一位美國半導體大牛談中國IP及異構計算發(fā)展機遇

       目前，中國已經(jīng)是世界第二大經(jīng)濟體，在移動(dòng)支付、智能手機、家電、汽車(chē)等眾多信息技術(shù)、電子產(chǎn)品、大宗消費品領(lǐng)域市場(chǎng)位居全球第一。但是在全球集成電路產(chǎn)業(yè)格局中中國自主創(chuàng )新的比重還是偏小，尤其是涉及到集成電路產(chǎn)業(yè)鏈最上游的核心IP環(huán)節，幾乎是空白。IP代表了一個(gè)國家集成電路產(chǎn)業(yè)的創(chuàng )新水平和創(chuàng )新能力。以美國為例，Intel、英偉達、賽靈思這些芯片巨頭都聚焦基于自主IP的原始創(chuàng )新、設計創(chuàng )新和架構創(chuàng )新，而中國的芯片公司更多的是嘗試應用創(chuàng )新、集成創(chuàng )新和采用最新的工藝。中國已經(jīng)有近1700家IC設計公司，但是99%的公司的核心IP（CPU、DSP、GPU等）都許可自ARM、CEVA、Cadence等少數幾家外國公司。中國應該有自己的“ARM”，而不是把中國集成電路的核心知識產(chǎn)權、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng )新能力寄托在別人身上，應該盡快完善和提升在供應鏈、產(chǎn)業(yè)鏈中處于關(guān)鍵地位的IP技術(shù)。值得注意的是，伴隨著(zhù)開(kāi)源指令集RISC-V大受青睞，IBM Power、MIPS等老牌指令集陸續開(kāi)源，在這種情況下，是否還需要發(fā)展本土處理器IP，讓我們看看一位美國技術(shù)大牛的見(jiàn)解。

       在近日召開(kāi)“中國（深圳）集成電路峰會(huì )”上，電子創(chuàng )新網(wǎng)專(zhuān)訪(fǎng)了華夏芯（北京）通用處理器有限公司的CTO John Glossner博士。Glossner博士是全球異構系統架構HSA聯(lián)盟主席、軟件無(wú)線(xiàn)電協(xié)會(huì )（Wireless Innovation Forum）董事兼秘書(shū)長(cháng)，同時(shí)還兼任華夏芯美國子公司Optimum Semiconductor Technologies（OST）的首席執行官。Glossner博士擁有120多篇論文和36項專(zhuān)利，是處理器領(lǐng)域的大牛，他分享了中國本土IP發(fā)展的一些思路。

華夏芯CTO  John Glossner博士

       據Glossner博士介紹，華夏芯是中國唯一一家同時(shí)擁有全自主高端CPU、DSP、AI等處理器IP核、從事IP授權和芯片定制化設計的商業(yè)化集成電路企業(yè)?！拔覀兪侨蛐酒竞徒K端產(chǎn)品廠(chǎng)商的深度合作伙伴。在應用選擇上，我們一直瞄準智能駕駛、安防監控、機器人、計算機視覺(jué)、智能家居、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新興領(lǐng)域。一是看好這些領(lǐng)域未來(lái)的市場(chǎng)潛力，二是這些領(lǐng)域不存在所謂的生態(tài)問(wèn)題和壟斷巨頭” 。他指出，“隨著(zhù)摩爾定律逐漸走向極限，我們進(jìn)入了后摩爾時(shí)代， IC設計的新趨勢是從單純追求先進(jìn)工藝演進(jìn)到積極推動(dòng)架構創(chuàng )新。異構設計創(chuàng )新將大放異彩，而且這個(gè)趨勢不會(huì )改變” 。

