突破中國芯片及其應用的極限

上周，一則外媒報道十分引人關(guān)注，根據投資銀行 Bernstein 的數據，目前，全球 40% 的 Arm 服務(wù)器在中國大陸使用。40%，這個(gè)比重還是很高的，之前沒(méi)有預料到，畢竟，無(wú)論是 CPU 架構 IP 開(kāi)發(fā)和所有者，還是相關(guān)處理器在數據中心的應用，主要還是由美國和歐洲公司主導，包括 AWS，Ampere，Google，Fujitsu，Microsoft 和 Nvidia 在內的多家芯片、系統設備和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都在開(kāi)發(fā)或采用了基于 Arm 架構的 SoC，美國的大企業(yè)正在其數據中心中擴大 Arm 處理器的布署規模。在這種情況下，中國大陸相對少數的幾家重點(diǎn)關(guān)注 Arm 的企業(yè)，如阿里巴巴，華為和飛騰等，能夠取得全球 40% 的份額，是相當高的比例了。

仔細想一想，40% 雖然在意料之外，但也在情理之中，畢竟，在中國大陸，有很多事業(yè)單位和國有金融企業(yè)和機構，它們所采用的核心設備及相關(guān) CPU 的信息在媒體渠道很少能看到，不像美國的 AWS，Google，Microsoft、Meta、甲骨文等企業(yè)，采購和使用的 IT 設備及相關(guān)核心芯片經(jīng)常在媒體上看到。

另外，2019 年之后，在美國的封鎖和打壓下，中國大陸系統設備廠(chǎng)商越來(lái)越難以買(mǎi)到英特爾和 AMD 的高性能服務(wù)器 CPU，這在客觀(guān)上也迫使中國本土企業(yè)將更多資源和精力放在了基于 Arm 架構自研的 CPU 上，雖然 Arm 授權的 IP 也受到了美國限制，但與直接購買(mǎi)英特爾和 AMD 的高性能服務(wù)器 CPU 相比，基于 Arm 自研 CPU 受到的限制會(huì )小很多，且有更多的操作空間。

可以說(shuō)，在美國的限制政策下，中國大陸基于 Arm 架構的 CPU 及服務(wù)器系統發(fā)展達到了一個(gè)新高度，在可預見(jiàn)的未來(lái)幾年，在全球市場(chǎng)的占比還將取得新突破。

上周，還有一則本土 CPU 取得技術(shù)和市場(chǎng)突破的消息，龍芯中科成功流片新一代四核處理器 3A6000。

中國電子技術(shù)標準化研究院賽西實(shí)驗室的測試結果顯示，龍芯 3A6000 在 2.5GHz 運行頻率下，SPEC CPU 2006 base 單線(xiàn)程定/浮點(diǎn)分值分別達到 43.1/54.6 分，SPEC CPU 2006 base 多線(xiàn)程定/浮點(diǎn)分值分別達到 155/140 分，雙 DDR4-3200 內存通道 Stream 實(shí)測帶寬超過(guò) 42GB/s，Unixbench 實(shí)測分值超 7400 分。綜合相關(guān)測試結果，3A6000 處理器總體性能與英特爾 2020 年上市的第 10 代酷睿四核處理器相當。

相比于上一代龍芯 3A5000 桌面 CPU，3A6000 在相同工藝下單線(xiàn)程性能提升 60% 以上，全芯片多線(xiàn)程性能成倍提升。龍芯中科正在研發(fā)的服務(wù)器 CPU 將比上一代 16 核 3C5000 和 32 核的 3D5000 服務(wù)器 CPU 性能成倍提升。

作為中國本土 CPU 研發(fā)企業(yè)中的「異類(lèi)」，早些年一直不被看好的龍芯，其價(jià)值在 2019 年之后得到突出體現，近幾年，在自研指令集架構 LoongArch 的基礎上，不斷推出新的、性能更高且能將功耗控制在一定水平的 CPU，雖然也有一些波折，受到非議，但大方向還是對路的，未來(lái)幾年，相信還會(huì )有新的突破出現。

不止龍芯，近來(lái)有消息顯示，華為很可能會(huì )在年底將其自研的 5G 手機處理器帶回市場(chǎng)，如果真能實(shí)現，無(wú)疑會(huì )是一針強心劑，無(wú)論是對華為，還是對中國本土手機處理器市場(chǎng)而言，都是如此。

