許居衍院士：下一波芯片技術的創新前瞻

1   從物理角度看物聯網的挑戰

隨著物聯網（IoT）的發展，帶來了數據洪流，對數據處理帶來了巨大挑戰。

許居衍院士是物理專業出身，從物理挑戰的角度看，實際上我們沒有進行物理計算。物理計算最重要的是模擬計算，1960 年曾出現過，但是很快就被淹沒了。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。

現有技術難以滿足未來需要。

●   摩爾定律還在延續，只是速度會減慢。過去是每18 個月性能翻一番，到2005 年時，變成每3.5 年翻一番。那時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了。到現在為止已經是要20 年翻一番（如圖1）。原因之一是功耗已碰墻，因為半導體器件發熱很厲害。

圖1 現行技術難以滿足未來需求

●   馮·諾伊曼架構已經不能滿足需要。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   今后會有哪些新技術？

因此，人們寄希望于技術創新。這些新技術需要滿足的條件是：①集成度可以提高，且成本不能太高；②開關速度快；③能效高；④處理信息功能優于CMOS。這些技術從何而來？新、老技術之間有什么關聯性？它們與ICT（信息與通信技術）有什么關系？

2018 年聯合國對ICT 的定義是：主要通過電子手段完成信息的加工和通信的產品和服務。

ICT 產業奠定了數字化經濟的基礎。ICT 制造包括元器件、計算機設備、通信設備和消費產品（如圖2）。

以下是許院士的觀點和分析，僅供參考。從以下引導出來的技術，與國際半導體技術發展路線圖（ITRS）及其他地方的介紹是一致的。

處理技術、存儲技術本質上是器件技術；通信里有協議、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生四大技術群。

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 年代將會是“軟件定義器件”的一個高峰期，舉2 個例子，一個是牧村浪潮，這是牧村先生2014 年提出來，認為2017—2027年是高度靈活超級集成的時代。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年代初發表的“半導體特征循環”已完整提到第六波和第七波，第七波特征當時用“？”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來，用SDA 簡化了Web Scare 的實現。Web Scare 是2013 年由市場調查公司Gartner 提出來的，指大型云服務公司必須將軟件擴展到龐大的受眾群體，同時保持足夠的敏捷性，以具備快速適應的能力。可見SDA 重塑了信息基礎架構，將成為ICT 發展的主旋律。

關于軟件定義，上面已介紹了2 方面：①軟件定義硬件，②軟件定義架構。實際上，軟件定義一切?？梢杂脙删湓捀爬ǎ河邢薜馁Y源，“無限”的暢想?，F在人們都知道“萬物皆互聯，一切可編程”。“一切可編程”非常重要的一點就是應用編程接口（API），在API 之上可以編程，在接口的下面，也就是基礎設施部分，沒有必要時它基本上不動。軟件定義的核心是API，它解耦了軟、硬件之間的關系。軟件定義有三大特點：①推動應用軟件向個性化發展，②硬件資源向標準化發展，③系統功能向智能化發展。

2.3 器件和架構的互動作用

器件本身是怎么組織起來的？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，器件是通過架構走向應用的。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、激子等才剛剛開始。實際上，所有的物理粒子都可以用來做器件。

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。

1）“硅馮”范式：硅CMOS 技術與馮·諾依曼結合目前是最重要的應用。它是0/1 模式，通過計算機的二進制計算來表征事物的特征及其演變過程。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ISCA2018 的圖靈獎演講會上，ACM/IEEE 邀請了2017 年圖靈獎獲得者John L. Hennessy 與David Patterson聯合進行了一場關于未來計算機體系結構發展道路探索的演講，二位專家展望未來10 年是架構創新的黃金時代。

2019 年，在SEMI-West 上，產業界的AMD、英偉達也提出了類似觀點：靈活應變的架構將引領未來。可見，當摩爾定律逐漸終結時，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生的最好事情。

后摩爾時代的創新無窮。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/ 異質集成）、DSA（特定領域架構）、SDH（軟件定義硬件）等。

●   More Moore 從原理上看非常簡單，做起來相當復雜。以前是平面的，是一個面的溝道場效應管，后來是FinFET，在3 個維度來控制溝道。再下去，3 面不行，是4 面…… 。

