魏少軍：關(guān)于“未來芯片”的幾點(diǎn)思考

人工智能芯片需要什么樣的基礎(chǔ)器件？

今日，第八屆未來芯片論壇在北京舉辦。未來芯片論壇是清華大學(xué)集成電路學(xué)院和北京集成電路高精尖創(chuàng)新中心主辦的重要年度學(xué)術(shù)會議，為領(lǐng)域內(nèi)的高校、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)搭建一個(gè)跨界、跨學(xué)科的思想交流平臺。國際歐亞科學(xué)院院士，清華大學(xué)魏少軍教授對于未來芯片談了幾點(diǎn)自己的思考。

?超高算力芯片架構(gòu)應(yīng)該具備什么特點(diǎn)？

高性能計(jì)算已經(jīng)進(jìn)入了E級時(shí)代，去年美國能源部發(fā)布了世界上第一臺E級計(jì)算超級計(jì)算機(jī)。E級計(jì)算是一個(gè)非常重要的里程碑，能夠完成每秒鐘一百億億次的雙精度浮點(diǎn)運(yùn)算。在該超級計(jì)算機(jī)發(fā)布后，美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會馬上宣布，美國高性能計(jì)算的下一個(gè)目標(biāo)是Z級計(jì)算。和E級計(jì)算相比，Z級計(jì)算會快千倍。

業(yè)界對追求更高的運(yùn)算速度是永無止境的。并且數(shù)據(jù)的總量還在增加，到2024年，數(shù)據(jù)的總量會達(dá)到100ZB。數(shù)據(jù)量的增長很大。尤其是人工智能增長后，數(shù)據(jù)更大，所以Z級計(jì)算已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)不得不解決的事情。

魏少軍指出：“簡單依靠工藝技術(shù)進(jìn)步，幾乎無法實(shí)現(xiàn)更高性能計(jì)算?！痹蚝芎唵?，按照美國前沿計(jì)算機(jī)的使用的工藝來推理，比如現(xiàn)在用6nm工藝，功耗高達(dá)21.1兆瓦，占地680平方米。半導(dǎo)體工藝?yán)^續(xù)向前發(fā)展，還有5nm、4nm、3nm。如果使用3nm工藝來實(shí)現(xiàn)Z級計(jì)算，現(xiàn)在的功耗高達(dá)8000兆瓦，意味著一個(gè)小時(shí)使用800萬度電，也就是一個(gè)小時(shí)大概400萬人民幣的電費(fèi)。從成本來說，使用3nm工藝來實(shí)現(xiàn)Z級計(jì)算要花6000億美元。盡管工藝的進(jìn)步會帶來成本的下降，但總體來說直接的成本不會下降太多，占地面積在幾十萬平方米，這幾十萬平方米也會帶來巨大的延遲。因此，簡單地靠工藝進(jìn)步幾乎無法實(shí)現(xiàn)更高性能的計(jì)算。

目前的計(jì)算芯片，其計(jì)算資源在整個(gè)芯片資源中占比很低，小于0.1%，利用率就更低，但是用于數(shù)據(jù)傳輸的能耗非常高，比如GPU的能耗就很高，大于90%?；谶@樣的基本特點(diǎn)，如果立足于現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)構(gòu)和計(jì)算芯片，想要完成下一代計(jì)算，難度非常大。

此外，對算力的要求也已經(jīng)到了無以復(fù)加的程度，人工智能的蓬勃發(fā)展眾所周知，目前人工智能分兩類，一類叫類腦計(jì)算，還有一類叫深度學(xué)習(xí)。而這兩類涉及的三個(gè)基本要素包括算法、數(shù)據(jù)和算力。其中，算力對人工智能起到了真正意義上的驅(qū)動作用。

目前的人工智能和預(yù)計(jì)差的很遠(yuǎn)。一方面，算法和人的識別是不一樣的，現(xiàn)在要求人工智能能夠適應(yīng)不同的各種應(yīng)用。另一方面，人工智能現(xiàn)在的實(shí)現(xiàn)過程比較“暴力”。舉一個(gè)例子，2014年的簡單模型，實(shí)現(xiàn)大概需要每秒鐘196億次的運(yùn)算和同時(shí)處理1.38億的參數(shù)，這樣的高密度運(yùn)算和高密度存儲對于今天的芯片也帶來很大的挑戰(zhàn)。魏少軍說到：“對于計(jì)算架構(gòu)來說，已經(jīng)進(jìn)入了‘黃金時(shí)代’。到今天為止，要創(chuàng)新計(jì)算架構(gòu)，如果只是沿著原來的傳統(tǒng)走下去，是走不下去的?！?/p>