華為 5G 手機處理器回歸的消息帶出了另一個(gè)話(huà)題，即中國本土 10nm 以下先進(jìn)制程芯片的制造。

由于受到美國限制，華為無(wú)法獲得臺積電或其它晶圓代工廠(chǎng)先進(jìn)制程產(chǎn)能，致使華為高端手機市占率每況愈下。因此，要想使 5G 手機，特別是高端手機復活，有先進(jìn)制程工藝產(chǎn)線(xiàn)支持是關(guān)鍵。

此次，如果華為年底發(fā)布的新 5G 手機能搭載自研處理器的話(huà)，說(shuō)明中國本土晶圓代工廠(chǎng)的制程工藝水平又上了一個(gè)臺階，備受關(guān)注的晶圓代工龍頭 N+1 制程工藝（與 7nm 工藝相近）很可能實(shí)現了新的突破，特別是在芯片量產(chǎn)的良率方面，或許能給市場(chǎng)提供更穩定的支持。

中國本土晶圓代工廠(chǎng)，特別是以發(fā)展先進(jìn)制程工藝為目標的廠(chǎng)商，在近幾年遇到了很大困難，核心問(wèn)題就是先進(jìn)制程半導體設備，由于受到美國限制，無(wú)論是來(lái)自美國，還是來(lái)自歐洲的半導體設備廠(chǎng)商，都很難向中國本土晶圓廠(chǎng)出售先進(jìn)制程設備了，使得這些晶圓廠(chǎng)發(fā)展先進(jìn)制程工藝產(chǎn)線(xiàn)的工作極為艱難，只能靠美國限制政策正式生效前的短暫時(shí)期，拿到了有限數量的先進(jìn)設備，結合原有設備，組合出新產(chǎn)線(xiàn)，但這樣的晶圓廠(chǎng)硬件水平很難量產(chǎn)出高良率的先進(jìn)芯片。在這種情況下，產(chǎn)業(yè)對中國本土先進(jìn)半導體設備的呼聲越來(lái)越高。

近期，有消息稱(chēng)，中國本土企業(yè)研制的先進(jìn)光刻設備將在年底出貨，雖然與 ASML 的先進(jìn) EUV 和 DUV 設備相比還有不小的差距，但通過(guò)工藝技術(shù)的改進(jìn)，例如采用多重曝光技術(shù)，可以明顯縮小這種差距。這些對中國本土芯片制造業(yè)水平的提升是利好的。不過(guò)，總體而言，中國大陸先進(jìn)制程芯片制造的工藝水平與國際大廠(chǎng)相比，差距依然比較大，還需要本土半導體設備企業(yè)和科研院所不斷努力，爭取量產(chǎn)出更多先進(jìn)設備。

除了芯片設計和制造，中國大陸在高性能計算系統構建方面也受到了限制，特別是當下最為火爆的 AI 服務(wù)器系統，由于無(wú)法買(mǎi)到英偉達最先進(jìn)的 GPU 產(chǎn)品 A100 和 H100，中國大陸相關(guān)企業(yè)，如阿里、騰訊和華為，只能退而求其次，采用現有處理器芯片，并簡(jiǎn)化 AI 模型和程序。

據悉，通過(guò)采用英偉達低性能版本的 A800 和 H800，騰訊推出了一款新的計算系統，進(jìn)行 AI 模型訓練。但是，這種方法的成本很高，因為 H800 的用量大概是 H100 的三倍，才能獲得類(lèi)似的效果。

有消息稱(chēng)，為了控制成本，有中國本土公司設計出了采用不同芯片類(lèi)型組合訓練 AI 大模型的方法，例如，使用英偉達的 A100、V100 和 P100，以及華為 Ascends 組合成一個(gè)系統。不過(guò)，這種方法的技術(shù)難度較大，且可靠性難以保證。

此外，中國本土公司還在軟件技術(shù)方面下功夫，以減少訓練 AI 大模型的算力要求，也就是用軟件彌補硬件性能的不足。

突破后的效應

可見(jiàn)，雖然受到種種限制，但中國本土電子半導體產(chǎn)業(yè)依然在前進(jìn)，當然，這種進(jìn)步的速度是緩慢且艱難的。

在看到中國電子半導體相關(guān)企業(yè)尋找各種應對策略，且有一定成效之后，美國政府又坐不住了，提出了新的限制措施，主要體現在：有意進(jìn)一步限制 AI 芯片出口，可能針對英偉達為中國大陸特供的 A800 和 H800；加強對中國大陸電子半導體產(chǎn)業(yè)投資的限制；可能會(huì )進(jìn)一步限制中國本土成熟制程產(chǎn)線(xiàn)的發(fā)展。

