大芯片，鉅變！ - asiasworldcity.hk

「香港飛龍」標誌

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公衆號記得加星標??，第一時間看推送不會錯過。在文章開始前，我們首先明確一點。本文所說的大芯片，特指用於HPC和數據中心的芯片。過去大多數時間，這是一箇由英特爾、AMD甚至IBM統治的市場。但近年來，因爲LLM的崛起，英偉達憑藉GPU的領先優勢在這個市場實現了反超。就連多次進軍該市場無果的Arm也趁機找到了切入機會。而在高通昨日宣佈收購SerDes芯片供應商Alphawave以後。大芯片市場格局，一夜鉅變。要瞭解筆者這句話，就要從芯片的關鍵說起。SerDes，很重要關於SerDes是什麼，在過去已經有了很多討論，我們在本文不再贅述。總而言之，作爲通信的一箇重要方式，SerDes在數據中心的地位與日俱增。SerDes的背景是光纖和同軸電纜鏈路上的通信。當然，原因顯而易見——串行發送字節比並行發送字節限制了電纜數量！如果只有一條或幾條電纜，那麼最大化電纜吞吐量至關重要。SerDes的面積和功耗是次要考慮因素。到了20世紀90年代末，SerDes邁進了歷史上的一箇重要時刻。當時，OC-24（2488.32Mbps）已經面世，人們正在規劃速率約爲10Gbps的OC-192。幾年後（21世紀初），通過10Gb/s線路速率實現4的10Gb以太網成爲現實（而XAUI則需要使用4個通道來實現10Gb/s的聚合）。對於SerDes來說，另一項重要的發展也隨之而來——越來越多地用於 PCB 和背板上的芯片間通信，以取代並行鏈路。這一發展將使 SerDes 從重要的長距離通信電路轉變爲關鍵的 SoC 組件。知名分析機構IPnest在2021年的一篇分析文章中說，在2017年，新興數據密集型計算應用（如機器學習和神經網絡）對高速連接需求的急劇上升，增加了對高帶寬連接的日益增長的需求。同時，由於CMOS技術向先進的FinFET發展，模擬混合信號體系結構(從一開始就是SerDes設計的標準)變得極其難以管理，並且對工藝、電壓和溫度變化更加敏感。他們在文章中指出，在現代納米FinFET技術中，考慮到晶體管的微小尺寸，構建晶體管需要堆疊單個電子。因此，建造精確的模擬電路來承受壓力環境的變化是極其困難的。但像7nm這樣的先進技術的優點是，你可以以平方毫米（每平方毫米1億個晶體管的密度）集成數量驚人的晶體管，因此，現在有可能利用數字信號處理（DSP）開發新的基於數字的架構來完成絕大部分的物理層工作。與以前的歷史模擬混合信號方法所使用的不歸零（NRZ或PAM2）相比，基於DSP的體系結構可以使用更高階的脈衝幅度調製（PAM）調製方案。例如PAM 4使信道的數據吞吐量在不增加信道本身的帶寬前提下翻倍。“在FinFET技術中，使用基於DSP的SerDes不僅是構建耐用的接口所必需的，而且也是在56gbps以上將數據速率加倍的唯一方法。”IPnest分析師在同一篇文章中說。大衆普遍認爲，當前的先進技術節點（如7nm及以下）時代，摩爾定律其實不再有效。但芯片集成仍在進行，每平方毫米都會增加更多晶體管。然而，每一箇新節點的每一晶體管成本都在不斷增加。於是，芯片組技術是一項關鍵舉措，它在使用舊的主流節點來服務芯片組的同時，推動主SoC的集成度的提高。這種混合策略降低了直接將服務IP集成到主SoC中所帶來的成本和設計風險。可以明見，高速 SERDES 技術是現代數字通信的基石，能夠跨各種平臺快速傳輸數據。SERDES 的核心是高速傳輸路徑中的一對功能模塊，能夠高效地在串行數據和並行接口之間雙向轉換數據。這項基礎技術支撐着我們日常所依賴的許多數字通信標準，從支撐互聯網的數據中心到滲透我們生活的消費電子產品。IPnest也認爲，一方面，D2D IP收入（2021-2025）會推動SerDes強勁增長，另外，創建異質芯片市場，也擴大高了端SerDes IP的需求。這也正是各大芯片大廠過去幾年高度關注SerDes的原因。芯片巨頭，暗鬥SerDes其實目前活躍在數據中心的每個芯片大廠，都在Serdes有深厚的積累。博通和Marvell這種時常把SerDes掛在嘴邊的巨頭自不必說。英偉達、英特爾、AMD甚至聯發科，都是SerDes市場的高端玩家。此外還有獨立的IP供應商Synopysys、Cadence和剛被高通收購的Alphawave也是這個市場的重要角色。這就是我爲何在文章開頭說大芯片一夜鉅變的原因。因爲在這單交易以後，聖地亞哥巨頭拿到了進入數據中心市場的重要籌碼。作爲一家成立於2017年的新貴，Alphawave在短短几年裏已經躍升全球第四的IP公司，其主要依賴的就是SerDes IP 方面的優勢。數據顯示，在過去七年間，公司的收入實現了從 0 增長至超過 2.7 億美元的突破。在此前於舊金山舉辦的光纖通信會議與展覽會 (OFC) 上，他們還展示了包括 224 Gbps PAM4 SerDes 在內的產品。至於另外幾家芯片巨頭，如上所述，也是這個市場的優秀選手。英偉達方面，作爲人工智能時代最炙手可熱的芯片廠商，除了領先的GPU架構和豐富的CUDA開發生態外，英偉達的Nvlink也是公司不得不提的一箇殺手鐧。作爲一種定製SerDes技術，英偉達第一代NvLink在2014年伴隨P100芯片亮相。