

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超威2020年推出7nm EUV Milan及2021年推出的5nm EUV Genoa:为了因应英特尔10nm Ice Lake-SP及10nm EUV Sapphire Rapids的上市,AMD将于今年下半年推出使用台积电7nm EUV制程的Milan服务器CPU及于2021年推出5nm EUV制程的Genoa。

虽然Milan服务器CPU的核心数及内存条通道数与Rome CPU相同,目前仍无法判断Milan的PCIe通道数增加多少。不管如何,台积电的7nm EUV制程在耗能上及执行速度都比7nm制程好了超过10%,而晶体管密度增加20%,我们相信AMD使用的台积电7nm EUV制程跟英特尔的10nm制程不相上下,但使用台积电5nm EUV制程的Genoa才有机会制衡英特尔10nm EUV的Sapphire Rapids/Eagle Stream。

虽然去年AMD预期在今年2Q20拿下10%的服务器份额,但我们认为AMD是用2000万颗服务器CPU市场来作为分母,而英特尔在计算服务器CPU份额是包括了通讯基地站所用的服务器CPU,总计约3000万颗,所以就英特尔的标准而言,超威AMD要拿下广义的服务器CPU市场近10%的全年份额,可能要等到2021年才有机会达到。

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服务器远端控制芯片龙头信骅Aspeed不畏疫情: 在服务器远端控制芯片(BMC,Baseboard Management Controller)龙头大厂(60-70%全球份额)信骅公布环比增长1%,同比增长33%的一季度营收后,我们估计信骅二季度营收有15%以上环比及60%以上同比增长,我们认为信骅主要受惠于其白牌客户拿下华为(华为自行设计其服务器远端控制芯片)部分x86服务器市场份额,当然也受惠于大量服务器的建制,为了增加线上游戏,线上会议,线上教学,远程办公等。除了Dell主要使用新唐(4919 TT)的控制芯片,HPE使用自己设计的芯片外,信骅的芯片似乎占领各种x86(Intel,AMD),ARM,RISC V服务器平台。

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英伟达Nvidia主导AI服务器市场:除了Intel及AMD的x86 CPU在服务器中扮演心脏的角色,Aspeed扮演管理的角色外,英伟达安装在服务器的AI GPU加速器就像扮演训练人工智能增强推理能力的角色。而其中的Volta GPU芯片架构,具有210亿个晶体管,使用第二代高频宽存储器(High Bandwidth Memory,HBM),加入新的Tensor核心,每颗用Volta GPU架构的V100芯片模组提供125 Teraflops(每秒125兆次浮点运算)的运算速度,通过NVlink一般在一个服务器中,可连接安装8个V100 GPU,可使用近500个应用软件并相容于目前市场上大多数的深度学习架构。

因为具有AI GPU加速器的服务器比重会从现在不到10%持续提高,所以英伟达未来在服务器AI GPU加速器的增长动力可期。我们目前初步估计英伟达服务器AI GPU加速器芯片2020年同比增长25%以上,比起2019年的2%好很多。

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澜起Montage主导服务器存储器控制芯片市场:为追求CPU到内存的高速通道更顺畅,我们初估于2022年1+10内存接口芯片(初估价格为US$20-25 vs.1x DDR5 RCD为US$4-5)在DDR5模组的比重将会达到10%或更高,这种变化将会明显提升每片内存模组的平均内存接口芯片单价未来三年达到7%复合增长率。而因为5G在5年后所带来的数据爆炸对服务器总体新增量将达近1000万台,或在10年后达到2000万台的总体新增总量。这表示光靠5G基础建设的建制对每年的服务器总体新增量就有超过10%。

因为澜起建立了DDR4的内存接口芯片新标准,我们估计澜起的全球市场份额从2016年的31%,逐年拉高到2018年的47%及2019年的49%,要是澜起能领先IDT及Rambus推出速度快,耗电低的DDR5 1+10内存接口芯片,澜起就能有每年2-3个点的市场份额增加。我们认为从今年开始,服务器将从6通道的Intel 14nm转到8通道的Intel 10nm或8通道的AMD的7nm+CPU,这样对服务器内存模组及接口芯片组有>10%年化的同比增长(三年共有33%(8/6)的同比增量)。而且我们估计英特尔从明后年开始将陆续推动4/6颗CPU的服务器,这多少会带动服务器内存模组及接口芯片的额外需求,我们估计未来五年同比增长应该会超过25%。

