億鑄科技聚焦國產(chǎn)存算一體AI大算力芯片，28納米工藝實(shí)現10倍能效比

“數字時(shí)代的關(guān)鍵資源是數據、算力和算法，其中數據是新生產(chǎn)資料，算力是新生產(chǎn)力，算法是新生產(chǎn)關(guān)系，三者構成數字經(jīng)濟時(shí)代最基本的生產(chǎn)基石?！?/p>本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/202209/438189.htm

2021年9月，中國信息通信研究院發(fā)布的《中國算力發(fā)展指數白皮書(shū)》中，用上述結論強調了算力在數字經(jīng)濟時(shí)代的基礎性作用。今年2月，多部委聯(lián)合印發(fā)通知，同意在京津冀、長(cháng)三角、粵港澳大灣區、成渝、內蒙古、貴州、甘肅、寧夏等8地啟動(dòng)建設國家算力樞紐節點(diǎn)，并規劃了10個(gè)國家數據中心集群，這標志著(zhù)全國一體化大數據中心體系——“東數西算”工程正式全面啟動(dòng)。

這項被稱(chēng)為數字經(jīng)濟時(shí)代的“南水北調”“西電東送”“西氣東輸”的重大工程受到全社會(huì )高度關(guān)注。而在熱點(diǎn)背后，當上千億參數的超大規模深度學(xué)習模型成為現實(shí)，指引整個(gè)人工智能產(chǎn)業(yè)尋找一條新的可行之路，縮短我們與通用智能的距離之時(shí)，海量數據所引發(fā)的超大算力需求，導致了目前的一個(gè)客觀(guān)現狀：算力的發(fā)展始終未能跟上算法的發(fā)展，這對芯片半導體領(lǐng)域提出了新的挑戰。

怎樣實(shí)現“既能低功耗、又能高精度、還能大算力”，已成為“后摩爾時(shí)代”全球數字經(jīng)濟體可持續發(fā)展的基礎與核心。

實(shí)際上，當大洋彼岸的美國對我國芯片半導體產(chǎn)業(yè)一步步封鎖，通過(guò)不斷干預中國購買(mǎi)光刻機、組建“芯片聯(lián)盟”阻礙中國發(fā)展先進(jìn)半導體產(chǎn)業(yè)以來(lái)，我國就在為擺脫芯片受制于人的局面大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)創(chuàng )新。先是8月9日美國通過(guò)《2022年芯片和科學(xué)法案》，接著(zhù)是8月31日，芯片巨頭英偉達和AMD均接到美國政府的要求，被限制向中國出口最新旗艦GPU計算芯片及板卡，一批擁有國產(chǎn)自主研發(fā)能力的半導體企業(yè)主動(dòng)或被動(dòng)地走入了大眾視野。

創(chuàng )立于2020年，以存算一體AI大算力芯片技術(shù)作為突破口的億鑄科技便是其中之一，作為國內首家研發(fā)基于ReRAM（RRAM）全數字存算一體AI大算力芯片的企業(yè)，在摩爾定律逼近物理極限的情況下，億鑄科技嘗試通過(guò)架構創(chuàng )新突破馮·諾伊曼瓶頸，成為中國AI芯片創(chuàng )業(yè)大軍中的革新者，也為解決國內AI算力尤其是大算力的困局提供了新的方向。

超越“摩爾時(shí)代”，億鑄聚焦存算一體架構的AI大算力芯片

早在1992年，中國工程院院士許居衍就預測，到2014年后，半導體產(chǎn)業(yè)將會(huì )遇到拐點(diǎn)，并進(jìn)入“后摩爾時(shí)代”。

這種預測的根據在于，在傳統的馮·諾依曼計算系統采用存儲和運算分離的架構下，80%-90%的功耗發(fā)生在數據傳輸上，99%的時(shí)間消耗在存儲器讀寫(xiě)過(guò)程中，真正用于計算的能耗和時(shí)間占比很低，于是造成“能耗墻”和“存儲墻”的出現。而存算分離的架構非常容易導致數據搬運過(guò)程中發(fā)生擁塞，尤其是在動(dòng)態(tài)環(huán)境下，對數據進(jìn)行調度和管理其實(shí)非常復雜，導致編譯器無(wú)法在靜態(tài)可預測的情況下對算子、函數、程序或者網(wǎng)絡(luò )做整體的優(yōu)化，只能手動(dòng)、一個(gè)個(gè)或者一層層對程序進(jìn)行優(yōu)化，包括層與層之間的適配，耗費了大量時(shí)間，于是出現了“編譯墻”。

在“三堵墻”的限制下，采用馮·諾依曼架構的計算系統將嚴重制約人工智能領(lǐng)域的算力和能效提升。以智能汽車(chē)領(lǐng)域為例，十年前，汽車(chē)的算力還不足1TOPS，而未來(lái)，為滿(mǎn)足L5級別的無(wú)人駕駛技術(shù)，汽車(chē)需要達到4000TOPS的算力水平才有可能實(shí)現，到那時(shí)若仍以傳統的馮·諾依曼架構研發(fā)芯片，其功耗將非?？鋸?。

