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从架构到工艺 2020年GPU之争进入高峰期
芯电易 | 2020-03-23 11:03:07    阅读:279   发布文章

AMD近日发布了旗下新一代GPU架构CDNA,面向数据中心等高性能计算业务。英伟达则有望在3月22日线上举行的GTC 2020大会中发布新一代GPU架构Ampere。此外,更有消息称英特尔将继22年之后发布用于独立显卡的GPU架构Xe。2020年,随着人工智能深度学习对高性能计算的需求越来越迫切,GPU正在成为芯片大厂的角力焦点。

三方角力GPU市场

在近日举行的“金融分析师日”活动上,AMD发布了针对数据中心工作负载优化的新一代GPU架构。据了解,CDNA架构包含了第二代Infinity技术,可增强GPU和CPU之间的连接,并针对机器学习和高性能计算应用而优化,可专注于计算/张量操作,从而加速机器学习计算,而且可以通过Infinity Fabric互连的灵活设计,支持增强的企业级RAS特性与虚拟化技术。此外,它还将提供更高的能效比。AMD首席执行官Lisa Su表示,路线图的发布意味着AMD可获得收入上的加速增长,为股东带来可观的回报。

英伟达也于近日发布消息,由于担心新冠病毒疫情,将原定于3月22日—26日举行的GTC 2020大会改为网上举办。考虑到英伟达一直以来的惯例,在GTC大会上多会发布新一代计算型GPU。因此,业界预期还未露面的7nm Ampere有望面世。元大证券投资咨询公司的一份报告指出,Ampere有望较英伟达当前采用的“图灵”(Turing)架构性能增加50%,同时功耗减半。Ampere GPU将面向数据中心业务。

GPU一向是英特尔的弱项,虽然不乏产品推出,却一直被集成于系统芯片当中。然而,英特尔CFO首席财务官George Davis日前确认,2020年将会推出一款面向独立显卡的Xe架构GPU。这是英特尔自1998年推出i740显卡后,再次进军独显市场。根据之前透露出来的信息,英特尔将要推出的独立显卡DG1,采用Xe架构,拥有96组EU执行单元,基础频率1GHz,加速频率1.5GHz,1MB二级缓存以及3GB显存,TDP为25W。在DG1之后,英特尔还会发布针对高端市场的DG2独立显卡。

竞争人工智能大市场

英伟达、AMD与英特尔三大芯片之所以如此积极的推进GPU的发展,与数据中心对高性能计算的需求密不可分。有专家分析指出,数据中心是人工智能深度学习最重要工作平台,快速完成对海量数据的多层次、多迭代模型分析处理是其一项关键性的工作。从2011年人工智能研究人员首次使用英伟达GPU为深度学习加速之后,GPU就在人工智能领域发挥着巨大作用。虽然许多厂商也在开发基于FPGA或者ASIC的人工智能芯片,但目前采用GPU加速的服务器仍是数据中心的主流。

这也就使得芯片大厂不得不重视GPU的开发。2017年,英伟达推出面向数据中心业务的GPU TeslaV100 GPU,受到业界的广泛采用。此后英伟达继续在人工智能数据中心云端发力,研发面向不同平台的GPU加速解决方案,今年更将推出新一代GPU架构Ampere。研观天下报告指出,目前人工智能应用领域的发展速度快于底层芯片的发展速度,GPU是目前发展最为完善的一类人工智能芯片,是现阶段人工智能应用开发的首选。英伟达凭借其GPU的先发优势在人工智能的前端推理应用领域抢占了先机。

此前,AMD虽然也有很多GPU和显卡产品,但采用的Vega核心本质上还是一款游戏型GPU。此次,AMD发布CDNA架构,专门针对数据中心计算进行了优化。可以看出,AMD在GPU的策略上,也正在走专业化,将面向数据中心的GPU架构与面向游戏优化的RDNA架构分开。

技术分析师Patrick Moorhead表示,数据中心GPU并不需要消费类显卡的许多功能,比如显示和像素引擎、光线追踪等。计算型GPU通过删除这些元素可以节省成本,同时又可添加更多有助数据中心性能提升的逻辑组件,比如张量计算单元等。不过在高性能数据中心部署CDNA 架构GPU之前,AMD仍需在软件上加大投入。