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存储器的需求驱动力在服务器: 就全球DRAM内存市场而言,服务器约占34%的2020年全球DRAM内存用量,在预估2020年全球服务器市场同比增长超过10%(DRAMeXchange仅预估3.8%同比增长),2021年同比增长22%,及2019-2024年的13%复合增长率CAGR,每台服务器插满内存模组的云端服务器客户增长大幅超过企业端及政府端客户(英特尔公布4Q19云端服务器客户同比增长48%,但企业端及政府端客户同比衰退7%),加上每台服务器因CPU及DRAM的速度加快,CPU跟内存DRAM的数据通道将于英特尔在今年推出56核心14nm++Cooper Lake及38核心10nm+Ice Lake后,从6通道改成8通道,这三个原因将驱动每台服务器DRAM的使用容量增加,我们因此预估服务器用DRAM内存用量将在2020年同比增长25-30%,2021年同比增长近40%,并于2024年超过整体DRAM用量的一半以上。

跟DRAM内存市场类似,就全球NAND闪存市场而言,服务器及笔电/桌上型电脑,持续用SSD NAND来取代硬碟,约占46%的2020年全球NAND闪存用量,加上每台服务器因CPU的速度及存取速度加快,各种新AI应用对于数据量的爆增,这几个原因将驱动每台服务器SSD NAND的使用容量增加,我们因此预估服务器用NAND闪存用量将在2020-2022年同比复合增长35-40%。相关受惠厂商当然是韩国的三星,海力士,及美国的镁光。

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2018-2019年国家采购名单中,入围了七家国产架构服务器供货厂商,他们采用的架构分别是: 鲲鹏(ARM)、飞腾(ARM)、龙芯(MIPS)、海光(X86)、兆芯(X86)、宏芯(POWER)、申威。从性能、生态兼容性、应用迁移成本和市场能力四个方面来看,华为鲲鹏、飞腾、海光整体表现居于前列。但自从海光被美国政府列入实体清单后,海光将无法拿到超威7nm Rome,7nm EUV Milan,5nm EUV Genoa的设计授权,这样海光的x86设计技术将停留在14nm。

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华为鲲鹏ARMv8 CPU生态系的生成: 自从美国Trump政府利用各种国家安全的理由限制华为采购美国的半导体芯片产品,软件,作业系统,华为为了摆脱美国技术,已经陆续推出自己研发的手机鸿蒙作业系统来取代谷歌的Android,用高速通讯ASIC来取代Xilinx,Altera/Intel的FPGA,用SSD闪存主控芯片来取代群联,Silicon Motion的SSD主控芯片,用Ascend推理及训练AI芯片取代英伟达Nvidia的推理及训练AI及Xilinx的推理AI芯片,用使用在Linux作业系统ARMv8 CPU(泰山核)架构下的鲲鹏处理器取代Intel英特尔及AMD超威的x86 CPU。

虽然华为有很强的芯片设计能力,SPECint Benchmark评分超过930,超出业界标杆25%,但ARM的CPU架构本身单核心运算速度就比英特尔X86的CPU来得差,如鲲鹏920主频只有2.6Ghz,也只能靠着64颗ARM Cortex A76核心,8个DDR4通道来竞争,但是华为是硬件及半导体公司,要整合自己的开源生态圈,需要很多系统,硬件,系统,应用软件公司的认证与支持,目前华为除了自行研发各种开源软件,作业系统并与超过150家(MSP云服务、服务器PC整机制造、中间件、操作系统、上层各类应用软件等产业)非美国的合作厂商携手推动鲲鹏计算产业,打造完整的产业生态链,这些公司是否担心华为本身的竞争将是一个问题。

但在中国政府的支持下,要求数家重点国营企业及多家民间企业如百度,腾讯提高采用鲲鹏及其他国产芯片生态圈的产品比例,以2022年尽量达到100%的比例完成服务器国产化的目标,这对于华为鲲鹏生态圈而言是一大利好。就今年2020年而言,我们目前估计华为鲲鹏将出货150-200万颗服务器CPU,明年2021年估计达250万颗服务器CPU,以每台服务器配置4-8颗鲲鹏ARM CPU来计算,我们估计于2021年将会看到42万台鲲鹏服务器市场,相当于全球3%的市场份额。虽然华为之前流失了部分ARM v8泰山核设计团队的干部到阿里巴巴,但我们认为华为还是会持续对ARM v8泰山核进行设计优化及制程工艺微缩。