為解決這一問(wèn)題，科學(xué)家就必須要翻越這“三堵墻”。實(shí)際上，早在1969年，斯坦福大學(xué)研究員Kautz等人就提出過(guò)存算一體計算機的概念，但在當時(shí)，一方面受限于芯片設計復雜度與制造成本問(wèn)題，另一方面由于缺少大數據應用驅動(dòng)，這些存算一體概念僅停留在研究階段，并未獲得實(shí)際應用。直到近年來(lái)，伴隨GPT-3、“悟道”等人工智能大模型的問(wèn)世，海量數據所引發(fā)了超大算力需求和高能效比的矛盾而開(kāi)始受到重視，業(yè)界逐漸形成一個(gè)共識——存算一體架構可能是現階段基于CMOS工藝能同時(shí)滿(mǎn)足大算力、高精度、高能效比的最有效途徑。

全球范圍內，再度興起了對存算一體的產(chǎn)業(yè)研究，海外巨頭諸如英特爾、三星、IBM、東芝、SK海力士等都在進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的布局和產(chǎn)品研發(fā)。在億鑄科技首席技術(shù)官Debu看來(lái)，由于存儲器件以及配套工藝發(fā)展等原因，此前的存算一體芯片多基于Flash通過(guò)模擬計算的方式實(shí)現，后來(lái)出現了基于SRAM的存算一體技術(shù)。這些技術(shù)無(wú)疑為存算一體架構和生態(tài)發(fā)展做出了很大的貢獻，他們不僅向業(yè)界證明了存算一體技術(shù)的可實(shí)現性以及價(jià)值，同時(shí)也為存算一體生態(tài)的建設做了很多基建工作。

但要注意到，既有的存算一體技術(shù)仍然主要聚集于小算力、低精度的場(chǎng)景，并未能將存算一體高能效比的優(yōu)勢應用于大算力比如云計算、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。因此，億鑄的技術(shù)價(jià)值在于“將存算一體架構切實(shí)向大算力、高精度、高能效比的方向推進(jìn)和落地，實(shí)現這一存算一體架構里程碑式的發(fā)展節點(diǎn)”。

億鑄科技創(chuàng )始人、董事長(cháng)兼CEO熊大鵬博士表示：“億鑄科技以全數字化的方式將ReRAM 應用于存算一體AI大算力芯片，這么做的優(yōu)勢在于：一，  存算一體架構可以打破傳統馮·諾依曼架構下的存算墻、能耗墻和編譯墻；二， 存儲介質(zhì)ReRAM在算力潛能、算力精度和算力效率等主要指標上有著(zhù)數量級優(yōu)勢，是目前最適合做存算一體AI大算力芯片的憶阻器；三，全數字化的技術(shù)路徑在滿(mǎn)足大算力的同時(shí)還能做到支持高精度，使得存算一體架構真正在A(yíng)I大算力方向落地。因此，億鑄科技能夠為業(yè)界帶來(lái)大算力、超能效比、低功耗、易部署的AI推理計算解決方案?！?/p>

他強調，ReRAM這一新型憶阻器具有非易失性、面積小、密度高、成本低、功耗低、讀寫(xiě)速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)ReRAM的產(chǎn)業(yè)配套逐步完善和成熟，該技術(shù)無(wú)疑已經(jīng)到了“商業(yè)應用爆發(fā)前夜”。此外，ReRAM與CMOS工藝兼容，不管是本身密度的發(fā)展，還是通過(guò)工藝制程的演進(jìn)以及3D堆疊的技術(shù)的使用，均能從多個(gè)維度持續推進(jìn)ReRAM密度和能效比的提升。億鑄相信，億鑄在產(chǎn)品算力與能效比方面的提升在國內屬于一流水準。

“億鑄初代產(chǎn)品可以基于28納米工藝實(shí)現同等算力、10倍能效比，同時(shí)擁有更低的軟件生態(tài)兼容和建設成本，而且選擇的憶阻器未來(lái)有很大的成長(cháng)空間，這些都是支撐億鑄未來(lái)發(fā)展動(dòng)力以及確定性的重要因素?！?/p>

大算力賽道上，中國企業(yè)以技術(shù)突圍

隨著(zhù)AI的場(chǎng)景變得越來(lái)越普及以及多元化，算法模型也變得越來(lái)越復雜，社會(huì )對算力的需求遠超我們想象。根據《中國算力發(fā)展指數白皮書(shū)》，2020年，全球算力總規模達到429EFlops，增速達到39%，據IDC預測，2025年全球物聯(lián)網(wǎng)設備數將超過(guò)400億臺，產(chǎn)生數據量接近80ZB，預估未來(lái)五年全球算力規模將以超過(guò)50%的速度增長(cháng)，到2025年整體規模將達到3300EFlops。其中，中國2021年的AI芯片市場(chǎng)規模超過(guò)400億元人民幣，其中AI推理計算占比超50%，預計未來(lái)5年CAGR超40%。