竞争从工艺到架构

从技术趋势上看,随着数据中心深度学习对芯片处理能力以及低功耗需求的提高,GPU对制造工艺的选择也越来越严苛。三大GPU公司目前基本上都选择采用最先进的制造工艺。此前,英特尔财务官George Davis曾经表示,针对14纳米制程的产能不足问题,2020年将增加更多产能填补空缺。面对2020年陆续推出的新品,英特尔势必要想办法解决先进工艺产能的问题。近日有消息传出,英特尔计划将旗下独立显示GPU交由台积电6纳米工艺代工。更有消息称2022年英特尔还将采用台积电的3纳米工艺来生产。有业内人士分析,假如英特真的打算扩大外包代工份额,除了已经部分外包的芯片组之外,首先可能就是GPU,因为GPU相对CPU来说制造工艺上更为简单,而且以往台积电与英伟达在GPU制造上有着大量的合作,因而更有经验。

至于AMD方面,CDNA架构GPU预计会在今年年底到明年年初面世,继续采用7nm工艺。AMD没有透露第二代CDNA 2的具体工艺,只说是更先进的节点,因而有可能采用5nm工艺。GPU也是先进工艺的追逐者。

此外,GPU在计算架构上的革新也十分关键。GPU+CPU异构架构成为面向人工智能服务器的主流架构。研观天下指出,随着数据处理复杂度的逐步提升,服务器采用的处理系统并非只有采用GPU,或者只采用CPU。而是由CPU和GPU组合而成的异构系统,两种处理器各取所长,密集的处理任务交给GPU,复杂的逻辑运算交给CPU,两种处理器协同工作,提升系统的运算速率。

AMD是目前唯一一家同时拥有x86处理器和独立显卡的供应商,这使其在CPU-GPU互连技术上具有优势。AMD在CPU和GPU之间采用Infinity Fabric技术进行连接,实现内存的一致性,可以减轻许多编码负担。此次发布的CDNA架构便采用了第二代Infinity技术,增强了GPU和CPU之间的连接。AMD还透露第三代Infinity Fabric将具有更高的性能,包括更高带宽、更低延迟的CPU-GPU互连,增强内存一体性能,以简化编程。

价格看涨,DRAM能走出低谷?

2020年1—2月,DRAM价格止跌回暖,各研究及证券机构普遍看涨DRAM第一季度、第二季度价格。从2018年下半年起,DRAM经历了超过一年的下滑周期。现阶段,在市场持有涨价预期的同时,DRAM产业也面临着全球新冠肺炎疫情的不确定性影响。2020年,DRAM增长动力来自何方,新冠疫情将带给DRAM怎样的风险和机遇。厂商又该抓住哪些技术发展趋势,进一步提升盈利能力?

第一季度止跌回暖

在经历了一年多的低迷之后,今年第一季度,标准型DRAM(主要用于PC等应用)、利基型DRAM(面向消费类、定制类市场)总体止跌回稳,价格小幅上扬,服务器型DRAM需求上涨。预计第二季度,服务器DRAM将成为DRAM价格继续上涨的主要动力。

集邦咨询半导体研究中心最新报告指出,2020年第一季度,DRAM价格小幅抬升,预计第二季度会取得最高10%的增长(3月初预期将取得10%以上增长,3月12日之后下修预期)。但是,受新冠肺炎疫情在全球蔓延的影响,预计第三季度涨幅在5%以内,2020年全年价格涨幅在20%以内。

DRAM涨价也提升了市场及从业者的信心。南亚科技2020年1月营收月增3.92%,较去年同期增加5.68%,南亚科技预期2020年第一季度DRAM价格有望止跌回稳。内存模组供应商宇瞻科技总经理张家騉在3月4日的法人说明会表示,新冠肺炎疫情对于内存市场的需求会有影响,但DRAM及NAND Flash的供给吃紧,因此预估第二季内存价格看涨,下半年或将供不应求。

