GPU如何帶動(dòng)半導體產(chǎn)業(yè)鏈水漲船高?
據Mordor Intelligence預測,從2024年到2029年,HBM市場(chǎng)規模預計將從約25.2億美元激增至79.5億美元,預測期內復合年增長(cháng)率高達25.86%。
2024-06-20 08:45:28
來(lái)源:中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng) 許子皓??

“我們需要的HBM(高帶寬存儲器)數量非常龐大,目前正在與三星、SK海力士和美光洽談,我們已經(jīng)收到這三家公司的產(chǎn)品?!闭f(shuō)出這句話(huà)的,是英偉達的CEO黃仁勛。依靠GPU,英偉達如日中天,這讓全球排名前三的存儲芯片廠(chǎng)商爭相拋出橄欖枝。

當前,生成式AI的浪潮洶涌而至,讓GPU大施拳腳,更是帶動(dòng)整個(gè)半導體產(chǎn)業(yè)鏈掀起了更新潮,成為了存儲市場(chǎng)的“救命稻草”,創(chuàng )下了在一個(gè)季度內扭虧為盈的壯舉。而GPU帶動(dòng)的芯片產(chǎn)業(yè)還不只這些。

存儲芯片扭虧為盈的“救世主”

自2021年以來(lái),存儲芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入長(cháng)達近兩年的下行周期,這也導致存儲芯片廠(chǎng)商的利潤持續走低,甚至一度陷入虧損狀態(tài),例如,2023年全年,三星綜合營(yíng)業(yè)利潤為6.6萬(wàn)億韓元,較上年同期下降84.86%。SK海力士則是累計營(yíng)業(yè)虧損為7.7303萬(wàn)億韓元,凈虧損為9.1375萬(wàn)億韓元。一直到2023年第四季度,兩大存儲廠(chǎng)商才逐漸恢復盈利能力。這個(gè)扭虧為盈的關(guān)鍵點(diǎn)正是GPU的爆發(fā)式增長(cháng)。

GPU在進(jìn)行大量數據處理時(shí),特別是在高性能計算、人工智能和圖形處理等領(lǐng)域,對存儲帶寬和容量的需求極高。GDDR(一種用于圖形處理器和高性能計算模塊的顯存類(lèi)型)和HBM具有的高帶寬、低功耗和低延遲的特性,正是GPU所最需要的。各大存儲芯片企業(yè)紛紛開(kāi)始研究這兩個(gè)存儲芯片品類(lèi)。

芯謀研究企業(yè)服務(wù)部總監王笑龍在接受《中國電子報》記者采訪(fǎng)時(shí)表示,為滿(mǎn)足GPU對高帶寬的需求,HBM技術(shù)通過(guò)堆疊內存芯片并利用硅中介層直接連接到GPU,大幅度提高了內存帶寬。隨著(zhù)GPU需求的增長(cháng),HBM2、HBM2E乃至最新的HBM3等迭代版本將不斷推出,進(jìn)一步提升了帶寬和容量,同時(shí)降低功耗。

在GPU市場(chǎng)需求引導下,各大存儲芯片企業(yè)的GDDR和HBM訂單拿到手軟。SK海力士近期表示,根據截至今年底的生產(chǎn)能力,目前已經(jīng)完成了對2025年HBM內存產(chǎn)能的分配。三星也是不甘示弱,稱(chēng)自身HBM訂單也已售罄,預估明年不會(huì )出現HBM內存供過(guò)于求的情況。美光也表示,已經(jīng)基本完成了2025年的HBM內存供應談判,預計在2024年9月結束的本財年中,HBM內存將帶來(lái)數億美元的營(yíng)收,而在2025財年,相關(guān)業(yè)務(wù)的銷(xiāo)售額預計將增加到數十億美元。

產(chǎn)能方面,HBM廠(chǎng)商為滿(mǎn)足HBM3E內存需求,SK海力士計劃大幅增加1bnm制程DRAM內存產(chǎn)能。目標到今年年底將1bnm內存晶圓投片量增至9萬(wàn)片,明年上半年進(jìn)一步增加到14~15萬(wàn)片。為此,SK海力士計劃將其位于京畿道利川市的M16內存晶圓廠(chǎng)升級至1bnm工藝。而三星預計到2024年底,現有設施將全部使用完畢。新的P4L工廠(chǎng)計劃于2025年完工,而15號生產(chǎn)線(xiàn)工廠(chǎng)將從1Y納米工藝過(guò)渡到1bnm及以上工藝。

