【techweb】前言：晶元戰爭未曾停歇。飛速發展的自動駕駛為晶元廠商帶來了新的機會，ic設計商嘗試推出更適用於ai場景的晶元，晶圓與封測廠商圖加速換代生產線，以便趕上下一波ai時代的「潮流」。為了更直觀的理解ai晶元，我們需要「拆解」兩部iphone。
一.揭開iphone 4後蓋，卸下主機板pcb，可以看到一塊拇指大小黑色塑料片。這是蘋果第一代自家產的soc(片上系統)，名為a4處理器，它被焊接在iphone 4主機板背部，曾與喬幫主一同站在2010發布會舞台上。如今蘋果自產soc公升級到了a12x，除了運算能力的增長，其核心架構也隨著工業界晶元製造工藝進化而日趨精湛。
8年前的a4處理器撐起了iphone的市場地位，這塊搭載arm核心、內部脈衝**可以飆公升至1ghz的晶元，僅一半的計算能力就可把上個世紀登月的阿波羅飛船甩在幾條街後，而大部分使用者只需用它打**、收發郵件、偶爾玩一玩《憤怒的小鳥》。a系晶元演進到今天，蘋果推出搭載最新處理器a12x的ipad pro，庫克試圖說服人們一款不足6公釐厚度的電子裝置就可勝任生活工作的全部jcpvx需求，從而不在需要攜帶厚重的筆記本，確實有他的道理。
a12x代表著消費電子處理器已到達前所未有的高度。這款a12x內建模擬人腦神經元的積體電路，可以在人眼不可察覺的瞬間完成神經引擎、影象處理、資料處理的工作(faceid)，這在幾年前還是科幻電影的元素。
我們沒有辦法展示a12x的**，但可以參照a11，視覺化蘋果移動端soc整合度變化。
今天再來對比兩款晶元：兩張單薄晶體板下方隱藏著一道巨大的技術鴻溝，從矽晶打磨、光刻、再到封裝技術，背後是多年來理論學者與晶元工程師的嘗試，以及全球晶元巨頭間的角逐結果。如果不是製造工藝的進步、整個晶元的社會生產力不斷提公升，誰也不會想到會有類似科幻元素的產品觸達我們的生活，影響到我們的感官體驗。
國內華為也有自己的soc系統：麒麟980。為證明最新麒麟980的實力，華為號召了幾位大學生，設計出一套可以預裝在榮耀magic2上便可操縱車輛的駕駛程式，佐證了麒麟980計算能力。
這是一次創新式的嘗試，但手機能夠處理的道路資訊還是非常有限，為了提供安全可靠的自動駕駛體驗，我們需要更快、更靈活、更低功耗的的ai晶元。
二.在未來，無人駕駛汽車將整合諸多演算法。
想象一下，使用者可以在手機app上「召喚」一輛附近空閒的無人車。無人車啟動「大腦」，開始獲得實時路況資訊，這幾乎占用了目前無人車「大腦」的運算頻寬。每一秒鐘，攝像頭採集車附近360度視野影象，實時地執行卷積神經網路來區分行人與車輛。
與此同時，公釐波雷達收集到距離資訊為車載決策層準確的判斷依據：是繼續直線行駛，還是轉向避讓?決策層需要在不到50毫秒的時間內反應，控制車輛動力及轉向控制器，下位機繼而將指令轉化成pwm脈衝訊號，指揮毫無思考能力的方向電機和動力電機。
幾分鐘後，無人車戰勝了複雜的路況、穿過嘈雜街道，停靠在到精準的目標位置，等待乘客上車。隨後，通過車載語音互動模組，無人車可獲知使用者的目的地。根據最新的高精度地圖資訊，再結合車身上的全方位感測器感知周遭情況，最終安全的抵達目的地。這一套流程，重複而單一，會使人類司機感到疲憊。
所以不難看出，ai晶元有三大要求：大吞吐，低延時，低能耗。對於廠商來講，只要能佔據更大的無人駕駛市場，錢不是問題。
三.為實現這一目標，nvidia在2023年推出k字頭運算gpu加速器，黃仁勳試圖討好馬斯克以便擠掉以色列公司mobileye，但顯然後者不吃這一套，選擇表面合作暗地卻從amd挖高管，打算自己搞ai晶元。只不過事實證明，最新的model 3依然使用nvidia的處理器，自研晶元之路還很長。
目前在業界中，有一種說法是ai晶元將沿「cpu-gpu-fpga-asic」的路線演進。cpu曾在pc、伺服器端時代統領江山，卻不及gpu的大吞吐特性而淪為輔助，nvidia曾在drive x**ier架構上投入30億美元，2023年ces上展示出了一款能夠以500瓦的能耗代價實現每秒320萬億次運算。500瓦的能耗水平非常低，滿載的車內空調大約在5千瓦時左右，占用傳統燃油車2匹馬力。
然而www.cppcns.com未來國內能源屬性趨勢來看，無人駕駛模組將限制車輛的續航里程，500瓦的功耗還是太高。
中國一家名為深鑑科技創業公司在去年被國際fpga巨頭賽靈思(xilinx)收購，深鑑科技的一篇**曾在fpga 2017大會上評為最佳，在**中他們設計的模型可以在xcku060(一款fpga晶元)上執行更高精度的語音識別效果，而且擁有更低的功耗。矛盾在於fpga屬於半定製化的工業產品，成本相對較高，xcku060單片**在4000美元左右。在相同計算力下，fpga**不佔優勢。谷歌旗下的waymo目前使用的ku115(一款來自賽靈思的fpga晶元)，單片**在5400美元左右，雖然換掉了早年使用的英特爾xeon系列伺服器晶元，運算效能不斷提公升，但整車**也一路高歌猛進。
