美國(guó)HPC芯片大廠遭遇尷尬，中國(guó)本土產(chǎn)品趁勢(shì)崛起

當(dāng)下，高性能計(jì)算（HPC）芯片成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力，無(wú)論是 IC 設(shè)計(jì)、晶圓代工，還是封裝測(cè)試企業(yè)，正在將越來(lái)越多的資源和精力由手機(jī)轉(zhuǎn)向 HPC 市場(chǎng)，特別是人工智能（AI）服務(wù)器芯片。

目前，稱霸 HPC 芯片市場(chǎng)的依然是以英特爾、英偉達(dá)和 AMD 這三巨頭為代表的美國(guó)企業(yè)，不過(guò)，這些公司的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在 IC 設(shè)計(jì)上，在芯片制造，特別是晶圓代工，以及封裝測(cè)試方面，美國(guó)企業(yè)在全球范圍內(nèi)沒有優(yōu)勢(shì)。

在 HPC 芯片和系統(tǒng)方面，中國(guó)本土相關(guān)企業(yè)和產(chǎn)品一直處于追趕狀態(tài)，與國(guó)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(shè)計(jì)，還是晶圓代工，以及封裝測(cè)試，中國(guó)本土企業(yè)的技術(shù)和產(chǎn)品力在加速提升。這些給美國(guó) HPC 芯片大廠帶來(lái)了挑戰(zhàn)，在美國(guó)政策和中國(guó)本土產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力提升的雙重壓力下，這些美國(guó)芯片大廠也在想辦法突圍。

制程不夠，封裝來(lái)湊

HPC 芯片對(duì)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(guó)積極邀請(qǐng)臺(tái)積電和三星在其本土建設(shè) 5nm 及以下先進(jìn)制程晶圓廠的主要原因。但是，這樣的產(chǎn)能建設(shè)需要時(shí)間和技術(shù)積累，短期內(nèi)難以形成規(guī)模，做先進(jìn)封裝相對(duì)容易一些，而且很實(shí)用，因?yàn)楫悩?gòu)芯片很受市場(chǎng)歡迎，而先進(jìn)封裝是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)芯片的關(guān)鍵一環(huán)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)又比 5nm、3nm 這樣的芯片制造產(chǎn)線要容易，因此，無(wú)論是美國(guó)，還是中國(guó)大陸，都把發(fā)展先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)線看得很重。

市場(chǎng)對(duì)先進(jìn)封裝有怎樣的需求呢？以 HPC 芯片大廠英偉達(dá)和 AMD 為例說(shuō)明一下。

業(yè)界估算，2024 年，英偉達(dá)和 AMD 的 AI 芯片出貨量總計(jì)有望達(dá)到 150 萬(wàn)個(gè)。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(jì)，其中，CPU 和 GPU 部分采用臺(tái)積電 5nm 制程，I/O 部分采用 6nm，并通過(guò)臺(tái)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(dá)最新產(chǎn)品 H200 依然供不應(yīng)求，預(yù)計(jì)該公司在 2024 年底前還會(huì)推出采用臺(tái)積電 3nm 制程的 B100 和 GB200 等新產(chǎn)品，估計(jì)英偉達(dá)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(shè)計(jì)產(chǎn)品都需要先進(jìn)封裝，臺(tái)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(dá)，越來(lái)越的國(guó)際 IC 設(shè)計(jì)大廠也在持續(xù)增加訂單。預(yù)計(jì)到 2024 下半年，臺(tái)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(jìn)封裝市場(chǎng)一片紅火。

因此，無(wú)論是美國(guó)企業(yè)（如英特爾和 Amkor），還是美國(guó)政府，都在大力發(fā)展或扶持先進(jìn)封裝產(chǎn)線。

美國(guó) DARPA 推出了一項(xiàng)名為下一代微電子制造（NGMM）的新計(jì)劃，主要關(guān)注點(diǎn)是 3D 異構(gòu)集成微系統(tǒng) (3DHI)，該計(jì)劃認(rèn)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(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(jì)劃的目標(biāo)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(jì)、制造、封裝和測(cè)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(guó)政府宣布了國(guó)家先進(jìn)封裝制造計(jì)劃愿景 (NAPMP)，NAPMP 是 4 個(gè) CHIPS for America 研發(fā)計(jì)劃之一，政府預(yù)計(jì)向該計(jì)劃投入約 30 億美元，該計(jì)劃的初始資助分配將于 2024 年初公布。

