許居衍院士：下一波芯片技術(shù)的創(chuàng )新前瞻

1   從物理角度看物聯(lián)網(wǎng)的挑戰

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，帶來(lái)了數據洪流，對數據處理帶來(lái)了巨大挑戰。

許居衍院士是物理專(zhuān)業(yè)出身，從物理挑戰的角度看，實(shí)際上我們沒(méi)有進(jìn)行物理計算。物理計算最重要的是模擬計算，1960 年曾出現過(guò)，但是很快就被淹沒(méi)了。許院士認為，現在應該重視涉及新的算法、編程、控制的模擬計算了。

現有技術(shù)難以滿(mǎn)足未來(lái)需要。

●   摩爾定律還在延續，只是速度會(huì )減慢。過(guò)去是每18 個(gè)月性能翻一番，到2005 年時(shí)，變成每3.5 年翻一番。那時(shí)幾何等比例縮小是不能用的，因玻爾茲曼統計法在物理層面行不通了。在2015 年是6 年翻一番，盡管人們做了很多的努力，例如改用了納米制程、采用新材料等，但材料層面的量子效應出來(lái)了。到現在為止已經(jīng)是要20 年翻一番（如圖1）。原因之一是功耗已碰墻，因為半導體器件發(fā)熱很厲害。

圖1 現行技術(shù)難以滿(mǎn)足未來(lái)需求

●   馮·諾伊曼架構已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要。因為該架構需要不斷地在存儲和計算之間搬運數據，消耗了一半甚至絕大部分的工作量，而邏輯處理只占很小的部分。

2   今后會(huì )有哪些新技術(shù)？

因此，人們寄希望于技術(shù)創(chuàng )新。這些新技術(shù)需要滿(mǎn)足的條件是：①集成度可以提高，且成本不能太高；②開(kāi)關(guān)速度快；③能效高；④處理信息功能優(yōu)于CMOS。這些技術(shù)從何而來(lái)？新、老技術(shù)之間有什么關(guān)聯(lián)性？它們與ICT（信息與通信技術(shù)）有什么關(guān)系？

2018 年聯(lián)合國對ICT 的定義是：主要通過(guò)電子手段完成信息的加工和通信的產(chǎn)品和服務(wù)。

ICT 產(chǎn)業(yè)奠定了數字化經(jīng)濟的基礎。ICT 制造包括元器件、計算機設備、通信設備和消費產(chǎn)品（如圖2）。

以下是許院士的觀(guān)點(diǎn)和分析，僅供參考。從以下引導出來(lái)的技術(shù)，與國際半導體技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（ITRS）及其他地方的介紹是一致的。

處理技術(shù)、存儲技術(shù)本質(zhì)上是器件技術(shù)；通信里有協(xié)議、架構；信息處理里有計算架構、軟件。所以ICT由器件、軟件和架構三個(gè)部分組成（如圖3）。①軟件和器件組合，就是“軟件定義器件”，②軟件和架構的相互作用，就是“軟件定義架構”，③器件和架構的相互作用產(chǎn)生四大技術(shù)群。

2.1 軟件定義器件

2017 年DARPA（美國國防高級研究計劃局）推出“電子復興計劃”，其中提出SDH（軟件定義硬件），特點(diǎn)是既可以像CPU 一樣編程，又可以性能很高，比現在CPU 性能提高成百上千倍。2020 年代將會(huì )是“軟件定義器件”的一個(gè)高峰期，舉2 個(gè)例子，一個(gè)是牧村浪潮，這是牧村先生2014 年提出來(lái)，認為2017—2027年是高度靈活超級集成的時(shí)代。許居衍院士比牧村先生提前了14 年提出可重構的系統級芯片，預計在2018—2028 年芯片的靈活性/ 可重構性非常高（如圖4）。

圖4 許居衍院士20世紀80年代末提出、90年代初發(fā)表的“半導體特征循環(huán)”已完整提到第六波和第七波，第七波特征當時(shí)用“？”表示，2000年拉直“？”為可重構的系統級芯片^[1]

