AI影響中國集成電路的幾點(diǎn)思考

AI 對集成電路產(chǎn)業(yè)的設計、制造都帶來(lái)了較大影響。

在科技日新月異的今天，人工智能（AI）技術(shù)的飛速發(fā)展正深刻改變著(zhù)各行各業(yè)的面貌，其中，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)的核心領(lǐng)域，正迎來(lái)一場(chǎng)由 AI 驅動(dòng)的深刻變革。

今日，在 2024 國際集成電路展覽會(huì )暨研討會(huì )（IIC Shanghai）上，東南大學(xué)集成電路學(xué)院教授、中國集成電路設計創(chuàng )新聯(lián)盟專(zhuān)家組組長(cháng)時(shí)龍興教授提出了他對 AI 如何影響中國集成電路的幾點(diǎn)思考，引發(fā)了業(yè)界的廣泛關(guān)注和熱烈討論。

時(shí)龍興教授指出，AI 對集成電路產(chǎn)生的最顯著(zhù)影響在于：隨著(zhù) AI 大模型的發(fā)展，其對算力的需求呈現爆炸式增長(cháng)。然而，當前集成電路器件微縮所帶來(lái)的能效提升正逐漸減緩，難以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的人工智能算力需求，這無(wú)疑給集成電路產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了前所未有的挑戰。

AI 對中國集成電路產(chǎn)業(yè)的影響

隨著(zhù)人工智能的發(fā)展，人類(lèi)正在進(jìn)入 AI 時(shí)代，AI 做到了賦能千行百業(yè)。

當下，全球以 AI 為主打產(chǎn)品的公司正在得到快速發(fā)展。國際排名前十的 AI 芯片企業(yè)包括：英偉達、英特爾、恩智浦、IBM、AMD、谷歌、Arm、蘋(píng)果、高通、博通。國內排名前十的 AI 芯片企業(yè)包括寒武紀、云飛勵天、思必馳、百度、云知聲、比特大陸、紫光展銳、深鑒科技、地平線(xiàn)機器人、天數智芯。除此之外，一些傳統公司也在植入 AI 元素。

時(shí)龍興教授指出，隨著(zhù) AI 大模型的發(fā)展，其對算力的需求呈現爆炸式增長(cháng)。然而，當前集成電路器件微縮所帶來(lái)的能效提升正逐漸減緩，難以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的人工智能算力需求。在這種情況下，除了通用的人工智能芯片，一些新型的計算架構被大家寄予希望。

模擬計算架構

模擬計算架構便是被看好的新型架構之一，現如今模擬計算架構是 ISSCC、IEDM 和 ISCA 等會(huì )議上的研究熱點(diǎn)，也是一些半導體大廠(chǎng)（臺積電、三星）的布局重點(diǎn)。

在現實(shí)應用中，基于先進(jìn)工藝的傳統數字計算 AI 芯片能效瓶頸提升緩慢，模擬計算 AI 芯片雖不成熟，但已經(jīng)展示了其巨大能效潛力。

以下是模擬計算 AI 芯片仍在面臨的一些問(wèn)題：

第一點(diǎn)，模擬計算難以滿(mǎn)足多樣化的網(wǎng)絡(luò )需求。因為 AI 芯片的網(wǎng)絡(luò )設計理念是復雜化的，而模擬計算的規則化理念比較強，這樣一來(lái)就導致多樣化的網(wǎng)絡(luò )需求難以被滿(mǎn)足。

第二點(diǎn)，單一范式的模擬計算難以同時(shí)兼顧精度、能量效率和面積效益。

第三點(diǎn)，模數轉換等外圍電路能耗是模擬計算的新瓶頸。

時(shí)龍興教授表示，他們團隊的模擬計算研究已開(kāi)展多年，研究?jì)热葜饕ㄋ惴軜嫷娜诤?、陣列電路、外圍電路和演示系統等。

存算一體

第二個(gè)被看好的新型架構便是存算一體。眾所周知，存算一體架構可以大幅降低存儲墻和功耗墻的限制，存內計算架構能夠以高計算能效、傳輸能效工作，尤其適用于高算力需求的任務(wù)執行。

在存內計算當中，有很多的技術(shù)路線(xiàn)，時(shí)龍興教授重點(diǎn)比較了非易失性存算芯片和 SRAM 存算芯片。相比于非易失性器件，基于 SRAM 的存內計算具有工藝適配性強、可配置性強、可靠性高等特點(diǎn)，是更合適大算力的實(shí)現方案。

時(shí)龍興教授團隊的存內計算研究?jì)热葜饕?CIM 宏單元、AI 加速器、編譯器設計和 SOC 芯片。

此外，AI 對集成電路產(chǎn)業(yè)的制造也帶來(lái)了較大的影響。比如虛擬制造可大幅降低集成電路研發(fā)對設計流片測試的依賴(lài)度，使得時(shí)間縮短和成本下降。最后AI 對 EDA 工具的發(fā)展也帶來(lái)了深遠影響。時(shí)龍興教授表示下一代 EDA 需要智能化、敏捷化，AI-EDA 或許會(huì )成為卡脖子攻關(guān)破局關(guān)鍵。