企業(yè)方面，美國(guó)最大，全球排名第二的封測(cè)企業(yè) Amkor 于 2023 年底宣布在亞利桑那州建設(shè)一座先進(jìn)芯片封裝廠，該項(xiàng)目將專注于高性能計(jì)算芯片的封裝和測(cè)試。據(jù)悉，該工廠將在 2~3 年內(nèi)投入生產(chǎn)，并已向美國(guó)政府申請(qǐng) CHIPS 補(bǔ)貼。該工廠建成后，將與附近的臺(tái)積電新建晶圓廠配合，為蘋果、AMD、英偉達(dá)、博通等本土大客戶提供先進(jìn)制程芯片制造和封測(cè)服務(wù)。

美國(guó) HPC 芯片大廠遭遇挑戰(zhàn)

除了先進(jìn)制程制造和封裝產(chǎn)能，美國(guó) HPC 芯片大廠還面臨著銷售渠道不暢通，以及更多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的挑戰(zhàn)。

以英偉達(dá)為例，中國(guó)大陸市場(chǎng)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(guó)政府的出口要求。

2022 年 8 月，美國(guó)政府禁止向中國(guó)大陸出口英偉達(dá)的 A100 和 H100 芯片，AMD 的 MI250 也被納入限制名單，因?yàn)檫@些芯片的通信帶寬達(dá)到了 600GB/s 或更高。針對(duì)中國(guó)大陸市場(chǎng)，英偉達(dá)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(guó)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(duì)受限芯片進(jìn)行分類。根據(jù)新規(guī)定，英偉達(dá)的 A800、H800、L40、L40S 和 RTX 4090 相關(guān)產(chǎn)品被禁止銷往中國(guó)大陸。針對(duì)這項(xiàng)規(guī)定，英偉達(dá)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(duì) RTX 4090 在中國(guó)大陸銷售受限問題，英偉達(dá)開發(fā)出了 RTX 4090 D 顯卡，通過(guò)降低部份規(guī)格，以符合美國(guó)出口管制要求。據(jù)悉，RTX 4090 D 滿足綜合運(yùn)算性能（TPP）4800 限制，RTX 4090 的 TPP 是 5286。

最近，英偉達(dá)推出了最新版本的中國(guó)特供 GPU 和顯卡 RTX 5880 Ada，符合 4800 TPP 的限制規(guī)定。英偉達(dá)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(nèi)核。

不止英偉達(dá)，由于受到同樣的出口限制，英特爾和 AMD 也在向中國(guó)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(duì)中國(guó)市場(chǎng)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(guó)新規(guī)限制，AMD 也計(jì)劃向中國(guó)大陸市場(chǎng)推出特供版的 MI300。

這幾家美國(guó)處理器大廠如此熱衷于為中國(guó)大陸市場(chǎng)開發(fā)定制版產(chǎn)品，主要原因是這里的市場(chǎng)巨大，有足夠的賺錢空間。不過(guò)，隨著近幾年美國(guó)限制政策的出臺(tái)，以及中國(guó)本土企業(yè)和產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的提升，英偉達(dá)等廠商的技術(shù)和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)正在縮小。例如，英偉達(dá)的 H20 在性能和效率上仍比中國(guó)本土 AI 芯片具有優(yōu)勢(shì)，但這種優(yōu)勢(shì)正在縮小，因?yàn)槎嗉抑袊?guó)本土芯片廠商正在快速發(fā)展。

事實(shí)上，一些中國(guó)大陸科技公司已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用本地芯片。

由于中國(guó)本土 AI 芯片與英偉達(dá)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(guó)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(dá) H20 等產(chǎn)品數(shù)量將遠(yuǎn)少于原本想買的，因?yàn)楸就料嚓P(guān)芯片的用量增加了。

測(cè)試結(jié)果顯示，H20 能有效在多個(gè)處理器之間高效傳輸數(shù)據(jù)，比中國(guó)本土相關(guān)芯片更適合 AI 計(jì)算應(yīng)用，但是，需要更多 H20 才能表現(xiàn)出英偉達(dá)常規(guī) GPU 的算力，這就大幅提高了成本。相比之下，中國(guó)本土最先進(jìn)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(dá)的。知情人士表示，多家中國(guó)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(guó)市場(chǎng)，英偉達(dá)、英特爾等 HPC 芯片大廠還要面對(duì)來(lái)自美國(guó)本土客戶的競(jìng)爭(zhēng)。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(duì)英偉達(dá)的依賴，不僅開始提升采購(gòu) AMD 的 MI300 系列產(chǎn)品數(shù)量，要求 ODM 廠設(shè)計(jì)專門采用 MI300 系列產(chǎn)品的 AI 服務(wù)器，還紛紛加強(qiáng)自研 HPC 芯片力度，爭(zhēng)取將更多自研芯片用于自家的互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算系統(tǒng)。