未來能夠提供支撐的超級計(jì)算，基本上是要100億人民幣以下的投資和100兆瓦以內(nèi)的功耗，占地面積在幾萬平方米甚至是1萬平方米的才能夠?qū)崿F(xiàn)。這樣的條件下，對芯片、硬件、軟件提出了新的潛在要求。

?人工智能芯片需要什么樣的基礎(chǔ)器件？

智能化延伸我們的認(rèn)知。以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信、光電子和集成電路等技術(shù)為主要內(nèi)容的信息革命，實(shí)現(xiàn)了人類感官能力的延伸和放大。信息技術(shù)將與人工智能技術(shù)，新型材料工程等一起攜手前行，將信息技術(shù)推向全新的高度，實(shí)現(xiàn)人類大腦能力的延伸和放大。以機(jī)械化、電力化和自動化為主要內(nèi)容的工業(yè)革命解放了人類的雙手，提供人類巨大的能源，實(shí)現(xiàn)了人類體能的延伸和放大。

從1946年的第一臺電子計(jì)算機(jī)開始，已經(jīng)經(jīng)過了三輪智能化浪潮。以1990年的以日本的第五代計(jì)算機(jī)作為一個(gè)標(biāo)志，是第一輪智能化浪潮。到2017年，不斷地縮小研究范圍，使用機(jī)器學(xué)習(xí)的算法進(jìn)行分類和識別。再到現(xiàn)在，谷歌的DeepMind玩游戲已經(jīng)比人類的專業(yè)玩家好10倍?？梢钥吹?，人工智能的發(fā)展在多個(gè)方面已經(jīng)超過了人類。為什么會這樣？加拿大的神經(jīng)科學(xué)家作出了重要的貢獻(xiàn)。在他的啟示下，發(fā)展了類腦計(jì)算和深度學(xué)習(xí)后，可以使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式來訓(xùn)練，雖然有點(diǎn)暴力，但是可以取得不錯的結(jié)果。

人工智能芯片的主流架構(gòu)從AI Chip 0.5一直發(fā)展到AI Chip 1.7，從云端AI發(fā)展到邊緣AI。魏少軍表示：“算力是人工智能發(fā)展的充分條件，而算力依靠芯片實(shí)現(xiàn)，因此芯片不可或缺，后來還出現(xiàn)了專門針對人工智能的芯片。”一個(gè)應(yīng)用就是一個(gè)算法， N個(gè)應(yīng)用需要N個(gè)芯片，為了解決能夠在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用，出現(xiàn)了一種以靈活性為主的可重構(gòu)方法。在處理不同的算法的過程當(dāng)中，通過算力的提升、通用性的提升進(jìn)一步提升今天的人工智能。

今天業(yè)界想象的結(jié)構(gòu)更多在考慮計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，可能需要去探索新的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但并不是要想入非非，我們做不到一個(gè)生物的器件，更多要想到是一個(gè)硅基的半導(dǎo)體材料，能夠支持海量的輸入和海量輸出，可能具備基礎(chǔ)加權(quán)和激活函數(shù)運(yùn)算功能，采用存算一體、有超低延時(shí)、超低功耗、極低成本，還可以采用現(xiàn)行CMOS工藝生產(chǎn)制造，未來還可以實(shí)現(xiàn)三維集成。這是現(xiàn)在必須考慮的問題，如果我們能夠突破這樣人工智能的新技術(shù)，也許就打開了一條新路。

?大模型對芯片的發(fā)展是否有決定性影響？

魏少軍也在思考，大模型對芯片來說是不是不可或缺，或者大模型對芯片是不是會出現(xiàn)負(fù)面影響。他做了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，在Chat GPT上多次詢問“為什么林黛玉要三打白骨精”。Chat GPT 4和Chat GPT 3給出的答案完全不一樣。Chat GPT 4不是胡說八道，而是給出了一個(gè)更合乎邏輯的故事。

