China Semiconductor Industry Association: Der Gesamtumsatz der chinesischen integrierten Schaltkreisindustrie erreichte im Jahr 2021 1.045,83 Milliarden Yuan, ein Anstieg von 18,2 % gegenüber dem Vorjahr

Seit der Veröffentlichung des Integrated Circuit Development Outline im Jahr 2014 hat sich die heimische Chipindustrie rasant entwickelt. Laut Statistiken der China Semiconductor Industry Association setzte die chinesische Industrie für integrierte Schaltkreise ihren rasanten und stetigen Wachstumstrend der letzten Jahre fort. Der Gesamtumsatz der Branche überschritt im Jahr 2021 erstmals die Billion Yuan-Marke und erreichte 1.045,83 Milliarden Yuan, was einem Anstieg von 18,2 % gegenüber dem Vorjahr entspricht.

Darunter belief sich der Umsatz der Designbranche auf 451,9 Milliarden Yuan, was einer Steigerung von 19,6 % gegenüber dem Vorjahr entspricht; Der Umsatz der Fertigungsindustrie belief sich auf 317,63 Milliarden Yuan, ein Anstieg von 24,1 % gegenüber dem Vorjahr. und der Umsatz der Verpackungs- und Testindustrie betrug 276,3 Milliarden Yuan, was einer Steigerung von 10,1 % gegenüber dem Vorjahr entspricht.

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, ist die Wachstumsrate inländischer integrierter Schaltkreise zwar leicht zurückgegangen, weist aber im Vergleich zum Vorjahr einen Zuwachs von über 15 % auf, und der Gesamtmarkt wächst stetig. Für die heimische Chipindustrie ist es jedoch noch lange kein Grund zum Feiern.

Wie viele Experten anmerken, konzentrierte sich die Entwicklung von Chips für den Hausgebrauch in den letzten Jahrzehnten hauptsächlich auf einfache Chips und direkte „Me-too“-Ersatzchips für den Hausgebrauch. Angesichts der Veränderungen der weltweiten Nachfrage, der Aktualisierung der Upstream-Technologie und der veränderten internationalen Lage kann unsere enorme Inlandsnachfrage damit jedoch nicht mehr gedeckt werden, was die heimische Chipindustrie in Bedrängnis gebracht hat. „Big Chip“ ist eine der wichtigen Richtungen.

Doch anders als bei der beschwerlichen Reise zu Beginn dieses Jahrhunderts stehen die im Inland produzierten großen Chips jetzt an einer neuen Startlinie.

Zwanzig Jahre harte Arbeit: Vom Mobiltelefon zum Rechenzentrum

Eigentlich gibt es in der Branche keine feste Definition, was ein „großer Chip“ ist, aber es ist allgemein anerkannt, dass Chips wie CPU, GPU, DSP in Mobiltelefonen und Geräten sowie DPU- und KI-Chips, die in den letzten Jahren populär geworden sind, allesamt als große Chips bezeichnet werden. Die weltweit führenden Chiphersteller, die jeder kennt, wie etwa Intel, Nvidia, AMD, Qualcomm, MediaTek und Marvell, sind allesamt typische große Chiphersteller.

Die 10 weltweit führenden Chipdesign-Unternehmen im ersten Quartal 2021

(Quelle: TrendForce)

In den vergangenen Jahrzehnten der Entwicklung der Chipindustrie haben diese führenden Chiphersteller in unterschiedlichen Bereichen mehrere Wettbewerbsrunden überstanden. Insbesondere nachdem TSMC 1987 gegründet wurde und den Wohlstand der Fabless-Industrie förderte, war der Wettbewerb unter den Chipdesignunternehmen (einschließlich großer Chips) besonders hart.