2.2 軟件定義架構

即把硬件和軟件分隔開(kāi)來(lái)，用SDA 簡(jiǎn)化了Web Scare 的實(shí)現。Web Scare 是2013 年由市場(chǎng)調查公司Gartner 提出來(lái)的，指大型云服務(wù)公司必須將軟件擴展到龐大的受眾群體，同時(shí)保持足夠的敏捷性，以具備快速適應的能力?？梢?jiàn)SDA 重塑了信息基礎架構，將成為ICT 發(fā)展的主旋律。

關(guān)于軟件定義，上面已介紹了2 方面：①軟件定義硬件，②軟件定義架構。實(shí)際上，軟件定義一切?？梢杂脙删湓?huà)概括：有限的資源，“無(wú)限”的暢想?，F在人們都知道“萬(wàn)物皆互聯(lián)，一切可編程”?！耙磺锌删幊獭狈浅Ｖ匾囊稽c(diǎn)就是應用編程接口（API），在A(yíng)PI 之上可以編程，在接口的下面，也就是基礎設施部分，沒(méi)有必要時(shí)它基本上不動(dòng)。軟件定義的核心是API，它解耦了軟、硬件之間的關(guān)系。軟件定義有三大特點(diǎn)：①推動(dòng)應用軟件向個(gè)性化發(fā)展，②硬件資源向標準化發(fā)展，③系統功能向智能化發(fā)展。

2.3 器件和架構的互動(dòng)作用

器件本身是怎么組織起來(lái)的？怎么設計的？應該有多少功能塊？這些功能塊應該怎么運行？有了軟件，軟件又來(lái)影響架構。所以器件和架構是相互影響的。但是很重要的一點(diǎn)，器件是通過(guò)架構走向應用的。器件包括很多，有電子的、光子的、離子的、激子的，現在除了電子我們非常熟悉之外，光子、離子、激子等才剛剛開(kāi)始。實(shí)際上，所有的物理粒子都可以用來(lái)做器件。

如果分析硅CMOS 和新器件、馮·諾伊曼架構和新興架構，可分成4 大類(lèi)。

1）“硅馮”范式：硅CMOS 技術(shù)與馮·諾依曼結合目前是最重要的應用。它是0/1 模式，通過(guò)計算機的二進(jìn)制計算來(lái)表征事物的特征及其演變過(guò)程。我們現在所有的東西都是這種0/1 表示。

“硅馮”范式引起了思考。在國際計算機體系結構大會(huì )ISCA2018 的圖靈獎演講會(huì )上，ACM/IEEE 邀請了2017 年圖靈獎獲得者John L. Hennessy 與David Patterson聯(lián)合進(jìn)行了一場(chǎng)關(guān)于未來(lái)計算機體系結構發(fā)展道路探索的演講，二位專(zhuān)家展望未來(lái)10 年是架構創(chuàng )新的黃金時(shí)代。

2019 年，在SEMI-West 上，產(chǎn)業(yè)界的AMD、英偉達也提出了類(lèi)似觀(guān)點(diǎn)：靈活應變的架構將引領(lǐng)未來(lái)?？梢?jiàn)，當摩爾定律逐漸終結時(shí)，體系結構正在閃耀新的活力。摩爾定律的終結可能是計算中發(fā)生的最好事情。

后摩爾時(shí)代的創(chuàng )新無(wú)窮。如圖5，最底下是More Moore（深度摩爾）。此外，還有More than Moore（超越摩爾），包括2D/3D 封裝、HC/HI（異構計算和異構集成/ 異質(zhì)集成）、DSA（特定領(lǐng)域架構）、SDH（軟件定義硬件）等。

●   More Moore 從原理上看非常簡(jiǎn)單，做起來(lái)相當復雜。以前是平面的，是一個(gè)面的溝道場(chǎng)效應管，后來(lái)是FinFET，在3 個(gè)維度來(lái)控制溝道。再下去，3 面不行，是4 面…… 。

