小鵬汽車芯片成本分析與性能猜測

首先來做一個芯片的成本分析，考慮到不同公司之間研發(fā)成本差異巨大，所以主要研究固定成本，固定成本主要來自流片成本和晶圓成本以及封測成本。

流片即tape-out，成本主要來自光罩的制作。依照不同的制程，光罩的數(shù)量也不一樣多，下表是TSMC在不同制程的大致光罩?jǐn)?shù)量，可以發(fā)現(xiàn)，越新的制程，光罩?jǐn)?shù)量越多。（少數(shù)節(jié)點(diǎn)有光罩?jǐn)?shù)持平的現(xiàn)象，是因?yàn)閾QFinFET或引進(jìn)EUV mask。）

在新制程中，每一道光罩的成本也增加了，所以整套光罩成本是幾何性地增加。據(jù)估計，一套16nm光罩需要1億新臺幣，約合2千萬人民幣，已經(jīng)是天價了，到了2nm，光罩要價高達(dá)30億新臺幣，大約6億人民幣。三星8納米光罩成本大約900萬美元，7納米的光罩成本大約1200-1500萬美元，5納米大約4000-5000萬美元。

流片也有兩種類型，一種是Full Mask，“全掩膜”的意思，即在一次制造流程中整個掩膜只為某一個設(shè)計服務(wù)。另一種是MPW （Multi Project Wafer，多項目晶圓），即在一次制造流程中整個掩膜為多個設(shè)計項目服務(wù)，也即同一次制造流程可以承擔(dān)多個IC設(shè)計的制造任務(wù)。不過這種方式花費(fèi)時間成本較高，進(jìn)度無法掌控，對于車廠而言，進(jìn)度無法掌控完全不可接受，因此相信小鵬和蔚來都是Full Mask。

一片十二英寸晶圓面積大約70685平方毫米，英偉達(dá)Orin的die size是450平方毫米。

12英寸晶圓可以切割大約125片Orin，臺積電7納米晶圓每片大約10000美元，三星8納米晶圓價格大約6000美元，每片Orin的晶圓成本大約48美元，封裝與測試成本大約2美元，即50美元。Orin目前千顆起售價大約500美元，毛利率大約90%，英偉達(dá)一向如此，毛利率基本就是90%。

蔚來和小鵬的自研芯片都是對標(biāo)雙Orin的性能，即使5納米工藝，die size最低下限跟Orin也應(yīng)該差不多，當(dāng)然如果降低性能，die size可以小很多。我們假定die size還是450平方毫米，那么每片晶圓可以切割125片，假設(shè)采用了臺積電的5納米工藝制造，臺積電5納米晶圓每片16000美元，每個芯片成本大約128美元，加上2美元的封測費(fèi)，大致是130美元。如果4納米的話每片晶圓是19000美元，每個芯片成本大約152美元，整體成本大約155美元。

臺積電基本上是下單量2.5萬片起，那么一次性下單就是312.5萬個芯片，考慮到汽車銷量，這么高的量，大部分廠家估計5年都用不完，5納米的話也就是一次性需要付出4億美元。光罩成本每片分?jǐn)偞蠹s13美元，每片成本大約143美元。這么大的量估計對小鵬和蔚來來說壓力很大，據(jù)說三星的最小下單量遠(yuǎn)低于臺積電（盡管這樣三星還是客戶很少），估計是5千片起，那么就是62.5萬個芯片，三星的5納米晶圓每片價格大約低臺積電20%，也就是大約13000美元，每個芯片成本大約105美元，但光罩分?jǐn)偝杀緯笤龅?4美元，每個芯片等于169美元硬件成本。這也就理解為什么特斯拉和英偉達(dá)Orin一直在三星下單的原因了。

除了研發(fā)成本還有各種IP購買成本、EDA成本、索喜這樣的芯片設(shè)計與制造服務(wù)成本，估計大約在1.5-2億美元之間，如果按62.5萬個芯片計算，那么每個芯片分?jǐn)偝杀炯s為240-320美元，總計成本大約409-489美元之間，略微低于直接購買英偉達(dá)Orin。不過自研芯片對加強(qiáng)品牌形象，提升科技感和市值幫助極大，間接收益遠(yuǎn)高于直接成本。

