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(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的發(fā)展，帶來(lái)了數(shù)據(jù)洪流，對(duì)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

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

現(xiàn)有技術(shù)難以滿(mǎn)足未來(lái)需要。

●   摩爾定律還在延續(xù)，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(tǒng)計(jì)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(yīng)出來(lái)了。到現(xiàn)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?yàn)榘雽?dǎo)體器件發(fā)熱很厲害。

圖1 現(xiàn)行技術(shù)難以滿(mǎn)足未來(lái)需求

●   馮·諾伊曼架構(gòu)已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要。因?yàn)樵摷軜?gòu)需要不斷地在存儲(chǔ)和計(jì)算之間搬運(yùn)數(shù)據(jù)，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(guó)對(duì)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(shù)字化經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。ICT 制造包括元器件、計(jì)算機(jī)設(shè)備、通信設(shè)備和消費(fèi)產(chǎn)品（如圖2）。

以下是許院士的觀點(diǎn)和分析，僅供參考。從以下引導(dǎo)出來(lái)的技術(shù)，與國(guó)際半導(dǎo)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(chǔ)技術(shù)本質(zhì)上是器件技術(shù)；通信里有協(xié)議、架構(gòu)；信息處理里有計(jì)算架構(gòu)、軟件。所以ICT由器件、軟件和架構(gòu)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(gòu)的相互作用，就是“軟件定義架構(gòu)”，③器件和架構(gòu)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局）推出“電子復(fù)興計(jì)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(xiàn)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(rèn)為2017—2027年是高度靈活超級(jí)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(gòu)的系統(tǒng)級(jí)芯片，預(yù)計(jì)在2018—2028 年芯片的靈活性/ 可重構(gòu)性非常高（如圖4）。

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

2.2 軟件定義架構(gòu)

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(xiàn)。Web Scare 是2013 年由市場(chǎng)調(diào)查公司Gartner 提出來(lái)的，指大型云服務(wù)公司必須將軟件擴(kuò)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(yīng)的能力。可見(jiàn)SDA 重塑了信息基礎(chǔ)架構(gòu)，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(gòu)。實(shí)際上，軟件定義一切。可以用兩句話(huà)概括：有限的資源，“無(wú)限”的暢想。現(xiàn)在人們都知道“萬(wàn)物皆互聯(lián)，一切可編程”。“一切可編程”非常重要的一點(diǎn)就是應(yīng)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(chǔ)設(shè)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(yīng)用軟件向個(gè)性化發(fā)展，②硬件資源向標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，③系統(tǒng)功能向智能化發(fā)展。

2.3 器件和架構(gòu)的互動(dòng)作用

器件本身是怎么組織起來(lái)的？怎么設(shè)計(jì)的？應(yīng)該有多少功能塊？這些功能塊應(yīng)該怎么運(yùn)行？有了軟件，軟件又來(lái)影響架構(gòu)。所以器件和架構(gòu)是相互影響的。但是很重要的一點(diǎn)，器件是通過(guò)架構(gòu)走向應(yīng)用的。器件包括很多，有電子的、光子的、離子的、激子的，現(xiàn)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(gòu)和新興架構(gòu)，可分成4 大類(lèi)。

1）“硅馮”范式：硅CMOS 技術(shù)與馮·諾依曼結(jié)合目前是最重要的應(yīng)用。它是0/1 模式，通過(guò)計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制計(jì)算來(lái)表征事物的特征及其演變過(guò)程。我們現(xiàn)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(guó)際計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)大會(huì)ISCA2018 的圖靈獎(jiǎng)演講會(huì)上，ACM/IEEE 邀請(qǐng)了2017 年圖靈獎(jiǎng)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)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(gòu)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(dá)也提出了類(lèi)似觀點(diǎn)：靈活應(yīng)變的架構(gòu)將引領(lǐng)未來(lái)。可見(jiàn)，當(dāng)摩爾定律逐漸終結(jié)時(shí)，體系結(jié)構(gòu)正在閃耀新的活力。摩爾定律的終結(jié)可能是計(jì)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(gòu)計(jì)算和異構(gòu)集成/ 異質(zhì)集成）、DSA（特定領(lǐng)域架構(gòu)）、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(dāng)復(fù)雜。以前是平面的，是一個(gè)面的溝道場(chǎng)效應(yīng)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(xiàn)在也仍然在發(fā)展，IBM 已發(fā)布2 nm 制程，臺(tái)積電預(yù)計(jì)2025 年將量產(chǎn)2 nm 技術(shù)芯片。現(xiàn)在很多人預(yù)計(jì)，除非有新的發(fā)現(xiàn)，到2025 年很難再做下去了。