Nehmen wir als Beispiel die Zeit des Internetbooms um das Jahr 2000. Damals lockte die boomende Internetblase amerikanische Risikokapital- und Hightech-Unternehmen an, die um die Entwicklung der Infrastrukturausrüstung der nächsten Generation wetteiferten. Um mit der erwarteten Explosion des Internetverkehrs fertig zu werden, richteten sie ihre Aufmerksamkeit auf Netzwerkprozessoren, die mehr Netzwerkdienste und immer höhere Datenraten verarbeiten konnten. Unvollständigen Schätzungen zufolge entstanden damals Dutzende von Start-up-Unternehmen rund um diesen Prozessortyp. Doch im Jahr 2007 verkauften nur noch Cisco Systems, Marvell, Freescale, Cavium Networks, AMCC, Intel und Ezchip Netzwerkprozessoren in großen Mengen.

Dies allein reicht schon als Beweis für die Härte des Wettbewerbs in der Chipindustrie. Doch die großzügigen Gewinne für die Gewinner haben die Unternehmen in den letzten Jahrzehnten dazu bewegt, weiterhin in den Wettbewerb um die großen Chips zu investieren und so der Marktnachfrage gerecht zu werden. In China beispielsweise sind im Zuge der Welle mobiler Geräte im letzten Jahrzehnt viele große Chip-„Gewinner“ hervorgegangen.

Um das Jahr 2000 veröffentlichte das chinesische Ministerium für Informationsindustrie (der Vorgänger des Ministeriums für Industrie und Informationstechnologie) das „Dokument Nr. 18“, um die Entwicklung der Software- und integrierten Schaltkreisindustrie zu fördern. Dies veranlasste eine Gruppe von Ausländern, nach China zurückzukehren und dort Unternehmen zu gründen. In dieser Zeit wurde Chinas Handychip-Riese Spreadtrum (jetzt Spreadtrum) gegründet. Dies ist auch ein erfolgreicher Versuch, der einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung großer Chips im Inland leistet. Im gleichen Zeitraum wurden nacheinander Rockchip und Actions gegründet. Gemeinsam mit den einige Jahre später gegründeten Unternehmen Huawei HiSilicon und Allwinner wurden sie zu Pionieren der heimischen Großchips im Mobilfunkzeitalter. In gewissem Sinne ist dies auch das erste Mal, dass große inländische Chiphersteller in der neuen Welle von Endgeräten eine „chinesische Stimme“ haben.

Während im Inland produzierte große Chips im Mobilfunksektor stetige Fortschritte machen, setzen sie sich auch in einem anderen riesigen Markt für elektronische Endgeräte durch – dem PC. Mehrere aktuelle inländische PC-Chiphersteller: Loongson geht auf die 2001 gegründete „Loongson Research Group“ zurück, die von MIPS in die Prozessorindustrie einstieg; Das Feiteng-Team begann 1999 mit der Forschung und Entwicklung von Arm-CPUs.

Im zweiten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts begrüßte China zwei Hersteller von X86-Prozessoren: Zhaoxin und Hygon. Sie erhielten die Lizenz für die X86-Architektur durch eine Zusammenarbeit mit VIA bzw. AMD und schlugen unterschiedliche neue Wege für CPUs im Inlandsbereich ein – erstere konzentrierten sich zunächst auf Computer, während letztere sich zunächst auf Rechenzentren konzentrierten.

Das heißt, ab dem Gründungsjahr von Haiguang betraten große inländische Chips die Bühne der Rechenzentren, und alles begann im Jahr 2012.

