AI改變半導(dǎo)體：迫在眼前的革新

2023年，生成式人工智能在全球范圍內(nèi)掀起熱潮，大模型的競爭越發(fā)激烈。在2024年，人工智能將進(jìn)一步帶動(dòng)芯片算力、存力（存儲(chǔ)性能）和能效的提升，推動(dòng)半導(dǎo)體在架構(gòu)和先進(jìn)封裝等環(huán)節(jié)的創(chuàng)新，并帶來新的市場增量。

芯片架構(gòu)邁向多元化

ChatGPT的出現(xiàn)拓寬了AI芯片的市場空間，AI大模型訓(xùn)練需求激增，因此高算力芯片成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈本輪復(fù)蘇的主要驅(qū)動(dòng)力。在AI浪潮中，英偉達(dá)2023年的數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)憑借著A100、H100等GPU（圖形處理器）產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了217%的同比增長，截止2024年3月6日，其市值突破2.1億美元。作為當(dāng)前進(jìn)行AI運(yùn)算的主流處理器，GPU自身具備強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，但在近幾年的市場驗(yàn)證中，也暴露出成本較高、交付周期較長以及功耗偏高等問題。一方面，英偉達(dá)正在努力縮短交付周期；另一方面，各類企業(yè)正在創(chuàng)新芯片架構(gòu)，以期對(duì)AI處理器的功耗和成本進(jìn)行優(yōu)化。因此，ASIC這類適用于特定場景的芯片開始被谷歌、微軟等云服務(wù)廠商關(guān)注。谷歌自2016年開始研發(fā)專用于機(jī)器學(xué)習(xí)的TPU（張量處理器），并將其作為AlphaGo的算力底座。TPU采用低精度計(jì)算，在保證深度學(xué)習(xí)效果的同時(shí)降低功耗，并提升運(yùn)算效率。谷歌于今年1月發(fā)布的TPU v5p版本在大模型訓(xùn)練中的效率相較于v4提升了2.8倍。據(jù)悉，該系列芯片也將應(yīng)用于谷歌Gemini AI大模型的訓(xùn)練。2月19日，由前谷歌TPU核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)的工程師組建的初創(chuàng)公司Groq也開放了自家產(chǎn)品LPU（語言處理器）的體驗(yàn)入口。在架構(gòu)方面，Groq的LPU使用了TSP（張量流處理器）來加速人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和高性能計(jì)算中的復(fù)雜工作負(fù)載。Groq相關(guān)發(fā)言人稱，該處理器的推理能力是英偉達(dá)H100的10倍。此外，在AI從云端向終端滲透的過程中，諸多廠商認(rèn)為NPU（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元）是更加適合AI運(yùn)算的技術(shù)路線。高通的AI PC芯片X
Elite和英特爾酷睿Ultra處理器中均集成了NPU以提升電腦端的AI性能。

架構(gòu)的多點(diǎn)開花既體現(xiàn)出各大企業(yè)對(duì)于通用芯片和專用芯片的取舍，也意味著更多芯片品類的供應(yīng)商及其上下游企業(yè)有機(jī)會(huì)分享AI時(shí)代的紅利?！霸谶^去幾年，GPU由于其完善的開發(fā)生態(tài)仍然是AI計(jì)算的主要選擇。然而，隨著模型參數(shù)不斷增大，芯片對(duì)于計(jì)算能效的要求相應(yīng)提升，專用處理器在某些特定AI應(yīng)用場景中的優(yōu)勢將會(huì)十分明顯。綜合考慮應(yīng)用場景、成本等多方面因素，未來AI計(jì)算的硬件芯片選擇將是多技術(shù)路線并存的?！北本┐髮W(xué)集成電路學(xué)院研究員賈天宇告訴《中國電子報(bào)》記者。

AI性能帶動(dòng)先進(jìn)封裝

在上游芯片設(shè)計(jì)企業(yè)迎來AI帶來“潑天的富貴”的同時(shí)，下游的封裝技術(shù)也獲得了增量空間?！吧墒紸I模型需要數(shù)百萬或數(shù)億級(jí)別參數(shù)才能進(jìn)行推理，對(duì)芯片的處理速度、容量、帶寬都提出了更高的要求，這將推動(dòng)以Chiplet（芯粒）為代表的先進(jìn)封裝技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，帶來封裝行業(yè)的生態(tài)變化?！敝须娍齐娮友b備集團(tuán)有限公司董事長景璀告訴《中國電子報(bào)》記者。芯片的算力與晶體管數(shù)量呈正相關(guān)。由于摩爾定律的放緩，芯片的面積已經(jīng)縮小到接近物理極限，即便臺(tái)積電、英特爾IFS、三星電子等制造廠商紛紛公布3nm及更先進(jìn)制程，也面臨著提升成品良率的挑戰(zhàn)。因此，先進(jìn)封裝技術(shù)以及SIP（系統(tǒng)級(jí)封裝）等新的封裝方式將會(huì)是延續(xù)摩爾定律的有效途徑。