這樣看來(lái)，雖然英偉達(dá)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(jí)別芯片對(duì)手的競(jìng)爭(zhēng)，這幾家處理器傳統(tǒng)大廠是有隱憂的，未來(lái)的日子不會(huì)像現(xiàn)在這么好過(guò)。

中國(guó)本土 AI 系統(tǒng)的崛起和不足

中國(guó)是電子信息制造和消費(fèi)大國(guó)，對(duì) GPU 和 CPU 需求量巨大。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn) GPU 公司，如璧韌科技、摩爾線程、芯動(dòng)科技、天數(shù)智能、華為等紛紛發(fā)布新品，且含金量越來(lái)越高。總體來(lái)看，中國(guó)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(lái)越多中國(guó)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(zhǎng)劉慶峰高度評(píng)價(jià)了華為開發(fā)的處理器，將它與英偉達(dá)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)行硬件開發(fā)。當(dāng)然，不止科大訊飛一家，有幾家中國(guó)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(jì)算系統(tǒng)。

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(gòu)，工藝制程依舊是 12nm，內(nèi)核升級(jí)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(kuò)展指令（LSX）和 256 位高級(jí)向量處理擴(kuò)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(cè)試數(shù)據(jù)顯示，3A6000 的 SPEC 性能達(dá)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(jià)比的桌面級(jí) CPU 芯片 2K3000，可用于上網(wǎng)本、工控、迷你主機(jī)等。

龍芯也在研發(fā) GPU，于 2023 年底推出了 9A1000，對(duì)標(biāo) AMD 的 RX 550 顯卡，計(jì)劃在 2024 年第三季度流片。9A1000 支持科學(xué)計(jì)算加速和 AI 加速。

以華為和龍芯為代表的中國(guó)本土廠商不斷發(fā)力，正在將國(guó)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(dá)和英特爾的中國(guó)特供版芯片。

不過(guò)，要想跟上國(guó)際大廠的最先進(jìn) HPC 芯片，中國(guó)本土企業(yè)還有較長(zhǎng)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(xiàng)系統(tǒng)工程，包含硬件架構(gòu)、算法、軟件生態(tài)等多個(gè)組成部分，缺一不可。

另外，HPC 系統(tǒng)設(shè)計(jì)也很復(fù)雜，芯片只是其中的一個(gè)重要組成部分，復(fù)雜系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單的處理器堆砌，如果體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、高速互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、并行文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)列陣等不過(guò)關(guān)，即使堆再多的 CPU，整個(gè)系統(tǒng)性能也無(wú)法提高。

結(jié)語(yǔ)

從目前的發(fā)展情況來(lái)看，未來(lái)，美國(guó)和中國(guó)大陸的 HPC 芯片產(chǎn)業(yè)鏈綜合實(shí)力都將增強(qiáng)，美國(guó)的 IC 設(shè)計(jì)能力依然強(qiáng)大，同時(shí)，其制造、封測(cè)能力不斷提升，同時(shí)，中國(guó)大陸的 IC 設(shè)計(jì)和制造競(jìng)爭(zhēng)力也會(huì)持續(xù)提升，并加快追趕傳統(tǒng)大廠的腳步。

目前來(lái)看，美國(guó)發(fā)展先進(jìn)芯片制造和封測(cè)具有更多優(yōu)勢(shì)，畢竟它們?cè)讷@得先進(jìn)半導(dǎo)體設(shè)備，以及在本土建先進(jìn)制程晶圓廠方面更具話語(yǔ)權(quán)和掌控力。中國(guó)大陸在建先進(jìn)制程晶圓產(chǎn)線方面，困難較多。在這種情況下，發(fā)展先進(jìn)封裝技術(shù)和產(chǎn)線就顯得更加重要。

近幾年，中國(guó)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(gòu)集成已經(jīng)成為充分利用較為成熟制程節(jié)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?qū)崿F(xiàn)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)開發(fā)項(xiàng)目?？傮w來(lái)看，先進(jìn)封裝已成為中國(guó)本土相關(guān)企業(yè)提升未來(lái)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)略手段。