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飞腾生态圈:2019年8月上旬,飞腾发布《从端到云—基于飞腾平台的全栈解决方案白皮书暨飞腾生态图谱》,飞腾希望能从系统建设对芯片的需求角度去思考什么样的芯片和生态才能满足用户对于终端的更高需求,什么样的芯片和生态才能满足云计算和大数据时代的要求。

飞腾也希望站在全系统集成角度,为集成商和最终用户梳理飞腾生态图谱并提供一套从端到云的全栈解决方案,给出集成模式和建议,提供已被验证的、有说服力的实际案例,去分析目前技术架构的收敛趋势,协助各行业信息化建设逐步向更先进的部署模式转变。在基础设施服务方面,国内主流的云平台包括阿里云、腾讯云、紫光云、中兴云、浪潮云、金山云、Ucloud等云厂商均已与飞腾平台进行适配。

国内20多家主流的OEM、ODM厂商已推出基于FT-1500A/16和FT-2000+/64芯片的服务器整机,其中基于飞腾新一代FT-2000+/64芯片的服务器产品群已于2019年5月在福州数字中国峰会上发。就今年2020年而言,我们目前估计飞腾将出货80-90万桌机CPU,10-15万服务器CPU,虽然有比之前预期下修,但还是有不错的国内份额。

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半导体

服务器 CPU -CISC vs. RISC

中央处理器(Central Processing Unit,简称CPU)是服务器的核心构成之一,其功能主要是解释计算机指令以及处理服务器中的数据。CPU的主要运作原理是执行储存“程序”里的一系列指令。程序以一系列数字的形式存储在存储器中。

指令集架构(Instruction Set Architecture),又称指令集或指令集体系,是计算机体系结构中与程序设计有关的部分,包含了基本数据类型,指令集,寄存器,寻址模式,存储体系,中断,异常处理以及外部I/O。指令集架构包含一系列的opcode即操作码(机器语言),以及由特定处理器执行的基本命令。简单地来说,指令集一般被整合在操作系统内核最底层的硬件抽象层中,属于计算机中硬件与软件的接口,它向操作系统定义了CPU的基本功能。

CPU按指令集的架构区分,分为CISC(Complex Instruction Set Computing,复杂指令集)型和RISC(Reduced Instruction Set Computing,精简指令集)型两类。 CISC的设计者希望通过直接在硬件中构建复杂的指令从而使编程更方便、程序运行速度更快,其架构中每个指令可执行若干低端操作,诸如从存储器读取、存储、和计算操作,全部集于单一指令之中;与之相反,RISC架构中只包含使用频率高的少量简单指令,并提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言。

CISC阵营以Intel、AMD的X86架构为代表,而RISC阵营则包括ARM、MIPS、Power PC等架构;

从硬件角度来讲,CISC处理的是不等长指令集,而RISC执行的是等长精简指令集,在并行处理方面RISC明显优于CISC。由于RISC执行的是精简指令集,相比CISC在硬件层面需要更少的晶体管,所以它的硬件制造工艺更简单且成本更低廉。RISC型CPU与CISC的CPU在软件和硬件上都不兼容,这是由指令集的特性而决定的。

从性能角度来说,CISC与RISC并无绝对的孰优孰劣之分。 但在发展过程中,CISC阵营的Intel和AMD在提升芯片性能上做出了持续的努力,芯片的功耗被放在了性能后的第二位;而RISC本身出现时间较CISC晚十年左右(ARM诞生于1985年,X86诞生于1978年),ARM、MIPS在创始初期缺乏与Intel产品对抗的实力,专注于以低功耗为前提的高性能芯片。RISC阵营的Power PC架构最初是为个人计算机产品而设计,但其出现时已是1992年,此时Intel旗下的80386和80486占据了大部分PC市场。

次年,Intel赫赫有名的奔腾系列发布并助力Intel占领了绝大部分PC市场,这是第五代基于CISC的X86架构微处理器,Intel将其命名为“Pentium”。在整个1990年代中期,PowerPC处理器均达到或超过了最快的x86 CPU的基准测试成绩。但由于PowerPC面向Windows、OS/2和Sun的客户都存在应用软件极度缺乏的问题,所以最终并未在PC市场溅起水花。但其后Apple因为PowerPC处理器的更高性能,在Macintosh个人电脑系列使用了PowerPC处理器。2005年,出于发热量和能源消耗有关的考虑,Apple宣布不再在其Apple Macintosh计算机中使用PowerPC处理器,转而支持Intel生产的处理器。此后PowerPC开始往超高性能服务器方向发展。

