【科技.未來】收購ARM震撼業界 NVIDIA挑戰Intel龍頭地位

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上月中,半導體行業錄得史上最大交易案:美國半導體公司英偉達(NVIDIA)以400億美元,從日本軟銀集團(SoftBank)手中收購被喻為「半導體行業的瑞士」的英國晶片設計商ARM(安謀)。這宗震驚全球的交易不但會為整個半導體業格局帶來翻天覆地般的改變,背後更可見到英偉達的雄心壯志,以及其如何佈局下一波人工智能(AI)的發展重心—脫離雲端的「邊緣」(edge)AI。

當英偉達藉其圖像處理器(GPU)晉身為AI下一波發展要角,收購ARM將如何有助它建立AI晶片王國,並一舉挑戰晶片業龍頭英特爾(Intel)的地位?與此同時,其他競爭對手自然不會坐以待斃,加上晶片成為中美角力重要戰場下,英偉達又可否打響如意算盤?

黃仁勳形容英偉達與ARM能「互補」,這宗收購是「一生人一次的機會」。(路透社)

英偉達共同創辦人及行政總裁黃仁勳(Jensen Huang)素來喜歡以招牌黑色皮褸「獨步」於各大電子產品發布會,但在疫情之下,他把「舞台」移師家中廚房,間中更會棄皮褸穿上羽絨背心,舉行網上演說、開視像會議或發布新產品。而這個廚房的最新「出品」,就是以400億美元從軟銀手中收購手機晶片設計龍頭ARM。

是次收購案是晶片產業史上最大筆交易。英偉達將向軟銀支付價值215億美元股票及120億美元現金,其中20億美元將在簽約時支付。若ARM能滿足一定財政目標,軟銀可額外獲得50億美元現金或股票;另有價值15億美元英偉達股票將給予ARM員工。ARM和英偉達都是以晶片為重心的公司,但專長領域不同,黃仁勳說兩間公司能「互補」,更形容這筆交易是「一生人一次的機會」:「這家公司的影響力有別於科技史上任何一間公司。我們將英偉達領先的AI運算與ARM廣闊的生態系統結合。」

要理解黃仁勳這番評價及這宗交易的重要性,或需從英偉達如何起家說起。1993年,黃仁勳與兩位志同道合的工程師創立了英偉達,他們押注於一個未來:消費者需要更好的電腦圖像,因此需要一種當時還未有的專用、高性能硬件。他們賭贏了,公司第一波的成功就是研發GPU,滿足了電子遊戲產業中的玩家、構建遊戲系統的公司、3D圖形設計者等。

Nvidia的GPU,乘着遊戲及電競產業蓬勃而崛起。(Getty Images)

黃氏取代摩爾?

AI近年的科研進展和捲土重來,意外造就了英偉達的第二波崛起。AI演算法,尤其是「機器學習」(machine learning)在訓練階段對運算的要求非常苛刻。比起順序處理運算程序的中央處理器(CPU),能夠把數據拆開並行高速處理的GPU更適合AI運算。大約自十年前起,英偉達將其GPU架構調整為更為通用的並行處理引擎。

並行運算不是什麼新概念,已存在於電腦科學幾十年,最初它只限於執行高度專業化的工作,例如用超級電腦模擬核彈或預測天氣,難以應用於一般使用之上。直至英偉達在十三年前推出軟件平台CUDA,至今已是第11代,令開發人員可利用GPU的並行架構完成各種工作。這也促成了AI發展的重大轉變—從過去以知識為基礎(knowledge-base),即強調邏輯、約束和規則,變成以數據為基礎,就如我們見到愈來愈多的AI應用。例如英偉達正為自動駕駛汽車和機械人製造晶片和軟件;其GPU也在由比特幣(Bitcoin)帶起的加密貨幣熱潮中被用來「挖礦」。

GPU意外地有效執行AI演算法,從基礎研究到人臉辨識、自動駕駛等多種應用。令Nvidia在AI業界成為強大勢力。(Nvidia)

對很多公司或機構來說,自行購買AI所需運算基礎設施並不划算,雲端因而成為它們的出路。除了可較彈性地按需使用之外,專用硬件也可以更好地執行AI工作,英偉達因此成為了數據中心裏AI運算的霸主。雲端數據個體(instance)是一個用來衡量電腦運算架構使用率的不俗指標,個體的數量可反映應用程式在亞馬遜(Amazon)旗下的AWS、Google雲端平台、微軟(Microsoft)Azure或阿里雲等主要雲端服務供應商中的使用需求。截至今年6月的雲端數據實例中,英偉達的專用加速器佔了87%;據研究公司Liftr Cloud Insights去年一份報告,大型雲端服務供應商專門用作AI運算的設施,超過97%都是使用英偉達的GPU。

半導體行業曾經有一金科玉律:摩爾定律(Moore's Law)。這是英特爾共同創辦人George Moore的預測:晶片上電晶體數量及其代表的晶片性能,大約每兩年翻一倍。但隨着晶片製造商在原子級電路趨向物理極限,摩爾定律下的進展已經放緩,甚至有人說已死。

與此同時,英偉達首席科學家兼研究高級副總裁Bill Dally表示,從2012年11月到今年5月,英偉達的晶片性能在一個重要的AI運算級別中提高了317倍,亦即平均每年提升超過一倍,速度令摩爾定律相形見絀。《華爾街日報》科技專欄作家Christopher Mims甚至形容「黃氏定律」已取代了摩爾定律。

疫情下遙距工作、數碼化及自動化成為新常態,對雲端服務及AI的需求大增,令數據中心最近超越遊戲業務成為NVIDIA最大收入來源,甚至令其市值超越業界老大哥Intel。(NVIDIA)

