自2020年起,美国开始对AI、芯片等最尖端技术进行对华出口管制,且逐年提高管制力度。万般皆苦,唯有自渡。中国自然是加大研发,但远水解不了近渴,为了解决这个问题,中国企业来了一招瞒天过海。
西方媒体说我们利用空壳公司向台积电下单,绕过制裁,获得了超过200万颗的AI芯片,并且利用同样的方法从韩国三星购得大量的高带宽内存(HBM)。
这些报道的言下之意,说得好像中国什么都没有一样,全是舶来品一样。
实际上中国在遭受美国打压的这几年,实力不详,遇强则强,芯片产业上经过多年布局和厚积薄发,早已有了一战之力。
在芯片制造技术上,英伟达NVIDIA的AI芯片H100采用的是台积电最新的4纳米工艺制造,这是当前最先进的半导体制造工艺之一,但早在2020年梁孟松就曾公开表态,中芯国际利用多重曝光技术已经完成7纳米技术的开发,而且利用晶体堆叠技术在7纳米规格上实现了5纳米的性能。
事实上,目前中芯国际通过使用基于14纳米工艺的N+2工艺为华为制造AI芯片,光刻机这一关已经突破了瓶颈。
存储芯片上,只要是AI芯片就离不开高带宽内存HBM,目前这个行业由巨头美光、三星和SK海力士三足鼎立,垄断了高端的HBM3,但中国的长鑫存储与封测大厂通富微电已合作开发出了HBM2,实现了80%的良品率的量产。受限于光刻机禁运,长鑫存储虽然没法生产HBM3,但我们已做到高端没有,中端管够。
实际上华为在AI芯片的制造上已经取得了里程碑式的进步。一年前,为华为AI芯片代工的中芯国际曾长期陷入良率低(约20%),每月仅能产出2万片,制造得越多亏得越多的困境。这种情况下华为是咬着牙下单,砸钱砸人,如今良品率从20%提升到40%,标志着华为AI芯片超过了盈亏平衡点,开始盈利了。
AI芯片良品率40%是一个什么标准,与手机CPU芯片到底有什么差异,为何良品率做不到手机CPU芯片的95%以上?因为AI芯片太难做了,几乎没有之一,即便是台积电给英伟达NVIDIA代工生产的AI芯片良品率也不曾达到60%。
CPU芯片相对简单,只包括三个部分:基板、核心、针脚。基板将核心和针脚连成一个整体,其核心由控制单元、逻辑运算单元、存储单元(包括内部总线和缓冲器)组成,其电路由众多的晶体管构成。
而AI芯片以NVIDIA H100为例,它由多个 GPU 处理集群(GPC)、纹理处理集群(TPC)、流式多处理器(SMS)、L2高速缓存和HBM3存储器控制器组成,具体包含的装置如下:
- 8个GPC,72个TPC(9个TPC/GPC),2个SMs/TPC,每个完整GPU144条SMs
- 每个SM有128个FP32 CUDA内核
- 每个SM有4个第四代张量核
- 6个HBM3或HBM2e堆栈,12个512位内存控制器
- 60MB二级缓存
- 第四代NVLink和PCIe第5代
看不懂不要紧,你只需要记住,硬件上一个AI芯片相当于多个 CPU和HBM组合在一起。性能上最直观的比较是在自动驾驶上,最初有人用CPU来识别道路状况,结果车翻到河里了还没发现前方是河,速度太慢了,唯有用GPU才能实现智能驾驶、人脸识别、语音识别等。
NVIDIA H100的制造和封装相当于把8个GPC、6个HBM3等封装在一起,换句话说制造一个AI芯片相当于封装至少14个CPU。
首先是搭接,用硅质桥接的中介层连接芯粒将核心逻辑芯片与HBM存储芯片相连,要求数据交换达到10TB/s左右,这对桥接的放置位置精度要求非常高。
接着是封装,这个过程中每一个部分都可能因为芯粒、桥接、中介层和主板基板之间的热膨胀系数不同,产生变形导致芯片翘曲或故障,而其中的任何一个缺陷都可能导致整块AI芯片的报废。
最难的是整个过程必须是14个一次性合格,其中任意一个出现问题,整个AI芯片也全部报废,没有返工的可能。
这里介绍一个制造业的专业术语——合格率或叫一次过关率。如果每个CPU的合格率是95%,那么14个CPU的合格率是把每一个的合格率相乘,即95%的14次方,大约为42%。可见AI芯片的制造过程是失之毫厘,谬以千里,不确定性太多,所以AI芯片是目前所有芯片制造中难度相对比较难的一种。
据说目前中芯国际为华为制造的AI芯片昇腾910C的良品率已经达到40%,这让英伟达和台积电都感到吃惊,他们没想到华为以一己之力,居然能做到多头并进,各种芯片层出不穷,而且都还很能打,最要命的是追赶速度太快了。
2018年华为才推出中国第一款AI芯片昇腾310,这款芯片意义重于性能,并未引起美国公司的太多重视,但时至今日,华为已经是AI芯片的重要玩家,那块昇腾310芯片已被国家博物馆收藏。
英伟达更是在五个产品类别的四个类别中,将华为列为竞争对手之一,这四个产品类别分别是芯片、云服务、计算处理和网络产品。要知道两年前他们还感觉高枕无忧,现在包括台积电也感到压力了。
想当年美国一剑封喉,制裁华为的芯片制造端,这让只设计不生产的华为一下子陷入困顿,海思芯片成了纸上谈兵。
一片哀鸿中,华为决定转型向三星学习,把芯片的设计到生产端全部打通,为此在东莞松山湖开始了第二个松山湖计划,组建自己的芯片生产基地。
这谈何容易,芯片的制造太难了,需要用到几十上百种设备,几百道工序,几十种特殊材料和生产耗材。何况这些还被美国全方位封堵和禁运,而彼时国内的自给率几乎为零,还有一点是必须绕过对手的专利,不能复制,所以台积电创始人张忠谋那时叫嚣:“钱不是万能的!中国大陆永远不可能造出高端芯片”,荷兰光刻机巨头ASML听闻中国研发光刻机,放出狠话:“就算把图纸给你们,中国人也造不出光刻机!”
三军可夺帅,匹夫不可夺志。当时比亚迪的总裁王传福很不服气,回应了这样一句话:“芯片是人造的,不是神造的”。华为拍案而起:“我们将不惜打出自己的最后一发子弹,也要建立起这个产业链……相信将来,我们不仅能设计得出,能造得出,还能够持续领先。”
如今随着中国在芯片产业持续的快速突破,相关巨头已经沉默,国外媒体纷纷开始预测中国几年内能突破光刻机的技术桎梏。
据说目前华为正在松山湖基地调试国产光刻机,这在业内已经是犹抱琵琶半遮面的消息。还有消息称今年年中,华为将推出性能超越H100的昇腾920,且把生产良品率进一步提高至60%。
可以肯定一点,技术基因铭刻到骨子里的华为,一旦突破,从来不是复制,只会是超越。全球芯片产业的发展浪潮中,中国未掉队,我们必须感谢华为。
中华有为!
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