       Glossner博士指出異構計算之路始于GPU，從僅僅作為圖形處理加速器轉變?yōu)榭捎糜趫绦谐Ｒ幱嬎愎δ?，如應用在A(yíng)I領(lǐng)域進(jìn)行天氣預報等?！皢?wèn)題是還必須通過(guò)CPU控制GPU，這通常意味著(zhù)不得不采用基于操作系統調用的IO操作來(lái)實(shí)現昂貴的、往返多次的數據復制。而異構系統架構（HSA）帶有緩存一致的共享虛擬內存，允許所有處理器在相同的內存地址空間工作，無(wú)需I/O重復操作” 。傳統系統架構中兩個(gè)處理器仍然有獨立的開(kāi)發(fā)環(huán)境，并且更難的是不同供應商的GPU就有不同的工具鏈和指令集架構（ISA）。因此，一個(gè)名為HSAIL的虛擬指令集（類(lèi)似一種異構的Java-esque虛擬機）被開(kāi)發(fā)出來(lái)，可以提供一個(gè)通用的編譯器中間表示（IL），該中間表示（IL）隨后被“finalized”到每個(gè)物理GPU指令集上?！爱悩嬒到y架構（HSA）后來(lái)將HSAIL擴展到DSP和FPGA上” 他進(jìn)一步解釋說(shuō)。

       目前華夏芯已經(jīng)推出了一套名為Unity的異構指令集平臺，適用于不同類(lèi)型處理器的設計，如CPU、DSP、GPU、AI等。它的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是為程序員提供了一個(gè)可用于開(kāi)發(fā)、編譯和調試程序的統一工具鏈。與其他大多數系統相比，這大大提高了處理能力?！拔覀儗樵S多不同類(lèi)型的異構系統提供可授權IP內核，并提供包含CPU、DSP、Vector和AI處理單元的經(jīng)過(guò)驗證的芯片。我們已經(jīng)將這些IP內核集成到華夏芯的一款GP8300 SoC中，其中包含4個(gè)緩存一致的CPU/Vector處理器以及2個(gè)面向邊緣應用的AI加速器” 。Glossner博士指出。

       GP8300是面向視覺(jué)分析和AI加速計算的高性能SOC，用28nm工藝設計，集成了華夏芯自主架構的4核64位超標量CPU和2核AI專(zhuān)用處理器，適用于輔助駕駛（ADAS）、智能監控、機器人、邊緣計算等應用?！?nbsp;    

       Glossner博士表示從異構計算的應用場(chǎng)景來(lái)看，異構計算非常適用于5G相關(guān)應用，包括無(wú)人駕駛、智能安防、數據中心、智能手機等各種場(chǎng)景。目前，這些領(lǐng)域正不斷涌現出各種異構創(chuàng )新的產(chǎn)品。

       在芯片工藝成本不斷指數級提升的今天，業(yè)界已經(jīng)達成的共識就是：通過(guò)異構計算在提升性能、降低功耗的同時(shí)，減少芯片工藝相關(guān)的投入，降低設計和編程開(kāi)發(fā)的門(mén)檻。尤其我們進(jìn)入了智慧物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代以后，通過(guò)異構實(shí)現傳感器的融合，更滿(mǎn)足了AIoT的需要。

        Glossner博士認為異構計算也是中國、甚至全球處理器行業(yè)打破傳統巨頭壟斷的最有可能的領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據、人工智能的快速發(fā)展給信息產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了巨大的發(fā)展空間，但同時(shí)對芯片提出了全新的性能、功耗等方面的要求?；诋悩嬘嬎慵軜嫷男酒?，或稱(chēng)之為“CPU+”，是把CPU、GPU、DSP、AI加速器等不同類(lèi)型的處理器內核高效地融合在同一顆芯片上，實(shí)現協(xié)同運算、協(xié)同存儲與協(xié)同管理，在性能、功耗等技術(shù)指標上與現有同構多核處理器相比較，有數倍甚至數十倍的提高。

       為了推廣異構計算，全球異構系統架構（HSA）聯(lián)盟強調了生態(tài)共建、資源共享（包括軟件庫的重用、共享）的戰略發(fā)展定位。作為全球異構系統架構HSA聯(lián)盟主席Glossner博士積極推動(dòng)異構計算，他認為HSA就是一套免版稅的開(kāi)放式API，旨在實(shí)現異構計算平臺對程序員的友好。HSA的目標是使異構系統的編程既高效又簡(jiǎn)易。緩存一致的共享虛擬內存避免數據副本，API提供支持python，C++等多種語(yǔ)言的統一編程環(huán)境。

