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作者：暢秋
當(dāng)下，高性能計(jì)算（HPC）芯片成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動力，無論是IC設(shè)計(jì)、晶圓代工，還是封裝測試企業(yè)，正在將越來越多的資源和精力由手機(jī)轉(zhuǎn)向HPC市場，特別是人工智能（AI）服務(wù)器芯片。
目前，稱霸HPC芯片市場的依然是以英特爾、英偉達(dá)和AMD這三巨頭為代表的美國企業(yè)，不過，這些公司的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在IC設(shè)計(jì)上，在芯片制造，特別是晶圓代工，以及封裝測試方面，美國企業(yè)在全球范圍內(nèi)沒有優(yōu)勢。
在HPC芯片和系統(tǒng)方面，中國本土相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)品一直處于追趕狀態(tài)，與國際領(lǐng)先技術(shù)和企業(yè)之間有明顯差距。不過，受多種因素影響，近幾年，這種落后的局面正在悄然改變，無論是IC設(shè)計(jì)，還是晶圓代工，以及封裝測試，中國本土企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品力在加速提升。這些給美國HPC芯片大廠帶來了挑戰(zhàn)，在美國政策和中國本土產(chǎn)品競爭力提升的雙重壓力下，這些美國芯片大廠也在想辦法突圍。
?01制程不夠，封裝來湊
HPC芯片對晶圓廠的制程工藝要求很高，能夠完全提供這種產(chǎn)能的晶圓廠不多，這就是美國積極邀請臺積電和三星在其本土建設(shè)5nm及以下先進(jìn)制程晶圓廠的主要原因。但是，這樣的產(chǎn)能建設(shè)需要時(shí)間和技術(shù)積累，短期內(nèi)難以形成規(guī)模，做先進(jìn)封裝相對容易一些，而且很實(shí)用，因?yàn)楫悩?gòu)芯片很受市場歡迎，而先進(jìn)封裝是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)芯片的關(guān)鍵一環(huán)，實(shí)現(xiàn)起來又比5nm、3nm這樣的芯片制造產(chǎn)線要容易，因此，無論是美國，還是中國大陸，都把發(fā)展先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)線看得很重。
市場對先進(jìn)封裝有怎樣的需求呢？以HPC芯片大廠英偉達(dá)和AMD為例說明一下。
業(yè)界估算，2024年，英偉達(dá)和AMD的AI芯片出貨量總計(jì)有望達(dá)到150萬個(gè)。據(jù)悉，AMD的MI300A于今年第一季度開始量產(chǎn)出貨，采用了Chiplet（小芯片）設(shè)計(jì)，其中，CPU和GPU部分采用臺積電5nm制程，I/O部分采用6nm，并通過臺積電全新系統(tǒng)整合芯片封裝（SoIC）和CoWoS整合。
與H100類似，英偉達(dá)最新產(chǎn)品H200依然供不應(yīng)求，預(yù)計(jì)該公司在2024年底前還會推出采用臺積電3nm制程的B100和GB200等新產(chǎn)品，估計(jì)英偉達(dá)今年AI芯片出貨總量不會低于100萬個(gè)，與2023年相比翻倍。這些Chiplet設(shè)計(jì)產(chǎn)品都需要先進(jìn)封裝，臺積電的相關(guān)產(chǎn)能已經(jīng)供不應(yīng)求，這也是2023全年高性能GPU供不應(yīng)求的重要原因，這些GPU多采用CoWoS封裝技術(shù)，目前，CoWoS供需缺口不低于20%，除了英偉達(dá)，越來越的國際IC設(shè)計(jì)大廠也在持續(xù)增加訂單。預(yù)計(jì)到2024下半年，臺積電CoWoS產(chǎn)能將增加130%，加上有更多廠商（日月光ASE、Amkor、矽品、三星和JCET等）積極切入CoWoS供應(yīng)鏈，先進(jìn)封裝市場一片紅火。
