英偉達(dá)為什么要下場定制ASIC芯片？英偉達(dá)能稱霸嗎？

最近，有消息傳出英偉達(dá)正在建立一個新的業(yè)務(wù)部門，這個部門專注為云計算公司和其他公司設(shè)計定制芯片（ASIC）。

這個新的部門將由半導(dǎo)體資深人士Dina McKinney領(lǐng)導(dǎo)。McKinney曾擔(dān)任負(fù)責(zé) AMD CPU 設(shè)計和Marvell基礎(chǔ)設(shè)施處理器的副總裁，他將負(fù)責(zé)監(jiān)督為云計算、5G 電信、游戲、汽車等領(lǐng)域構(gòu)建定制芯片的團(tuán)隊。

那么，英偉達(dá)為什么要下場定制芯片（ASIC芯片），英偉達(dá)下場后能夠在ASIC市場中稱王稱霸嗎？

01 為什么英偉達(dá)選擇ASIC？

英偉達(dá)選擇ASIC的原因，其實從其新部門面向客戶中可以窺見一二。新部門面向的主要是云計算公司，這和英偉達(dá)目前在主要的北美CSP（云計算供應(yīng)商）企業(yè)重疊，包括Google Cloud、AWS、Microsoft Azure和Meta等企業(yè)。

這些企業(yè)都已經(jīng)開始進(jìn)行自家芯片的開發(fā)，例如Google的TPU和微軟的AI加速器Maia及專為Azure設(shè)計的CPU “Cobalt”。

因此英偉達(dá)進(jìn)軍ASIC的原因有二：第一，占領(lǐng)新的市場。第二，保護(hù)自己免受替代。

先來看占領(lǐng)新的市場。數(shù)據(jù)中心定制芯片的蛋糕并不小，據(jù)研究公司650 Group估計，數(shù)據(jù)中心定制芯片市場今年將增長至100億美元，到2025年將翻一番。

Needham分析師Charles Shi表示，2023年更廣泛的定制芯片市場價值約為300億美元，約占全球芯片年銷售額的5%。

數(shù)據(jù)中心的定制芯片的市場中有兩大巨頭：博通和Marvell。在高端ASIC市場，博通以35％的市占率，穩(wěn)坐龍頭寶座，Marvel以12％的市占率居次。博通和Marvell其實都認(rèn)為隨著數(shù)據(jù)中心處理器變的多樣，會讓定制芯片的模式重新煥發(fā)生機(jī)。

原因在于，AI時代中，ASIC芯片也能撐起一片天。

這就談回了一個老問題：ASIC、GPU，誰是最合適的AI芯片？其實這兩類芯片有各自的特點(diǎn)，但在滿足算力需求上是相互競爭的。簡單來說，GPU有先發(fā)優(yōu)勢，技術(shù)發(fā)展時間長，使用成本較低，但是功耗高。ASIC面向特定用戶需求設(shè)計的定制芯片，在吞吐量、功耗、算力水平等方面都有優(yōu)勢。

在20世紀(jì)90年代時，很多大型企業(yè)都渴望設(shè)計和提供針對特定應(yīng)用的定制ASIC設(shè)備，同時提供更好的性能。Sony、Toshiba和IBM最初設(shè)計的用于Sony Playstation 3的Cell Processor就是一個例子。不過，由于ASIC的成本高，隨著為特定產(chǎn)品設(shè)計ASIC變得越來越難以合理規(guī)模，ASIC的歲月似乎過去。

ASIC和GPU的分歧就在這：成本。

因為從性能來看，針對特定場景或應(yīng)用所設(shè)計的ASIC芯片，會比英偉達(dá)所賣的通用GPU更有優(yōu)勢。以前一直使用GPU，也帶火了英偉達(dá)等廠商的業(yè)績和股價，但后來大家發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣計算發(fā)展，算法更加成熟和穩(wěn)定，自己完全有足夠的計算需求去分?jǐn)侫SIC的成本。

尤其ChatGPT爆火以后，英偉達(dá)GPU產(chǎn)品掉隊，很多企業(yè)都是靠著服務(wù)器CPU+ASIC的形式，來滿足用戶對于AI訓(xùn)練和推理的算力需求。