5G及服务器成增长动力

有报告指出,DRAM上涨最主要的动力来自于数据中心正在快速布局建设以及5G基础建设的需求持续强劲。

5G通信建设和5G手机换机潮,将拉动DRAM需求并推动DRAM产品迭代。小米创始人雷军表示,LPDDR5是5G时代三大技术跨越性升级之一(其余两个为UFS3.0及WiFi6),将成为5G时代旗舰级标配。小米10、realme真我X50 Pro 5G等本季度推出的5G新机已经搭载LPDDR5 DRAM。

云计算、大数据、自动驾驶等前沿科技的计算密集型应用环境,将持续提升数据中心的工作负载,为服务器DRAM带来增长动能。今年1月,美光宣布采用1z纳米制程的DDR5寄存型DIMM开始出样,以应对下一代服务器负载。有业内人士表示,虽然北美数据中心的建设有些放缓,但数据中心是国内新基建的重点关注方向,加大数据中心的建设力度势必提升对服务器型DRAM的需求。

疫情带来的危与机

新冠肺炎疫情对DRAM市场的影响可谓“危险与机遇并存”。一方面,疫情为手机等终端消费需求带来不确定性,多个研究机构下修了移动终端型DRAM需求预期;另一方面,疫情导致全球远程办公需求及“宅经济”需求激增,服务器用DRAM涨势良好。

由于疫情防控必须减少人员聚集,企业员工远程工作增加、人群户外活动减少,导致数据中心流量提升,对服务器及服务器型DRAM需求增加。集邦咨询半导体研究中心预测,服务器DRAM在今年第二季度的价格涨幅从原先预测的季增15%扩大至20%。集邦咨询指出,新冠肺炎疫情使全球远程办公需求大增,阿里巴巴、腾讯等中国云服务企业备货需求在2月份显著增长。同时,字节跳动因北美业务扩张至电子商务、游戏与金融应用等,进而带动北美自建数据中心的需求成长。

原本被视为DRAM重要增长力的终端型DRAM,则面临不确定性。集邦咨询半导体研究中心表示,疫情在全球的蔓延将影响消费者信心,终端产品需求恐持续下修。

考验厂商盈利能力

工艺迭代、产品迭代及产能控制,是DRAM厂商提升盈利能力的重点。

2019年第四季度,三星成为唯一在DRAM业务扭亏为盈的主力厂商,原因就是通过向1y工艺过渡,降低了生产成本。2020年,DRAM主力厂商将逐渐从1y向1z过渡阶段。根据三星测算,1z纳米DRAM在不使用EUV设备的情况下,也比目前1y DRAM的产能提高20%。

同时,DDR5、LRDDR5成为头部厂商产品竞争焦点。美光表示,相比DDR4,DDR5内存性能提升至少85%、性能提升逾1.85倍。小米测算显示,LPDDR5相比LPDDR4,速率提升29%~50%,功耗下降12%~20%。美光已经交付首款量产化LPDDR5内存芯片,由小米10搭载首发。三星也宣布已大规模生产业内首个16GB LPDDR5移动DRAM封装。业内人士表示,三星、SK海力士、美光相继推出LPDDR5,三星、SK海力士也推出了DDR5,国内高端智能机已经开始采用LPDDR5移动型存储器,未来DDR5、LPDDR5的搭载率将会大大提升。

“控制库存、避免库存过多,加大存储器制程的研发、提升存储器产品性能,关注数据中心等重点领域的需求量,有利于提升内存厂商盈利能力。”业内人士表示。

在国内DRAM厂商中,长鑫存储的10nm级第一代8Gb DDR4于去年9月亮相,一期设计产能每月12万片晶圆。目前DDR4内存芯片、LPDDR4X内存芯片、DDR4 模组已在长鑫官网上线。长鑫存储表示,其DDR4内存芯片满足市场主流需求,可应用于PC、笔记本电脑、服务器、消费电子类产品等领域。

业内专家莫大康向记者指出,中国存储器尚在起步阶段,目前刚量产通线,准备首期扩充产能,需持续提升良率、降低成本,之后还需要继续提升专利储备和量产能力(达到10万片/月),才能真正实现立足。


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