其中，Chiplet技術(shù)可謂“掌上明珠”。一方面，Chiplet頗受芯片設(shè)計(jì)企業(yè)青睞。憑借高靈活性，Chiplet既實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同架構(gòu)、不同工藝材料的堆疊，也省去了前道的復(fù)雜制造工藝，對(duì)設(shè)計(jì)企業(yè)而言更具性價(jià)比。有機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，有將近30%的高性能CPU和GPU采用了Chiplet設(shè)計(jì)，包括英偉達(dá)、AMD等算力芯片供應(yīng)商。另一方面，Chiplet的火熱也推動(dòng)了制造和封測企業(yè)在技術(shù)上的不斷創(chuàng)新。英特爾聯(lián)合多個(gè)公司確立了UCIe（通用芯粒互連通道）標(biāo)準(zhǔn)，用于芯片內(nèi)部的計(jì)算區(qū)塊通信，并推出EMIB和Foveros等封裝技術(shù)，以便將芯粒無縫集成至封裝中。臺(tái)積電此前與賽靈思合作開發(fā)CoWoS封裝技術(shù)?；贑hiplet，CoWoS通過互聯(lián)硅中介層互聯(lián)實(shí)現(xiàn)多芯片封裝、高密度互連并降低功耗。隨著GPU站上AI風(fēng)口，臺(tái)積電CoWoS產(chǎn)能也迅速告急。在臺(tái)積電1月18日舉辦的財(cái)報(bào)會(huì)議上，總裁魏哲家表示AI芯片對(duì)先進(jìn)封裝的需求十分強(qiáng)勁，目前產(chǎn)能仍無法應(yīng)對(duì)客戶強(qiáng)勁需求，供不應(yīng)求的狀況可能延續(xù)到2025年。

存儲(chǔ)原廠比拼產(chǎn)能與封裝技術(shù)

算力是訓(xùn)練大模型的重要支撐，而存儲(chǔ)性能則與大模型的推理效率緊密相關(guān)。在大模型云集、AI應(yīng)用逐漸落地的背景下，推理能力被越來越多的芯片和云服務(wù)廠商強(qiáng)調(diào)。因此，在GPU產(chǎn)品中會(huì)配置多塊HBM（高帶寬存儲(chǔ)）以削弱芯片在AI計(jì)算中的內(nèi)存墻效應(yīng)，進(jìn)一步降低延遲。HBM在2024年的競爭將會(huì)更加激烈。美光CEO Sanjay Mehrotra在2023年年底的財(cái)報(bào)會(huì)議上透露，AI芯片對(duì)HBM的需求旺盛，美光2024年的HBM產(chǎn)能預(yù)計(jì)已全部售罄——于2024年年初量產(chǎn)的HBM3E有望為美光創(chuàng)造數(shù)億美元的營收。無獨(dú)有偶，2月，SK海力士副總裁金基泰發(fā)文表示，雖然2024年才剛開始，但今年SK海力士旗下的HBM已經(jīng)全部售罄。同時(shí)，公司為了保持HBM的市場領(lǐng)先地位，已開始為2025年做準(zhǔn)備。三星電子緊隨其后，在2月27日正式推出12層堆疊HBM3E，比前代產(chǎn)品的帶寬提升50%，預(yù)計(jì)將于下半年投入量產(chǎn)。