因此，無論是美國企業(yè)（如英特爾和Amkor），還是美國政府，都在大力發(fā)展或扶持先進(jìn)封裝產(chǎn)線。
美國DARPA推出了一項(xiàng)名為下一代微電子制造（NGMM）的新計(jì)劃，主要關(guān)注點(diǎn)是 3D異構(gòu)集成微系統(tǒng) (3DHI)，該計(jì)劃認(rèn)為，微電子創(chuàng)新的下一個(gè)主要浪潮將來自通過先進(jìn)封裝集成異質(zhì)材料、器件和電路的能力?？梢酝ㄟ^新的封裝和集成技術(shù)將內(nèi)存和處理器集成，顯著提高芯片性能，芯片能夠在不增加更多晶體管的情況下大幅提高速度。
DARPA表示該計(jì)劃的目標(biāo)是建立一個(gè)3DHI制造中心，并可供學(xué)術(shù)界、政府和行業(yè)用戶使用。衡量它成功的標(biāo)準(zhǔn)是能否以合理的成本支持設(shè)計(jì)、制造、封裝和測試各種高性能3DHI微系統(tǒng)，且支持快節(jié)奏的創(chuàng)新研究。
去年11月，美國政府宣布了國家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃愿景(NAPMP)，NAPMP是4個(gè)CHIPS for America研發(fā)計(jì)劃之一，政府預(yù)計(jì)向該計(jì)劃投入約30億美元，該計(jì)劃的初始資助分配將于2024年初公布。
企業(yè)方面，美國最大，全球排名第二的封測企業(yè)Amkor于2023年底宣布在亞利桑那州建設(shè)一座先進(jìn)芯片封裝廠，該項(xiàng)目將專注于高性能計(jì)算芯片的封裝和測試。據(jù)悉，該工廠將在2~3年內(nèi)投入生產(chǎn)，并已向美國政府申請CHIPS補(bǔ)貼。該工廠建成后，將與附近的臺積電新建晶圓廠配合，為蘋果、AMD、英偉達(dá)、博通等本土大客戶提供先進(jìn)制程芯片制造和封測服務(wù)。
?02美國HPC芯片大廠遭遇挑戰(zhàn)
除了先進(jìn)制程制造和封裝產(chǎn)能，美國HPC芯片大廠還面臨著銷售渠道不暢通，以及更多競爭對手的挑戰(zhàn)。
以英偉達(dá)為例，中國大陸市場占其銷售額的20%左右，該公司不得不多次改變GPU性能規(guī)格，以滿足美國政府的出口要求。
2022年8月，美國政府禁止向中國大陸出口英偉達(dá)的A100和H100芯片，AMD的MI250也被納入限制名單，因?yàn)檫@些芯片的通信帶寬達(dá)到了600GB/s或更高。針對中國大陸市場，英偉達(dá)隨后推出了A800和H800處理器，通信帶寬都明顯低于600GB/s。
2023年10月，美國商務(wù)部工業(yè)與安全局（BIS）表示，將使用 “性能密度”作為新參數(shù)對受限芯片進(jìn)行分類。根據(jù)新規(guī)定，英偉達(dá)的A800、H800、L40、L40S和RTX 4090相關(guān)產(chǎn)品被禁止銷往中國大陸。針對這項(xiàng)規(guī)定，英偉達(dá)又于去年11月推出了三款A(yù)I芯片——H20、L20和L2，但要到2024年第二季度才能量產(chǎn)交付。
針對RTX 4090在中國大陸銷售受限問題，英偉達(dá)開發(fā)出了RTX 4090 D顯卡，通過降低部份規(guī)格，以符合美國出口管制要求。據(jù)悉，RTX 4090 D滿足綜合運(yùn)算性能（TPP）4800限制，RTX 4090的TPP是5286。
最近，英偉達(dá)推出了最新版本的中國特供GPU和顯卡RTX 5880 Ada，符合4800 TPP的限制規(guī)定。英偉達(dá)將AD102芯片用于RTX 6000 Ada和RTX 5000 Ada，RTX 5880 Ada很可能使用相同芯片的變體。AD102擁有18,432個(gè)CUDA內(nèi)核。