Vier Wellen: von KI-Chips bis zu CPUs

In dem im Semiconductor Industry Observer erschienenen Artikel „Nvidias Weg zur Dominanz bei KI-Chips“ heißt es: „Alex Krizhevsky, ein Schüler von Geoff Hinton, einem der Begründer des Deep Learning, trainierte 2012 erfolgreich das tiefe Convolutional Neural Network AlexNet und nutzte dieses Netzwerk, um die Leistung im Bereich der Bildklassifizierung und -erkennung deutlich zu verbessern (15 % Fehlerquote, 10 absolute Prozentpunkte höher als der Zweitplatzierte), und wurde damit zu einem Meilenstein in der künstlichen Intelligenz. Und diese Pionierarbeit wurde ihm mithilfe der GPU von Nvidia geleistet.“

NVIDIA dominiert den GPU-Markt und sein Ökosystem CUDA, aber der Markt ist unendlich groß. Angesichts des Potenzials dedizierter KI-Chips in den Bereichen Training und Inferenz hat die Welt eine starke Welle von KI-Chip-Startups ausgelöst, beispielsweise Graphcore, Cerebras Systems, Habana Labs (bereits von Intel übernommen) und Hailo. Dies ist zugleich die erste Welle eines groß angelegten Chipbooms in den letzten Jahren. Zahlreiche Giganten, darunter Baidu Kunlun, Suiyuan Technology, Horizon Robotics und Cambrian, sind in dieser Welle groß geworden, und auch immer mehr neue Unternehmen florieren und konkurrieren mit dem KI-Wahn.

In dieser Zeit trat eine andere Art von Herausforderer für Nvidia auf den Plan: GPU-Start-ups. Dies ist zugleich die zweite Welle inländischer Chip-Start-ups im großen Maßstab, die ich erlebt habe.

Leser, die mit NVIDIA vertraut sind, sollten wissen, dass dieser GPU-Gigant über zwei Produktlinien verfügt, nämlich Grafik-GPUs für Grafikanwendungen und GPUs für KI-Anwendungen. Diese Produktreihe nennen wir auch GPGPU. Im Ausland greifen Intel und AMD Nvidia mit zwei Produktlinien an.

In China entscheiden sich die meisten GPU-Startups für den Einstieg in den GPGPU-Bereich. Laut der unvollständigen Statistik des Autors gibt es neben den alten Markenherstellern wie Jingjiawei, Loongson, Zhaoxin und Feiteng auch neue inländische GPU-Unternehmen wie Tianshu Zhixin, BiRen, Muxi, Moore Thread, Denglin und Xindong.

Li Xinrong, Co-CEO von BiRen Technology, erklärte in einem Interview mit Titanium Media, warum GPUs weiterhin eine Chance bieten: „Im Zeitalter der digitalen Wirtschaft steigt der Bedarf an Rechenleistung für künstliche Intelligenz und Hochleistungsrechnen rasant an. Universal-GPUs wurden entwickelt, um den Bedarf an schnell iterierender Rechenleistung für künstliche Intelligenz zu decken. Wenn der Markt diese Nachfrage hat, werden Universal-GPUs definitiv in großem Maßstab implementiert werden.“

Da KI-Chips und GPUs immer beliebter werden, ist auch ein weiterer „Big Chip“-DPU auf den Markt gekommen.

Laut dem Whitepaper zur Technologie dedizierter Datenprozessoren (DPU) ist eine DPU (Data Processing Unit) ein dedizierter Prozessor, bei dem die Daten im Mittelpunkt stehen. Es verwendet softwaredefinierte Technologie zur Unterstützung der Ressourcenvirtualisierung auf Infrastrukturebene und unterstützt Dienste auf Infrastrukturebene wie Speicher, Sicherheit und Servicequalitätsmanagement. Seine direkteste Rolle besteht darin, als CPU-Offloading-Engine zu fungieren, Dienste auf Infrastrukturebene wie Netzwerkvirtualisierung und Hardware-Ressourcenpooling zu übernehmen und die Rechenleistung der CPU für Anwendungen auf höherer Ebene freizugeben.