這就展示出ASIC在AI時代的作用。Marvell的計算與定制集團(tuán)技術(shù)副總裁Mark Kuemerle觀察到：“關(guān)于這些數(shù)據(jù)中心客戶的有趣事實是，如果他們的系統(tǒng)中出現(xiàn)輕微的瓶頸點(diǎn)，問題會被放大1000倍甚至更多（因為它們部署在超大規(guī)模中）?！边@樣的瓶頸點(diǎn)可能導(dǎo)致NIC卡住?，F(xiàn)成的機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)備可能無法匹配工作負(fù)載或滿足靈活性或可編程性的需求。

Kuemerle說：“這些超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心真的必須將一切精確調(diào)整到他們的工作負(fù)載。那么，他們投資建設(shè)定制芯片絕對是值得的?！?/p>

ASIC早已成為GPU面臨的強(qiáng)大競爭者。

雖說各大廠商購買英偉達(dá)GPU，花錢如流水，既然都是流水，為什么不定制更適合自家應(yīng)用場景的芯片呢？要定制就要花錢，英偉達(dá)同樣想把大廠定制芯片的錢，納入自己的錢包。

再來看“免受替代”是怎么回事。目前，谷歌、亞馬遜、特斯拉和Meta都推出了ASIC芯片。

谷歌2015年發(fā)布首款A(yù)SIC芯片TPU v1，去年已經(jīng)迭代到了v5。根據(jù)官方提供的數(shù)據(jù)，每個 TPU v5p pod 在三維環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，通過最高帶寬的芯片間互聯(lián)（ICI），以 4,800 Gbps/chip 的速度將 8,960 個芯片組合在一起，與 TPU v4 相比，TPU v5p 的 FLOPS 和高帶寬內(nèi)存（HBM）分別提高了 2 倍和 3 倍。

谷歌使用TPU v5p壘起一道抵御英偉達(dá)GPU的高墻。

對于谷歌來說，要錢有錢，要技術(shù)有技術(shù)，要應(yīng)用場景有應(yīng)用場景，可以說是各大科技巨頭中在自研AI芯片這條路上走得最遠(yuǎn)的，其他廠商目前還在源源不斷地給英偉達(dá)賬戶打錢，但谷歌卻早已做好了兩手準(zhǔn)備。

微軟則也是打響了“逃離英偉達(dá)”的信號槍。最新的消息，微軟正在開發(fā)一款新的網(wǎng)卡，可以提高其Maia AI 服務(wù)器芯片的性能，并有可能減少該公司對芯片設(shè)計商N(yùn)vidia的依賴。

有知情人士表示，微軟首席執(zhí)行官薩蒂亞·納德拉(Satya Nadella ) 已任命網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)商瞻博網(wǎng)絡(luò) (Juniper Networks) 聯(lián)合創(chuàng)始人普拉迪普·辛杜 (Pradeep Sindhu) 來領(lǐng)導(dǎo)網(wǎng)卡工作。

看來出于成本和自主率考慮，大廠還是更愿意使用自家的ASIC。買英偉達(dá)的GPU不但價格高昂，并且受制于人。不過，使用自家芯片多一些，那就用英偉達(dá)GPU少一些。

02 英偉達(dá)能稱霸嗎？

谷歌推出自家ASIC的背后，與博通有很大關(guān)系。去年說到最紅火的企業(yè)是英偉達(dá)，而背后還有一個賣鏟人也在悶聲發(fā)財——博通。目前博通的市值已經(jīng)達(dá)到了5741.98億美元，已經(jīng)超過了臺積電的市值。

其實從收入來看，博通是全球第二大人工智能芯片公司，僅次于英偉達(dá)。博通加速器的銷售額往往高達(dá)數(shù)十億美元。

谷歌與博通合作，負(fù)責(zé)谷歌TPU的物理設(shè)計，本質(zhì)上是基于谷歌的設(shè)計圖紙開發(fā)芯片。此外，博通還負(fù)責(zé)監(jiān)督臺積電的芯片代工業(yè)務(wù)。自谷歌和博通開始合作以來，谷歌每兩年左右發(fā)布新一代TPU。知情人士稱，谷歌和博通把每一代TPU的性價比提高了至少50%。