下一代技術(shù)方面,SK海力士計劃將HBM新產(chǎn)品的供應周期從2年加快至1年。此外,還計劃在2025年和2026年完成HBM4(第6代)和HBM4E(第7代)的技術(shù)開(kāi)發(fā)和量產(chǎn)。三星同樣表示,HBM4內存計劃于明年完成開(kāi)發(fā),2026年實(shí)現量產(chǎn)。而美光已經(jīng)開(kāi)始出樣12層堆疊的HBM3E內存,預計這將成為2025年業(yè)績(jì)的重要驅動(dòng)力。

據Mordor Intelligence預測,從2024年到2029年,HBM市場(chǎng)規模預計將從約25.2億美元激增至79.5億美元,預測期內復合年增長(cháng)率高達25.86%。

池憲念表示:“不只是GDDR和HBM,為了應對GPU持續飆升的存儲需求,各大企業(yè)也在探索新型的存儲介質(zhì)。例如,業(yè)界已經(jīng)開(kāi)始探索如3D XPoint、ReRAM(電阻式隨機存取存儲器)、PCM(相變存儲)等新型非易失性存儲技術(shù),它們有望提供接近DRAM的性能,同時(shí)保持數據持久性,適合于GPU密集型應用中的快速存儲和交換數據?!?/p>

CPU與GPU齊頭并進(jìn)深度融合

在此前的臺北電腦展上,英偉達、AMD、英特爾的首席執行官的演講句句都離不開(kāi)GPU,“明爭暗斗”地發(fā)布了關(guān)于CPU與GPU協(xié)同的最新解決方案,性能增量一個(gè)比一個(gè)驚人,可見(jiàn)GPU對于CPU的提升作用。

CPU是中央處理器,負責程序控制、順序執行等操作,是信息處理、程序運行的最終執行單元。而GPU是圖形處理器,加入系統之后,GPU可以在CPU的控制下協(xié)同工作,分擔部分原本由CPU負責的工作,尤其是在圖形渲染、3D圖形加速以及大規模并行計算等需要處理大量數據的領(lǐng)域表現出色。這使得CPU可以將更多的資源用于執行其他任務(wù),提高了系統的整體性能。因此,如何促進(jìn)CPU與GPU進(jìn)一步協(xié)同工作,提升系統整體性能和效率就成為了各大CPU企業(yè)所重點(diǎn)關(guān)注的課題。

為此,英偉達、AMD、英特爾等國內外領(lǐng)軍企業(yè)想到的第一個(gè)辦法是開(kāi)發(fā)CPU與GPU的異構計算平臺。通過(guò)開(kāi)發(fā)如NVLink、CCIX、CXL和Gen-Z等高速互連技術(shù),加強CPU與GPU之間的數據傳輸速度和效率,使得兩者能更緊密、高效地協(xié)同工作。

例如,黃仁勛提出,英偉達將在2026年推出最新的Vera CPU和Rubin GPU,并組成Vera Rubin超級芯片,有望取代現有的Grace Hopper超級芯片。此外,Rubin平臺還將搭載新一代NVLink 6 Switch,提供高達3600 GB/s的連接速度,以及高達1600 GB/s的CX9 SuperNIC組件,確保數據傳輸的高效性。

除了建立異構計算平臺,半導體行業(yè)專(zhuān)家池憲念表示,還要優(yōu)化軟件與編程模型。為了解決CPU與GPU之間的通信瓶頸,企業(yè)投入資源開(kāi)發(fā)了新的編程模型和庫,如CUDA、OpenCL、DirectX、Vulkan、oneAPI等,使得開(kāi)發(fā)者能夠更便捷地編寫(xiě)跨CPU和GPU的并行程序,充分利用兩者的計算優(yōu)勢。在某些應用場(chǎng)景下,企業(yè)還可以集成特定的硬件加速器(如AI加速器、網(wǎng)絡(luò )加速器)與CPU和GPU一起工作,以實(shí)現特定任務(wù)的極致加速,滿(mǎn)足云計算、邊緣計算、數據中心等領(lǐng)域的特定需求。