In den letzten Jahren haben sich internationale Chipgiganten wie Amazon AWS, Nvidia, Intel und Marvell auf diese Produktform konzentriert. Im Inland ziehen auch Huawei, Alibaba, Tencent und Baidu nach. Darüber hinaus sind auch Unternehmen wie Zhongke Yusu, Yunbao Intelligent, Yunmai Xinlian, Xinqiyuan, Dayu Zhixin, Yisixin und Shanghai Juxiang Technology zu neuen Goldgräbern auf diesem Markt geworden.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der drei oben genannten Chips, den Änderungen in der Rechenzentrumsarchitektur und der sich rasch ändernden internationalen Situation ist die Arm-CPU in den letzten zwei Jahren mit der neuen Ausrichtung auf PC-Chips und Server-Chips in den Mittelpunkt der heimischen Großchip-Szene gerückt. Erstere, vertreten durch diesen Chip, haben die Chancen von Arm auf dem PC-Markt im Auge; Letzterer ist äußerst wettbewerbsintensiv und zielt auf den stark wachsenden Markt für Rechenzentren ab.

Zehn Jahre Höhen und Tiefen: Arm-Serverchips werden endlich Mainstream

Tatsächlich sind Arm-Serverchips nichts Neues. Seit 2008 haben alle, von Arm bis zu Chipherstellern, begonnen, Ideen zu diesem Markt zu entwickeln. Viele Unternehmen haben in den vergangenen Jahren viele Versuche unternommen. Doch bis zur Markteinführung von Huawei Kunpeng und Amazon Graviton in den letzten Jahren befand sich der gesamte Markt für Arm-Serverchips im Grunde in einer Phase der Wendung mit Höhen und Tiefen.

Doch nach Huawei und Amazon haben auch Unternehmen wie Microsoft, Tencent, Alibaba, ByteDance und Google ein Auge auf Arm-Serverchips geworfen, und dafür gibt es einige Gründe. Erstens haben Arm-Serverchips mit der Veröffentlichung des infrastrukturorientierten Arm Neoverse im Oktober 2018 eine neue Phase erreicht. Laut Arm verändert sich die globale Infrastruktur schnell, um den ständig wachsenden Arbeitslasten und steigenden Leistungsanforderungen gerecht zu werden. Arm Neoverse kann für Cloud-, Edge- und 5G-Netzwerke optimiert werden und bietet hervorragende Geschwindigkeit, Energieeinsparung sowie ein hervorragendes Leistungs-Leistungs-Verhältnis und Leistungs-Kosten-Verhältnis, um die Anforderungen der zukünftigen Infrastruktur und ihrer Kunden zu erfüllen.

Arm Neoverse-Roadmap

(Veröffentlicht im September 2020)

Darüber hinaus ist Arm auf 64-Bit umgestiegen und hat die neue Armv9-Architektur eingeführt. Darüber hinaus hat Arm den Mobiltelefonmarkt mit einem absoluten Marktanteil erobert und so einen enormen Datenverkehr in den Rechenzentren erzeugt. Gleichzeitig dringt es allmählich in den PC-Markt vor, was mit der richtigen Zeit, dem richtigen Ort und den richtigen Leuten ein gutes Umfeld für Arm-Serverchips schafft.

Seit Apple im Jahr 2007 das iPhone der ersten Generation auf den Markt brachte, hat sich die Mobiltelefonbranche enorm verändert und Arm, ein Experte für stromsparende Prozessortechnologie, hat sich ebenfalls etabliert. Aufgrund ihrer architektonischen Merkmale und ihres einzigartigen Geschäftsmodells haben auf der Arm-Architektur basierende Mobiltelefonchips den Smartphone-SoC-Markt monopolisiert. Im gleichen Zeitraum erfolgte auch die Umstellung des Netzwerks von 3G auf 5G, was auch den Anwendungen auf Smartphone-Terminals unbegrenzte Möglichkeiten eröffnete. Der Aufstieg „Cloud-nativer“ Anwendungen wie Spiele und Kurzvideos hat Rechenzentren vor neue Herausforderungen gestellt. In Verbindung mit der rasanten Entwicklung von Anwendungen wie dem Internet der Dinge und Cloud Computing hat der Kosten- und Stromverbrauchsdruck, der durch die zunehmende Zahl von Rechenzentren entsteht, plötzlich zugenommen.

