摩爾定律放緩6年 芯片性能提升越來越難

自 2015 年開始，芯片性能的提升越來越難，摩爾定律放緩的 6 年時間，先進(jìn)工藝制程的焦點成了臺積電和三星，提出摩爾定律的英特爾數(shù)次延期 10nm 量產(chǎn)時間。在 CPU 市場，AMD 也發(fā)起猛烈攻勢，英偉達(dá)憑借 GPU 成為了最炙手可熱的 AI 公司，市值超越英特爾。

不過，2020 年英偉達(dá)和 AMD 宣布的并購，很大程度上證明了英特爾又一次走在了行業(yè)前面。

傳統(tǒng)芯片巨頭們?yōu)榱舜髷?shù)據(jù)和 AI 時代的到來相互競爭之時，谷歌、亞馬遜、阿里巴巴、百 度等科技巨頭們也開始自研 AI 芯片，芯片市場的競爭變得更加復(fù)雜。

最終的結(jié)果，多數(shù)芯片公司最好的結(jié)局是被收購?

AMD 借力臺積電猛追英特爾

摩爾定律奏效的時間里，英特爾不僅引領(lǐng)著半導(dǎo)體先進(jìn)制程的發(fā)展，其 x86 CPU 在桌面和服務(wù)器市場的地位難以撼動。直到 2017 年，AMD 正式推出新一代微架構(gòu) Zen 的 Ryzen CPU，性能超越英特爾旗艦 i7 7700K。消費者對英特爾 CPU 性能提升緩慢的不滿借著 AMD 的新產(chǎn)品發(fā)布釋放，看好 AMD 的聲音此起彼伏。

此后，AMD 持續(xù)優(yōu)化 Zen 架構(gòu)，在 2020 年 10 月發(fā)布了最新的 Zen3 架構(gòu)，基于最新架構(gòu)的臺積電 7nm 制程 Ryzen 5000 系列 CPU 也同時亮相。

Zen 架構(gòu)歷經(jīng)三代迭代，AMD 的 CPU 性能迅速接近和趕超在很長一段時間領(lǐng)先的英特爾。AMD CPU 性能的大增也帶來了市場份額的增長，根據(jù) Passmark 評測網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，AMD 在桌面市場去年九月份的市場份額達(dá)到了 48%，短暫超過英特爾，AMD 上一次在桌面市場份額超過英特爾還是 2006 年。

Passmark 評測網(wǎng)站的統(tǒng)計數(shù)據(jù)代表的是使用中的 CPU 而非購買的 CPU，統(tǒng)計以日歷年為單位，不僅代表新 CPU 的銷量，還在一定程度反映了過去 5-10 年 x86 CPU 的安裝量。

除了桌面市場，AMD 在筆記本電腦市場的份額從 2019 年開始迅速增加，但在服務(wù)器 CPU 市場的份額還未明顯增加。

“AMD 近幾年之所以表現(xiàn)如此強勁，Jim Keller 2012 年領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的 Zen 架構(gòu)奠定了很好的基礎(chǔ)，再加上采用小芯片技術(shù)以及臺積電最先進(jìn)的工藝。”一位前 AMD 高管對雷 鋒網(wǎng)表示。

先進(jìn)工藝進(jìn)展緩慢恰好是近年來英特爾最大的痛處。根據(jù)英特爾 2013 年的技術(shù)路線圖，10nm 工藝將在 2016 年量產(chǎn)。直到 2019 年才量產(chǎn) 10nm 的英特爾承認(rèn)，當(dāng)年的設(shè)想過于自信，且團(tuán)隊之間也沒有明確目標(biāo)，最終 10nm 沒有如期量產(chǎn)。英特爾 10nm 未量產(chǎn)，不斷優(yōu)化 14nm 工藝的幾年間，臺積電和三星繼續(xù)大力發(fā)展先進(jìn)半導(dǎo)體制程，搶先量產(chǎn)了 7nm 工藝。即便如今的半導(dǎo)體制程命名帶有更多營銷性質(zhì)而非真實的晶體管尺寸，在英特爾量產(chǎn) 10nm 不久后，臺積電在 2020 年上半年就量產(chǎn)了 5nm 制程。