●   More than Moore 的芯粒很重要的是異構(gòu)計(jì)算，用API 把CPU Host 和各種加速部件連接起來(lái)。這里強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，就是基于新的異構(gòu)集成將會(huì)引領(lǐng)半導(dǎo)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(jī)芯片早已是芯粒。芯粒的應(yīng)用將越來(lái)越多，將用于汽車(chē)電子、消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健、國(guó)防、信息與通信等最終用途的行業(yè)中。據(jù)Transparency Market Research 報(bào)告，2021—2031 年芯粒的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)36.4%，到2031 年，芯粒市場(chǎng)的估值將超過(guò)471.9 億美元。

國(guó)外在芯粒方面做得較好，例如一家單位搞了硅光結(jié)合的“光芯粒（optical chiplet）”。因?yàn)楣夂碗娛欠浅ｋy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(shù)據(jù)中心，用于眾多服務(wù)器、內(nèi)存和計(jì)算資源之間的通信連接，從而推動(dòng)“在封裝級(jí)實(shí)現(xiàn)光進(jìn)銅退”。因?yàn)橐恍┏?jí)計(jì)算機(jī)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(yù)計(jì)2023年將會(huì)很快進(jìn)入大型數(shù)據(jù)中心。過(guò)去，光纖已進(jìn)入了家庭、城市，現(xiàn)在要到芯片封裝里。

2）“類(lèi)硅”模式：新器件與馮·諾伊曼架構(gòu)的結(jié)合現(xiàn)在的共識(shí)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(xù)一段時(shí)間。這一共識(shí)印證了許居衍院士等專(zhuān)家演繹的“類(lèi)硅”模式是對(duì)的。

一些大公司，諸如Intel、IMEC、NRI 等認(rèn)為“類(lèi)硅”有兩種途徑：①擴(kuò)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(xiàn)有硅CMOS 器件技術(shù)，但架構(gòu)不是馮·諾伊曼架構(gòu)，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(gòu)是存算一體的，馮·諾伊曼的叫做程序流，它是事件流（數(shù)據(jù)處理的）。

舉兩個(gè)極端的例子。

●   IBM 的TrueNorth 是一個(gè)非常著名的模擬神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。神經(jīng)內(nèi)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(diào)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(chǔ)器）和64 k 的突觸（通信）。其最主要的特色是異步計(jì)算（大腦式架構(gòu)）。當(dāng)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(dāng)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(jì)算所的DianNao， 如圖7， 片上存儲(chǔ)單元有NBin（保存的輸入數(shù)據(jù)），NBout（保存的輸出數(shù)據(jù)），SB（保存模型的權(quán)值），三者占66%。計(jì)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(shù)據(jù)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(shì)是可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)里，然后再處理。

4）“新興”范式：新興架構(gòu)和新器件來(lái)做（如圖8）。國(guó)際半導(dǎo)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(jié)構(gòu)

（b）點(diǎn)乘器結(jié)構(gòu)

圖7 中科院計(jì)算所DianNao架構(gòu)

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(duì)稱(chēng)性、磁通量、分子構(gòu)型等。例如英特爾的下一代架構(gòu)是量子和神經(jīng)形態(tài)體系結(jié)構(gòu)，許院士認(rèn)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(gòu)包括模擬計(jì)算、神經(jīng)計(jì)算、量子計(jì)算。

許院士有一個(gè)非常新的觀點(diǎn)：我們現(xiàn)在通過(guò)API 連接異構(gòu)計(jì)算（GPU、FPGA 等），未來(lái)新興計(jì)算在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期里也將與傳統(tǒng)計(jì)算通過(guò)微服務(wù)（API）組成專(zhuān)業(yè)計(jì)算機(jī)（specialized computers）。后摩爾時(shí)代，異構(gòu)計(jì)算、異構(gòu)（質(zhì)）集成將得到很大發(fā)展。

3   結(jié)束語(yǔ)

●   物聯(lián)網(wǎng)模擬數(shù)據(jù)持續(xù)泛濫，導(dǎo)致了ICT面臨顛覆性的創(chuàng)新挑戰(zhàn)。

●   在硬件顛覆更新之前，軟件定義仍將“ 吞噬一切”。但是在架構(gòu)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(yù)測(cè)。

●   摩爾定律失效驅(qū)動(dòng)了創(chuàng)新的“百花齊放”，現(xiàn)在是年輕人創(chuàng)業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。盡管硅CMOS 技術(shù)和馮·諾伊曼計(jì)算架構(gòu)仍將（或分別）長(zhǎng)期主導(dǎo)ICT 發(fā)展，但先進(jìn)器件、材料、封裝和新型通信、新興架構(gòu)已經(jīng)在推動(dòng)/ 沖擊著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(gòu)計(jì)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(gòu)半導(dǎo)體公司時(shí)，就覺(jué)察到未來(lái)將是大型系統(tǒng)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)。現(xiàn)在有一個(gè)數(shù)據(jù)，我國(guó)現(xiàn)在對(duì)外代工的企業(yè)中，5% 是系統(tǒng)商，17% 是半導(dǎo)體設(shè)計(jì)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(xiàn)：

[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://www.104case.com/article/275226.htm

[注1]：這個(gè)預(yù)測(cè)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(bào)告.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）