待演算法、感測器成熟，asic才有施展拳腳的機會。我們之前提到的mobileye，其產品便是基於的asic架構加速器，和nvidia走截然不同的系統級處理器路線，asic全稱為「專用積體電路」，其內建的異構模組可以針對訊號、影象等處理演算法進行特殊優化，但在設計流程jcpvx上用到更長時間。
fpga這個詞想必就更加陌生了。簡單來說，asic晶元是乙個「kfc的漢堡包」，而fpga更像「賽百味的三明治」，後者有更大的「重新設計」空間，可以根據使用者需求新增內容、功能和優化。不過，針對fpga進行程式設計，也可以設計出asic，但單片成本更高，而且需要大量專業腦力工作，是項「硬核」工藝，而想靠自家設計的fpga落得應用，更是件困難的事情。
四.近年，國內湧現一批ai晶元的icjcpvx設計商，寒武紀、阿里、華為、百度、地平線、位元大陸等。在設計技術和製造技術之間，國內初創ic設計商處在很尷尬的境地，其設計成果若不能找到合適產品並量產，將意味著所有設計毫無商業意義。
於是，我們將目光放到晶圓與封裝廠商上來。
中芯國際是一家成熟的本土圓晶加工商，2023年市場占有率5.4%，yoy(增長率)達到6.35%，2023年28nm以上製程的晶元月產44萬片，這些晶元會被安裝到低功耗計算機、通訊裝置、汽車等其他消費電子產品上。但是ai晶元領域，至少在雲端訓練計算方向上，14nm以下製程才算剛剛入門，截至2023年2月21日，中芯國際尚未交付任何14nm或以下製程的產品，但在**報道中稱：「14奈米技術研發已進入客戶匯入階段」。
這麼來看，中芯國際確實已經有14奈米技術：finfet工藝。finfet是什麼概念?簡單來說，中芯將刻晶元的工藝水平從2維(cmos)公升級到3維(finfet)，是整合晶元工藝中值得「秀」的資本。 此前中芯的28nm多晶矽(poly/sion)工藝是相對台積電比較落後的技術，後來才有了hkmg製程工藝，雖然仍是28nm製程，但產品優化效果程式設計客棧好，良品率也有所提公升。對於大廠而言，前幾年在20nm的工藝突破是乙個分水嶺，因為越低製程將越接近材料極限，例如：量子隧穿效應。finfet工藝是目前應對量子隧穿效應最有效的方法，中芯國際的finfet尚處在「有技術沒產品」的階段，正在2023年希翼實現突破。
在世界前三的封測企業中，有兩家是本土品牌，一家是台灣日月光，另一家是江蘇長電。2023年的資料統計顯示，台灣日月光的市場占有率最高、營收最大。寒武紀的第一款soc就是在日月光協作下完成的。
長電科技2023年第一季營收達54.90億元，相較去年同期50.25億元增長9.27%;實現淨利潤9600萬元，而去年同期虧損1億元。歸屬上市公司淨利潤為525萬元，較去年同期3830萬下降86.29%。而我們單獨看江蘇長電的產能，在較為複雜處理器封裝工藝還是研發階段，暫時沒有量產可能。同樣的，與長電科技各分秋色的華天科技、通富微電，均無較大功耗的ai晶元封裝工藝，而小型soc也難以勝任。蘇州晶方是一家小型化晶圓的半導體廠商，主要靠tsv工藝吃飯，在ai晶元領域暫無涉足，不過相類似廠商可能會在智慧型裝置普及、愈發依賴生物感測的情況下大有可為。
國內封測企業興起的具有國際因素，例如松下等日韓封測廠在馬來西亞因工人債務問題，於2016起陸陸續續撤離當地，將新廠設立在中國大陸。
五.在ic設計領域，2023年創立的寒武紀需要依託上游智財權保護，下游需要借助圓晶製造廠、封測(日月光等)廠商實現量產，其產品出口有二：soc廠商和系統廠商。
2023年，寒武紀參與完成了一款華為的ai晶元設計，也就是讀者常聽到的麒麟970。這顆晶元本身不是寒武紀生產，而只負責設計了其中部分模組。麒麟970本身屬於soc概念：將符合需求的功能arm加上自己的ic晶元封裝到一起。其優點在於整合度高、體積小巧，適合移動端裝置。而要設計一顆soc需要相當多的技術配合，例如上游的ip(intellectual property)授權、遵循晶圓製造標準。能從ic一路走到最後的測試階段的soc都是了不起的工程專案。
寒武紀和華為合作的麒麟970具有一定戰略意義：去年(2018)全球手機市場整體下滑，唯獨華為手機出貨量**趨勢(+43.9%)，市場份額達到了世界第三的水平，但此前卻沒有自己的晶元，消耗了大量的ip授權費。與此同時，寒武紀正愁沒機會進入移動端市場，乾柴與烈火的相遇，進一步推動搭載麒麟970的mate10出貨量達到4000萬台，如果保守估計，麒麟970為寒武紀帶來不小於2億美元收入。寒武紀本身是中科院計算所孵化的國家級ai及晶元團隊。在過去3年裡已經進行3輪融資，b輪融資後，估值躍公升到25億美元，在國內ai晶元處於領先地位。
結束：國內ai晶元產業逐漸入軌，越來越多的網際網路系和科研孵化系企業希望加入未來的晶元格局。一片拇指大小的矽晶體，此時彷彿一把通往新世界的入場券，吸引著ic廠商與下游製造商竭力一搏。
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本文標題: 從智慧型手機到無人車 看ai晶元的「小趨勢」
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