四大芯片巨头决战数据中心

四大芯片巨头决战数据中心,第1张

在大数据的驱动下AI技术有了实现商用的可能性,同时,随着智能化场景的不断扩大,用作于数据处理和存储的数据中心建设也在全球范围内兴起。根据Arizton的报告显示,从投资额进行计算,预计全球超大规模数据中心市场规模将在2026年达到1276.4亿美元,在2020至2026年内该市场将以超过4.02%复合年增长率保持增长。

显然,通过收购的方式,是加快数据中心芯片布局的方式之一,而在这背后,也预示着,这四大芯片巨头决战数据中心的步伐也加快了。

根据IDC的预测显示,2015年到2025年,数据将以每年25%的速度增长。这些数据的增长带动了云端计算和边缘计算等市场的兴起,他们的增长也拉动了数据中心市场的成长。由此,芯片巨头们也在数据中心市场展开了布局。

英特尔是全球最大PC和数据中心服务器CPU制造商,2017年初他们更是将其以“PC为中心”的战略转移到“以数据为中心”的业务中,从2017年初他们确立了这个战略后,到了2019年,数据中心业务便表现出了较好的成绩。到2020年,其全年财报体现出以数据为中心的转型取得了显著进展,数据中心业务呈迅猛发展态势——2020年相较2019年增长11%。

也因此,英特尔已经将以数据为中心业务的总体潜在市场规模由2021年的1600亿美元调整为2022年的2000亿美元。这将是公司 历史 上最为重大的机遇所在。CPU是英特尔在数据中心市场发展的基石,在此基础之上,英特尔新任CEO帕特·基辛格也在今年提出英特尔2023 CPU产品路线图——面向数据中心的Granite Rapids,我们将采用英特尔7纳米制程工艺生产计算芯片。

AMD是英特尔在CPU领域的竞争对手之一,凭借着 EPYC系列产品,AMD再次迎来其高光时刻,同时该系列产品也为AMD进军数据中心市场带来了希望——根据Mercury Research的数据显示,经过长达六年的重返数据中心的争夺战,到2021年第一季度,AMD的X86处理器在数据中心的销售份额达到了11.5%。

数据中心市场的增长也为AMD的营收带来了提升,从其2021年第一季度显示,AMD营业额同比增长93%,净收入增长超300%,数据中心营业额增长超一倍。此外,根据AMD总裁兼首席执行官苏姿丰博士Computex 2021时的演讲显示,今年还将会有100多款各大厂商的搭载EPYC处理器的服务器平台问世,以及400多个基于EPYC处理器的实例。

这也是Arm服务器芯片在数据中心市场获得契机的原因之一。其于去年推出的ThunderX3 也是针对云计算和HPC高性能运算市场中的特定工作负载而设计,公司希望通过 Marvell 的差异化优势为最终客户带来更高的性能成本比和性能功耗比优势。

与上述三家芯片巨头不同的是,英伟达则是以GPU上的优势进入到数据中心市场。从英伟达的财报中看,数据中心市场的发展已经成为了他们营收当中重要的一部分。近几年,英伟达的数据中心业务的表现就开始逐渐露出锋芒——2021财年第一季度其数据中心业务首次达到了10亿美元,2021财年第二季度当中,其数据中心业务收入达到17.5亿美元,该项业务的收入占总营收的比重达到45%,首超 游戏 业务,创 历史 新高。

但随着数据中心市场的成长,仅凭单一的CPU或者是GPU都难以支撑这个市场的发展。因此,这四大芯片巨头开始向更多的领域做拓展——原来在CPU领域有着优势的企业开始向GPU、FPGA等领域进军,而GPU企业在在试图向多元化的方向发展,于是,我们看到了,这四大芯片厂商在数据中心市场的催化下,开始出现了交集。

英特尔曾在2018年提出XPU异构愿景,既由标量(对应CPU)、矢量(对应GPU)、矩阵(对应ASIC)、空间(对应FPGA)组成的架构,可以进行多种架构组合。英特尔认为,必须在CPU的基础上加入并完善GPU、FPGA、AI芯片、视觉处理芯片等不同类型的计算架构,组成一个有机的整体。

而这也是他们能够在数据中心市场持续发展的动力之一,因此,他们也针对这个愿景进行了布局,在自研方面,英特尔于去年11月正式发布其全新服务器GPU,即首款数据中心的独显产品。