光刻制程現在也仍然在發(fā)展，IBM 已發(fā)布2 nm 制程，臺積電預計2025 年將量產(chǎn)2 nm 技術(shù)芯片?，F在很多人預計，除非有新的發(fā)現，到2025 年很難再做下去了。

●   More than Moore 的芯粒很重要的是異構計算，用API 把CPU Host 和各種加速部件連接起來(lái)。這里強調一點(diǎn)，就是基于新的異構集成將會(huì )引領(lǐng)半導體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展時(shí)期，例如基于芯粒的集成。

不管是MPU， 還是SoC、GPU、FPGA、AI、IoT等先進(jìn)和高集成的芯片產(chǎn)品都可以做成芯粒。例如手機芯片早已是芯粒。芯粒的應用將越來(lái)越多，將用于汽車(chē)電子、消費電子、工業(yè)自動(dòng)化、醫療保健、國防、信息與通信等最終用途的行業(yè)中。據Transparency Market Research 報告，2021—2031 年芯粒的年復合增長(cháng)率將達36.4%，到2031 年，芯粒市場(chǎng)的估值將超過(guò)471.9 億美元。

國外在芯粒方面做得較好，例如一家單位搞了硅光結合的“光芯粒（optical chiplet）”。因為光和電是非常難融合的。因此將來(lái)光芯粒會(huì )不會(huì )促進(jìn)發(fā)展呢？如果可以的話(huà)，摩爾定律可能會(huì )梅開(kāi)二度。芯粒有可能推進(jìn)“光進(jìn)銅退”。例如數據中心，用于眾多服務(wù)器、內存和計算資源之間的通信連接，從而推動(dòng)“在封裝級實(shí)現光進(jìn)銅退”。因為一些超級計算機用電傳輸幾厘米就不得了了，但光纜可以傳出去幾里，這樣一來(lái)，預計2023年將會(huì )很快進(jìn)入大型數據中心。過(guò)去，光纖已進(jìn)入了家庭、城市，現在要到芯片封裝里。

2）“類(lèi)硅”模式：新器件與馮·諾伊曼架構的結合現在的共識是：下一代最好的情況是能進(jìn)入跟CMOS雷同的二值開(kāi)關(guān)，如果是這樣，摩爾定律還可以再延續一段時(shí)間。這一共識印證了許居衍院士等專(zhuān)家演繹的“類(lèi)硅”模式是對的。

一些大公司，諸如Intel、IMEC、NRI 等認為“類(lèi)硅”有兩種途徑：①擴展CMOS，②非CMOS 的，仍然基于電荷變換（如圖6）。

3）“類(lèi)腦”模式：仍然利用現有硅CMOS 器件技術(shù)，但架構不是馮·諾伊曼架構，是通過(guò)神經(jīng)突觸傳遞的。馮·諾伊曼是存算分離的，新架構是存算一體的，馮·諾伊曼的叫做程序流，它是事件流（數據處理的）。

舉兩個(gè)極端的例子。

●   IBM 的TrueNorth 是一個(gè)非常著(zhù)名的模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。神經(jīng)內核是4096 個(gè)核，模擬100 萬(wàn)個(gè)可編程神經(jīng)元和2.56 億個(gè)可編程突觸。其中1 個(gè)核里包括調度器、控制器、路由器、神經(jīng)元，這里有256 個(gè)神經(jīng)元（處理器）、256 個(gè)軸突（存儲器）和64 k 的突觸（通信）。其最主要的特色是異步計算（大腦式架構）。當然，在接口和時(shí)序方面為同步，但其他地方是異步的。異步時(shí)，當事件沒(méi)有來(lái)的時(shí)候，是0，所以功耗才70 mW；如果變成同步了，大概要100 mW。

