“當(dāng)下，在AI和5G場(chǎng)景下，以CPU為代表的通用計(jì)算顯得越來越吃力，異構(gòu)計(jì)算正在逐漸成為主流的芯片架構(gòu)?！苯?，華夏芯（北京）通用處理器技術(shù)有限公司董事長李科奕在接受記者采訪時(shí)如此表示。
李科奕說，異構(gòu)計(jì)算由來已久，不過為了滿足AI和5G對(duì)計(jì)算性能超高要求，芯片的設(shè)計(jì)創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新開始聚焦于此。芯片行業(yè)的共識(shí)是：未來AI和5G芯片的主流架構(gòu)一定是異構(gòu)計(jì)算。
AI和5G場(chǎng)景開啟多生態(tài)并存局面
這些年來，大批初創(chuàng)公司推出了針對(duì)某個(gè)特定應(yīng)用場(chǎng)景的AI專用芯片。但在李科奕看來，全球芯片行業(yè)發(fā)展到今天，從來沒有出現(xiàn)過某一領(lǐng)域的專用芯片公司成長為行業(yè)巨頭的案例。
據(jù)李科奕介紹，Intel、英偉達(dá)這些壟斷企業(yè)的主要銷售收入都是來自于通用型、平臺(tái)型的芯片。專用芯片雖然性能很好，但有其自身的局限性，生命周期短，需要不斷的迭代。只有在AI算法、通訊協(xié)議已經(jīng)固定的場(chǎng)景，專用芯片才會(huì)有一定的市場(chǎng)。更重要的是，通用計(jì)算的復(fù)雜度遠(yuǎn)比專用計(jì)算高很多，通用芯片廠商很容易就能把專用計(jì)算單元集成到芯片中去，這就是所謂的異構(gòu)計(jì)算。
異構(gòu)計(jì)算，顧名思義是指多種計(jì)算單元（例如CPU、GPU、DSP、AI加速器、FPGA等）的搭配、集成和融合。通常情況下，異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)的芯片中既有CPU等傳統(tǒng)的通用計(jì)算單元，也有高性能的專用計(jì)算單元。
與傳統(tǒng)的通用計(jì)算芯片相比，異構(gòu)架構(gòu)具有高性能、低功耗等顯著優(yōu)點(diǎn)。而且，相對(duì)于專用計(jì)算芯片，即使新的算法出來，異構(gòu)架構(gòu)的芯片也可以依賴通用計(jì)算單元加以支持，不至于很快就被淘汰，從而延長了芯片的生命周期。所以在采用先進(jìn)工藝所需要的投入越來越大的情況下，異構(gòu)計(jì)算會(huì)成為業(yè)界主流的選擇。
華夏芯是國內(nèi)最早從事異構(gòu)計(jì)算研究的芯片公司之一。芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)讓李科奕選擇了從異構(gòu)計(jì)算的角度切入，另一方面則是著眼于異構(gòu)計(jì)算應(yīng)用領(lǐng)域的市場(chǎng)機(jī)遇——輔助駕駛、機(jī)器人、智能安防、智能家居、5G等新興應(yīng)用場(chǎng)景的共同特點(diǎn)是只需要“單點(diǎn)”的應(yīng)用開發(fā)，而不用像手機(jī)、PC一樣需要匯集眾多第三方的應(yīng)用軟件，從而有很強(qiáng)的生態(tài)依賴性。
李科奕表示，PC時(shí)代是Wintel聯(lián)盟主宰生態(tài)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是Arm+Android主導(dǎo)生態(tài)，但是AI和5G時(shí)代開啟了全新的生態(tài)或者是多生態(tài)并存的局面，這也是國產(chǎn)芯片廠商的發(fā)展機(jī)遇?！爱?dāng)市場(chǎng)沒有壟斷生態(tài)，技術(shù)、創(chuàng)新和應(yīng)用成為決定因素的時(shí)候，中國企業(yè)就有了打破天花板的可能?！崩羁妻日f。
基于自主IP推動(dòng)芯片設(shè)計(jì)的原始創(chuàng)新
據(jù)了解，現(xiàn)在大多數(shù)異構(gòu)計(jì)算芯片使用的都是不同供應(yīng)商的IP，需要龐大的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，去完成包括IP相互驗(yàn)證在內(nèi)的技術(shù)維護(hù)和設(shè)計(jì)工作。但李科奕認(rèn)為，這種“拉郎配”式的傳統(tǒng)異構(gòu)設(shè)計(jì)方式并沒有解決異構(gòu)計(jì)算推廣的主要障礙：極為復(fù)雜的異構(gòu)編程開發(fā)。
所以，華夏芯選擇從異構(gòu)芯片的底層IP開始，做芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的原始創(chuàng)新——他們是國內(nèi)少有的基于自主IP的異構(gòu)計(jì)算芯片設(shè)計(jì)公司。
IP就相當(dāng)于建筑物的地基，有相當(dāng)嚴(yán)苛的專利保護(hù)。李科奕認(rèn)為，如果還是用傳統(tǒng)的思路去做CPU、DSP和GPU等基礎(chǔ)計(jì)算IP，肯定很難繞過之前行業(yè)巨頭的專利限制。打個(gè)比方，之前傳統(tǒng)的處理器IP是由不同的果樹分別結(jié)出不同的果實(shí)，華夏芯的IP設(shè)計(jì)是通過轉(zhuǎn)變水果樹的基因，讓一棵樹上結(jié)出不同的水果?！凹夹g(shù)路徑不一樣，才能繞開其他廠商的IP專利，而且我們這種設(shè)計(jì)思路，也‘濃縮’了芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)規(guī)模，不需要為每個(gè)計(jì)算單元配備工具鏈和應(yīng)用開發(fā)的團(tuán)隊(duì)，并且大幅度降低了應(yīng)用開發(fā)的門檻。”