40核心應(yīng)該不是CPU的核心，雖然小鵬官方網(wǎng)站英文介紹是40核心CPU，但上圖寫得明白是40核心處理器，這個很好推測，大概率是24個ARM Cortex-A78AE內(nèi)核，12個ARM MALI-G78AE 內(nèi)核，4個ARM Cortex-R52內(nèi)核做安全島，加起來就是40核心。這個CPU算力大約是460kDMIPS，沒有蔚來的芯片高。當(dāng)然也不排除是32個A78AE內(nèi)核，6個G78AE GPU核心，2個R52核心。MALI -G78AE是ARM為汽車領(lǐng)域設(shè)計的GPU核心，原型是為手機(jī)領(lǐng)域設(shè)計的MALI-G78。14核心基礎(chǔ)頻率760MHz的MALI-G78AE的算力是1360GFLOPS@FP32。

小鵬在宣傳上提到了DSA （Domain Specific Architecture，領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)），實(shí)際NPU就是一種DSA。CNN時代AI加速器一般叫NPU，大模型transformer時代則多叫DSA。智駕領(lǐng)域的算法從過去基于CNN算法的多個不同任務(wù)的感知網(wǎng)絡(luò)向以Transformer為基礎(chǔ)框架的BEV大模型演進(jìn)。BEV作為新一代自動駕駛感知算法，在傳統(tǒng)CNN加速芯片上部署難度極大甚至完全無法部署。Transformer模型對訪存要求相對傳統(tǒng)CNN算法會高出很多，需要較高的存儲帶寬，同時Transformer內(nèi)的非線性層有非常高的精度要求，相應(yīng)需要更多的浮點(diǎn)計算資源，而絕大多數(shù)AI加速器都是定點(diǎn)整數(shù)計算資源。其次Attention模塊是一個matmul-softmax-matmul的結(jié)構(gòu)，在序列長度比較大時，Reduce維度的計算對Vector（向量）計算資源要求非常多。此外BEV模型里Grid Sample算法里還有一些類似聚合、分散的特殊算子。所有這些計算需求在傳統(tǒng)AI芯片的硬件上難以滿足，需要近似CPU的運(yùn)算資源。

DSA非常簡單，典型代表就是谷歌的TPU，近來針對AI運(yùn)算的DSA高度雷同，也沒什么技術(shù)門檻。簡單地說就是在NPU的MAC陣列上加入了標(biāo)量運(yùn)算和向量運(yùn)算單元。

標(biāo)量算力，主要用于邏輯控制，任務(wù)調(diào)度。

向量算力，主要用于激活、池化、排序等計算。

矩陣算力，主要是矩陣乘法，用于卷積，全連接等計算。

隨著算力專有程度的提高，其算力通用性也會降低，算力的可編程性變差。打個比方，我們分別把矩陣算力、向量算力和標(biāo)量算力，類比作飛機(jī)，高鐵和汽車三種交通工具。飛機(jī)，速度最快，但乘坐成本最高，且只能往來于特定的幾個機(jī)場站點(diǎn)；高鐵，速度相對較快，準(zhǔn)備工作相對較少，高鐵站的數(shù)量也相對較多；汽車，速度相較最慢，但便捷性最高，也無需額外的準(zhǔn)備工作。標(biāo)量算力是最通用的算力，可以從功能上覆蓋向量計算和矩陣計算，且理論上可以覆蓋幾乎所有的計算需求；同理，向量計算也可以覆蓋矩陣計算的功能；最后，矩陣計算，其算力專有程度最高，只能用于矩陣計算。但隨著算力專有程度變高，越容易堆疊算力，算力的能效比也越高。由于矩陣算力的可編程性較差，需要借助算子庫或者DSL（Domain Specific Language）才能把矩陣算力很好的利用起來。向量算力用于保證DSA的可編程性和兼容性，如TPU、NPU中的Vector Unit，GPGPU中的CUDA core；標(biāo)量算力則主要用于邏輯控制。