在收购方面,英特尔于2015年完成了对全球第二大FPGA 厂商Altera的收购,2018年收购无晶圆厂eASIC开始向Chiplet发展,2019年四月收购为FPGA提供IP和定制解决方案的供应商Omnitek,6月,又收购了网络交换芯片厂商Barefoot(该收购旨在解决数据爆发式增长的问题,这些海量数据激发了对分析这些数据的计算能力的需求,也刺激了对在数据中心内交换这些数据的联网系统的需求),2019年还对以色列数据中心AI芯片制造商Habana Labs进行了收购(虽然Habana独立运营,但该笔收购也加强了英特尔在数据中心人工智能产品上的实力)。

在英特尔重返独立显卡之前,AMD是业内唯一一家既能做高性能x86 CPU,也能做高性能GPU的公司。而随着新的竞争的到来,AMD也对其GPU领域的发展做出了新的规划——AMD在其2020年财报会议上宣布,公司将在通用化GPU的基础上,将其产品定位成专注于 游戏 优化的RDNA和专注于运算导向的CDNA。

在对数据中心的布局上,最值得一提的是,AMD将对FPGA领域的龙头赛灵思的收购,这也是他们布局数据中心市场的重要一步——在拥有CPU 和 GPU 产品后,赛灵思可以为他们布局数据中心市场提供加速能力。

从英伟达方面来看,这是一个市值曾一度超过英特尔的巨头芯片公司,而市场对于他的看好,也来源于他们在数据中心这一市场的布局。而他们也开始突破GPU领域市场,开始向CPU市场进行发力——在今年4月,英伟达推出其基于Arm的数据中心CPU,据英伟达介绍,该芯片是专为大规模神经网络工作负载设计的,预计将于2023年在英伟达的产品中使用。

而针对数据中心方面的布局,英伟达也同样逃不过用收购的方式来进行发展。这其中包括,他们以69亿美元收购Mellanox获得的网络技术,与计划用400亿美元的价格收购Arm。

由于英特尔、AMD、英伟达针对数据中心的布局,使得他们的产品形成了一定的竞争关系,也被行业成为是数据中心市场的三大巨头。但在他们的发展中,尤其是英伟达以Arm架构为基础推出了CPU之后,我们也看到了Arm架构对于数据中心市场的冲击力,而这就不得不再提一下Marvell,这个在决战数据中心市场中一个不可忽视的力量。

除了他们所推出的Arm服务器芯片以外,在数据中心市场方面,Marvell 凭借着广泛的存储、计算、 安全与网络产品组合带来了同类最佳的构建模块与架构,以优异的总拥有成本满足了基础设施需求,在数据中心市场而占有一席之地。

这针对这些领域的布局,marvell也进行了多笔的收购,包括在2017年以约60亿美元收购Cavium,2019年收购以太网网络连接产品领域的Aquantia、格罗方德旗下Avera半导体子公司。2020年,他们还收购了光芯片厂商Inphi。近期,Marvell还宣布将收购供应云服务器以及边缘数据中心的网络交换芯片等产品的 Innovium。这些收购都将直接或间接地加强其在数据中心市场的发展。

如果说,向更多的领域做拓展,是这四大芯片厂商为数据中心市场的发展而打下基础。近期,这四大芯片厂商又不约而同地将目光投向了DPU市场。

在英伟达看来,数据中心路线图包括CPU、GPU和DPU这三类芯片。英伟达也在今年早些时候的博客中表示:“DPU(即数据处理单元)已经成为以数据为中心的加速计算模型的第三个成员,英伟达首席执行官黄仁勋在一次演讲中说:“这将代表未来计算的三大支柱之一。”这三者之间,CPU用于通用计算,GPU用于加速计算,而DPU在数据中心周围移动数据,进行数据处理。

因此,除了上文我们提到的,他们在CPU、GPU领域的成就外,他们也针对DPU这一市场进行了布局——去年英伟达发布了第一款DPU产品BlueField-2,今年的GTC上又发布了BlueField-3,BlueField-3会在明年上半年推向市场。

英特尔则在今年推出了名为IPU产品,按照英特尔的说法,英特尔官方的说法,IPU是一种可编程网络设备,旨在使云和通信服务提供商减少在中央处理器(CPU)方面的开销,并充分释放性能价值。在这种介绍下,也有人认为,这与当下主流的DPU作用类似。