以異構(gòu)編程為例，計(jì)算任務(wù)要在多個(gè)供應(yīng)商提供的不同的計(jì)算單元上運(yùn)行。例如，有的AI計(jì)算首先需要在CPU或者DSP上進(jìn)行任務(wù)分割或者處理，然后在AI加速器上進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，再將結(jié)果反饋到CPU進(jìn)行下一輪的計(jì)算。要熟悉不同計(jì)算單元之間數(shù)據(jù)流的調(diào)度、交換和進(jìn)行決策的機(jī)制，這些對(duì)于復(fù)雜的AI系統(tǒng)開發(fā)者來說，都是門檻很高的難題。這種耗費(fèi)大量人力、物力的開發(fā)工作，顯然不適合全球大部分人工智能公司都是中小型企業(yè)的現(xiàn)狀。
所以，華夏芯決定另辟蹊徑，走了一條創(chuàng)新的異構(gòu)設(shè)計(jì)道路。“如果你的編程模型，能夠讓各種計(jì)算任務(wù)在CPU、DSP或者GPU上都能運(yùn)行，由編譯器和系統(tǒng)按照計(jì)算效率自動(dòng)選擇最佳的運(yùn)行載體，進(jìn)行任務(wù)分割，再系統(tǒng)化地對(duì)計(jì)算、通訊、存儲(chǔ)的開銷進(jìn)行優(yōu)化，這樣就能大幅降低編程開發(fā)的門檻?！崩羁妻日f，要實(shí)現(xiàn)這一目的，不從底層IP創(chuàng)新做起，就無法打破IP供應(yīng)商之間各自為政的藩籬。
因此，華夏芯設(shè)計(jì)了創(chuàng)新的Unity統(tǒng)一指令集架構(gòu)，此架構(gòu)由一套基礎(chǔ)指令集和面向不同應(yīng)用類型的擴(kuò)展指令集組成，結(jié)合先進(jìn)的微架構(gòu)設(shè)計(jì)，就形成一套彼此高度融合的CPU、DSP、GPU和AI處理器異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)。
目前，華夏芯已經(jīng)發(fā)布自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的Unity統(tǒng)一指令集架構(gòu)和基于此架構(gòu)的CPU、DSP及AI專用處理器系列IP，以及已經(jīng)量產(chǎn)投片的多核異構(gòu)GPT8300SoC芯片。該芯片全部采用源自華夏芯自主指令集的處理器IP，節(jié)省了大量的IP許可費(fèi)，并且可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行深度的IP定制。
芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)需走出大而不強(qiáng)的困境
目前，華夏芯的異構(gòu)計(jì)算主要覆蓋的場(chǎng)景是AI和5G領(lǐng)域?qū)τ?jì)算有較高需求的應(yīng)用，例如智慧城市、智能交通、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、智能制造等等。正如李科奕自己所說，越是對(duì)芯片的計(jì)算性能、效能功耗比和生命周期有要求的場(chǎng)景，華夏芯的異構(gòu)計(jì)算優(yōu)勢(shì)越能顯現(xiàn)。
和多數(shù)芯片設(shè)計(jì)公司不同，華夏芯的商業(yè)模式有兩種，一是芯片設(shè)計(jì)定制，即利用自主研發(fā)的IP平臺(tái)為客戶設(shè)計(jì)定制芯片，二是IP授權(quán)，即許可IP給客戶自己設(shè)計(jì)芯片。目前華夏芯主要以服務(wù)有定制需求的客戶為主，通過IP的優(yōu)勢(shì)為客戶量身打造相應(yīng)的芯片產(chǎn)品，現(xiàn)在已經(jīng)有幾款為客戶定制的芯片產(chǎn)品開始量產(chǎn)。
對(duì)于國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，李科奕認(rèn)為，國內(nèi)芯片公司還處于中低端同質(zhì)化競(jìng)爭(zhēng)的局面，市場(chǎng)環(huán)境也比較浮躁，無論是風(fēng)險(xiǎn)投資還是地方政府的關(guān)注點(diǎn)，更多的是聚焦在應(yīng)用創(chuàng)新或者工藝制造方面，對(duì)IP和設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)重視不夠。國內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)公司的投入也以先進(jìn)工藝為主，而不是設(shè)計(jì)創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新。如果按照這種思路發(fā)展，中國只會(huì)成為集成電路的大國，但不會(huì)變成一個(gè)集成電路的強(qiáng)國。
李科奕提出了對(duì)國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一些建議。他說，IP是整個(gè)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈最上游的節(jié)點(diǎn)，投資周期長，但I(xiàn)P才是集成電路產(chǎn)業(yè)的命脈、咽喉。沒有自主創(chuàng)新的國產(chǎn)IP鏈條，中國的IC設(shè)計(jì)就永遠(yuǎn)改變不了被國外IP公司“卡脖子”的局面。不重視芯片的設(shè)計(jì)創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新，中國的IC設(shè)計(jì)很可能是大而不強(qiáng)。國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)熱衷于投資生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，但是，沒有強(qiáng)大的IC設(shè)計(jì)支撐，下游的制造、封測(cè)就將面臨無源之水、無根之木的風(fēng)險(xiǎn)。
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