此外推進(jìn)系統架構的創(chuàng )新也是關(guān)鍵環(huán)節,例如AMD推出的APU(加速處理器),將CPU與GPU集成在同一塊芯片上,實(shí)現了更緊密的集成和更低的延遲,為輕量級計算任務(wù)提供高效解決方案。英偉達也發(fā)明了一種新架構,將GPU與CPU相結合,兩個(gè)處理器能獨立且自主地運行??梢宰屧拘枰?00個(gè)時(shí)間單位才能完成的任務(wù),現在可能僅需1個(gè)時(shí)間單位即可完成。并且,這種架構可以實(shí)現高達100倍的加速計算,而功率僅增加約3倍,每瓦性能比單獨使用CPU提高25倍,成本僅上升約50%。此外,RISC-V架構也在探索包括CPU與GPU核心的一體化設計,有望在性能和能效上取得新突破。

全產(chǎn)業(yè)鏈因GPU不斷創(chuàng )新

對于最上游的半導體設備、散熱技術(shù),以及后道封裝技術(shù)等方面的更新迭代來(lái)說(shuō),GPU的市場(chǎng)需求同樣成為了關(guān)鍵助推力。

半導體設備方面,英偉達之前發(fā)布了可以將計算光刻變得更“聰明”的新光刻技術(shù)cuLitho,以前的計算光刻依賴(lài)CPU服務(wù)器集群,而如今,cuLitho可以實(shí)現在500套DGX H100(包含4000顆Hopper GPU)完成與4萬(wàn)顆CPU運算服務(wù)器相同的工作量,但速度快40倍,功耗低9倍??梢?jiàn),GPU加速后,生產(chǎn)光掩模的計算光刻工作用時(shí)可以從兩周減少到八小時(shí)。臺積電可以通過(guò)在500個(gè)DGX H100系統上使用cuLitho加速,將功率從35MW降至5MW,從而替代用于計算光刻的4萬(wàn)臺CPU服務(wù)器。黃仁勛表示,英偉達將繼續與臺積電、ASML和Synopsys合作,將先進(jìn)制程推進(jìn)到2納米及更高精度制程。

在散熱技術(shù)創(chuàng )新方面,英偉達決定在新發(fā)布的GPU產(chǎn)品B100上采用液冷散熱方案。黃仁勛曾公開(kāi)表示,液冷技術(shù)是未來(lái)散熱技術(shù)的方向,有望引領(lǐng)整個(gè)散熱市場(chǎng)迎來(lái)全面的革新。

液冷散熱技術(shù)相較于傳統的風(fēng)冷散熱技術(shù),具有更高的散熱效率、更低的能耗、更低的噪聲。而隨著(zhù)AI算力和功耗的不斷提升,當單顆高算力芯片功率達到1000W時(shí),現有散熱技術(shù)將面臨革命性的變革,而液冷方案幾乎成為必選項。

民生證券表示,AI產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,驅動(dòng)液冷服務(wù)器滲透率逐步抬升。從發(fā)展趨勢來(lái)看,預計到2025年液冷服務(wù)器滲透率大約保持在20%-30%的水平。

池憲念表示,封裝技術(shù)也能夠提升GPU的各項性能,例如通過(guò)倒裝芯片封裝(FCBGA)的應用,改善關(guān)鍵部件如CPU、GPU的散熱水平,提高信號傳輸速度和電氣性能;扇出型晶圓級封裝(FOWLP)能在相同封裝尺寸內容納更多存儲芯片,提高帶寬,同時(shí)減小GPU的實(shí)際尺寸或騰出空間用于其他組件,這對于提升GPU的集成度和性能至關(guān)重要;CoWoS-L封裝技術(shù)允許在單一封裝中集成多個(gè)芯片(如GPU、HBM等),通過(guò)硅中介層實(shí)現高速互連,不僅提升了性能,也優(yōu)化了散熱路徑。同時(shí),GPU制造商正探索3D封裝技術(shù),通過(guò)堆疊多個(gè)芯片或Chiplet(小芯片)來(lái)構建系統,這樣不僅可以增加功能,還能通過(guò)縮短信號路徑來(lái)降低功耗并提高散熱效率。

總體來(lái)看,GPU的高速發(fā)展已成為半導體產(chǎn)業(yè)的重要驅動(dòng)力之一,它不僅推動(dòng)了半導體設計和制造技術(shù)的持續創(chuàng )新,還帶動(dòng)了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同發(fā)展,促使半導體廠(chǎng)商加大投入,提升產(chǎn)能,優(yōu)化工藝,以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的GPU需求,也為整個(gè)科技行業(yè)帶來(lái)了更加廣闊的創(chuàng )新空間和發(fā)展機遇。

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