未来AI和5G芯片的主流架构是异构计算

“当下，在AI和5G场景下，以CPU为代表的通用计算显得越来越吃力，异构计算正在逐渐成为主流的芯片架构。”近日，华夏芯(北京)通用处理器技术有限公司董事长李科奕在接受记者采访时如此表示。

李科奕说，异构计算由来已久，不过为了满足AI和5G对计算性能超高要求，芯片的设计创新、架构创新开始聚焦于此。芯片行业的共识是：未来AI和5G芯片的主流架构一定是异构计算。

AI和5G场景开启多生态并存局面

这些年来，大批初创公司推出了针对某个特定应用场景的AI专用芯片。但在李科奕看来，全球芯片行业发展到今天，从来没有出现过某一领域的专用芯片公司成长为行业巨头的案例。

据李科奕介绍，Intel、英伟达这些垄断企业的主要销售收入都是来自于通用型、平台型的芯片。专用芯片虽然性能很好，但有其自身的局限性，生命周期短，需要不断的迭代。只有在AI算法、通讯协议已经固定的场景，专用芯片才会有一定的市场。更重要的是，通用计算的复杂度远比专用计算高很多，通用芯片厂商很容易就能把专用计算单元集成到芯片中去，这就是所谓的异构计算。

异构计算，顾名思义是指多种计算单元(例如CPU、GPU、DSP、AI加速器、FPGA等)的搭配、集成和融合。通常情况下，异构计算架构的芯片中既有CPU等传统的通用计算单元，也有高性能的专用计算单元。

与传统的通用计算芯片相比，异构架构具有高性能、低功耗等显著优点。而且，相对于专用计算芯片，即使新的算法出来，异构架构的芯片也可以依赖通用计算单元加以支持，不至于很快就被淘汰，从而延长了芯片的生命周期。所以在采用先进工艺所需要的投入越来越大的情况下，异构计算会成为业界主流的选择。

华夏芯是国内最早从事异构计算研究的芯片公司之一。芯片设计技术的发展趋势让李科奕选择了从异构计算的角度切入，另一方面则是着眼于异构计算应用领域的市场机遇——辅助驾驶、机器人、智能安防、智能家居、5G等新兴应用场景的共同特点是只需要“单点”的应用开发，而不用像手机、PC一样需要汇集众多第三方的应用软件，从而有很强的生态依赖性。

李科奕表示，PC时代是Wintel联盟主宰生态，移动互联网时代是Arm+Android主导生态，但是AI和5G时代开启了全新的生态或者是多生态并存的局面，这也是国产芯片厂商的发展机遇。“当市场没有垄断生态，技术、创新和应用成为决定因素的时候，中国企业就有了打破天花板的可能。”李科奕说。

基于自主IP推动芯片设计的原始创新

据了解，现在大多数异构计算芯片使用的都是不同供应商的IP，需要庞大的芯片设计团队，去完成包括IP相互验证在内的技术维护和设计工作。但李科奕认为，这种“拉郎配”式的传统异构设计方式并没有解决异构计算推广的主要障碍：极为复杂的异构编程开发。

所以，华夏芯选择从异构芯片的底层IP开始，做芯片设计领域的原始创新——他们是国内少有的基于自主IP的异构计算芯片设计公司。

IP就相当于建筑物的地基，有相当严苛的专利保护。李科奕认为，如果还是用传统的思路去做CPU、DSP和GPU等基础计算IP，肯定很难绕过之前行业巨头的专利限制。打个比方，之前传统的处理器IP是由不同的果树分别结出不同的果实，华夏芯的IP设计是通过转变水果树的基因，让一棵树上结出不同的水果。“技术路径不一样，才能绕开其他厂商的IP专利，而且我们这种设计思路，也‘浓缩’了芯片设计团队规模，不需要为每个计算单元配备工具链和应用开发的团队，并且大幅度降低了应用开发的门槛。”

以异构编程为例，计算任务要在多个供应商提供的不同的计算单元上运行。例如，有的AI计算首先需要在CPU或者DSP上进行任务分割或者处理，然后在AI加速器上进行目标识别，再将结果反馈到CPU进行下一轮的计算。要熟悉不同计算单元之间数据流的调度、交换和进行决策的机制，这些对于复杂的AI系统开发者来说，都是门槛很高的难题。这种耗费大量人力、物力的开发工作，显然不适合全球大部分人工智能公司都是中小型企业的现状。

所以，华夏芯决定另辟蹊径，走了一条创新的异构设计道路。“如果你的编程模型，能够让各种计算任务在CPU、DSP或者GPU上都能运行，由编译器和系统按照计算效率自动选择最佳的运行载体，进行任务分割，再系统化地对计算、通讯、存储的开销进行优化，这样就能大幅降低编程开发的门槛。”李科奕说，要实现这一目的，不从底层IP创新做起，就无法打破IP供应商之间各自为政的藩篱。

因此，华夏芯设计了创新的Unity统一指令集架构，此架构由一套基础指令集和面向不同应用类型的扩展指令集组成，结合先进的微架构设计，就形成一套彼此高度融合的CPU、DSP、GPU和AI处理器异构计算平台。

目前，华夏芯已经发布自主知识产权的Unity统一指令集架构和基于此架构的CPU、DSP及AI专用处理器系列IP，以及已经量产投片的多核异构GPT8300SoC芯片。该芯片全部采用源自华夏芯自主指令集的处理器IP，节省了大量的IP许可费，并且可以根据应用需求进行深度的IP定制。

芯片设计产业需走出大而不强的困境

目前，华夏芯的异构计算主要覆盖的场景是AI和5G领域对计算有较高需求的应用，例如智慧城市、智能交通、边缘计算、云计算、智能制造等等。正如李科奕自己所说，越是对芯片的计算性能、效能功耗比和生命周期有要求的场景，华夏芯的异构计算优势越能显现。

和多数芯片设计公司不同，华夏芯的商业模式有两种，一是芯片设计定制，即利用自主研发的IP平台为客户设计定制芯片，二是IP授权，即许可IP给客户自己设计芯片。目前华夏芯主要以服务有定制需求的客户为主，通过IP的优势为客户量身打造相应的芯片产品，现在已经有几款为客户定制的芯片产品开始量产。

对于国内半导体产业的发展现状，李科奕认为，国内芯片公司还处于中低端同质化竞争的局面，市场环境也比较浮躁，无论是风险投资还是地方政府的关注点，更多的是聚焦在应用创新或者工艺制造方面，对IP和设计环节重视不够。国内的芯片设计公司的投入也以先进工艺为主，而不是设计创新、架构创新。如果按照这种思路发展，中国只会成为集成电路的大国，但不会变成一个集成电路的强国。

李科奕提出了对国内集成电路产业发展的一些建议。他说，IP是整个集成电路产业链最上游的节点，投资周期长，但IP才是集成电路产业的命脉、咽喉。没有自主创新的国产IP链条，中国的IC设计就永远改变不了被国外IP公司“卡脖子”的局面。不重视芯片的设计创新、架构创新，中国的IC设计很可能是大而不强。国内集成电路产业热衷于投资生产制造环节，但是，没有强大的IC设计支撑，下游的制造、封测就将面临无源之水、无根之木的风险。(张汉青)

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