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作者：暢秋
當下，高性能計算（HPC）芯片成為半導體產業(yè)發(fā)展的主要驅動力，無論是IC設計、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轉向HPC市場，特別是人工智能（AI）服務器芯片。
目前，稱霸HPC芯片市場的依然是以英特爾、英偉達和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設計上，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)在全球范圍內沒有優(yōu)勢。
在HPC芯片和系統(tǒng)方面，中國本土相關企業(yè)和產品一直處于追趕狀態(tài)，與國際領先技術和企業(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設計，還是晶圓代工，以及封裝測試，中國本土企業(yè)的技術和產品力在加速提升。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5nm及以下先進制程晶圓廠的主要原因。但是，這樣的產能建設需要時間和技術積累，短期內難以形成規(guī)模，做先進封裝相對容易一些，而且很實用，因為異構芯片很受市場歡迎，而先進封裝是實現(xiàn)異構芯片的關鍵一環(huán)，實現(xiàn)起來又比5nm、3nm這樣的芯片制造產線要容易，因此，無論是美國，還是中國大陸，都把發(fā)展先進封裝技術和產線看得很重。
市場對先進封裝有怎樣的需求呢？以HPC芯片大廠英偉達和AMD為例說明一下。
業(yè)界估算，2024年，英偉達和AMD的AI芯片出貨量總計有望達到150萬個。據悉，AMD的MI300A于今年第一季度開始量產出貨，采用了Chiplet（小芯片）設計，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，英偉達最新產品H200依然供不應求，預計該公司在2024年底前還會推出采用臺積電3nm制程的B100和GB200等新產品，估計英偉達今年AI芯片出貨總量不會低于100萬個，與2023年相比翻倍。這些Chiplet設計產品都需要先進封裝，臺積電的相關產能已經供不應求，這也是2023全年高性能GPU供不應求的重要原因，這些GPU多采用CoWoS封裝技術，目前，CoWoS供需缺口不低于20%，除了英偉達，越來越的國際IC設計大廠也在持續(xù)增加訂單。預計到2024下半年，臺積電CoWoS產能將增加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供應鏈，先進封裝市場一片紅火。
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)展或扶持先進封裝產線。
美國DARPA推出了一項名為下一代微電子制造（NGMM）的新計劃，主要關注點是 3D異構集成微系統(tǒng) (3DHI)，該計劃認為，微電子創(chuàng)新的下一個主要浪潮將來自通過先進封裝集成異質材料、器件和電路的能力?？梢酝ㄟ^新的封裝和集成技術將內存和處理器集成，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表示該計劃的目標是建立一個3DHI制造中心，并可供學術界、政府和行業(yè)用戶使用。衡量它成功的標準是能否以合理的成本支持設計、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封裝制造計劃愿景(NAPMP)，NAPMP是4個CHIPS for America研發(fā)計劃之一，政府預計向該計劃投入約30億美元，該計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一座先進芯片封裝廠，該項目將專注于高性能計算芯片的封裝和測試。據悉，該工廠將在2~3年內投入生產，并已向美國政府申請CHIPS補貼。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、博通等本土大客戶提供先進制程芯片制造和封測服務。
?02美國HPC芯片大廠遭遇挑戰(zhàn)
除了先進制程制造和封裝產能，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的A100和H100芯片，AMD的MI250也被納入限制名單，因為這些芯片的通信帶寬達到了600GB/s或更高。針對中國大陸市場，英偉達隨后推出了A800和H800處理器，通信帶寬都明顯低于600GB/s。
2023年10月，美國商務部工業(yè)與安全局（BIS）表示，將使用 “性能密度”作為新參數對受限芯片進行分類。根據新規(guī)定，英偉達的A800、H800、L40、L40S和RTX 4090相關產品被禁止銷往中國大陸。針對這項規(guī)定，英偉達又于去年11月推出了三款AI芯片——H20、L20和L2，但要到2024年第二季度才能量產交付。
針對RTX 4090在中國大陸銷售受限問題，英偉達開發(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。據悉，RTX 4090 D滿足綜合運算性能（TPP）4800限制，RTX 4090的TPP是5286。
最近，英偉達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CUDA內核。