造成這樣競爭局面更深層的原因大部分人并未看到。“英特爾很早就意識到 CPU 面臨的挑戰(zhàn)是‘茶壺里倒餃子’，關(guān)鍵不在于計算能力的提升，瓶頸在于帶寬。”CPU 領(lǐng)域的資深人士告訴雷 鋒網(wǎng)：“CPU 有個基本規(guī)則，一個字節(jié)帶寬支持一個浮點操作，現(xiàn)在的 CPU 的計算性能和帶寬已經(jīng)有點不平衡了，這時候單純提升計算速度已經(jīng)意義不大。”

其實，英特爾在 4 月發(fā)布至強處理器的時候，也強調(diào)了緩存以及內(nèi)存對于 CPU 的重要性。“至強處理器可以直接訪問統(tǒng)一的緩存，從而獲得一致的響應(yīng)時間和訪問數(shù)據(jù)時間。”英特爾技術(shù)專家表示，“內(nèi)存能力方面，第三代至強可以支持兩條 DIMM 在最高 3200 的頻率下運行，AMD 三代 EPYC 只能單通道運行 3200 的頻率，這將會降低內(nèi)存的吞吐量。”

“英特爾 CPU 的性能已經(jīng)足夠滿足當(dāng)下應(yīng)用的需求，他們沒有很強的動力繼續(xù)提升，在被 AMD 迅速追趕之前，只是維持每代小幅度的性能提升。AMD 的競爭讓英特爾 CPU 性能升級的幅度更大，這對業(yè)界而言是好事，但總體而言，CPU 的性能已經(jīng)接近天花板。”CPU 領(lǐng)域的資深人士同時表示。

英特爾領(lǐng)先進(jìn)入組合拳賽場

“很長一段時間，英特爾先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的領(lǐng)導(dǎo)力太強，因此一旦其先進(jìn)制程的領(lǐng)導(dǎo)力減弱，許多人就認(rèn)為英特爾‘不行了’。拋開半導(dǎo)體工藝，英特爾的芯片實力依舊很強。”擁有二十多年芯片設(shè)計經(jīng)驗的資深人士曾對雷 鋒網(wǎng)說。

實際上，英特爾的并購和轉(zhuǎn)型，雖然有些挫折，但又一次走在了整個行業(yè)的前面。2012 年興起的新一輪 AI 熱潮，讓英特爾 CPU 從中獲益，但獲益更大的是英偉達(dá)的 GPU。英特爾很快意識到大數(shù)據(jù)和 AI 的時代對計算需求的變化，2016 年時任 CEO 科再奇(Brian Krzanich)提出，英特爾要從一家 PC 公司轉(zhuǎn)型為驅(qū)動云計算和數(shù)以億計的智能互聯(lián)計算設(shè)備的公司，開啟了以數(shù)據(jù)為中心的轉(zhuǎn)型，伴隨著一系列并購。

2015 年到 2020 年年間，英特爾連續(xù)達(dá)成了 6 筆與 AI 芯片相關(guān)的重要收購交易。2015 年，英特爾宣布以總價約為 167 億美元的價格收購 Altera。Altera 是當(dāng)時全球第二大 FPGA 公司，其產(chǎn)品主要用于電信和無線通信設(shè)備。

2016 年 8 月，英特爾 3.5 億美元收購了主攻深度學(xué)習(xí)方向 Nervana Systems。一個月后，英特爾又收購了 AI 視覺芯片公司 Movidius。

2017 年，英特爾又以 153 億美元收購 Mobileye，這家以色列的公司是全球領(lǐng)先的計算及視覺、機器學(xué)習(xí)、自動駕駛系統(tǒng)服務(wù)提供商。時隔兩年，2020 年英特爾再次出手，以 20 億美元收購 Habana Labs，被收購時這家總部位于以色列的 AI 芯片初創(chuàng)公司的 Goya 云端 AI 推理處理器已實現(xiàn)商用。

