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本文作者: 肖漫 | 2021-12-12 15:13 | 專題:GAIR 2021 |
毫無疑問,國產芯片已經迎來春天。
2020年8月,國務院印發(fā)的《新時期促進集成電路產業(yè)和軟件產業(yè)高質量發(fā)展的若干政策》提出,中國芯片自給率要在2025年達到70%。
無疑,這是集成電路產業(yè)的重大際遇,但也對行業(yè)提出了新的挑戰(zhàn)。
尤其是在這樣的政策大背景下,如何推進國產芯片產業(yè)鏈條不斷在技術前沿和產業(yè)應用落地層面走向高端突破,成為當前整個行業(yè)不得不關注的核心議題——這其中,就包括了 EDA 軟件開發(fā)、國產 CPU、類腦計算、專用領域芯片以及資本助力等多領域、多層次和多維度的問題。
針對這些問題,雷峰網(公眾號:雷峰網) GAIR 大會的「集成電路高峰論壇」邀請了來自學術、產業(yè)和投資界的多位嘉賓,從不同角度對集成電路國產化、高端化過程中的重要議題進行了分享和探討。
EDA是中國芯片產業(yè)發(fā)展的卡脖子技術,求解器又是EDA的基礎引擎,解決了基礎技術挑戰(zhàn)才能支撐整個產業(yè)的快速發(fā)展——基于此,中國科學院軟件研究所研究員蔡少偉主要從自己的研究角度談到了 EDA 的發(fā)展。
蔡少偉的演講主要涵蓋三個方面,一是 EDA 和 SAT 求解器的關系;二是舉例說明 SAT 求解器在 EDA 當中的應用;三是分享其團隊在 SAT 求解器方面的進展。
蔡少偉表示,EDA 集成電路設計自動化軟件,整條鏈很長,而不是單個的軟件。在 EDA 軟件中,其底層需要一些計算引擎,而主要的計算引擎就是 SAT 求解器。
在 EDA 各個環(huán)節(jié)中,包括邏輯綜合、物理實現,以及中間的驗證、仿真測試都會用到 SAT 求解器。
SAT 的全稱是布爾可滿足性問題。給定一個布爾公式或稱為命題邏輯公式(即用與或非等布爾邏輯運算連接布爾變量的公式),判定是否存在一組賦值使得公式取值為真。
一般情況下,SAT 求解方法可以分為兩類:完備算法和不完備算法。完備算法是指算法結束時確保正確判定;不完備算法是指爭取短時間內找到解。
以前的混合算法未能在工業(yè)實例上取得改進,后來蔡少偉團隊采用系統(tǒng)搜索求解+局部搜索采樣,基于信息交互的深度合作,設計的混合算法在工業(yè)實例上顯出了顯著的改進,首次回答了 1997 年 Bart Selman 提出的 SAT 十大挑戰(zhàn)的第七個挑戰(zhàn)---關于結合兩種方法設計更高效算法的挑戰(zhàn)。其求解器獲得國際SAT比賽冠軍,相關論文獲得該領域權威會議最佳論文獎。
蔡少偉團隊的SAT求解器已經用于集成電路驗證的實際場景,在1小時內可求解出一些近 2 億子句規(guī)模的算例。
數字化時代下,科學研究范式正在發(fā)生革命,人工智能、云原生技術等前沿科學正在顛覆芯片產業(yè)過去的經驗和模式。
回顧EDA的歷史我們可以發(fā)現,在過去30年里,芯片的集成規(guī)模提高了數萬倍、設計難度和成本也急劇增加,但是EDA作為集成電路設計工具,在方法論革新與顛覆式技術創(chuàng)新卻一直沒有突破,無法支撐快速增加并急劇分化的應用需求。EDA工具和方法學需要全面進階,才能降低技術門檻,進一步提升芯片技術發(fā)展的速度和創(chuàng)新的效率。
傅強表示,在后摩爾時代中,芯片設計環(huán)節(jié)必須得到革命性的變革和發(fā)展,而未來的數字化系統(tǒng)是由“系統(tǒng)+算法+軟件+芯片”深度融合集成的。系統(tǒng)應用的創(chuàng)新對芯片產生了更多的定制化需求,現在EDA的發(fā)展速度越來越跟不上芯片設計規(guī)模和需求的快速增長,我們必須研究和發(fā)展下一代的EDA 2.0技術并構建面向未來的全新生態(tài)。
面向未來的EDA 2.0有三大關鍵技術路徑:
?開放和標準化
?自動化和智能化
?平臺化和服務化
EDA 2.0的目標是要讓系統(tǒng)工程師和軟件工程師都能參與到芯片設計中來,解決設計難、人才少、設計周期長、設計成本高企的問題,用智能化的工具和服務化的平臺來縮短從芯片需求到應用創(chuàng)新的周期。
傅強表示,EDA 2.0不再是工具的組合,而是一個服務化、可定制的完整平臺,可以直接服務不同的應用需求,支持其快速設計和部署芯片產品,實現更高效更簡單的應用創(chuàng)新周期,讓芯片設計更簡單、更普惠。
CPU 是一個復雜系統(tǒng),在我們國家追求自主性的過程中,牽涉到三個維度的自主性,包括基于自主 IP 核的芯片設計、基于自主指令系統(tǒng)的軟件生態(tài),以及基于自主材料設備的生產工藝。
一個芯片里集成大量的 IP 核,IP 核是否自主設計是最基礎的維度。指令集系統(tǒng)承載著軟件生態(tài),軟件生態(tài)控制著產業(yè)體系,而產業(yè)體系是最大的卡脖子環(huán)節(jié),基于國外指令集不可能發(fā)展自主的信息產業(yè)體系。由此,自主性顯得十分重要。
