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芯片無限戰爭:全球芯片短缺可能持續十年,需求無限期超過供應

(2021/5/14 17:19)
英特爾不久前宣布了所謂的復興計劃,包括投入200億美元資金建廠擴充芯片產能,同時成立新的芯片代工部門,并對工廠進行技術升級,由此掀起了芯片行業的“吃雞”大戰。英特爾始終在圍繞x86體系構建其生態系統,并控制著該生態系統的所有設計和制造業務。此外,英特爾在其認為有利可圖的芯片上添加了盡可能多的功能,但給生態系統合作伙伴留下的增值空間更少。
  
  與之相比,芯片設計巨頭Arm通過發布新的處理器架構向英特爾發起了挑戰,其信奉的基本理念是,未來將需要更多高度專業化定制芯片。幾十年來,Arm始終在推行幫助生態系統合作伙伴靈活定制芯片和增值的戰略,這使其能夠更好地適應未來發展趨勢。芯片巨頭大戰,誰主沉?
  
  以下為文章正文:
  
  在英特爾新任首席執行官帕特·蓋爾辛格(Pat Gelsinger)剛剛宣布雄心勃勃的復興計劃后,芯片設計巨頭Arm也發布了其第九版處理器架構Armv9,這是自十年前Armv8推出以來,該架構的首次重大升級。與此同時,Arm還公布了未來十年的愿景。大多數分析師認為,Arm新架構代表著正確的前進方向,因為它結合了端到端的能力,從邊緣計算到云計算,從數據中心到家庭,以及介于這些領域之間的一切。
  
  此外,Arm也在加強現有業務模式,即使生態系統合作伙伴能夠顯著增加附加價值,同時保持與前幾代產品的軟件兼容性。分析師認為,這一點至關重要,因為市場上各種需要專用芯片的使用案例正在迅速擴大。而在他們看來,Arm架構是迄今為止最適合利用這一即將到來的浪潮的最佳選擇。
  
  對英特爾IDM 2.0戰略的競爭回應
  
  英特爾的聲明包括三大支柱:1)堅持構建內部工廠網絡戰略;2)增加對外部代工廠的使用;3)推出全新獨立代工業務部門。
  
  在此之后,有兩個值得注意的消息直接對英特爾的新戰略做出回應:除了Arm推出Armv9架構外,臺積電宣布計劃在未來三年投資1000億美元用于芯片制造和開發。
  
  這是個十分龐大的支出計劃,大大超過了英特爾計劃的200億美元投資,該計劃將于2024年開始在美國新建兩家芯片代工廠。此外,早在2019年,三星就已經承諾將投資1160億美元,以實現內存芯片以外的生產多元化。
  
  會導致芯片供應過剩嗎?
  
  為什么這些公司突然之間變得如此咄咄逼人,他們各自努力擴大產能會不會導致芯片供過于求?
  
  首先,中國的芯片制造能力依然強大,其目標是主導當地市場,這反過來將在全球范圍內帶來優勢。其次,目前全球芯片短缺嚴重,許多芯片公司相信這種情況將持續十年時間,甚至可能更久。分析師們認為,我們現在正逼近新的需求拐點,這主要源于數字轉型、物聯網、云計算、汽車和家庭新用例激增所致。
  
  至于供過于求,這些芯片制造商認為需求將無限期超過供應。他們認為,與供應過剩相比,缺乏制造能力的危險更高。如果市場產能過剩,制造商可以減產并承受財務損失。相比之下,產能限制則意味著他們可能會錯過整個增長周期,完全錯過市場以及由此帶來的批量學習曲線和成本降低帶來的好處。所以,他們不得不奮力拼搏。
  
  Arm新架構為何如此受關注?
  
  英特爾新戰略的一個關鍵要素是蓋爾辛格提出的封裝系統愿景,這是一次跨越片上系統(SoC)的嘗試。Arm也正在采取類似的系統方法,這是一項大膽的架構舉措。然而,在分析師們看來,無論是從廣度還是深度上說,這都超過了蓋爾辛格提出的愿景,而且Arm的目標應用領域非常廣泛。
  
  Arm的基本理念是,未來將需要更多高度專業化的定制芯片,而英特爾也同意這樣的觀點。但不同之處在于,幾十年來,Arm始終在執行一項允許生態系統合作伙伴靈活定制芯片和為其增值的戰略。盡管英特爾現在終于開始采取行動,想要利用未來趨勢,但其可能無法在短時間內取得成功。
  
  Arm與英特爾奉行不同商業模式
  
  歷史上,Arm始終采取與英特爾模式截然不同的生態系統構建方式,該公司致力于生產適用于特定用例的專用芯片,比如iPhone中從指紋識別到面部識別的AI芯片。這需要專門的神經處理單元(NPU),這些單元是由蘋果公司為特定用例而設計的。Arm正在推動這些由生態系統設計和生產的專用芯片制造。
  
  另一方面,英特爾歷來采取一刀切的方式,主要圍繞x86體系構建生態系統。英特爾的設計聚焦于提高處理器的速度、晶體管密度以及增加矢量處理能力等,以適應AI的進步。英特爾負責生態系統所需的所有設計和制造以及任何專業化。該公司向來都是“吸金機器”,在它認為有利可圖的芯片上添加盡可能多的功能,給生態系統合作伙伴留下更少的增值空間。
  
