處理器市場:CPU、GPU、APU三強鼎立

作者 : Yole Développement

CPU、GPU和APU不斷擴展新應用,另一方面維持既有市場,掌握全球處理器市場在未來十年的關鍵發展。

中央處理單元(CPU)、繪圖處理單元(GPU)和加速處理單元(APU)這三大處理器技術正不斷地擴展新應用,同時維持其既有的市場,穩定掌握全球處理器市場在未來十年的關鍵發展。

根據市場研究公司Yole Développement (Yole)估計,2021年APU市場營收可望達到440億美元,CPU市場營收預計將成長至700億美元;而隨著GPU持續成長,到2025年可望達到超過250億美元的市場營收。貿易戰、設計創新重塑處理器版圖

近來發生在處理器產業的幾起事件,開啟了重塑整個處理器市場格局的潛力。其中包括:蘋果(Apple)決定改用自行打造的Mac處理器設計、GPU加速資料中心協同處理的迅速發展,以及圍繞中美貿易緊張局勢重組APU供應鏈的過程。

Yole運算與軟體技術與市場分析師John Lorenz表示:「APU是用於為現代『智慧』裝置內建功能進行管理和執行的核心晶片。事實上,隨著越來越多的消費裝置始終處於開機以及保持連線狀態,APU成為可用於取代傳統上更耗電的x86同類產品之理想替代方案。」在連網的消費裝置領域,僅在2020年,APU的營收就達到了370億美元。再加上用於PC和伺服器的CPU (610億美元),以及用於PC和伺服器的離散GPU (170億美元),全球處理器市場預計將為其設計業者創造1,150億美元的營收。

最近的發展更讓這些市場之間的界限開始變得模糊,例如,Apple在其PC中轉向了APU解決方案。如果M1取得足夠的成功,那麼在這個市場還可能看到更多基於x86的份額轉向APU。

處理器市場:2021年前景樂觀

Yole在其2021年第一季處理器季度監測(Processor Quarterly Monitor, Q1 2021)報告中指出,即使撇開COVID-19的急劇變化不談,2020年已經讓整個傳統的處理器市場格局開始動盪。

Apple在其新型MacBook和Mac Mini電腦中成功採用了內部自研的處理器設計,可望為更多ARM-based的PC敞開大門。英特爾(Intel)確認正外包某些產品,顯示IDM商業模式可能存在某些漏洞。而AI訓練和推論的成長正從資料中心延伸至邊緣,也暗示著半導體市場巨大成長的下一個領域。

Apple在業界廣泛關注和猜測中推出M1處理器,震撼處理器業界。針對ARM-based的新型SoC,大多數評論均看好這項重大成就,因而也使得人們對高階筆記型PC甚至主流桌上型PC採用x86 CPU的觀念開始動搖。儘管Apple公開宣稱這項決定在於增強M1的性能,但Yole認為,此舉也將為Apple節省大量成本,因為英特爾的CPU利潤不再來自新款MacBook/Mac Mini材料的一部份。

在接下來的18個月,Apple暗示其計劃將其整個PC系列轉移到採用內部自研的處理器,終止自2006年起使用Intel CPU的產品線。Yole估計,Apple新的處理器決定將使ARM-based筆記型電腦數量從2019年的1,000萬台迅速增加,預計到2022年約可達到3,000萬台以上。

ARM-based替代方案逐步侵蝕傳統的CPU地盤

接下來的問題將是其他筆記型電腦OEM廠商是否跟著採取類似的行動。為此,其他OEM將會面臨的第一個障礙是軟體。Apple可以透過軟體和硬體的整合來做更多事情,主要是因為得以完全控制包括MacOS作業系統(OS)在內的整個Mac生態系統。同樣地,相較於同級的高階Android手機,iPhone往往需要較少的行動DRAM。

而針對Windows-based的筆記型電腦,硬體/軟體的整合需要個別的幾家公司之間展開大量的協調。即使是微軟(Microsoft)筆記型電腦,軟體決策由公司內部制定,任何軟體更改都必須能適應整個Windows生態系統。

其次,Apple M1成功模式難以複製的第二個障礙是,Apple十年來一直在設計自家SoC。儘管核心IP一直是ARM-based,但這些核心都是由Apple客製的,這並不是其他筆記型電腦OEM能夠做到的。但是,筆記型電腦OEM可以尋求高通(Qualcomm)為其提供比Snapdragon 8cx更強大的功能,據傳Snapdragon 8cx正在開發中。

英特爾CPU釋單台積電?