據當時的介紹，兩塊GPU之間有4條NVLink，每條鏈路包含8條Lane，每條Lane的速率爲20Gb/s。因此，整個系統的雙向帶寬爲160GB/s，是PCIe3 x16的5倍。在後續的發展中，英偉達迭代其Nvlink到了第五代，並使其領先於大多數競爭對手。這項技術現在也已經演化出NVLink C2C（短距離 200G SerDes）和NVLink5（長距離 200G SerDes）。NVLink C2C（短距離 200G SerDes）。其中，NVLink C2C 類似於 C2M 或 VSR 類型的以太網 SerDes。傳輸距離短、功耗低、芯片面積小。NVLink5 類似於超級 KR 風格的以太網 SerDes。超長傳輸距離、大芯片面積、高功耗。最近，該公司還將NVLink C2C作爲 IP 模塊授權給第三方。這意味着合作伙伴公司可以將此硬件直接添加到其芯片設計中。至於英特爾，早在2013年，他們就展示了最新的 224-Gb/s PAM-4 SerDes ，將高速串行連接提升到一箇水平。這家總部位於加州聖克拉拉的公司表示，224G 收發器配備了模數轉換器 (ADC) 和數模轉換器 (DAC) 基於數字信號處理 (DSP) 的 SerDes 模塊。英特爾指出，除了能夠通過背板和無源電纜實現以太網高速連接外，英特爾的 LR SerDes 還支持極短距離 (VSR) 接口，用於通過單個連接器實現芯片到模塊（銅纜或光纖）的連接，連接距離最遠可達 0.1 米。該 SerDes 還滿足中距離 (MR) 的要求，用於芯片到芯片和中板的連接，連接距離最遠可達 0.25 米。值得一提的是，英特爾曾經收購過一家名爲V Semiconductor Inc，而該公司就是由Alphawave創始人Tony Pialis創立並擔任總裁兼首席執行官。Tony 也於 2012 年至 2017 年期間擔任英特爾公司模擬和混合信號 IP 副總裁。在英特爾任職期間，Tony 及其團隊因成功基於英特爾 22nm 和 14nm 製程技術交付下一代以太網和 PCI-Express SerDes 解決方案而榮獲享有盛譽的英特爾成就獎。而AMD的 Infinity Fabric，乃至未來的 Chiplet（小芯片）互聯，都依賴高性能 SerDes 實現低延遲、高帶寬連接。據瞭解，Infinity 可擴展數據結構 (SDF) 採用兩種不同類型的SerDes鏈路 - Infinity Fabric On-Package ( IFOP ) 和Infinity Fabric InterSocket ( IFIS )。其中Infinity Fabric 封裝內( IFOP ) SerDes 可處理同一封裝內的芯片間通信。AMD 設計了一款相當簡單的定製 SerDes，適用於較短的封裝內走線長度。Infinity Fabric InterSocket ( IFIS ) SerDes 是第二種類型，用於封裝間通信，例如雙向多處理。IFIS 的設計使其能夠與PCIe和SATA等其他協議進行復用。就連聯發科，在去年的OCP全球峯會上，也展示示其經過硅驗證的長距離224G SerDes。這標誌着最高性能ASIC應用在性能、可靠性和效率方面的重大飛躍。224G SerDes擴展了聯發科技的產品組合，其中包括56G和112G ASIC、重定時器和AEC（有源電纜）解決方案。由此可見，對於想在數據中心市場力爭上游的高通，購買屬於自己的SerDes，順理成章。因爲在收購Nuvia補強CPU設計能力之後，連接成爲高通最後的短板。高通在新聞稿中也表示，收購 Alphawave Semi 旨在進一步加速高通進軍數據中心領域的步伐，併爲其提供關鍵資產。高通 Oryon CPU 和 Hexagon NPU 處理器能夠滿足日益增長的高性能、低功耗計算需求，而這種需求正受到 AI 推理的快速增長以及數據中心向定製 CPU 過渡的推動。另外，考慮到Alphawave 不僅僅是一家 IP 公司，它還涉足 chiplet 和定製 ASIC 領域。上週，該公司宣佈成功流片了業界首批基於臺積電 N2 工藝的 UCIe IP 子系統之一。該 chiplet 支持 36G 的 die-to-die 數據速率。這讓高通面向Chiplet未來，走了更多的籌碼。題外話，此前傳出有意搶購Alphawave的Arm，其實也是瞄着同樣的目的而來。在強勢殺回數據中心領域以後，高通未來會在CPU、AI市場、汽車市場大舉進攻，他們也必將成爲這個市場不容忽視的重要玩家。再加上Arm往芯片走的決心愈來愈明顯。對於英偉達、英特爾和AMD這些傳統數據中心芯片巨頭來說，又一箇“野蠻人”將成爲他們最有力的競爭對手。博通、Marvell也被誤傷。在蘋果拋棄、小米自研芯片、華爲捲土重來的多種利空影響下，高通另覓出路無可厚非。但大芯片江湖，留給初創公司的機會，愈來愈少了。*免責聲明：本文由作者原創。文章內容系作者個人觀點，半導體行業觀察轉載僅爲了傳達一種不同的觀點，不代表半導體行業觀察對該觀點贊同或支持，如果有任何異議，歡迎聯繫半導體行業觀察。今天是《半導體行業觀察》爲您分享的第4061期內容，歡迎關注。加星標??第一時間看推送，小號防走丟求推薦

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