難怪在最近的財政年度,雖然英偉達的銷售額為109.2億美元,遠不及英特爾的719.7億美元,但英偉達的市值已飆升至超過3,000億美元,遠超約2,000億的英特爾。數據中心銷售額是英偉達業務快速增長之處,收入從2016年的8.3億美元增加至去年的30億美元;加上在新冠肺炎疫情下,社交隔離和遙距工作成為新常態,愈來愈多企業轉型為自動化,對數據中心服務和AI運算的需求大增。今年第二季度,英偉達的數據中心收入為17.5億美元,比去年同期增長了167%,約佔總銷售額45%,首次超越遊戲業務。

合力挑戰晶片霸主

然而,英偉達只主宰了數據中心裏AI加速器的部份,其想進軍的數據中心伺服器和個人電腦市場這兩個領域,一直長期由英特爾的CPU主導,目前英特爾的x86架構CPU所佔據市場份額超過95%。

英偉達認為,要挑戰英特爾,就需要製造更高性能、同時更經濟的CPU,而ARM的CPU正是英偉達欠缺的絕佳武器,其省電的優點或可成為數據中心的吸引選項。例如相比英特爾,ARM的晶片在數據中心內較不需要主動冷卻系統。黃仁勳坦言:「能源效率是未來運算中最重要的事情。ARM以這種極其節能的架構所創造的生態之巨大和廣闊,是我們永遠無法達到的。」科技研究公司Forrester Research副總裁兼首席分析師J.P. Gownder同意黃仁勳的看法:「能源效率是半導體領域一種新的『超能力』。電力成本和氣候變化是重要影響,特別是對數據中心這種大規模的部署。」

雖然Nvidia乘AI之勢而起,但Intel的晶片仍然雄霸數據中心整體市場。Nvidia希望收購Arm能撼動Intel這一地位。(Getty Images)

總部位於英國劍橋的ARM,是蘋果(Apple)於1990年有份合資創立的公司,蘋果當時希望在其名為Newton的掌上電腦中使用ARM的低功耗技術,但ARM在十五年後才藉着智能手機蓬勃而真正崛起。其晶片運算能力或許不及英特爾用於手提電腦和桌上電腦的x86架構晶片,但耗電較少的特性較適合智能手機的使用場景。首代iPhone所用的處理器,就是三星(Samsung)建基於ARM架構的出品。

ARM本身不出晶片產品,只出售晶片知識產權(IP)。它主要提供一套低功耗晶片的基本設計架構—「指令集架構」(ISA),可用於智能手機、平板電腦、虛擬現實眼罩、智能喇叭等。有些客戶如蘋果,就是向ARM購買這架構授權來設計自己的晶片。ARM也有稱為「核心」(core)的現成晶片設計,例如高通(Qualcomm)或三星等業者就是購買這種授權。ARM的晶片已成為智能手機的標準,高達九成都是使用其晶片設計或架構授權。去年約有220億塊晶片用上ARM技術,這些設計授權費及按每塊售出晶片的權利費,為ARM帶來逾17億美元收入。

Arm的晶片架構雖然最初在性能上不及Intel,但相對低功耗的優點,令它隨着智能手機時代崛起。(Wikimedia Commons)

黃仁勳向行業分析師Patrick Moorhead表示,收購ARM將有助英偉達出售更多ARM晶片予數據中心:「將會改變我們路線圖的速度。可以肯定的是,數據中心和雲端正渴求ARM的CPU。」

投行Jefferies分析師Mark Lipacis指出,是次交易可以令英偉達利用其GPU及ARM的CPU,創造伺服器晶片和軟件的生態,增強其數據中心業務;英偉達也可以更緊密地將ARM處理器整合到自身產品中,以提高性能。半導體諮詢公司Linley Group分析師Mike Demler預期,英偉達可以整合其AI專用晶片與ARM的通用CPU架構,「產生一種新的運算模型」。

Apple六月宣布,Mac將採用Arm架構晶片取代Intel x86。(Apple)

此外,ARM也有志走出行動裝置晶片,已開始成為數據中心和個人電腦晶片的新貴。最近一些數據中心例如AWS已開始採用ARM的設計,製造更高效能的新型數據中心晶片;蘋果亦在6月宣布,其Mac手提電腦和桌上電腦會棄用英特爾晶片,改以ARM的技術自行研發。微軟也花了很多時間和金錢令作業系統視窗(Windows)能適應ARM晶片運行。ARM也證明了自己在性能上未必一定落後,富士通(Fujitsu)使用ARM的超級電腦「富岳」,在6月名列500大超級電腦首位。黃仁勳說,去年英偉達為支援富岳時,已經完成了最艱苦的工作,重寫公司所有軟件編碼,以便在ARM處理器上運行。

此外,英偉達還在4月以69億美元收購了以色列硬件公司Mellanox,其技術可用於數據中心內部傳送大量資訊。黃仁勳在8月向分析師解釋,愈來愈多雲端服務不再在單一伺服器上運行,應用程式的各部份分布在數據中心的各種晶片和系統中,需要機器之間更緊密的通訊。在這些收購和生態部署下,英偉達現在更容易推出自己的伺服器晶片,直接挑戰英特爾在數據中心的霸權。

英偉達以69億美元收購了以色列硬件公司Mellanox,以助進軍數據中心伺服器市場。(Nvidia)

繼續閱讀︰【科技.未來】乘AI「邊緣化」而起 NVIDIA欲成AI晶片霸主

上文節錄自第234期《香港01》周報(2020年10月5日)《NVIDIA創半導體史上最大併購案 晶片霸主之位仍待確認》。如欲閱讀全文請按此試閱周報電子刊,瀏覽更多深度報道。

234期《香港01》周報精選內容:

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