●   中科院計算所的DianNao， 如圖7， 片上存儲單元有NBin（保存的輸入數據），NBout（保存的輸出數據），SB（保存模型的權值），三者占66%。計算單元是NFU（神經(jīng)功能單元）， 占28%。NFU 是典型的點(diǎn)乘器（dot-product）方案，上面是一個(gè)點(diǎn)乘，下面是累加，累加以后數據有2 個(gè)輸入、1 個(gè)直接輸出。輸出就是1 個(gè)尖峰/ 脈沖了。它的一個(gè)優(yōu)勢是可以存儲在計算機里，然后再處理。

4）“新興”范式：新興架構和新器件來(lái)做（如圖8）。國際半導體技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)圖（ITRS）上指出，新的物理粒子有激子、離子、光波。

(a)芯片結構

（b）點(diǎn)乘器結構

圖7 中科院計算所DianNao架構

圖8 新興范式

物理態(tài)變量，除了電子電荷外，還有自旋、相位、極性、軌道對稱(chēng)性、磁通量、分子構型等。例如英特爾的下一代架構是量子和神經(jīng)形態(tài)體系結構，許院士認為是非常重要的技術(shù)。

●   新興器件是另類(lèi)的信息處理。新興器件包括自旋波器件（SWD）、激子器件、納米磁性邏輯（NML）、發(fā)光器件/ 晶體管激光器（TL）。

●   新興架構包括模擬計算、神經(jīng)計算、量子計算。

許院士有一個(gè)非常新的觀(guān)點(diǎn)：我們現在通過(guò)API 連接異構計算（GPU、FPGA 等），未來(lái)新興計算在相當長(cháng)的時(shí)期里也將與傳統計算通過(guò)微服務(wù)（API）組成專(zhuān)業(yè)計算機（specialized computers）。后摩爾時(shí)代，異構計算、異構（質(zhì)）集成將得到很大發(fā)展。

3   結束語(yǔ)

●   物聯(lián)網(wǎng)模擬數據持續泛濫，導致了ICT面臨顛覆性的創(chuàng )新挑戰。

●   在硬件顛覆更新之前，軟件定義仍將“ 吞噬一切”。但是在架構創(chuàng )新的時(shí)代，尤其是“新興”范式出來(lái)以后，軟件的作用還無(wú)法預測。

●   摩爾定律失效驅動(dòng)了創(chuàng )新的“百花齊放”，現在是年輕人創(chuàng )業(yè)的最佳時(shí)機。盡管硅CMOS 技術(shù)和馮·諾伊曼計算架構仍將（或分別）長(cháng)期主導ICT 發(fā)展，但先進(jìn)器件、材料、封裝和新型通信、新興架構已經(jīng)在推動(dòng)/ 沖擊著(zhù)ICT 的變革。

●   “硅馮”范式還有一定的韌性，有人說(shuō)還可以維持50~100 年，仍是十分重要的。人們關(guān)心異構計算科學(xué)。

另外，許院士還談到，十幾年前他看到蘋(píng)果公司開(kāi)始收購半導體公司時(shí)，就覺(jué)察到未來(lái)將是大型系統公司/互聯(lián)網(wǎng)公司等企業(yè)介入芯片的時(shí)代。

多年后^{[ 注1]}，許院士和黃安君在《電子產(chǎn)品世界》雜志發(fā)表文章，提出觀(guān)點(diǎn)：硅將會(huì )變得和空氣、水一樣重要，但是又非常普通，大家都可以很容易地進(jìn)來(lái)?，F在有一個(gè)數據，我國現在對外代工的企業(yè)中，5% 是系統商，17% 是半導體設計公司——這兩類(lèi)企業(yè)已經(jīng)占了很大的份額，將來(lái)可能份額更大。

參考文獻：

[1] 黃安君.牧村先生也拓展到第七波了[R/OL].電子產(chǎn)品世界[2015-5-18].http://dyxdggzs.com/article/275226.htm

[注1]：這個(gè)預測是2008年提出,隨后在魏少軍主持的通信專(zhuān)用集成電路年會(huì )上做了報告.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）