普遍來講，存儲(chǔ)芯片的堆疊層數(shù)越高，其性能越強(qiáng)，但發(fā)熱和良率等問題也越明顯。因此，與算力芯片類似，先進(jìn)封裝及其相關(guān)技術(shù)也成為了存儲(chǔ)芯片提升性能的重要手段。除了HBM中常見的封裝技術(shù)TSV（硅通孔）之外，三星電子努力消除堆疊層之間NCF（非導(dǎo)電薄膜）材料的厚度。據(jù)悉，三星電子12層堆疊的HBM3E采用了熱壓非導(dǎo)電薄膜技術(shù)，將芯片間隙壓縮至最小7微米，使得12層與此前8層堆疊產(chǎn)品的高度保持一致。SK海力士自研了MR-MUF（批量回流模制底部填充）技術(shù)，區(qū)別于在每層芯片上鋪薄膜材料，該技術(shù)通過在堆疊的芯片之間注入保護(hù)材料，以提升工藝效率和散熱性。SK海力士副社長孫皓榮表示：“為了實(shí)現(xiàn)不同的人工智能應(yīng)用，人工智能存儲(chǔ)器的特性也應(yīng)該多元化。我們的目標(biāo)是以各種先進(jìn)封裝技術(shù)來應(yīng)對(duì)這些變化?！?/p>

材料和架構(gòu)創(chuàng)新助力低功耗

AI芯片除了通過調(diào)整架構(gòu)和先進(jìn)封裝技術(shù)提升算力和存力，還需考慮功耗因素。一方面，在數(shù)據(jù)中心里，AI服務(wù)器的功耗逐漸增加將催生新的解決方案。據(jù)了解，英偉達(dá)H100的功耗達(dá)到了700W，而之后將推出的B100功耗還會(huì)再增加40%，這就驅(qū)使現(xiàn)有的制冷技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化。英偉達(dá)CEO黃仁勛此前透露公司的下一代產(chǎn)品將會(huì)采用液冷方案，戴爾公司首席運(yùn)營官JeffClarke也表示“工程團(tuán)隊(duì)為（英偉達(dá)）這款新產(chǎn)品做好了準(zhǔn)備，為GPU帶來高功耗所需的散熱解決方案”。

由于發(fā)展AI需要大量算力支撐，這也使得對(duì)電力的需求飆升，此時(shí)寬禁帶半導(dǎo)體和儲(chǔ)能也將發(fā)揮作用?！按笮陀?jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行需要更高功率、更高能效的電力電子設(shè)備去支撐，這對(duì)碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體市場將是一個(gè)新的增長點(diǎn)?！鄙钲诨景雽?dǎo)體有限公司總經(jīng)理和巍巍告訴《中國電子報(bào)》記者，“另外，未來AI技術(shù)的發(fā)展將高度依賴于能源，特別是光伏和儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步，這也與半導(dǎo)體行業(yè)息息相關(guān)?！?/p>

另一方面，AI正在經(jīng)歷從云到端的滲透，端側(cè)更加重視低功耗的需求。存內(nèi)計(jì)算將有可能成為在邊緣側(cè)進(jìn)行AI計(jì)算的全新范式?！跋噍^于云端的大算力GPU，終端智能計(jì)算芯片在保障性能的同時(shí)更追求低功耗、低成本。存算一體類的新技術(shù)具有低功耗的優(yōu)勢，未來有望在廣泛的邊緣智能計(jì)算中發(fā)揮作用?！辟Z天宇表示。當(dāng)前存內(nèi)計(jì)算已經(jīng)應(yīng)用于視覺、健康等智能終端設(shè)備中，未來也有望在邊緣側(cè)、自動(dòng)駕駛乃至數(shù)據(jù)中心得到應(yīng)用。有機(jī)構(gòu)報(bào)告顯示，2023年存內(nèi)計(jì)算的市場規(guī)模有近177億美元，2030年將達(dá)到526億美元，年復(fù)合增長率16.8%。

對(duì)于存內(nèi)計(jì)算而言，市場前景與技術(shù)挑戰(zhàn)并存。知存科技創(chuàng)始人兼CEO王紹迪向《中國電子報(bào)》記者表示：“以手機(jī)端跑AI大模型為例，現(xiàn)在手機(jī)中16GB的LPDDR5已經(jīng)超過70美金，70GB/s的帶寬（對(duì)比云端服務(wù)器帶寬近1TB/s）在短時(shí)間內(nèi)也不易提升，同時(shí)帶寬的擴(kuò)大必然會(huì)引發(fā)功耗升高。存內(nèi)計(jì)算相比傳統(tǒng)架構(gòu)AI芯片在成本、容量、帶寬和功耗各項(xiàng)能效上都具有很大優(yōu)勢，雖然短時(shí)間內(nèi)滿足邊緣側(cè)的模型算力需求并且達(dá)到很好的應(yīng)用效果仍有很大挑戰(zhàn)，但這是一件非常值得去做的事?！?/p>

作者丨王信豪編輯丨張心怡美編丨馬利亞監(jiān)制丨連曉東