不止英偉達(dá)，由于受到同樣的出口限制，英特爾和AMD也在向中國大陸市場推出定制化的GPU和CPU產(chǎn)品。
2023年7月，英特爾針對中國市場推出了一款定制版的AI訓(xùn)練處理器Gaudi2。由于MI300系列產(chǎn)品受到美國新規(guī)限制，AMD也計(jì)劃向中國大陸市場推出特供版的MI300。
這幾家美國處理器大廠如此熱衷于為中國大陸市場開發(fā)定制版產(chǎn)品，主要原因是這里的市場巨大，有足夠的賺錢空間。不過，隨著近幾年美國限制政策的出臺，以及中國本土企業(yè)和產(chǎn)品競爭力的提升，英偉達(dá)等廠商的技術(shù)和產(chǎn)品優(yōu)勢正在縮小。例如，英偉達(dá)的H20在性能和效率上仍比中國本土AI芯片具有優(yōu)勢，但這種優(yōu)勢正在縮小，因?yàn)槎嗉抑袊就列酒瑥S商正在快速發(fā)展。
事實(shí)上，一些中國大陸科技公司已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用本地芯片。
由于中國本土AI芯片與英偉達(dá)特供版產(chǎn)品之間的差距縮小，進(jìn)入2024年以來，多家中國互聯(lián)網(wǎng)大廠和云服務(wù)提供商表示，今年下訂的英偉達(dá)H20等產(chǎn)品數(shù)量將遠(yuǎn)少于原本想買的，因?yàn)楸就料嚓P(guān)芯片的用量增加了。
測試結(jié)果顯示，H20能有效在多個(gè)處理器之間高效傳輸數(shù)據(jù)，比中國本土相關(guān)芯片更適合AI計(jì)算應(yīng)用，但是，需要更多H20才能表現(xiàn)出英偉達(dá)常規(guī)GPU的算力，這就大幅提高了成本。相比之下，中國本土最先進(jìn)的AI芯片也能處理AI相關(guān)應(yīng)用，只是處理任務(wù)的復(fù)雜度低于英偉達(dá)的。知情人士表示，多家中國互聯(lián)網(wǎng)大廠和云服務(wù)提供商已經(jīng)把一些AI芯片訂單轉(zhuǎn)至本土廠商。
不止中國市場，英偉達(dá)、英特爾等HPC芯片大廠還要面對來自美國本土客戶的競爭。微軟、Meta、亞馬遜等云服務(wù)提供商為了降低芯片成本，并使芯片供應(yīng)鏈多元化，減少對英偉達(dá)的依賴，不僅開始提升采購AMD的MI300系列產(chǎn)品數(shù)量，要求ODM廠設(shè)計(jì)專門采用MI300系列產(chǎn)品的AI服務(wù)器，還紛紛加強(qiáng)自研HPC芯片力度，爭取將更多自研芯片用于自家的互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算系統(tǒng)。
這樣看來，雖然英偉達(dá)和AMD依然很風(fēng)光，但受限于先進(jìn)制程、封裝產(chǎn)能，以及來自各級別芯片對手的競爭，這幾家處理器傳統(tǒng)大廠是有隱憂的，未來的日子不會像現(xiàn)在這么好過。
?03中國本土AI系統(tǒng)的崛起和不足
中國是電子信息制造和消費(fèi)大國，對GPU和CPU需求量巨大。近年來，國產(chǎn)GPU公司，如璧韌科技、摩爾線程、芯動科技、天數(shù)智能、華為等紛紛發(fā)布新品，且含金量越來越高。總體來看，中國本土GPU和CPU性能及生態(tài)系統(tǒng)正在逐步完善。
以華為為例，該公司自研的Ascend 910系列處理器，特別是其最新版本芯片得到了越來越多中國本土IT系統(tǒng)設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)大廠的青睞，訂單量持續(xù)提升。除了芯片本身，華為還提供相應(yīng)的開發(fā)工具包和跨AI的云訓(xùn)練服務(wù)。2023年8月，科大訊飛董事長劉慶峰高度評價(jià)了華為開發(fā)的處理器，將它與英偉達(dá)的A100進(jìn)行了比較，劉慶峰表示，科大訊飛正在與華為合作進(jìn)行硬件開發(fā)。當(dāng)然，不止科大訊飛一家，有幾家中國本土頭部IT和互聯(lián)網(wǎng)大廠都在與華為和其它本土HPC芯片企業(yè)合作，開發(fā)高性能計(jì)算系統(tǒng)。