  以個人電腦和服務器為例,這是英特爾最大的市場。戴爾、聯想、惠普以及惠與等客戶帶來的大部分附加值,坦率地說,始終是在邊際上折彎金屬或增加顯示器以及其他功能來賺取低廉的利潤。誠然,存儲和網絡供應商已經能夠增加更多價值,但這些市場比個人電腦和服務器小得多。在很大程度上,英特爾始終是硬件領域的大贏家,讓其原始設備制造商客戶掙扎在一個不斷整合和利潤率超低的世界里。
  
  盡管如此,英特爾及其生態系統享有的最大優勢是,x86架構易于理解、相當可靠,而且大多數企業軟件都運行在x86上。這對微軟和VMware等軟件公司來說尤其有利可圖,這些公司通過編寫在x86上運行得非常好的代碼實現了大部分增值。擁有一致、穩定的處理器平臺是支持軟件市場大規模增長的驅動力之一。
  
  眾所周知,Arm和英特爾在歷史上有著截然不同的業務模式,蓋爾辛格已經表示,他誓言要用新的可信賴代工戰略來改變這一點。問題是,英特爾的絕大多數業務都在服務于一種在宏觀層面正在失去動力的商業模式。
  
  Arm的策略更加適合未來趨勢
  
  事實上,Arm的商業模式已經顯現出巨大威力,許多客戶都在基于其架構自主研發處理器。亞馬遜云計算部門AWS正在開發自己的Graviton芯片,蘋果已經推出自主設計的M1芯片,電動汽車制造商特斯拉也在設計自己的芯片。
  
  特斯拉的案例研究很有啟發性。為了優化視頻處理功能,特斯拉需要在NPU中添加固件,以滿足其涉及視頻處理的特定使用案例。該公司很樂意按原樣使用現成的CPU或GPU以及Arm架構組件,并利用Arm的標準。但特斯拉看到了在NPU中增加自身價值的機會。這種商業模式的優勢在于,特斯拉可以在不到一年的時間內實現量產,而傳統車型則需要更長時間。
  
  Arm就像可定制的樂高積木,可讓生態系統合作伙伴以更快的上市時間實現獨特的增值。比如,特斯拉可以直接提出自己的要求,讓三星為其提供定制芯片。特斯拉選擇了使用14納米工藝來降低成本,它不需要最新架構和更大的晶體管密度。這一切都與適應應用程序的靈活性和上市時間有關。
  
  根據蓋爾辛格的聲明,英特爾正在將其代工業務轉向Arm模式。它必須這么做。但正如分析師們所指出的那樣,代工行業是個非常不同的行業,有不同的利潤率模式、關系、進入市場的戰略。而且更為重要的是,產量要求也不同。
  
  Armv9為何如此與眾不同?
  
  Armv9與前幾代架構向后兼容。也許Arm從英特爾失敗的安騰( Itanium)處理器項目中吸取了教訓,因為安藤處理器沒有向后兼容性,因此其推廣過程舉步維艱。此外,Arm還增加了許多附加功能,其中最受關注的兩個領域是機器學習和安全性。
  
  在這里需要注意,Arm宣稱Armv9架構將裝備在3000億顆Arm芯片中,這是個非常龐大的數字。此前有數據顯示,Arm架構的晶圓產量是x86架構芯片的10倍。產量高意味著成本降低,這對代工業務來說至關重要。
  
  Armv9架構的一個關鍵組件是其“可縮放矢量擴展2”(Scalable Vector Extension 2,簡稱SVE2),旨在提供更精細的數據并行性,并為每條指令提供更多的支持工作。這將支持跨各種用例的機器學習應用,如語言處理、可視化、動態定價、欺詐檢測等。
  
  Arm將賭注押在人工智能和機器學習上,其他許多公司也是如此。因此,Arm在其體系結構中改進特定的機器學習功能是個相當有前途的賭注。
  
  在“Vision Day”上,Arm也曾談到了機密計算架構和領域(Confidential Compute Architecture And Realms)。ARM在聲明中的陳述已經引起企業共鳴。套用Arm的評論,今天人們對運行應用程序的操作系統和管理程序過于信任,他們對數據的廣泛接觸會帶來黑客襲擊和威脅。
  
  而Arm的“領域”概念強調了該公司的戰略,即取消特權軟件(如虛擬機管理程序)需要能夠看到數據的假設。因此,通過在虛擬化的多租戶環境中創建“領域”,可以更好地保護數據不受內存泄漏的影響,并可以有效地預防黑客襲擊。
  
  這是個非常實用的概念,也是系統將租戶的數據與其他用戶隔離的一種方式。在將計算從內存中分離出來并跨不同處理器類型共享方面,IBM擁有最好的技術(Power 10)。
  
  IBM在首席執行官羅睿蘭(Ginni Rometty)的領導下重組微電子業務時,促成了與美國芯片制造商格芯公司的合作,后者接管了IBM在紐約州東菲什基爾的半導體制造工廠。然而,格芯2019年宣布出售這家工廠,表明該計劃最終沒有成功。
  