不止英偉達，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訓練處理器Gaudi2。由于MI300系列產品受到美國新規(guī)限制，AMD也計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)和產品競爭力的提升，英偉達等廠商的技術和產品優(yōu)勢正在縮小。例如，英偉達的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，因為多家中國本土芯片廠商正在快速發(fā)展。
事實上，一些中國大陸科技公司已經轉向使用本地芯片。
由于中國本土AI芯片與英偉達特供版產品之間的差距縮小，進入2024年以來，多家中國互聯(lián)網大廠和云服務提供商表示，今年下訂的英偉達H20等產品數量將遠少于原本想買的，因為本土相關芯片的用量增加了。
測試結果顯示，H20能有效在多個處理器之間高效傳輸數據，比中國本土相關芯片更適合AI計算應用，但是，需要更多H20才能表現(xiàn)出英偉達常規(guī)GPU的算力，這就大幅提高了成本。相比之下，中國本土最先進的AI芯片也能處理AI相關應用，只是處理任務的復雜度低于英偉達的。知情人士表示，多家中國互聯(lián)網大廠和云服務提供商已經把一些AI芯片訂單轉至本土廠商。
不止中國市場，英偉達、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、亞馬遜等云服務提供商為了降低芯片成本，并使芯片供應鏈多元化，減少對英偉達的依賴，不僅開始提升采購AMD的MI300系列產品數量，要求ODM廠設計專門采用MI300系列產品的AI服務器，還紛紛加強自研HPC芯片力度，爭取將更多自研芯片用于自家的互聯(lián)網和云計算系統(tǒng)。
這樣看來，雖然英偉達和AMD依然很風光，但受限于先進制程、封裝產能，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大國，對GPU和CPU需求量巨大。近年來，國產GPU公司，如璧韌科技、摩爾線程、芯動科技、天數智能、華為等紛紛發(fā)布新品，且含金量越來越高?？傮w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)設備和互聯(lián)網大廠的青睞，訂單量持續(xù)提升。除了芯片本身，華為還提供相應的開發(fā)工具包和跨AI的云訓練服務。2023年8月，科大訊飛董事長劉慶峰高度評價了華為開發(fā)的處理器，將它與英偉達的A100進行了比較，劉慶峰表示，科大訊飛正在與華為合作進行硬件開發(fā)。當然，不止科大訊飛一家，有幾家中國本土頭部IT和互聯(lián)網大廠都在與華為和其它本土HPC芯片企業(yè)合作，開發(fā)高性能計算系統(tǒng)。
經過多年的潛心研發(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，工藝制程依舊是12nm，內核升級為LA664，也就是64位。3A6000為4核處理器，所以擁有4個LA664核心，支持128位向量處理擴展指令（LSX）和256位高級向量處理擴展指令（LASX）。另外，3A6000支持同步多線程技術，也就是超線程技術。測試數據顯示，3A6000的SPEC性能達到了英特爾10代酷睿4核處理器的水準。
龍芯還推出了服務器CPU芯片3C6000和3D6000，以及具有較高性價比的桌面級CPU芯片2K3000，可用于上網本、工控、迷你主機等。
龍芯也在研發(fā)GPU，于2023年底推出了9A1000，對標AMD 的RX 550顯卡，計劃在2024年第三季度流片。9A1000支持科學計算加速和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GPU和CPU推向新的高度，目前來看，這些產品可以替換英偉達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，攻克其中的技術壁壘依然很難。開發(fā)高性能GPU和CPU是一項系統(tǒng)工程，包含硬件架構、算法、軟件生態(tài)等多個組成部分，缺一不可。
另外，HPC系統(tǒng)設計也很復雜，芯片只是其中的一個重要組成部分，復雜系統(tǒng)不是簡單的處理器堆砌，如果體系結構設計、高速互聯(lián)網絡、并行文件系統(tǒng)、存儲列陣等不過關，即使堆再多的CPU，整個系統(tǒng)性能也無法提高。
?04結語
從目前的發(fā)展情況來看，未來，美國和中國大陸的HPC芯片產業(yè)鏈綜合實力都將增強，美國的IC設計能力依然強大，同時，其制造、封測能力不斷提升，同時，中國大陸的IC設計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)展先進芯片制造和封測具有更多優(yōu)勢，畢竟它們在獲得先進半導體設備，以及在本土建先進制程晶圓廠方面更具話語權和掌控力。中國大陸在建先進制程晶圓產線方面，困難較多。在這種情況下，發(fā)展先進封裝技術和產線就顯得更加重要。
近幾年，中國投資先進封裝技術的力度越來越大。由于小芯片和異構集成已經成為充分利用較為成熟制程節(jié)點的重要手段，許多公司正在進入FOWLP或FOPLP等扇出型封裝業(yè)務，由于能夠實現(xiàn)無基板（no-substrate）解決方案，扇出技術廣受歡迎。同時，CoWoS和3D封裝技術也成為重點開發(fā)項目?？傮w來看，先進封裝已成為中國本土相關企業(yè)提升未來市場競爭力的戰(zhàn)略手段。
下載ECAD模型
