美國HPC芯片大廠遭遇尷尬，中國本土產(chǎn)品趁勢崛起

當(dāng)下，高性能計算（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、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(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，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。

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 及以下先進制程晶圓廠的主要原因。但是，這樣的產(chǎn)能建設(shè)需要時間和技術(shù)積累，短期內(nèi)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(gòu)芯片很受市場歡迎，而先進封裝是實現(xiàn)異構(gòu)芯片的關(guān)鍵一環(huán)，實現(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)展先進封裝技術(shù)和產(chǎn)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(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，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(chǎn)品 H200 依然供不應(yīng)求，預(yù)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(chǎn)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(shè)計產(chǎn)品都需要先進封裝，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，越來越的國際 IC 設(shè)計大廠也在持續(xù)增加訂單。預(yù)計到 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(chǎn)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(guān)注點是 3D 異構(gòu)集成微系統(tǒng) (3DHI)，該計劃認(rèn)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(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 表示該計劃的目標(biāo)是建立一個 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、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(yù)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(shè)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(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(wù)。

美國 HPC 芯片大廠遭遇挑戰(zhàn)

除了先進制程制造和封裝產(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(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)對受限芯片進行分類。根據(jù)新規(guī)定，英偉達的 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(chǎn)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(jù)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(nèi)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(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，英偉達等廠商的技術(shù)和產(chǎn)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(jīng)轉(zhuǎn)向使用本地芯片。

由于中國本土 AI 芯片與英偉達特供版產(chǎn)品之間的差距縮小，進入 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 H20 等產(chǎn)品數(shù)量將遠(yuǎn)少于原本想買的，因為本土相關(guān)芯片的用量增加了。

測試結(jié)果顯示，H20 能有效在多個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 計算應(yīng)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(guān)應(yīng)用，只是處理任務(wù)的復(fù)雜度低于英偉達的。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、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)計專門采用 MI300 系列產(chǎn)品的 AI 服務(wù)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(wǎng)和云計算系統(tǒng)。

這樣看來，雖然英偉達和 AMD 依然很風(fēng)光，但受限于先進制程、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。

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(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?？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(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(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 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(shù)，也就是超線程技術(shù)。測試數(shù)據(jù)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(zhǔn)。

龍芯還推出了服務(wù)器 CPU 芯片 3C6000 和 3D6000，以及具有較高性價比的桌面級 CPU 芯片 2K3000，可用于上網(wǎng)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(biāo) AMD 的 RX 550 顯卡，計劃在 2024 年第三季度流片。9A1000 支持科學(xué)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(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(shù)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(gòu)、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(shè)計也很復(fù)雜，芯片只是其中的一個重要組成部分，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、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，整個系統(tǒng)性能也無法提高。

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)鏈綜合實力都將增強，美國的 IC 設(shè)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(shè)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(dǎo)體設(shè)備，以及在本土建先進制程晶圓廠方面更具話語權(quán)和掌控力。中國大陸在建先進制程晶圓產(chǎn)線方面，困難較多。在這種情況下，發(fā)展先進封裝技術(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(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，CoWoS 和 3D 封裝技術(shù)也成為重點開發(fā)項目。總體來看，先進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。