拿什么追赶英伟达、AMD？“AI芯片大战”最新进展

人工智能芯片主要分为“训练（Training）”芯片和“推理（Inference）”芯片。从技术架构来看，AI芯片主要分为图形处理器（GPU）、现场可编程门阵列（FPGA）、专用集成电路（ASIC）、中央处理器（CPU）四大类。其中，GPU是较为成熟的通用型人工智能芯片，FPGA和ASIC则是针对人工智能需求特征的半定制和全定制芯片，GPU、FPGA、ASIC作为加速芯片协助CPU进行大规模计算。

三类芯片用于深度学习时各有优缺点：

（1）通用性：GPU>FPGA>ASIC，通用性越低，代表其适合支持的算法类型越少。

（2）性能功耗比：GPU<FPGA<ASIC，性能功耗比越高越好，意味着相同功耗下运算次数越多，训练相同算法所需要的时间越短。

目前AI芯片主要被国际厂商垄断，根据Counterpoint、IDC数据，Intel和AMD共计占2022年全球数据中心CPU市场收入的92.45%，Nvidia占2021年中国加速卡市场份额的80%以上。

在不同的应用场景之下，已经形成了不同的AI芯片竞争格局。

1.云和数据中心AI芯片市场

在云和数据中心AI芯片市场，“训练”和“推理”两个环节都是英伟达GPU一家独大，几乎占据90%以上份额，包括AWS、微软Azure、谷歌云、阿里云、华为云、腾讯云在内的大部分公有云厂商上线的AI加速计算公有云服务绝大部分都是基于英伟达Tesla系列GPU。

（1）云端训练

云端训练用的几乎全部是英伟达GPU，公有云厂商中仅谷歌云一家除了提供以英伟达GPU为主的云计算加速服务之外，还推出了基于自研AI芯片TPU的深度学习训练服务；

（2）云端推理

云端推理目前出现了基于GPU、FPGA、ASIC三种不同芯片云计算服务，但是市场份额仍然以英伟达GPU为主，其中AWS、阿里云、腾讯云、华为云等公有云厂商均推出了FPGA加速计算云服务，另外AWS推出了基于自研AI芯片Inferentia的ASIC加速计算服务，华为云推出了基于自研AI芯片昇腾310的ASIC加速计算服务。

2.设备端和边缘计算“推理”市场

在设备端和边缘计算“推理”市场，各类型芯片各自为阵，尚无绝对优势地位的芯片厂商出现——手机市场以高通、华为、苹果原主控芯片厂商为主，自动驾驶、安防IPC领域英伟达暂时领先。

（1）国产CPU加速追赶

全球服务器CPU市场目前被Intel和AMD所垄断，国产CPU在性能方面与国际领先水平仍有差距。根据Counterpoint数据，在2022年全球数据中心CPU市场中，Intel以70.77%的市场份额排名第一，AMD以19.84%的份额紧随其后，剩余厂商仅占据9.39%的市场份额，整体上处于垄断局面；目前国内CPU厂商主有海光信息、海思、飞腾、龙芯中科、申威等。通过产品对比发现，目前国产服务器CPU性能已接近Intel中端产品水平。

值得一提的是，龙芯CPU从指令集、IP核、芯片模块等完全自主设计，目前基于LoongArch(龙架构)的第四范式Sage AIOS平台已完成与龙芯3C5000系列芯片的深度适配。通过软硬件协同调优，逻辑回归、决策树模型、深度稀疏神经网络等机器学习算法在龙芯3C5000系列上的性能，接近某国外主流CPU的水平。

龙芯中科CPU方案推荐

轨道交通/地铁站级系统设备解决方案

龙芯中科设计推出轨道交通专用无风扇ECU，整机采用龙芯3号CPU，板贴4G DDR4内存颗粒，最大支持8G。支持3*VGA+1*LVDS显示接口，最大支持4路独立显示。支持14个COM，6个USB，2个RJ45千兆网口，24路DIO。支持DC 9-36V宽压输入。该设备可广泛应用于轨道交通、轻轨和高铁行业各种自助售检票系统、屏蔽门等场景。

