美國HPC芯片大廠(chǎng)遭遇尷尬，中國本土產(chǎn)品趁勢崛起

當下，高性能計算（HPC）芯片成為半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅動(dòng)力，無(wú)論是 IC 設計、晶圓代工，還是封裝測試企業(yè)，正在將越來(lái)越多的資源和精力由手機轉向 HPC 市場(chǎng)，特別是人工智能（AI）服務(wù)器芯片。

目前，稱(chēng)霸 HPC 芯片市場(chǎng)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(guò)，這些公司的優(yōu)勢主要體現在 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(méi)有優(yōu)勢。

在 HPC 芯片和系統方面，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(guò)，受多種因素影響，近幾年，這種落后的局面正在悄然改變，無(wú)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(shù)和產(chǎn)品力在加速提升。這些給美國 HPC 芯片大廠(chǎng)帶來(lái)了挑戰，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(chǎng)也在想辦法突圍。

制程不夠，封裝來(lái)湊

HPC 芯片對晶圓廠(chǎng)的制程工藝要求很高，能夠完全提供這種產(chǎn)能的晶圓廠(chǎng)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(jìn)制程晶圓廠(chǎng)的主要原因。但是，這樣的產(chǎn)能建設需要時(shí)間和技術(shù)積累，短期內難以形成規模，做先進(jìn)封裝相對容易一些，而且很實(shí)用，因為異構芯片很受市場(chǎng)歡迎，而先進(jìn)封裝是實(shí)現異構芯片的關(guān)鍵一環(huán)，實(shí)現起來(lái)又比 5nm、3nm 這樣的芯片制造產(chǎn)線(xiàn)要容易，因此，無(wú)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(xiàn)看得很重。

市場(chǎng)對先進(jìn)封裝有怎樣的需求呢？以 HPC 芯片大廠(chǎng)英偉達和 AMD 為例說(shuō)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(wàn)個(gè)。據悉，AMD 的 MI300A 于今年第一季度開(kāi)始量產(chǎn)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(guò)臺積電全新系統整合芯片封裝（SoIC）和 CoWoS 整合。

與 H100 類(lèi)似，英偉達最新產(chǎn)品 H200 依然供不應求，預計該公司在 2024 年底前還會(huì )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(huì )低于 100 萬(wàn)個(gè)，與 2023 年相比翻倍。這些 Chiplet 設計產(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(shù)，目前，CoWoS 供需缺口不低于 20%，除了英偉達，越來(lái)越的國際 IC 設計大廠(chǎng)也在持續增加訂單。預計到 2024 下半年，臺積電 CoWoS 產(chǎn)能將增加 130%，加上有更多廠(chǎng)商（日月光 ASE、Amkor、矽品、三星和 JCET 等）積極切入 CoWoS 供應鏈，先進(jìn)封裝市場(chǎng)一片紅火。

因此，無(wú)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(xiàn)。

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(diǎn)是 3D 異構集成微系統 (3DHI)，該計劃認為，微電子創(chuàng )新的下一個(gè)主要浪潮將來(lái)自通過(guò)先進(jìn)封裝集成異質(zhì)材料、器件和電路的能力?？梢酝ㄟ^(guò)新的封裝和集成技術(shù)將內存和處理器集成，顯著(zhù)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(gè) 3DHI 制造中心，并可供學(xué)術(shù)界、政府和行業(yè)用戶(hù)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，且支持快節奏的創(chuàng )新研究。

去年 11 月，美國政府宣布了國家先進(jìn)封裝制造計劃愿景 (NAPMP)，NAPMP 是 4 個(gè) 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(jìn)芯片封裝廠(chǎng)，該項目將專(zhuān)注于高性能計算芯片的封裝和測試。據悉，該工廠(chǎng)將在 2~3 年內投入生產(chǎn)，并已向美國政府申請 CHIPS 補貼。該工廠(chǎng)建成后，將與附近的臺積電新建晶圓廠(chǎng)配合，為蘋(píng)果、AMD、英偉達、博通等本土大客戶(hù)提供先進(jìn)制程芯片制造和封測服務(wù)。

美國 HPC 芯片大廠(chǎng)遭遇挑戰

除了先進(jìn)制程制造和封裝產(chǎn)能，美國 HPC 芯片大廠(chǎng)還面臨著(zhù)銷(xiāo)售渠道不暢通，以及更多競爭對手的挑戰。

以英偉達為例，中國大陸市場(chǎng)占其銷(xiāo)售額的 20% 左右，該公司不得不多次改變 GPU 性能規格，以滿(mǎn)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(chǎng)，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」作為新參數對受限芯片進(jìn)行分類(lèi)。根據新規定，英偉達的 A800、H800、L40、L40S 和 RTX 4090 相關(guān)產(chǎn)品被禁止銷(xiāo)往中國大陸。針對這項規定，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(xiāo)售受限問(wèn)題，英偉達開(kāi)發(fā)出了 RTX 4090 D 顯卡，通過(guò)降低部份規格，以符合美國出口管制要求。據悉，RTX 4090 D 滿(mǎn)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(gè) 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(chǎng)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(chǎng)推出了一款定制版的 AI 訓練處理器 Gaudi2。由于 MI300 系列產(chǎn)品受到美國新規限制，AMD 也計劃向中國大陸市場(chǎng)推出特供版的 MI300。