但是，ChatGPT是接受了大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練以后，開始增長能力，也就是說它本身的創(chuàng)造能力非常有限。人之所以認(rèn)為Chat GPT有很多新奇的想法，是因?yàn)榧狭艘慌说闹腔?。其?shí)Chat GPT沒有創(chuàng)造力，更多的還是通過數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。在和其對話翻譯中，它的邏輯關(guān)系并不對，實(shí)際上Chat GPT并沒有想象的聰明。

回過頭看，大模型對芯片設(shè)計(jì)有幫助嗎？很多人認(rèn)為EDA行業(yè)是最好利用大模型設(shè)計(jì)。魏少軍表示，對于EDA行業(yè)有兩個(gè)部分可以利用大模型，一個(gè)是EDA工具，一個(gè)是設(shè)計(jì)服務(wù)，也就是大模型和一定工具結(jié)合產(chǎn)生結(jié)果，如果是在一般的情況下設(shè)計(jì)，想要完成太難了。因此，對于這個(gè)問題，魏少軍表示，大模型對芯片設(shè)計(jì)肯定有幫助，但是幫助多大，值得去思考。

?三維集成電路技術(shù)的發(fā)展方向在哪？

三維集成電路最近慢慢開始熱起來，摩爾定律一直在發(fā)展，而且發(fā)展的過程中密度越來越高。現(xiàn)在5nm工藝可以在一個(gè)平方毫米上集成大概1.1億只晶體管，也就是2800個(gè)邏輯門。我們的集成能力已經(jīng)大于能夠?qū)崿F(xiàn)的芯片了。

基本器件在不斷地向前演進(jìn)，從45nm、32nm到5nm、3nm，從Hight-K現(xiàn)在走到FinFET，F(xiàn)inFET可以用到7nm，到了3nm工藝變?yōu)榱薌AA。GAA的壽命很短，可以用一代或者兩代，繼續(xù)往前走能否進(jìn)步，沒人知道。雖然目前提出了二維器件、分子器件，但這是否具有可行性以及成本能否堅(jiān)持還是一個(gè)問題。目前也有提出使用Chiplet、3D封裝。某種意義上來說，這兩種方式都是更廣義的集成，不是在單芯片上的傳統(tǒng)集成電路集成。魏少軍表示，從更長遠(yuǎn)來看這種方式是沒有問題，甚至?xí)砀匾膬?yōu)勢，比如成本降低。可以不需要全部使用最先進(jìn)的工藝，研發(fā)的時(shí)間、進(jìn)入市場的時(shí)間都會更短。發(fā)展到3nm之后，也可以考慮讓晶體管豎著放，變成vertical的一種增長?，F(xiàn)在3D NAND已經(jīng)做到了這點(diǎn)，長江存儲利用堆疊技術(shù)已經(jīng)把3D NAND做得很高。

反過來，如果能形成某一種新的融合、新的集成，解決的不僅僅是一個(gè)計(jì)算與存儲的問題，還能夠?qū)崿F(xiàn)三維集成電路的發(fā)展?？偠灾?jì)算無處不在。高性能計(jì)算是未來發(fā)展的戰(zhàn)略高地，也是大國競爭的焦點(diǎn)。今天的計(jì)算架構(gòu)和集成電路技術(shù)已經(jīng)難以支撐高性能計(jì)算走向Zetta量級，急需通過架構(gòu)創(chuàng)新尋求突破。智能化是大勢所趨，人工智能的發(fā)展有賴于芯片技術(shù)的進(jìn)步。今天的芯片技術(shù)已經(jīng)無法滿足人工智能技術(shù)高速發(fā)展的需求，急需從基本器件入手，尋找突破點(diǎn)。大模型的到來開闊了人們的思路，也給出了一些新穎的發(fā)展方向。不少人對大模型輔助芯片設(shè)計(jì)抱有強(qiáng)烈的期望。我們今天尚無法判斷大模型對芯片設(shè)計(jì)的具體幫助，但可以從大模型的基本原理來作些判斷，這樣會比較客觀冷靜地看待大模型在集成電路芯片設(shè)計(jì)中的作用。集成電路的精髓在于“集成”。在摩爾定發(fā)展的大背景下，是時(shí)候開始探索三維集成的路徑和方法了。本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）依據(jù)第八屆未來芯片論壇清華大學(xué)教授魏少軍演講整理

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