收購讓英特爾迅速獲得了 FPGA、ASIC 這兩類 AI 芯片，加上其已有的 CPU 和 GPU，英特爾率先擁有了標(biāo)量、矢量、矩陣、空間芯片架構(gòu)組合。

2020 年之前，英特爾的這一系列并購很容易被解讀為是為應(yīng)對競爭不得已的做法。然而，2020 年 9 月英偉達(dá)宣布以 400 億美元收購 ARM。10 月份，AMD 又宣布以 350 億美元收購 FPGA 供應(yīng)商 Xilinx(賽靈思)。接連的大規(guī)模并購，不僅證明了英特爾的前瞻性，也表明了芯片行業(yè)已經(jīng)進(jìn)入新的賽場。

英特爾公司副總裁兼中國區(qū)總經(jīng)理王銳本月對雷 鋒網(wǎng)表示：“當(dāng)競爭對手也在走我們走出來的這條路的時候，讓我們更加堅信這條路的方向是對的。業(yè)界有一個共識，任何一項單獨的能力都不足以應(yīng)對大數(shù)據(jù)時代全場景綜合負(fù)載的挑戰(zhàn)。這也是大家都在不斷擴展的原因。”

芯片巨頭們也用最新的產(chǎn)品路線圖證明了芯片競爭開啟了新賽場。ARM 在四月初發(fā)布最新一代架構(gòu) ARMV9 時就強調(diào)全面計算的理念，也就是通過 CPU、GPU、NPU 的組合，滿足汽車、基礎(chǔ)設(shè)施、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的需求。

英偉達(dá)在四月中旬的 GTC 21 上，CEO 黃仁勛不僅發(fā)布了基于 ARM 的專用 CPU GRACE，還更新了英偉達(dá)最新的數(shù)據(jù)中心芯片路線圖，GPU、CPU 和 DPU 三類芯片逐年更新。

AMD 收購賽靈思的意圖也非常清楚，在其擁有的 CPU 和 GPU 的基礎(chǔ)上，加上 FPGA 能夠更好地滿足包括數(shù)據(jù)中心在內(nèi)的眾多應(yīng)用的需求。

顯然，英特爾、英偉達(dá)、AMD 三大高性能計算巨頭又都進(jìn)入了新的賽場，新的競賽意味著單靠某一類計算芯片將很難參與新的競爭，體量較小的芯片公司在新的競爭時代面臨著更大壓力。

門檻降低，大部分芯片公司被收購是最好的結(jié)局

“在產(chǎn)業(yè)鏈里，絕大多數(shù)做芯片企業(yè)是會死掉，被并購是最好的命運。”CPU 行業(yè)的資深人士認(rèn)為。

這種判斷并非危言聳聽，蘋果最新發(fā)布的 M1 芯片就是一個很好的警示。在蘋果自研芯片的早期，其芯片性能與傳統(tǒng)的芯片廠商的 SoC 性能有不小差距，但通過系統(tǒng)級的優(yōu)化，最終的體驗差距并不明顯。經(jīng)過多年經(jīng)驗積累以及芯片的迭代，蘋果自研的芯片已經(jīng)強大到能夠替換英特爾的 CPU。

“英特爾、英偉達(dá)這樣的公司能夠繼續(xù)以芯片公司的方式生存下去，他們有足夠的技術(shù)門檻，更重要的是他們的產(chǎn)品組合能夠構(gòu)成護(hù)城河。”CPU 行業(yè)的資深人士表示，“大部分人看到的是英特爾 inside，沒有看到英特爾 outside 的實力。”

王銳說，“競爭對手可以在某一參數(shù)或者是在制程上縮短與我們的差距。但要打造整個架構(gòu)，在計算和 AI 的各個方面都要能夠趕超英特爾，不是那么容易的事情。”

一個簡單的例子是，要發(fā)揮 CPU 的性能優(yōu)勢，需要系統(tǒng)級優(yōu)化，如果內(nèi)存收發(fā)器能夠配合 CPU 的工作特性，可以實現(xiàn)數(shù)量級的性能提升。