從2018年開始，谷歌的第三代TPU就是標(biāo)量向量矩陣都具備了。

TPU第五代TPUv5e和TPUv5P與第三代沒有本質(zhì)變化

谷歌幾代TPU只是增加了HBM的容量和帶寬，實(shí)際英偉達(dá)也是如此，變化的只是HBM的容量和帶寬，架構(gòu)都是換湯不換藥。

最后來說一說小鵬支持的300億參數(shù)大模型。Roofline Model可以看出平均帶寬需求和峰值計算能力如天花板一樣是整個系統(tǒng)計算的能力上限，以計算強(qiáng)度上限Imax為界，劃分出AI芯片的兩個瓶頸區(qū)域，即圖中橘色的內(nèi)存受限區(qū)（Memory Bound）和圖中藍(lán)色的計算受限區(qū)（Compute Bound）。存儲決定了下限，計算決定了上限。因?yàn)?Decoding 階段 Token 逐個處理，使用 KV Cache 之后， Multi-Head Attention 里的矩陣乘矩陣操作全部降級為矩陣乘向量即GEMV。除此之外，Transformer 模型中的另一個關(guān)鍵組件 FFN 中主要也包含兩個矩陣乘法操作，但Token之間不會交叉融合，也就是任何一個Token都可以獨(dú)立計算，因此在Decoding階段不用Cache之前的結(jié)果，但同樣會出現(xiàn)矩陣乘矩陣操作降級為矩陣乘向量。Prefill階段則是GEMM，矩陣與矩陣的乘法。GEMV是訪存密集型操作，性能完全取決于存儲帶寬。

支持大模型參數(shù)數(shù)量由存儲帶寬和外在的存儲容量決定，假設(shè)一個大模型參數(shù)為300億，按照車載的INT8精度，它所占的存儲是30GB，如果是英偉達(dá)的RTX4090，它的顯存帶寬是1008GB/s，也就是每30毫秒生成一個token，這個就是RTX4090的理論速度上限。特斯拉第一代FSD芯片的存儲帶寬是63.5GB/s，也就是每471毫秒生成一個token，幀率不到3Hz，自動駕駛領(lǐng)域一般圖像幀率是30Hz，而英偉達(dá)的Orin存儲帶寬是204.5GB/s，即每146毫秒生成一個token，勉強(qiáng)可以達(dá)到7Hz，注意這只是計算的數(shù)據(jù)搬運(yùn)所需要的時間，數(shù)據(jù)計算的時間都完全忽略了，要做到30Hz，帶寬至少要提高5倍，也就是1TB/s。實(shí)際情況遠(yuǎn)比這個復(fù)雜的多，車載領(lǐng)域不是傳統(tǒng)LLM使用CPU和GPU分離形式，車載領(lǐng)域的計算SoC都是將CPU和AI運(yùn)算部分合二為一，AI運(yùn)算部分通常是GPU或加速器，是和CPU共享內(nèi)存的，而在非車載領(lǐng)域，GPU或AI運(yùn)算部分有獨(dú)立的存儲，即顯存。車載領(lǐng)域共享內(nèi)存一般是LPDDR，它主要是為CPU設(shè)計的，注重速度即頻率而非帶寬，不像顯存，一般是GDDR或HBM，注重帶寬，不看重頻率高低。上述所有理論都是基于顯存的，在車載領(lǐng)域共享LPDDR，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單獨(dú)配置的顯存，無論是速度還是容量，共享存儲都必須遠(yuǎn)比單獨(dú)的顯存要高才能做到大模型推理計算。

車載領(lǐng)域存儲比算力重要很多，最好的解決辦法是HBM，但太貴了，32GB HBM2最低成本也得2000美元，汽車領(lǐng)域?qū)r格還是比較敏感的，退而求其次，就是GDDR了。GDDR6的成本遠(yuǎn)低于HBM，32GB GDDR6大概只要180美元或更低。