但國家對達峰、碳中和的戰略目標設定又要求AI算力在不斷攀升的同時(shí)，還要實(shí)現能效比的快速提升，如此，才能既滿(mǎn)足市場(chǎng)對AI算力的要求、又滿(mǎn)足國家對能源結構性?xún)?yōu)化的要求。熊大鵬博士認為，在傳統異構AI芯片面臨工藝摩爾墻的技術(shù)瓶頸、算法模型日益復雜和龐大、能耗使用監管日益嚴格的大背景下，存算一體AI芯片有著(zhù)不可多得的歷史發(fā)展機遇，這也讓存算一體這一先進(jìn)計算架構成為前沿研究熱點(diǎn)，存算一體及AI大算力芯片也即將迎來(lái)了行業(yè)爆發(fā)的契機。

億鑄的全數字化存算一體技術(shù)可切實(shí)將存算一體架構在大算力、高能效比的芯片平臺應用并落地，這一技術(shù)通過(guò)稀疏化的設計原理以及無(wú)需AD/DA（數模轉換）部分，將芯片的面積和能耗用于數據計算本身，從而實(shí)現大算力和高精度的多維度滿(mǎn)足。

憑借技術(shù)實(shí)力強勁的團隊和國產(chǎn)產(chǎn)業(yè)鏈核心節點(diǎn)的支持，億鑄即將于2023年上半年推出自己的第一代芯片，并于同年投片第二代芯片。

存算一體架構的AI大算力芯片作為技術(shù)領(lǐng)域跨度多、集成度高、創(chuàng )新型強的技術(shù)賽道，需要行業(yè)資深從業(yè)者以及優(yōu)秀的前沿科學(xué)家。

億鑄團隊研發(fā)能力覆蓋存儲器件、存算陣列、芯片架構、芯片設計、軟件生態(tài)、AI算法和工程落地等全鏈條，研發(fā)團隊發(fā)表頂會(huì )論文40余篇，工程團隊成員平均擁有25年以上在高端集成電路設計領(lǐng)域的經(jīng)驗；還擁有20+顆SoC芯片的設計、量產(chǎn)及銷(xiāo)售經(jīng)驗，因此，團隊在技術(shù)定位和技術(shù)戰略上的深謀遠慮，也有對存算一體技術(shù)探索的底氣。

芯片作為人類(lèi)社會(huì )各產(chǎn)業(yè)信息化、數字化、智能化發(fā)展的基本生產(chǎn)資料，其發(fā)展根植于人類(lèi)社會(huì )信息化、數字化和智能化發(fā)展的要求，這正是美國阻撓中國芯片半導體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，并大力投入爭奪頭部芯片企業(yè)支持的原因。而在A(yíng)I芯片領(lǐng)域，對算力的需求在未來(lái)較長(cháng)的一段時(shí)間內仍將保持較高速度的發(fā)展，這一點(diǎn)已經(jīng)成為整個(gè)產(chǎn)業(yè)界的共識。

但從另一角度來(lái)看，當前存算一體領(lǐng)域的挑戰與機遇并存。2021年，中國芯片進(jìn)口額超過(guò)4300億美元，隨著(zhù)中國本土工廠(chǎng)擴大產(chǎn)能，去年中國對海外芯片制造設備的采購訂單增長(cháng)58%，若不能通過(guò)先進(jìn)技術(shù)實(shí)現突破，我國對海外芯片半導體產(chǎn)業(yè)的依賴(lài)將持續增加，當前局勢刻不容緩。

在億鑄看來(lái)，在先進(jìn)工藝短期內無(wú)法完全實(shí)現全鏈國產(chǎn)化的大前提下，國內半導體企業(yè)必須具備與先進(jìn)工藝制成解耦的技術(shù)，同時(shí)還要實(shí)現與基于先進(jìn)工藝制程的芯片產(chǎn)品同等甚至更好的性能表現，在這方面，億鑄基于傳統28納米CMOS工藝和既有國內產(chǎn)業(yè)配套設計的存算一體AI大算力芯片可以實(shí)現與先進(jìn)工藝制程的AI芯片同等算力但10倍能效比。

此外，億鑄的目標除了將存算一體架構切實(shí)在A(yíng)I大算力領(lǐng)域商用落地之外，還期望和其他存算一體賽道上共同奮斗的創(chuàng )業(yè)伙伴們一起共建存算一體生態(tài)。

芯片半導體領(lǐng)域發(fā)展至今，已成為全鏈高度耦合的產(chǎn)業(yè)，各個(gè)環(huán)節唇齒相依、缺一不可。但通過(guò)架構的創(chuàng )新，基于可國產(chǎn)化的產(chǎn)業(yè)配套，億鑄將為業(yè)界提供大算力、超高能效比、易部署的AI大算力芯片產(chǎn)品，在不改變數據中心物理空間和既有基建的前提下，大大提升算力密度，以及能效比，為國內產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展貢獻出自己的力量。