GPU 也同樣如此，可以看到英偉達(dá)基于最新的 GPU，搭配其互聯(lián)技術(shù)以及軟件棧，面向不同的場景推出工作站，實現(xiàn)更高性價比。

高通 5G 時代也有類似的策略，高通的每一代 5G 調(diào)制解調(diào)器都有對應(yīng)的射頻系統(tǒng)，高通的說法是 5G 射頻的復(fù)雜性大增，產(chǎn)品組合可以帶來最佳的性能。

傳統(tǒng)芯片巨頭們通過更豐富的產(chǎn)品組合滿足不同應(yīng)用需求，一方面說明了最終應(yīng)用驅(qū)動芯片的發(fā)展越來越明顯，純芯片公司的話語權(quán)在減弱。另一方面說明了在先進(jìn)半導(dǎo)體制程提升難度越來越大，成本越來越高的時候，異構(gòu)計算是更好的選擇。

“芯片公司話語權(quán)的降低，不同的行業(yè)有不同的原因，但這是可以看到的事實。”芯片行業(yè)的資深人士表示。

比如，科技巨頭在 AI 時代開始自研芯片。雖然科技巨頭們的目標(biāo)不是取代芯片公司，但這在某些領(lǐng)域必然會與芯片巨頭產(chǎn)生競爭。王銳說：“當(dāng)產(chǎn)業(yè)界在快速轉(zhuǎn)型的時候，我們多年的合作伙伴會在某一方面找到一個點，跟隨應(yīng)用場景以非?？斓乃俣冗M(jìn)行創(chuàng)新。對我們來說，這是一個激勵，我們需要提供非常有競爭力的產(chǎn)品。”

出現(xiàn)這種局面很重要的原因是芯片行業(yè)的門檻有所降低，科技巨頭們可以使用成熟的 IP、EDA 工具根據(jù)其業(yè)務(wù)特點設(shè)計芯片，然后交由晶圓代工廠代工，降低成本的同時芯片也更符合自身需求。

同時也要看到，7nm 之后的工藝將會成為小眾工藝。早在 2018 年，全球第三大晶圓代工廠格羅方德就宣布了一項重要的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，決定停止 7nm 工藝的所有工作及后續(xù)制程的研發(fā)，將專注于更加成熟的工藝，為新興高增長市場的客戶提供專業(yè)的制造工藝。

原因除了 7nm 的技術(shù)難度更大，也和成本密切相關(guān)。市場研究機構(gòu) International Business Strategies (IBS) 給出的數(shù)據(jù)顯示，28nm 之后芯片的成本迅速上升。28nm 工藝的成本為 0.629 億美元，到了 7nm 和 5nm，芯片的成本迅速暴增，5nm 將增至 4.76 億美元。三星稱其 3nm GAA 的成本可能會超過 5 億美元。

CPU 領(lǐng)域資深人士也指出：“過去工藝的進(jìn)步晶體管也變小，所以相同的硅面積可以集成更多晶體管，在相同硅面積成本不增加的前提下，先進(jìn)半導(dǎo)體制程擁有優(yōu)勢。但現(xiàn)在相同硅面積的成本增加了，并且晶體管從 28nm 到 14nm，硅面積只縮小了 1/3，先進(jìn)制程的優(yōu)勢越來越小。”

高企的先進(jìn)制程成本讓業(yè)界開始更加關(guān)注異構(gòu)集成，小芯片(Chiplet)以及與之相關(guān)的先進(jìn)封裝技術(shù)也成了各大巨頭競爭的焦點。

OMDIA 半導(dǎo)體首席分析師何暉此前對雷 鋒網(wǎng)表示，“異構(gòu)架構(gòu)的競爭格局一旦形成，對于包括中國在內(nèi)的新興市場，想要突圍就會更加困難。”

那時，僅提供芯片的公司競爭力會越來越弱，被收購就會成為許多芯片公司最好的選擇。

半導(dǎo)體行業(yè)這部并購史接下來會如何書寫?芯片巨頭們以及擁有先進(jìn)制程和封裝技術(shù)的代工廠之間的競爭格局會發(fā)生怎樣的變化?

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