        Glossner博士認為異構計算為中國集成電路產(chǎn)業(yè)提供了良好的發(fā)展機遇，因為在這一領(lǐng)域，各國IP公司基本處在同一起跑線(xiàn)上，有些技術(shù)方面中國甚至做了不少的基礎研究工作。如果能抓住這一難得的歷史機遇，從異構計算的IP領(lǐng)域切入，完全有可能深度影響甚至推動(dòng)全球異構計算產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。比如，為推動(dòng)中國異構計算的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，HSA中國工作組CRC于2017年成立，目前已有近40家會(huì )員，主要承擔HSA在全球最大的市場(chǎng)推廣和完善HSA標準的重任。以CRC為基礎，又成立了中國異構計算標準（CSH）組，一批包括安全、片上互聯(lián)、軟件無(wú)線(xiàn)電的標準草案即將發(fā)布。

       對于當前熱門(mén)的AI芯片，5G芯片，Glossner博士認為，在采用異構計算體系架構后，芯片相關(guān)的性能、功耗等核心指標都將出現相當顯著(zhù)的改善。與此同時(shí)，它們的系統能力與用戶(hù)體驗都將實(shí)現大幅提升。

       另外，Glossner博士指出和目前火爆的RISC-V相比，華夏芯的指令集從一開(kāi)始就是為異構計算而設計的。華夏芯特別希望在統一指令集內，在相同的編程環(huán)境內，支持CPU、DSP、Vector、AI等?！拔覀僆SA的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)實(shí)現都可以運行用戶(hù)程序。這意味著(zhù)如果GPU正在忙于運行3D圖形，并且假設矢量DSP可用，即使執行速度可能沒(méi)有GPU那么快，仍然可以在DSP上運行用戶(hù)程序。我們的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是向程序員提供了一個(gè)通用工具鏈。這意味著(zhù)他們不必擔心控制代碼的CPU工具鏈和每個(gè)加速器的工具鏈不同，這可以顯著(zhù)提高程序員的工作效率” 。Glossner博士指出，“RISC-V主要是一個(gè)CPU指令集。有些團體定義了RISC-V的擴展，包括DSP和GPU擴展(這一點(diǎn)和華夏芯很像)，但它們還不是官方架構的一部分。對于一個(gè)需要平衡各方利益的基金會(huì )來(lái)說(shuō)，這一道路還很漫長(cháng)” 。

       “但是，華夏芯的異構架構發(fā)展速度會(huì )很快?！?Glossner博士表示，“針對兩年內熱門(mén)的5G和AI落地應用需求，華夏芯為CPU、矢量DSP和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )（CNN）提供經(jīng)過(guò)硅驗證的可授權IP。這里面的每一個(gè)處理器都有一個(gè)自己的路線(xiàn)圖，其中一些已經(jīng)處于第三代設計中，每個(gè)處理器系列都各具特點(diǎn)。此外，所有IP內核都是客戶(hù)可配置的。在未來(lái)，除了持續增強我們當前的IP產(chǎn)品外，您還可以期待看到新的GPU內核和更廣泛的AI功能。除此之外，我們還為客戶(hù)打造了包含我們IP內核的SoC，針對包括AIoT、邊緣計算、智能家居、智能城市等多個(gè)市場(chǎng)。對于一些客戶(hù)而言，構建高集成度異構芯片可能非常具有挑戰性。因此，我們可以為這些具有挑戰性的SoC設計提供支持” 。

       據悉，目前GNN是華夏芯新一代的FPGA加速器平臺，它的編譯器能夠直接將網(wǎng)絡(luò )模型轉換成FPGA的網(wǎng)表，其特點(diǎn)是：1、FPGA利用率高、高性能、低功耗，適用于數據中心（超大規模負載的實(shí)時(shí)AI處理)和嵌入式應用；2、單管道、較低延遲，適用于需要實(shí)時(shí)性能的應用、視頻流對象檢測與識別。

       華夏芯董事長(cháng)李科奕曾指出：“縱觀(guān)全球，以異構計算為代表的半導體產(chǎn)業(yè)新的賽道正在構建，新的生態(tài)也正在形成，這一點(diǎn)應該引起國內同行的關(guān)注，畢竟這是一個(gè)由人工智能推動(dòng)的、新型計算快速發(fā)展的黃金時(shí)代” 。

       在這場(chǎng)全新的競賽中，應當超越傳統的思維方式，采用顛覆式創(chuàng )新路徑才可能把握新機遇、開(kāi)創(chuàng )新格局。