光刻制程現在也仍然在發展，IBM 已發布2 nm 制程，臺積電預計2025 年將量產2 nm 技術芯片。現在很多人預計，除非有新的發現，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。這里強調一點，就是基于新的異構集成將會引領半導體產業進入下一個發展時期，例如基于芯粒的集成。

不管是MPU， 還是SoC、GPU、FPGA、AI、IoT等先進和高集成的芯片產品都可以做成芯粒。例如手機芯片早已是芯粒。芯粒的應用將越來越多，將用于汽車電子、消費電子、工業自動化、醫療保健、國防、信息與通信等最終用途的行業中。據Transparency Market Research 報告，2021—2031 年芯粒的年復合增長率將達36.4%，到2031 年，芯粒市場的估值將超過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。因此將來光芯粒會不會促進發展呢？如果可以的話，摩爾定律可能會梅開二度。芯粒有可能推進“光進銅退”。例如數據中心，用于眾多服務器、內存和計算資源之間的通信連接，從而推動“在封裝級實現光進銅退”。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，預計2023年將會很快進入大型數據中心。過去，光纖已進入了家庭、城市，現在要到芯片封裝里。

2）“類硅”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入跟CMOS雷同的二值開關，如果是這樣，摩爾定律還可以再延續一段時間。這一共識印證了許居衍院士等專家演繹的“類硅”模式是對的。

一些大公司，諸如Intel、IMEC、NRI 等認為“類硅”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）“類腦”模式：仍然利用現有硅CMOS 器件技術，但架構不是馮·諾伊曼架構，是通過神經突觸傳遞的。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）。

舉兩個極端的例子。

●   IBM 的TrueNorth 是一個非常著名的模擬神經網絡。神經內核是4096 個核，模擬100 萬個可編程神經元和2.56 億個可編程突觸。其中1 個核里包括調度器、控制器、路由器、神經元，這里有256 個神經元（處理器）、256 個軸突（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，在接口和時序方面為同步，但其他地方是異步的。異步時，當事件沒有來的時候，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（神經功能單元）， 占28%。NFU 是典型的點乘器（dot-product）方案，上面是一個點乘，下面是累加，累加以后數據有2 個輸入、1 個直接輸出。輸出就是1 個尖峰/ 脈沖了。它的一個優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做（如圖8）。國際半導體技術發展路線圖（ITRS）上指出，新的物理粒子有激子、離子、光波。

(a)芯片結構

（b）點乘器結構

圖7 中科院計算所DianNao架構

圖8 新興范式

物理態變量，除了電子電荷外，還有自旋、相位、極性、軌道對稱性、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形態體系結構，許院士認為是非常重要的技術。

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

●   新興架構包括模擬計算、神經計算、量子計算。

許院士有一個非常新的觀點：我們現在通過API 連接異構計算（GPU、FPGA 等），未來新興計算在相當長的時期里也將與傳統計算通過微服務（API）組成專業計算機（specialized computers）。后摩爾時代，異構計算、異構（質）集成將得到很大發展。

3   結束語

●   物聯網模擬數據持續泛濫，導致了ICT面臨顛覆性的創新挑戰。

●   在硬件顛覆更新之前，軟件定義仍將“ 吞噬一切”。但是在架構創新的時代，尤其是“新興”范式出來以后，軟件的作用還無法預測。

●   摩爾定律失效驅動了創新的“百花齊放”，現在是年輕人創業的最佳時機。盡管硅CMOS 技術和馮·諾伊曼計算架構仍將（或分別）長期主導ICT 發展，但先進器件、材料、封裝和新型通信、新興架構已經在推動/ 沖擊著ICT 的變革。

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

另外，許院士還談到，十幾年前他看到蘋果公司開始收購半導體公司時，就覺察到未來將是大型系統公司/互聯網公司等企業介入芯片的時代。

多年后^{[ 注1]}，許院士和黃安君在《電子產品世界》雜志發表文章，提出觀點：硅將會變得和空氣、水一樣重要，但是又非常普通，大家都可以很容易地進來。現在有一個數據，我國現在對外代工的企業中，5% 是系統商，17% 是半導體設計公司——這兩類企業已經占了很大的份額，將來可能份額更大。

參考文獻：

[1] 黃安君.牧村先生也拓展到第七波了[R/OL].電子產品世界[2015-5-18].http://www.104case.com/article/275226.htm

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

（本文來源于《電子產品世界》雜志2021年12月期）