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X86泛指一系列英特尔公司用于开发处理器的指令集架构。 该系列较早期的处理器名称是以数字来表示80X86,包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486。由于以“86”作为结尾,因此其架构被称为“X86”。

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X86 在计算市场取胜的原因主要有以下四点:

Intel与AMD竞争不断,造就高性能X86。 Intel具有很强的研发实力,芯片性能一直处于行业领先。在20世纪70年代至21世纪初,厂商最看重的因素之一即为处理器的性能,而RISC本身出现时间较CISC晚十年左右,ARM、MIPS在创始初期缺乏与Intel产品对抗的实力,改以专注于以低功耗为前提的高性能芯片。同时Intel X86也很早开始借鉴RISC架构优势,不断技术革新,比如“Pentium”奔腾处理器就采用了超标量架构,即有一个处理简单和通用指令的管线。Intel最新产品十代酷睿桌面版Comet Lake-S系列处理器及400系芯片组中,最低配置的酷睿i3-10100四核处理器已经达到3.6GHz基础频率,4.3GHz睿频,全核4.1GHz。从单机性能上来讲,Intel目前依旧处于强势地位。

Wintel联盟建立四十余年,X86软件生态完善。1981年,由于个人计算机市场不受IBM看重,IBM选取8088做个人计算机业务的CPU,并将操作系统外包给微软,Wintel联盟就此开始征程。在Wintel建立之初,微软并没有打算唯一地只支持Intel,早期,微软操作系统有两条业务线,一条专用支持X86架构,另一条则支持考虑了操作系统的可移植性,可支持RISC架构的计算机。但由于RISC处理器在PC端的份额远不及X86,微软又取消了对部分RISC架构的支持。后来,X86成为了个人电脑的标准平台,也成为了历来市场上最成功的CPU架构。

专注芯片架构研发,不碰设备生态。 就Intel来讲,不与设备生产商、软件开发者或者系统开发者成为利益竞争关系是一个十分重要的致胜因素。IBM和SUM大包大揽生产多种服务器设备,但其它设备生产商可能会基于不支持竞争对手的角度不愿意选择PowerPC和SPARC架构,而选择X86架构。这确实是我们担心华为鲲鹏生态圈也会碰到的问题。

从成本、性能、生态三方面来讲,X86都是早期数据中心的最优选。 从成本和性能角度来讲,X86相比大型机与小型机,在RAS(Reliability,Availability,Serviceability)有所欠缺,但具有生态系统开放、兼容性高、价格便宜的优势。且由于分布式系统成熟,X86服务器集群的性能并无较大差距。大型机和小型机价格昂贵、体系封闭,一般只在部分要求零宕机的领域使用(如银行业、电信业等)。从生态的角度来讲,由于X86在市场上占有率高,相比其它架构而言,X86有着独一无二的软件和硬件生态优势,故目前全球的数据中心大部分都是采用Intel的X86架构服务器芯片,X86生态系统也愈发强大。

根据DRAMeXchange调查显示,服务器用CPU中,X86架构CPU占整体服务器市场约96%。但在国内提高服务器及服务器CPU国产替代的政策下,我们估计RISC CPU(非x86)在服务器的份额将持续逐步提高。

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半导体

估值分析

虽然全球新冠病毒肺炎疫情扩大让线上购物(亚马逊,阿里巴巴),线上会议,远程办公,线上游戏,线上串流影音服务必须扩大使用云端服务器服务,而驱使云端服务公司扩大资本开支增加服务器及网络。但另一方面,疫情扩大而导致的封城,封市,封国造成很多商业活动停止,自然大幅降低很多入口网站广告投放,而导致获利减少及投资趋缓。两相抵消之下,我们认为全球服务器半导体市场2020年可以增长10%以上,但2021年可增长超过20%。未来五年营收复合增长率CAGR应有10-15%,获利复合增长率应该超过20%。

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除了存储器制造业(不包括存储设计,封测,设备)获利波动上行及下行周期较其他半导体及科技行业大很多,投资人多不愿意给公司太高的P/E及PEG估值,过去三年价格与未来获利(Forward P/E)区间为7-13倍,PEG区间为0.5-0.3,都是远低于服务器逻辑芯片相关公司的20-42倍Forward P/E,PEG区间的1.0-2.0,以下是我们用每家公司的1至2年未来EPS来测算P/E高低点,以求出未来几年股价的高/低区间。
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参考资料来自:国金证券研究所

END

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