彭飛指出,中國一定要下定決心構建獨立于 Wintel 體系和 AA 體系之外的自主的信息技術體系和產業(yè)生態(tài)體系。前兩大生態(tài)體系——X86 的生態(tài)體系和 ARM 的生態(tài)體系是美國主導的信息化生態(tài)體系,未來要有基于我們國家的指令系統(tǒng)、國產的操作系統(tǒng)形成的,和這兩個生態(tài)體系平行的一套生態(tài)體系。
“這是產業(yè)的基礎,在別人的基礎上蓋房子總是不牢靠的”,彭飛在演講中說道。
除了自主性,指令集的兼容性也很重要。龍芯中科基于二十年的CPU研制和生態(tài)建設積累推出的LoongArch指令系統(tǒng),充分考慮兼容生態(tài)的需求,融合 X86、 ARM 等國際主流指令系統(tǒng)的主要功能特性,并依托龍芯研發(fā)團隊在二進制翻譯方面十余年的技術積累創(chuàng)新,可實現跨指令平臺應用兼容,從而達到融合生態(tài)的目的。
去年,《十四五規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》提出了在類腦智能等重大前沿科技和產業(yè)變革領域,組織實施未來產業(yè)孵化與加速計劃。
目前在計算機芯片領域存在三個架構——CPU 架構、GPU 架構、神經擬態(tài)(類腦)架構,前兩者均是馮諾伊曼架構,僅有最后一個是非馮諾伊曼架構。
理論上講,計算領域未來十年的創(chuàng)新是架構的創(chuàng)新,這是非常正確的方向。在華寶洪看來,創(chuàng)新的神經擬態(tài)(類腦)架構提供了超越GPU架構一個好機會,尤其是在計算能效比等領域具有獨特的優(yōu)勢。
類腦計算具有抗噪音、時空相關性、稀疏和近似計算等特點,能夠顛覆依賴空間復雜度的傳統(tǒng)計算。事實上,類腦計算和深度學習僅僅在感知層面是重合的,類腦計算的領域遠超深度學習的領域,類腦計算更多的面向腦科學和認知領域。
華寶洪認為,類腦計算給現有計算帶來的啟發(fā)是:一是非馮結構計算體系的啟發(fā),二是低功耗信息存儲和脈沖傳輸的啟發(fā),三是在大規(guī)模并行計算/片上學習上的啟發(fā)。
在演講中,華寶洪還分享了靈汐科技在類腦計算領域最新成果KA200芯片及產品,在一系列的回望與分享中,華寶洪總結表示,“碳基能實現的智能,硅基也可以實現”。
作為國內首家專注于提供 DPU 產品和服務的公司,大禹智芯有著深厚的云計算和軟件背景,由此,王昕溥從軟件的角度談到了對芯片的思考。
他談到了在某互聯(lián)網大廠早期與頭部芯片廠商的一次成功合作,雙方合作中在軟硬件層面的努力,實際上正是一款專用領域芯片從需求到定義再到上線的完整過程。
王昕溥表示,能為計算機的發(fā)展起到帶動作用的,肯定是革命性的硬件,而硬件發(fā)展過程中也對軟件帶來很大的挑戰(zhàn);如何把硬件性能發(fā)揮到極致,就是軟件人員要做的事情。
結合大禹智芯的DPU研發(fā)經驗及產品實現商業(yè)化交付的經歷,王昕溥分享了他對做好國產專用領域芯片的三個關鍵依托:第一是要從實際需求出發(fā);第二是要重視軟件、發(fā)展生態(tài);第三是要讓專用領域芯片的適用面更大一些,變得更加通用。
王昕溥還分享了大禹智芯在 DPU 領域的一些思考和目標。他認為,DPU 是開創(chuàng)時代、創(chuàng)新型的硬件,未來會扮演更重要的角色;DPU將與 CPU 和 GPU 齊驅,成為云計算第三引擎;另外,DPU 不僅僅是集中在云計算和數據中心使用,也能夠在未來 5G 和邊緣計算場景中找到機會。
他在最后談到,專用領域芯片在這個時代里有非常好的機會。在各種定律、各種周期結合下,能夠形成新的浪潮,讓軟件、應用領域從業(yè)者加入其中,一起為國產芯片做出自己的貢獻。
不同于前五位演講嘉賓從技術、產業(yè)角度出發(fā)進行解讀,云岫資本趙占祥的分享主要從資本角度切入。
從今年半導體股權投資的整體統(tǒng)計結果來看,目前國產高端芯片投資火力主要在于三大方向——數據中心芯片、汽車芯片與芯片制造。
據云岫資本統(tǒng)計,今年的前 11 個月的投資案例比去年增加了 34.6%,投資金額接近1300 億元,預計今年全年可以達到 1400 億元。
從半導體在科創(chuàng)板的表現來看,截至11月29日,科創(chuàng)板共有公司 362 家,其中芯片公司 56 家。從市值來看,芯片公司占了科創(chuàng)板市值十強的一半,占了總市值 26%。
不過,在今年上半年,芯片公司市值略微有所下降,在下半年才開始突飛猛進。其中,芯片設備公司漲了近一倍,這主要因為芯片缺芯促進生產,工廠有訂單購入設備,由此帶動了設備公司的市值。
目前來看,我國半導體投資市場存在明顯的龍頭效應,7% 的公司拿了 60% 的資金,這些公司未來或將是中國半導體高端芯片的代表。
趙占祥表示,未來中國半導體的格局是金字塔格局,少數的龍頭企業(yè)和一大批的專精特新企業(yè)。龍頭企業(yè)最終的數量不到100家,專精特新企業(yè)有上千家。
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