這里特別關(guān)注一下成熟制程方面的限制。盡管美國去年 10 月出臺的規定減緩了中國大陸先進(jìn)制程芯片制造能力的發(fā)展，但基本上沒(méi)有影響 14nm 以上較為成熟制程技術(shù)的能力。成熟制程種類(lèi)繁多，市場(chǎng)規模大，且競爭充分，是中國本土芯片制造業(yè)發(fā)展較好的選擇。

不久前，美國商務(wù)部長(cháng)吉娜·雷蒙多在美國企業(yè)研究所的一次小組討論中表示：「中國投入大量資金補貼成熟制程芯片產(chǎn)能，這是我們需要思考并與盟友合作解決的一個(gè)問(wèn)題?！拱莸钦晃桓呒壒賳T表示，雖然沒(méi)有采取行動(dòng)的時(shí)間表，但正在收集相關(guān)信息。

就目前情況看，美國在成熟制程方面限制中國本土產(chǎn)業(yè)發(fā)展的顧慮較多，其中很重要的一項就是如果中國大陸成熟制程芯片產(chǎn)能大幅減少的話(huà)，美國需要轉移相關(guān)產(chǎn)能，且規模很大，這樣，很多美國企業(yè)需要承擔相應成本，而美國企業(yè)并不愿意投資那些必須與接受大量政府補貼的中國大陸晶圓廠(chǎng)競爭的產(chǎn)線(xiàn)。據悉，美國政府正在衡量西方半導體公司投資此類(lèi)項目的意愿，然后再決定采取什么行動(dòng)。

與美國政府已采取或想采取的行動(dòng)不同，美國半導體企業(yè)，特別是行業(yè)排名前列的芯片大廠(chǎng)，都十分看重在中國大陸的發(fā)展，繼英偉達之后，英特爾于近期推出了中國特供版本 AI 芯片 Gaudi 2。而且，就在上周，AMD 也表達了推出中國專(zhuān)供版本 AI 芯片的意愿，該公司 CEO Lisa Su 表示，AMD 看到了中國大陸 AI 市場(chǎng)的銷(xiāo)售潛能，不排除為相關(guān)客戶(hù)開(kāi)發(fā)定制化產(chǎn)品的可能。她說(shuō)：「我們的計劃當然會(huì )遵守美國的出口管制規定，但我們也確實(shí)相信，有機會(huì )為正在尋找 AI 解決方案的中國大陸客戶(hù)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，我們會(huì )繼續努力朝那個(gè)方向走?！?/span>

Lisa Su 沒(méi)有詳細說(shuō)明 AMD 的計劃，如果做的話(huà)，該公司可能會(huì )優(yōu)化一些 Instinct MI 系列加速器，例如計劃在今年第四季度推出的最新 Instinct MI300。

除了推出定制化芯片，英特爾還于近期與深圳市南山區政府合作，成立了英特爾大灣區創(chuàng )新中心，重點(diǎn)關(guān)注人工智能、芯片應用和邊緣計算。英特爾的這一舉動(dòng)似乎釋放出了一個(gè)信號，那就是不久前英特爾、英偉達和高通等美國芯片巨頭 CEO 與白宮高層進(jìn)行了閉門(mén)會(huì )談，表達不愿意失去中國大陸市場(chǎng)的態(tài)度和決心，或許，會(huì )談期間，芯片大廠(chǎng)與美國政府達成了某種妥協(xié)或默契，使得像英特爾這樣的美國芯片巨頭敢于在當前的形勢下做出與深圳市深化合作的決定。當然，這樣的合作肯定不是在幾天時(shí)間內想出并執行的，相信已經(jīng)籌備了一段時(shí)間，但最終決定執行，還是要將美國政府的態(tài)度和未來(lái)政策作為重要參考要素的。

面對美國政府不斷變化的限制措施，以及美國芯片廠(chǎng)商多個(gè)版本的專(zhuān)供芯片，未來(lái)，中國本土設計和制造中高端芯片的決心是否會(huì )隨著(zhù)國際供應鏈的松動(dòng)而發(fā)生變化呢？