龙芯3号工控机

▋产品特点

1. 采用龙芯3号低功耗版；

2. 采用全铝型材无风扇机箱设计；

3. 板贴4G DDR4内存颗粒，最大可支持8G；

4. MiniITX 板型设计；

5. 独立双显/独立四显可选，最大支持4路独立显示：1*LVDS+3*VGA；

6. 支持4*USB2.0/2*USB3.0/14*COM/2*LAN/2*SATA/1*MSATA/12*DI/12*DO；

7. 支持DC 9-36V宽压输入；

8. 支持专用设备版/Loongnix/UOS/麒麟等操作系统；

9. 支持上电启动/网络唤醒/定时开机；

▋方案应用

自动/半自动售票机框图

智慧高速ETC收费系统解决方案

龙芯中科推出交通行业专用边缘计算设备，基于龙芯3A5000 CPU，采用无风扇被动散热设计，板载多路USB, COM, DIO 等接口，支持WIFI，可适应多种应用场景。其中12路3模式可选换串口RS232/422/485，现场适用性更广；每个串口和每种模式均采用2.5KV光电隔离保护，提高串口应用可靠性；24路2.5KV光隔离DIO，提高开关控制的可靠性。软件方面完美支持K8S, .Net6.0, Java8/11/17等常用基础组件，大大提升系统构建的灵活性和兼容性。

龙芯3A5000

▋产品特点

1. 龙芯3A5000 CPU, 主频2.3-2.5GHz，四核；

2. 2*DDR4 3200MHz UDIMM内存，最大64GB；

3. 1*VGA 和1*HDMI 独立双显示；

4. 2*SATA，1*M.2 2280 NVMe存储；

5. 4*USB3.0/2*USB2.0/2*LAN,/1*M.2 2230 E-Key支持WiFi&BT模块/Audio out和Mic；

6. 12*DI/12*DO/12*COM；

7. DC 9-36V宽压供电，带反接、过流、过压保护；

8. 无风扇被动散热设计，采用超大铝挤型材+双铜管导热+高导热率硅脂散热设计方案；

9. 工作温度：-20~60℃，IP51防护等级；

10. 适配Loongnix、统信、麒麟、OpenEuler系统；

▋方案应用

ETC车道收费系统框图

ETC门架收费系统框图

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全球GPU芯片市场主要由海外厂商占据垄断地位，国产厂商加速布局。全球GPU市场被英伟达、英特尔和AMD三强垄断，英伟达凭借其自身CUDA生态在AI及高性能计算占据绝对主导地位；国内市场中，景嘉微在图形渲染GPU领域持续深耕，另外天数智芯、壁仞科技、登临科技等一批主打AI及高性能计算的GPGPU初创企业正加速涌入。

（3）FPGA/ASIC国产替代正当时

FPGA全球市场呈现“两大两小”格局，Altera与Xilinx市占率共计超80%，Lattice和Microsemi市占率共计超10%；整体来看，安路科技、紫光同创等厂商处于国际中端水平，仍需进一步突破。工艺制程方面，当前国产厂商先进制程集中在28nm，落后于国际16nm水平；在等效LUT数量上，国产厂商旗舰产品处于200K水平，仅为XILINX高端产品的25%左右。

ASIC不同于CPU、GPU、FPGA，目前全球ASIC市场并未形成明显的头部厂商，国产厂商快速发展；通过产品对比发现，目前国产厂商集中采用7nm工艺制程，与国外ASIC厂商相同；算力方面，海思的昇腾910在BF16浮点算力和INT8定点算力方面超越Googel最新一代产品TPUv4，遂原科技和寒武纪的产品在整体性能上也与Googel比肩。未来国产厂商有望在ASIC领域继续保持技术优势，突破国外厂商在AI芯片的垄断格局。