  格芯成立于2009年,當時AMD退出了自己制造芯片的業務。2009年,該公司在紐約州奧爾巴尼郊外的馬耳他新工廠破土動工。馬耳他將是格芯將生產其最先進技術的地方,最終將包括7納米產品。AMD和IBM承諾由格芯制造他們的7納米芯片,但后者放棄了7納米工藝開發,迫使IBM和AMD轉向其他制造商。十多年來,三星、IBM和格芯始終在為先進制造技術制定共同的設計規范。
  
  但格芯正陷入虧損,其私人支持者可能急于收回過去幾年投資于晶圓廠的210億美元巨額資金。格芯首席執行官湯姆·考爾菲爾德(Tom Caulfield)表示,公司即將進行首次公開募股(IPO)。這一切都造成了兩家公司之間的裂痕,并在馬耳他工廠最初愿景方面留下了漏洞,這也讓美國芯片制造能力相對落后于中國。
  
  英特爾、IBM和美國政府聯手
  
  就英特爾而言,它擁有出色的FinFET(鰭式場效應晶體管)技術。FinFET超越了CMOS(互補金屬氧化物半導體),可以讓英特爾在AMD的Chiplet IP上占得先機,特別是在延遲方面。這可能也會給IBM帶來一些好處。
  
  IBM研究院院長兼高級副總裁達里奧·吉爾(Dario Gil)是其中的關鍵人物,他首先提議可以與英特爾共享某些知識。IBM之所以這樣做,是因為其想要更有效地與VMware競爭,后者在利用x86方面做得很好,這是OpenShift(紅帽的云開發平臺即服務)最大的競爭對手。因此,IBM需要英特爾芯片來執行其云戰略,因為幾乎所有IBM客戶都在x86上運行應用程序。
  
  更有趣的是,紐約州參議員查克·舒默(Chuck Schumer)熱衷于在紐約建立替代硅谷的地方,即所謂的硅巷(Silicon Alley)。那么,擁有出色工藝技術的英特爾,與美國政府、IBM和三星合作,它是否能成為值得信賴的代工伙伴,并促使芯片行業重新洗牌?
  
  芯片領域上演“權力的游戲”
  
  這塊拼圖還差一塊,那就是臺積電,后者始終在為蘋果生產5納米(最終4納米)芯片,這讓它的其他客戶(比如英偉達)受到更大限制。歸根結底,長期的競爭力和成本削減最終取決于產量。分析師們認為,沒有Arm,英特爾無法實現量產。
  
  不過,如果英特爾真的能在IBM和美國政府的幫助下成為一家值得信賴的代工企業,或許它就可以通過吸引某些心懷不滿的臺積電客戶來在產量上與其展開競爭。舉例來說,英偉達對臺積電感到不滿,因為其訂單總是排在蘋果之后。那么,英偉達為何不把英特爾的代工廠作為第二個芯片制造來源呢?AWS、谷歌和Facebook是否也存在同樣的問題。
  
  除此之外,也許這也是科技巨頭安撫美國政府和擺脫反壟斷調查的一種方式。他們把芯片制造業務交給英特爾晶圓廠,以幫助幫助確保美國半導體行業的領導地位。而對于微軟,盡管其沒有受到那么多的反壟斷審查,但它也很可能樂于合作。
  
  蘋果為什么不想在美國國內擁有先進技術服務商?蓋爾辛格就是做這種事情的人,因為他會和公共政策制定者相處得很好。這會給英特爾帶來具有更高的銷量嗎?的確如此?梢钥隙ǖ氖,如果它能贏得這些公司的信任,交易量肯定會增加。正如我們已經說過的,目前這是個很小的機會,需要幾年的時間才能壯大。但在這種情況下,將這些優勢結合起來,英特爾贏得賭注的機會非常高。
  
  毫無疑問,英特爾面臨的風險比以往任何時候都要高,因為它背負的不僅僅是該公司的生存,而是攸關芯片行業的生存和美國的競爭力。不過,長期競爭力的關鍵絕對在于實現批量制造。
  
  Arm和臺積電都對英特爾的舉動做出了回應。由于監管機構和競爭對手反對合并,英偉達對Arm的收購仍岌岌可危。不過,如果英偉達成功收購Arm,后者無疑將變得更加強大。Arm打算超越SoC,與英特爾保持同步,盡管其采用的是純外包戰略。英特爾必須保持其在市場中的高端地位,但Arm將繼續在企業中站穩腳跟。
  
  英特爾最大的優勢是其集成設備制造(IDM)戰略。垂直整合是一場漫長的游戲,既帶來了質量優勢,也帶來了成本優勢。但如果沒有銷量,英特爾將無法在成本上競爭,甚至真的可能會破產。
  
  有鑒于此,對于英特爾來說,能否成功執行其代工戰略至關重要,而代工戰略仍然是一項高風險、高回報的風險投資。美國政府的角色將是降低這一風險,增加英特爾生存的可能性,并繼續保持美國在半導體行業的領先地位。
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