我們要看到，中國專(zhuān)供版芯片只是臨時(shí)解決方案，并不能從根本上解決問(wèn)題，對于那些美國芯片廠(chǎng)商來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)定制化芯片來(lái)應對美國政府出口限制政策是對研發(fā)資源的巨大浪費，對于中國本土產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)，這樣的專(zhuān)供芯片具有很強的不確定性，長(cháng)遠來(lái)看，依然是在被美國牽著(zhù)鼻子走。

因此，即使中國大陸企業(yè)會(huì )購買(mǎi)這些專(zhuān)供版芯片，也不能完全依賴(lài)美國供應，更不能放棄自己的產(chǎn)業(yè)鏈和生態(tài)系統建設，中國必須發(fā)展本土的高端芯片制造業(yè)。

未來(lái)的極限在哪里？

據統計，今年 6 月，中國大陸芯片產(chǎn)量達到 321.5 億個(gè)，同比增長(cháng) 5.7%，而前 5 個(gè)月芯片進(jìn)口量同比下降約 20%。來(lái)自海關(guān)總署的消息顯示，今年前 7 個(gè)月，中國大陸進(jìn)口集成電路 2701.7 億個(gè)，同比減少 16.8%，價(jià)值 1.32 萬(wàn)億元，同比下降 16.2%。

可以看出，中國本土芯片產(chǎn)量在持續增長(cháng)，進(jìn)口在減少，總體來(lái)看，芯片自給率有所提高。不過(guò)，必須看到，本土生產(chǎn)的多為中低端產(chǎn)品，而進(jìn)口的則以中高端產(chǎn)品為主。

在可預見(jiàn)的未來(lái)一段時(shí)期內，伴隨著(zhù)美國不斷變化的限制政策，中國大陸需要在芯片設計、制造，以及系統集成方面不斷取得突破，才能爭取主動(dòng)權，不陷入被動(dòng)泥潭。

芯片設計方面，在沒(méi)有最先進(jìn) EDA 工具和國際先進(jìn)設計經(jīng)驗輔助的情況下，中國本土企業(yè)能否設計出與國際高水準保持同步的芯片？相信這一點(diǎn)實(shí)現起來(lái)，難度比芯片制造要小很多。目前，中國本土多家芯片設計企業(yè)都已具備先進(jìn)制程芯片設計能力和經(jīng)驗，雖然與高通和英偉達等大廠(chǎng)依然存在差距，但已不存在代差，且距離還在縮小。以 CPU 為例，中國大陸企業(yè)設計的產(chǎn)品很難拿到臺積電 7nm 及更先進(jìn)制程產(chǎn)能，目前，中國本土量產(chǎn) CPU 能獲得的最先進(jìn)制程工藝是 12nm，在這種情況下，以設計能力提升 CPU 性能見(jiàn)長(cháng)的企業(yè)就凸顯了出來(lái)，如龍芯，即便被美國列入實(shí)體清單，無(wú)法拿到相關(guān)產(chǎn)業(yè)資源，其 CPU 依然能夠迭代前行，且性能在不斷提升。

芯片制造方面，任務(wù)最為艱巨，在目前的國際供應鏈發(fā)展態(tài)勢下，要想制造出高水準的芯片，不僅要提升晶圓廠(chǎng)的工藝水平，還需要相關(guān)設備廠(chǎng)的跟進(jìn)，并要深度參與晶圓廠(chǎng)工藝產(chǎn)線(xiàn)建設，此外，芯片設計與制造的融會(huì )貫通顯得尤為重要，這就是為什么我們不能放棄發(fā)展中國本土 IDM 的一個(gè)重要原因。只有做好以上工作，才能實(shí)現過(guò)去幾年經(jīng)常說(shuō)的：用 14nm 制程工藝產(chǎn)線(xiàn)制造出相當于 7nm 性能、功耗表現的芯片。

在芯片應用和系統集成方面，特別是高性能計算數據中心和云端，在越來(lái)越難獲得國際大廠(chǎng)高端芯片的情況下，如何彌補因單一芯片算力不足而形成的系統性能缺失？前文提到了一些本土廠(chǎng)商的應對策略，但那些方法大都很難持久，且不適合大規模應用，必須在芯片層級有所突破才行。