這幾家美國處理器大廠(chǎng)如此熱衷于為中國大陸市場(chǎng)開(kāi)發(fā)定制版產(chǎn)品，主要原因是這里的市場(chǎng)巨大，有足夠的賺錢(qián)空間。不過(guò)，隨著(zhù)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(chǎng)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(chǎng)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(jìn)入 2024 年以來(lái)，多家中國互聯(lián)網(wǎng)大廠(chǎng)和云服務(wù)提供商表示，今年下訂的英偉達 H20 等產(chǎn)品數量將遠少于原本想買(mǎi)的，因為本土相關(guān)芯片的用量增加了。

測試結果顯示，H20 能有效在多個(gè)處理器之間高效傳輸數據，比中國本土相關(guān)芯片更適合 AI 計算應用，但是，需要更多 H20 才能表現出英偉達常規 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)應用，只是處理任務(wù)的復雜度低于英偉達的。知情人士表示，多家中國互聯(lián)網(wǎng)大廠(chǎng)和云服務(wù)提供商已經(jīng)把一些 AI 芯片訂單轉至本土廠(chǎng)商。

不止中國市場(chǎng)，英偉達、英特爾等 HPC 芯片大廠(chǎng)還要面對來(lái)自美國本土客戶(hù)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，并使芯片供應鏈多元化，減少對英偉達的依賴(lài)，不僅開(kāi)始提升采購 AMD 的 MI300 系列產(chǎn)品數量，要求 ODM 廠(chǎng)設計專(zhuān)門(mén)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。

這樣看來(lái)，雖然英偉達和 AMD 依然很風(fēng)光，但受限于先進(jìn)制程、封裝產(chǎn)能，以及來(lái)自各級別芯片對手的競爭，這幾家處理器傳統大廠(chǎng)是有隱憂(yōu)的，未來(lái)的日子不會(huì )像現在這么好過(guò)。

中國本土 AI 系統的崛起和不足

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(lái)，國產(chǎn) GPU 公司，如璧韌科技、摩爾線(xiàn)程、芯動(dòng)科技、天數智能、華為等紛紛發(fā)布新品，且含金量越來(lái)越高?？傮w來(lái)看，中國本土 GPU 和 CPU 性能及生態(tài)系統正在逐步完善。

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(lái)越多中國本土 IT 系統設備和互聯(lián)網(wǎng)大廠(chǎng)的青睞，訂單量持續提升。除了芯片本身，華為還提供相應的開(kāi)發(fā)工具包和跨 AI 的云訓練服務(wù)。2023 年 8 月，科大訊飛董事長(cháng)劉慶峰高度評價(jià)了華為開(kāi)發(fā)的處理器，將它與英偉達的 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(kāi)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(wǎng)大廠(chǎng)都在與華為和其它本土 HPC 芯片企業(yè)合作，開(kāi)發(fā)高性能計算系統。

經(jīng)過(guò)多年的潛心研發(fā)和沉淀，近兩三年，龍芯迎來(lái)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(gè) 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(xiàn)程技術(shù)，也就是超線(xiàn)程技術(shù)。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(wù)器 CPU 芯片 3C6000 和 3D6000，以及具有較高性?xún)r(jià)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 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(chǎng)商不斷發(fā)力，正在將國產(chǎn) GPU 和 CPU 推向新的高度，目前來(lái)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(guò)，要想跟上國際大廠(chǎng)的最先進(jìn) HPC 芯片，中國本土企業(yè)還有較長(cháng)的路要走，攻克其中的技術(shù)壁壘依然很難。開(kāi)發(fā)高性能 GPU 和 CPU 是一項系統工程，包含硬件架構、算法、軟件生態(tài)等多個(gè)組成部分，缺一不可。

另外，HPC 系統設計也很復雜，芯片只是其中的一個(gè)重要組成部分，復雜系統不是簡(jiǎn)單的處理器堆砌，如果體系結構設計、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )、并行文件系統、存儲列陣等不過(guò)關(guān)，即使堆再多的 CPU，整個(gè)系統性能也無(wú)法提高。

結語(yǔ)

從目前的發(fā)展情況來(lái)看，未來(lái)，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，美國的 IC 設計能力依然強大，同時(shí)，其制造、封測能力不斷提升，同時(shí)，中國大陸的 IC 設計和制造競爭力也會(huì )持續提升，并加快追趕傳統大廠(chǎng)的腳步。

目前來(lái)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)半導體設備，以及在本土建先進(jìn)制程晶圓廠(chǎng)方面更具話(huà)語(yǔ)權和掌控力。中國大陸在建先進(jìn)制程晶圓產(chǎn)線(xiàn)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(xiàn)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(lái)越大。由于小芯片和異構集成已經(jīng)成為充分利用較為成熟制程節點(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)，由于能夠實(shí)現無(wú)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(kāi)發(fā)項目?？傮w來(lái)看，先進(jìn)封裝已成為中國本土相關(guān)企業(yè)提升未來(lái)市場(chǎng)競爭力的戰略手段。