而英特尔之所以能够在DPU领域取得成绩,这也离不开当时收购Altera。从DPU的本质上看,根据THENEXTPLATFORM的分析报告显示,在2020年,SmartNIC正在演变成DPU。SmartNIC可以通过从服务器的CPU上卸载网络处理工作负载和任务,提高云端和私有数据中心中的服务器性能。而针对多种SmartNIC的方案来说,由于FPGA是可重编程的,因此利用FPGA实现的数据平面功能可以任意并且实时地去除和重新配置,采用这种设计可以将网络功能提速几个数量级,因而,也被视为是数据中心市场发展的动力之一。

而赛灵思也是SmartNIC领域中的杰出玩家,据了解,该公司于2019年秋季收购了Solarflare Communications,并且Solarflare自2012年以来一直在构建基于ASIC和FPGA的NIC进行电子交易。由此来看,如果AMD收购了赛灵思,那么对于他们发展DPU来说也大有裨益。

除此之外,近期,Marvell也发布了一款DPU产品,根据半导体行业观察此前的报道显示,Marvell将推出OCTEON 10系列DPU,这是一个全新的SoC系列,建立在TSMC的5nm工艺节点之上,在这个处理器上,将首次展示Arm的新型基础设施处理器——Neoverse N2。根据公开消息显示,这将是Marvell第一个基于TSMC N5P工艺的芯片设计,实际上也是同类中第一个采用该工艺的DPU。

但对于未来数据中心市场的发展而言,这个市场可能会由这些芯片巨头厂商所主导,但并不意味着其他厂商没有机会,一些细分领域的巨头和初创公司也将会是这个市场中另外一股不可忽视的势力。

随着定制芯片愈演愈烈,除却芯片厂商本身,谁还将从中获利?

去年我们报道过,腾讯成立了一家新公司,发力AI芯片。时隔一年,其庐山真面目乍现。经过半导体行业观察多方求证,我们了解到, 目前腾讯有一个大概50人规模的团队在做芯片,其AI芯片已经流片了 。如今AI领域已经成为世界 科技 巨头争夺的制高点,各大云厂商都已经陆续交出了自家的定制芯片,诚如百度的昆仑芯片、阿里含光、亚马逊、谷歌、微软等等,他们能有什么坏心眼?他们纯粹是为了得到更便宜或者是比第三方性能更好的芯片。随着定制芯片愈演愈烈,除却芯片厂商本身,谁还将从中获利?

我们今天所知道的基于单元的ASIC业务诞生于20世纪80年代初,是由LSI Logic和VLSI技术等公司率先开创的。如今这一趋势发展更加迅猛,定制芯片市场变得大众化。突然之间,任何有远见和合理预算的人都可以制造定制芯片。其结果是半导体技术在各种定制应用中无处不在,产品变得更小、更智能、更复杂。尤为代表的就是云计算厂商们,现在几乎全球所有的云厂商都进入了造芯的行列,而且都在优先考虑定制设计。这是一场芯片界豪华的盛宴,一场属于云厂商独飨的盛宴。

其实在国内BAT造芯行列,腾讯是相对落后的一员。国内如百度早在2010年就启动了FPFA AI加速项目,2018年发布了昆仑芯片,如今其昆仑1已出货2万片,而且昆仑2也将在今年面世。鸿鹄芯片的表现也不斐,这两年,搭载鸿鹄芯片的小度更是占据了智能音箱出货量的头把交椅。

阿里巴巴虽然自2015年才开始与中天微合作开发云芯片,但是阿里的造芯车轮却走的飞快。收购中天微,将其与达摩院合并成为平头哥半导体,先后交出玄铁910和含光800芯片两份答卷,打造端云一体全栈产品系列。再者其投资的芯片企业也是涉猎广泛,几乎将AI芯片初创企业一网打尽。

关于腾讯,我们都知道,其投资了AI芯片公司燧原 科技 ,而且已经连续投资了4轮,可见对燧原 科技 的看重。燧原 科技 的表现也着实不错,它只用了18个月便完成了研发,并一次性流片成功,实现从0到1的突破,并且是原创芯片架构,原创指令集。其实阿里巴巴一开始也是先入股投资中天微,后来将其收购了,这点如果放到腾讯身上来看,腾讯收购燧原 科技 也不失为一个芯片自研的捷径。

不过国内云厂商造芯的策略在某些程度上还是在仿照亚马逊等国外厂商的打法,让我们再来看看国外这些云厂商的芯片研发思路。

在国外云厂商中,尤以亚马逊走的最前列。亚马逊在2015年收购了以色列的一家小型芯片设计商Annapurna Labs,自那时起,便开始了漫漫芯片长征路。来自Amazon和Annapurna Labs的工程师制造了Arm Graviton处理器和Amazon Inferentia芯片。其一开始研发的Graviton芯片最初仅在特殊情况下使用,但现在其已经可以与传统上用于数据中心的英特尔芯片相媲美,这标志着该行业的潜在转折点。