除了以上內容外，時(shí)龍興教授還帶大家回顧了中國集成電路產(chǎn)業(yè)的幾點(diǎn)主要特征。

集成電路的產(chǎn)業(yè)特征

集成電路的產(chǎn)業(yè)特征主要包含以下幾點(diǎn)：

第一點(diǎn)，集成電路的發(fā)展是一步創(chuàng )業(yè)史。集成電路的產(chǎn)業(yè)特征呈現了分久必合合久必分的特點(diǎn)，自從 1957 年的羅伯特·諾伊斯、戈登·摩爾等「八大金剛」創(chuàng )辦仙童半導體開(kāi)始，集成電路產(chǎn)業(yè)就掀起了一場(chǎng)裂變風(fēng)潮，如今中國的芯片設計企業(yè)有三千多家，未來(lái)的一段時(shí)間必然會(huì )有一個(gè)并購整合的過(guò)程，從而有更多的龍頭企業(yè)誕生。

第二點(diǎn)，集成電路產(chǎn)業(yè)以產(chǎn)品為中心。眾所周知，產(chǎn)業(yè)的協(xié)同是為了把產(chǎn)品做出來(lái)，如果把集成電路比喻為一顆果樹(shù)，這棵樹(shù)的根就是當下重要的半導體設備、材料、EDA 等工具，樹(shù)干就是集成電路制造，最后的果子就是最后的集成電路產(chǎn)品。對于一顆果樹(shù)來(lái)說(shuō)，只有根深了才能葉茂，但是中國集成電路產(chǎn)業(yè)的根基還不算穩固，同樣葉茂也能反哺根深，產(chǎn)品和市場(chǎng)也能促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的根基更加穩固。

第三點(diǎn)，集成電路產(chǎn)業(yè)以系統應用為牽引。時(shí)龍興教授表示，從原來(lái)的手機到現如今各種 AI 設備的應用牽引著(zhù)集成電路產(chǎn)業(yè)向前進(jìn)步，這本質(zhì)也是一個(gè)生態(tài)的問(wèn)題。

第四點(diǎn)，集成電路的發(fā)展本質(zhì)是經(jīng)濟學(xué)問(wèn)題。根據摩爾定律，每 18 個(gè)月晶體管特征尺寸縮小一半，性能提升一倍。功耗降低的同時(shí)，集成電路的制造成本也在降低。此外，集成電路產(chǎn)業(yè)本身也是一個(gè)資金密集、投資驅動(dòng)的產(chǎn)業(yè)。

第五點(diǎn)，集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的全球化分工。美國在集成電路支撐和集成電路制造產(chǎn)業(yè)的多個(gè)細分領(lǐng)域占據顯著(zhù)優(yōu)勢，尤其在 EDA/IP、邏輯芯片設計、制造設備等領(lǐng)域占比均達到 40% 以上。從全球其他國家和地區來(lái)看，日本在集成電路材料方面具有優(yōu)勢，而中國臺灣和中國大陸在晶圓制造和封裝測試方面占據領(lǐng)先地位。全球集成電路產(chǎn)業(yè)鏈形成深度分工協(xié)作格局，相關(guān)國家和地區的集成電路企業(yè)專(zhuān)業(yè)化程度高，在集成電路產(chǎn)品設計和制造等環(huán)節形成優(yōu)勢互補關(guān)系。

集成電路的技術(shù)特征

時(shí)龍興教授還對集成電路產(chǎn)業(yè)的技術(shù)特征做了概括。

第一點(diǎn)，集成電路發(fā)展史就是一部創(chuàng )新史。從 1947 年世界上第一個(gè)晶體管誕生，到 1958 年世界上第一塊鍺集成電路誕生再到后來(lái)摩爾定律的提出、動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器的發(fā)明、EDA 工具的出現等等?？梢钥吹?，整個(gè)集成電路的發(fā)展史就是一個(gè)創(chuàng )新史。

第二點(diǎn)，技術(shù)創(chuàng )新趨勢：高集成、高能效、敏捷化。隨著(zhù)算力需求的多樣化，對能效的需求度越來(lái)越高，高能效是集成電路設計的永恒追求。敏捷化也是集成電路技術(shù)創(chuàng )新中的一個(gè)重要趨勢，「EDA+設計方法學(xué)」正成為后摩爾時(shí)代實(shí)現設計敏捷化的重要手段。

第三點(diǎn)，算力是剛需。時(shí)龍興教授表示，當前要解決的首要問(wèn)題便是算力的問(wèn)題。集成電路產(chǎn)品應用的發(fā)展離不開(kāi)算力的支撐，而算力的提升又需要依賴(lài)器件、材料、架構的創(chuàng )新。

最后，時(shí)龍興教授提出，集成電路產(chǎn)業(yè)還有一個(gè)很明顯的特征——以人為本。集成電路是一個(gè)交叉的學(xué)科，與十多個(gè)一級學(xué)科都有相互聯(lián)系，因此該產(chǎn)業(yè)對人才的需求量極大。集成電路產(chǎn)業(yè)需要的不僅是實(shí)踐型人才，還需要更多的復合型和創(chuàng )新型人才。