Die oben genannten Faktoren haben zu einigen subtilen Änderungen in Rechenzentren geführt, die seit mehr als einem Jahrzehnt von der X86-Architektur dominiert werden, was Arm neue Chancen eröffnet hat.

Wenn man auf die Entwicklung von Servern und Rechenzentren in den letzten Jahrzehnten zurückblickt, ist festzustellen, dass diese sich von einem unabhängigen Betrieb zu einer Situation entwickelt haben, in der es heute nur noch eine Handvoll Oligopole gibt. Dasselbe gilt für Chips, von den Anfängen hunderter Denkschulen bis zur endgültigen Dominanz der Chips mit Intels X86-Architektur. Für dieses Ergebnis gibt es viele Faktoren. Doch aus Sicht von Dr. Luo Yong, CEO von Yuxianwei, einem inländischen Serverchip-Startup, ist die Dominanz der X86-Prozessoren auf dem PC-Markt einer der Schlüsselfaktoren.

Dr. Luo Yong wies darauf hin, dass Intel, nachdem es den Erfolg seiner Generalisierungsstrategie auf der PC-Seite bewiesen hatte, sich auch hinsichtlich Effizienz, Stabilität und Massenlieferungen bewährte und auch bei Netzwerkchips große Erfolge erzielte. Dies gab ihnen die Möglichkeit, die CPU-Leistung zu optimieren und im Serverbereich erfolgreich zu sein. Natürlich wurde das Modell „Systemfirma + CPU-Firma“ auch im PC-Bereich verifiziert, sodass es auch bei Servern als umsetzbar gilt. Intel ersetzte auf dem Servermarkt IBM, ein Unternehmen, das Hardware- und Softwarechips vollständig integrierte. Die mit Intel kooperierenden Unternehmen waren also Software- und Systemunternehmen, und jeder bekam bei dieser Veränderung ein Stück vom Kuchen ab.

Aus Dr. Luos Einführung erfuhren wir, dass Arm in den letzten Jahren mit Chip- und Ökounternehmen zusammengearbeitet hat, um ökologische Probleme zu lösen, und große Mengen mobiler Terminals ausgeliefert hat, was ihnen den Eintritt in den Servermarkt erleichtert. Unter dieser Prämisse ist es selbstverständlich, dass Chiplösungen mit mehr Kernen (genau richtig für Cloud-native Anforderungen) und besseren Gesamtbetriebskosten im Zeitalter des Cloud-Computing zur bevorzugten Serverchip-Lösung werden.

Zusammen mit den erfolgreichen Erfahrungen von Huawei und Amazon haben die Arm-Serverchips endlich ihren kritischen Moment erreicht. Dies hat auch zur Entstehung einer Reihe von Arm-Serverchip-Unternehmen geführt.

Neben der Geburt von Ampere Computing beschäftigen sich Huawei und Fujitsu weiterhin intensiv mit diesem Thema. Auch Nvidia hat in den letzten Jahren mit seiner Grace-Serie ein Comeback gefeiert. Auch Cloud-Anbieter wie AWS und Alibaba sind zu wichtigen Akteuren auf dem Markt für Arm-Serverchips geworden.

Angesichts der Marktnachfrage und des internationalen Wettbewerbs ist die Entwicklung lokaler Arm-Serverchips auf dem heimischen Markt dringend erforderlich geworden. Dies führte auch zur Entstehung vieler Start-ups wie Yuxianwei, Hongxinwei und Qilingxin. Darüber hinaus gibt es Unternehmen wie Huawei, ZTE und Feiteng, die bereits stark in diesen Markt involviert sind.

Man kann davon ausgehen, dass für Arm-Server-CPUs in China und sogar weltweit offiziell ein neues Kapitel begonnen hat.

Beobachtungen aus der Halbleiterindustrie