如今,在迈向控制其关键技术组件的重要一步中,亚马逊正在开发网络芯片,为在网络上传送数据的硬件交换机提供动力。据说这些定制芯片可以帮助亚马逊改善其内部基础设施以及AWS,还可以帮助其解决自身基础架构中的瓶颈和问题,特别是如果他们还定制构建在其上运行的软件时。

微软已经为Azure数据中心及其HoloLens耳机创建了芯片设计。最近其在以色列悄然开设了一个芯片开发中心,投入到网络芯片等产品的研发。微软在以色列开发的有趣产品之一是SmartNIC,它是一种智能网卡,可加快公司数据中心服务器中的数据传输速度。该卡本身可以承担一些必要的任务,从而减轻了服务器中央处理单元的负担。Microsoft当前使用Mellanox的SmartNIC产品。但是它的长期目标是用自己的产品替换那些产品。

Google于2016年宣布了其首个定制机器学习芯片Tensor Processing Units(TPU)。Google目前正在提供第三代TPU作为云服务。Google这些年越来越重视芯片,已聘请英特尔前高管Uri Frank来领导其定制芯片部门。定制芯片一直是Google构建高效计算系统战略不可或缺的一部分。此外,设计定制服务器芯片将有助于谷歌云与微软Azure和AWS竞争。

这些 科技 巨头自研芯片的这种趋势在一定程度上反映出,目前的 科技 巨头与过去的数据中心运营商有多么不同。过去的数据中心运营商没有资源投入数亿美元设计自己的芯片。现在定制芯片的激增可以进一步降低先进计算产品的成本并引发创新,这对每个人都有利,不止他们自己,还有为之提供服务的厂商们。

云厂商陆续加入定制化芯片开发这个新行列,将衍生出更多的业务需求。那么,所有的ASIC资金将流向何方? 这其中明显的受益者就有芯片设计服务、EDA/IP需求、代工需求等等,尤其是那些耳熟能详的知名大厂商,然而还有一些隐藏不被大家熟知的设计服务业的受益者 。总而言之,处于这些需求赛道中厂商们都可能从定制芯片项目中获利。

首先,这些造芯新进者缺乏半导体设计相关的积累,势必会路生。因为芯片开发流程众多,包括产品定义、前端电路设计、后端物理实现、制造工艺、封装等多个环节,而且还常常需要组合多种不同功能的IP,使得设计难度进一步加大,并不是所有IC设计公司对这些技术都有深入的了解。于是就需要设计服务厂商的帮助。

在这其中,如博通、Marvell、联发科、Socionext(富士通和松下的LSI业务组合)等提供设计服务的公司将成为明确的受益者。尤其是博通,据了解,国内外大多数知名的厂商都在使用博通的设计服务。博通在全球芯片设计服务方面都占据很高的比例。

JP Morgan分析师Harlan Sur指出,博通不只协助设计芯片,也提供芯片生产、测试、封装的关键知识产权。博通已经在网络设备和无线芯片领域拥有大量业务,每年可能从谷歌和其他公司获得高达10亿美元的收入,用于制造运行服务器的定制芯片。博通一直默默协助Google TPU研发生产,据外媒报道,谷歌的第四代TPU芯片也已获得博通的服务设计,并开始与Alphabet旗下的谷歌设计第五代处理器,该处理器将使用更小的5nm晶体管设计。

始于谷歌,博通现在也在帮助Facebook,微软,Ericsson,诺基亚,阿里巴巴,SambaNova(斯坦福大学学者组建的初创公司)和其他大型公司提供了定制芯片,可用于多种用途。

Marvell的ASIC定制业务也越来越庞大。2019年5月,Marvell也宣布与格芯已达成协议,将收购格芯专用集成电路(ASIC)业务Avera Semiconductor。据悉,该业务单元帮助芯片设计师研发全定制芯片中的半定制芯片。Marvell希望通过面向5G运营商,云数据中心,企业和 汽车 应用的新5nm产品来撼动定制ASIC芯片市场。

另一方面,Marvell几年来一直在销售基于ARM技术的称为ThunderX的芯片家族。在向微软和其他公司销售这种芯片数年之后,Marvell现在被要求为微软定制一个版本,Sur相信,这是一款云计算芯片。而且微软正在与Marvell合作开发其下一代ThunderTh3(TSMC 7纳米)项目。