今年1月,英特爾表示有意將一些CPU生產轉移到晶圓代工廠,以因應客戶的強勁需求,關於台積電(TSMC)將自2021年稍晚開始接單的猜測不脛而走。英特爾此舉可能有幾種意義,而業界如何看待這家CPU巨擘的作法也各不相同。如果將英特爾視為Logic領域的中心,正朝著實現100B美元年營收(2020年為779億美元)的目標前進,那麼利用某些較低階CPU的代工廠產能,則算是最佳化內部製造同時履行客戶承諾的方式。

如果有人懷疑英特爾的製造能力,特別是其於10nm (最近是7nm)的推遲,那麼其轉向外包之舉就進一步證明,代工廠與無晶圓廠半導體公司之間的風險分擔可能成為未來的發展模式。

事實上,現在就否定英特爾的製程技術實力還為時過早,任何近期外包舉措都只是權宜之計,不但可以讓客戶滿意,又能使公司專注於內部生產高利潤的產品。然而,這仍是一個必須密切注意之處,因為它會讓英特爾設計的產品以及英特爾設計且製造的產品之間更容易形成對比。處理器的巨大成長來自哪裡?

這部份必須要從GPU來看——GPU不再僅用於PC遊戲和加密貨幣挖礦。最近的趨勢越來越多著重於將GPU納入伺服器中。儘管伺服器所使用的GPU和遊戲PC中的GPU並不完全相同,但所涉及的供應商和基礎架構在本質上是相同的。

過去十年來,輝達(Nvidia)已經證明,針對向量操作最佳化的通用GPU (GPGPU)能顯著提升獨立CPU的AI訓練和推論,GPU供應商挾著不斷進展的AI加速器加入這一競局,以證明這是AI模型訓練和推論的最佳協同處理器。

為了在此不斷發展的領域中競爭,最近一代GPGPU針對張量核心和其他加速邏輯的AI進行最佳化,並從向量演變為矩陣加速。客戶端和伺服器市場之間的差異是顯而易見的:伺服器GPU正乘著AI加速浪潮,承擔了協同處理器的大部份工作負載,但是隨著AI的興起,其他協同處理器設計者正在尋找自己的定位。選擇Nvidia GPGPU作為伺服器加速器協同處理器的價值主張中,至少有一部份是Nvidia在開發解決機器學習(ML)問題的解決方案方面所累積的經驗,以及與之配套的大量軟體整合。

或許使用某些加速器協同處理器的伺服器市佔率永遠達不到50%以上(至今還不到10%),但隨著更多的資料中心用例體認到部署機器學習的好處,Yole預期這部份市場將會快速增加,預期到2026年將達到所有伺服器市場的14%,其中GPGPU解決方案可以滿足80%的伺服器需求。

儘管特定的AI加速器可能實現最大的成長,但相較之下,它們的市場仍然很小,還需要一段時間才能與更具有競爭力、成熟且價格昂貴的GPGPU生態系統競爭。這就是為什麼分析師將伺服器GPGPU視為協同處理器細分市場的主流之故。到2025年,其營收將增加三倍,達到近180億美元。

處理器市場的下一步?

有趣的是,這些晶片將如何在既有的GPU業者之間落地,憑藉其長期的軟體和客戶關係記錄,以補充其硬體解決方案,以及數百家新貴公司希望在快速發展的AI生態系統中找到一席之地。AI不僅將成為雲端生態系統中的重要驅動力,而且還有望將處理器設計的重大演進推向邊緣,包括整合了AI加速架構的許多APU和MCU。

應用處理器產業的長期趨勢是OEM尋求差異化,並要求增加終端產品的處理能力,同時還要符合高行動性的功耗和BOM限制要求。同樣地,在微處理器領域,系統設計人員尋求以不斷提高的效率來部署持續成長的運算功能。在某些情況下,這就像AI訓練和推論一樣需要新的硬體和軟體。為了滿足這些需求,設計業者、IP授權商和製造商合作,為傳統的運算和繪圖領域中增加功能,以及越來越專注於神經網路處理、深度學習和AI領域的創新。

Yole運算與軟體首席分析師Tom Hackenberg說:「實際上,支援AI功能(透過獨立或嵌入式AI加速器)是處理器設計業者和OEM的最新差異化功能。長期以來,將不斷提高的運算功能整合到半導體元件中,一直是整個運算產業發展史的趨勢。未來十年的處理器領域也將會是如此。然而,我們正目睹單位運算能力的成本下降速度正在放緩,因此處理器設計者將可以做出選擇:繼續推進運算進展並接受不斷增加的成本,或者調整其創新以因應成本下降速度,並維持在歴來的BOM和利潤範圍之內。」

加入LINE@,最新消息一手掌握!

發表評論