經(jīng)過多年的潛心研發(fā)和沉淀，近兩三年，龍芯迎來了收獲季。
2023年底，龍芯正式推出了3A6000處理器。3A6000依然基于該公司自研的LoongArch指令集架構(gòu)，工藝制程依舊是12nm，內(nèi)核升級為LA664，也就是64位。3A6000為4核處理器，所以擁有4個(gè)LA664核心，支持128位向量處理擴(kuò)展指令（LSX）和256位高級向量處理擴(kuò)展指令（LASX）。另外，3A6000支持同步多線程技術(shù)，也就是超線程技術(shù)。測試數(shù)據(jù)顯示，3A6000的SPEC性能達(dá)到了英特爾10代酷睿4核處理器的水準(zhǔn)。
龍芯還推出了服務(wù)器CPU芯片3C6000和3D6000，以及具有較高性價(jià)比的桌面級CPU芯片2K3000，可用于上網(wǎng)本、工控、迷你主機(jī)等。
龍芯也在研發(fā)GPU，于2023年底推出了9A1000，對標(biāo)AMD 的RX 550顯卡，計(jì)劃在2024年第三季度流片。9A1000支持科學(xué)計(jì)算加速和AI加速。
以華為和龍芯為代表的中國本土廠商不斷發(fā)力，正在將國產(chǎn)GPU和CPU推向新的高度，目前來看，這些產(chǎn)品可以替換英偉達(dá)和英特爾的中國特供版芯片。
不過，要想跟上國際大廠的最先進(jìn)HPC芯片，中國本土企業(yè)還有較長的路要走，攻克其中的技術(shù)壁壘依然很難。開發(fā)高性能GPU和CPU是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，包含硬件架構(gòu)、算法、軟件生態(tài)等多個(gè)組成部分，缺一不可。
另外，HPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)也很復(fù)雜，芯片只是其中的一個(gè)重要組成部分，復(fù)雜系統(tǒng)不是簡單的處理器堆砌，如果體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、并行文件系統(tǒng)、存儲列陣等不過關(guān)，即使堆再多的CPU，整個(gè)系統(tǒng)性能也無法提高。
?04結(jié)語
從目前的發(fā)展情況來看，未來，美國和中國大陸的HPC芯片產(chǎn)業(yè)鏈綜合實(shí)力都將增強(qiáng)，美國的IC設(shè)計(jì)能力依然強(qiáng)大，同時(shí)，其制造、封測能力不斷提升，同時(shí)，中國大陸的IC設(shè)計(jì)和制造競爭力也會持續(xù)提升，并加快追趕傳統(tǒng)大廠的腳步。
目前來看，美國發(fā)展先進(jìn)芯片制造和封測具有更多優(yōu)勢，畢竟它們在獲得先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備，以及在本土建先進(jìn)制程晶圓廠方面更具話語權(quán)和掌控力。中國大陸在建先進(jìn)制程晶圓產(chǎn)線方面，困難較多。在這種情況下，發(fā)展先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)線就顯得更加重要。
近幾年，中國投資先進(jìn)封裝技術(shù)的力度越來越大。由于小芯片和異構(gòu)集成已經(jīng)成為充分利用較為成熟制程節(jié)點(diǎn)的重要手段，許多公司正在進(jìn)入FOWLP或FOPLP等扇出型封裝業(yè)務(wù)，由于能夠?qū)崿F(xiàn)無基板（no-substrate）解決方案，扇出技術(shù)廣受歡迎。同時(shí)，CoWoS和3D封裝技術(shù)也成為重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目?？傮w來看，先進(jìn)封裝已成為中國本土相關(guān)企業(yè)提升未來市場競爭力的戰(zhàn)略手段。