博通與各大巨頭公司合作定制芯片。不但參與了谷歌每一代TPU處理器的設(shè)計，還與Meta、蘋果等公司達(dá)成合作，共同設(shè)計生產(chǎn)芯片。

研究機(jī)構(gòu)SemiAnalysis創(chuàng)始人表示，博通定制芯片業(yè)務(wù)規(guī)模達(dá)100億美元，美滿電子規(guī)模達(dá)20億美元，英偉達(dá)的參與確實是一個威脅。

英偉達(dá)能否稱霸ASIC市場關(guān)鍵也是看兩點(diǎn)能力：設(shè)計和議價能力。

先來看設(shè)計能力。作為定制芯片，芯片設(shè)計的好壞肯定直接會影響到CSP大廠數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行能力，以及成本高低。對于大廠來說，只要能夠提供強(qiáng)大的性能，即使芯片的價格偏高，也會愿意買單。

我們先來看看一臺AI服務(wù)器究竟需要哪些芯片？如果拆開一臺AI服務(wù)器內(nèi)部，以HGX H100 8-GPU為例，8 塊 H100 GPU在全新的 FP8 精度下 AI 性能比上一代高 6 倍，可提供 900GB/s 的帶寬，該服務(wù)器內(nèi)部包含NVLink、PCIe和QPI等主板總線。GPU之間的互聯(lián)通過NVSwitch 芯片來實現(xiàn)，CPU與GPU之間的互聯(lián)則通過PCIe 5.0總線實現(xiàn)。

英偉達(dá)自家的高速傳輸NV Link、開發(fā)者軟件CUDA和Omniverse等軟件套件，這些帶了極大優(yōu)勢。

但是PCle Switch也很重要，而這個領(lǐng)域是博通的天下。全球PCle Switch三大供應(yīng)商，博通、微芯、祥碩科技三家，共占有全球約58%的份額。博通作為PCI Express交換領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，出貨量超過10 億個。

前文我們提到博通參與了很多公司的定制芯片，為什么各大公司都看中博通呢？不僅僅是芯片設(shè)計的能力，博通有自己的“護(hù)城河”芯片間的通信。

博通是SerDes（串行器/解串器）的通信技術(shù)無可爭議的壟斷巨頭。SerDes接口通過在傳輸之前將低速并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高速串行數(shù)據(jù)，然后在接收端轉(zhuǎn)換回并行數(shù)據(jù)，目的在于允許數(shù)據(jù)從一個TPU高速移動到另一個TPU，提升信號傳輸效率。在全球50GB/S的SerDes市場中，博通占據(jù)了76%的市場份額。

這么來看，英偉達(dá)、博通在芯片設(shè)計方面，都有自己的“護(hù)城河”。

從芯片議價能力來說，英偉達(dá)在晶圓的采購量上要比博通、邁威爾大得多。在這樣的狀況下，議價能力也相對較高。沿用此邏輯來看，即使CSP廠擁有強(qiáng)大的IC設(shè)計團(tuán)隊，也不見得可取得最佳價格。

如果CSP能與臺積電簽訂具價格競爭力的長約，有機(jī)會在價格上獲得優(yōu)勢，打破英偉達(dá)的壟斷局面。

03 結(jié)語

總的來說，由于仍有許多存在于云端大廠外的語言模型，因此通用型GPU仍有生存空間。

目前英偉達(dá)是否會成立ASIC部門還未確認(rèn)。一名IC設(shè)計代工管理層透露，英偉達(dá)一直都有在看ASIC市場，曾經(jīng)找上門希望能外包部分ASIC方案。換句話說，當(dāng)時的英偉達(dá)即使正生產(chǎn)通用型芯片，仍一面通過外包的方式，吃下ASIC市場。

如今，ASIC的市場需求日益壯大，作為AI霸主英偉達(dá)自然不會視而不見，加上還擁有如高速傳輸NV Link、開發(fā)者軟件CUDA等技術(shù)優(yōu)勢。目前ASIC競爭對手如博通（Broadcom）、Marvell亦多有布局，博通執(zhí)行長更在傳出加入Meta董事會，英偉達(dá)的新策略是否沖擊市場，值得持續(xù)關(guān)注。

審核編輯：劉清