联发科早在2011年就开始提供ASIC设计服务,这几年也加强了ASIC设计服务的业务。2018年初,联发科正式宣布大力拓展ASIC设计服务业务,服务对象主要面向系统厂商和IC设计公司。联发科ASIC设计服务部门是一个独立部门,据悉,其ASIC设计服务最先看好的就是向产业链上游芯片设计板块渗透的互联网巨头们,而这些互联网或终端巨头引导着上游芯片业的走向,也占据着产业链整体利润的大头儿。这些对于未来的IC设计服务业务来说,具有很大的吸引力。

创意电子(GUC)是一家客制化IC服务厂商,背靠第一大股东台积电,其封装技术较为先进。创意电子独特地结合先进技术、低功耗与内嵌式CPU设计能力,且搭配与台积公司(TSMC)以及各大封测公司密切合作的生产关键技术,适合应用于先进通讯、运算与消费性电子的ASIC设计。

世芯电子(Alchip)亦从事ASIC服务。据其官网介绍,世芯电子能专精、快速交付最先进的ASIC方案给客户,在16纳米、12纳米、7纳米等节点制程技术上其皆是最快成功实现的业者,拥有可靠的实证纪录。

科创板上市公司芯原微电子(上海)股份有限公司(芯原股份)是一家依托自主半导体IP,为客户提供平台化、全方位、一站式芯片定制服务和半导体IP授权服务的企业。据其官网介绍,芯原在图形处理器、神经网络处理器、视频处理器等方向有丰富的IP组合。

摩尔精英(MooreElite)则为客户提供从芯片定义到产品实现的全流程设计服务,与多家IP供应商和十几家晶圆代工厂紧密合作,为客户打造一个全面的设计云平台,基于长期打磨验证的设计流程和方法学,在边缘AI、云端大数据训练、消费电子、工业系统、网络计算SoC等不同应用领域有多年的技术积淀和可产品化的解决方案。

中国2000多家芯片公司,大多在摸着石头过河,可以说,这是一个非常有潜力的市场,据Gartner参考文献预测2020年ASIC市场将约为$ 27B。专注的高端ASIC供应商将带来巨大的商机。

除了芯片设计服务,这些芯片厂商大多使用Arm的IP,ARM可通过使用其IP开发定制处理器来收取许可和特许权使用费收入。据Axios的一篇报道,谷歌正在研发一款处理器,该处理器将为其2021 Pixel 手机和未来的chromebook提供动力。这款代号为Whitechapel的处理器据称拥有8颗ARM CPU内核,采用了三星的下一代5纳米制造工艺,并包含用于提高谷歌助手性能的专用电路。

定制芯片还要一些EDA/IP厂商来提供辅助性芯片设计服务,Cadence以及Synopsys毋庸置疑的可从中获利。早在2018年,Cadence就与Google,Microsoft,Amazon合作开发基于云的EDA工具,这些工具可以在云中运行,并且可以提供高水平的峰值性能。Synopsys也与Google Cloud合作以广泛扩展基于云的功能验证。

而所有这些芯片的设计开发,对代工厂来说也是一大好消息。诸如台积电和三星等芯片代工厂已经使从事定制芯片项目的 科技 公司能够轻松访问尖端的制造工艺。台积电已在生产谷歌的TPU和微软的HPU等芯片。去年11月,据日经亚洲报道,台积电正在与Google和AMD合作开发一种新的芯片封装技术3DFabric,该服务包含一系列3D硅堆叠和封装技术。预计首批SoIC小芯片将在2022年投入量产。台积电希望向其主要客户提供其先进的后端服务。

台积电此举当然不是在试图取代传统的芯片封装厂商,而是旨在为金字塔顶端的那些高端客户提供服务,以便笼络住财力雄厚的芯片开发商。当年台积电凭借封装服务拿下了苹果的大单,直到现在,台积电的大部分芯片封装收入仍来自苹果。如今在云计算任务比以往更加多样化和苛刻的时代下,定制芯片对高端封装的要求更高。如果能为谷歌、亚马逊等这些厂商提供高端服务的话,或许将是另外一笔大收入。

不止云厂商,还有苹果的M1芯片和特斯拉的FSD芯片等等,ASIC芯片已是大势所趋。设计ASIC芯片需要大量的资金投入,并且需要频繁更新以确保采用新技术和制造工艺。 科技 巨头将为这项技术而战,ASIC服务商们也不轻松。


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