一位美國半導體大牛談中國IP及異構計算發(fā)展機遇

       目前，中國已經是世界第二大經濟體，在移動支付、智能手機、家電、汽車等眾多信息技術、電子產品、大宗消費品領域市場位居全球第一。但是在全球集成電路產業(yè)格局中中國自主創(chuàng)新的比重還是偏小，尤其是涉及到集成電路產業(yè)鏈最上游的核心IP環(huán)節(jié)，幾乎是空白。IP代表了一個國家集成電路產業(yè)的創(chuàng)新水平和創(chuàng)新能力。以美國為例，Intel、英偉達、賽靈思這些芯片巨頭都聚焦基于自主IP的原始創(chuàng)新、設計創(chuàng)新和架構創(chuàng)新，而中國的芯片公司更多的是嘗試應用創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和采用最新的工藝。中國已經有近1700家IC設計公司，但是99%的公司的核心IP（CPU、DSP、GPU等）都許可自ARM、CEVA、Cadence等少數(shù)幾家外國公司。中國應該有自己的“ARM”，而不是把中國集成電路的核心知識產權、關鍵技術的創(chuàng)新能力寄托在別人身上，應該盡快完善和提升在供應鏈、產業(yè)鏈中處于關鍵地位的IP技術。值得注意的是，伴隨著開源指令集RISC-V大受青睞，IBM Power、MIPS等老牌指令集陸續(xù)開源，在這種情況下，是否還需要發(fā)展本土處理器IP，讓我們看看一位美國技術大牛的見解。

       在近日召開“中國（深圳）集成電路峰會”上，電子創(chuàng)新網專訪了華夏芯（北京）通用處理器有限公司的CTO John Glossner博士。Glossner博士是全球異構系統(tǒng)架構HSA聯(lián)盟主席、軟件無線電協(xié)會（Wireless Innovation Forum）董事兼秘書長，同時還兼任華夏芯美國子公司Optimum Semiconductor Technologies（OST）的首席執(zhí)行官。Glossner博士擁有120多篇論文和36項專利，是處理器領域的大牛，他分享了中國本土IP發(fā)展的一些思路。

華夏芯CTO  John Glossner博士

       據(jù)Glossner博士介紹，華夏芯是中國唯一一家同時擁有全自主高端CPU、DSP、AI等處理器IP核、從事IP授權和芯片定制化設計的商業(yè)化集成電路企業(yè)?！拔覀兪侨蛐酒竞徒K端產品廠商的深度合作伙伴。在應用選擇上，我們一直瞄準智能駕駛、安防監(jiān)控、機器人、計算機視覺、智能家居、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網、5G等新興領域。一是看好這些領域未來的市場潛力，二是這些領域不存在所謂的生態(tài)問題和壟斷巨頭” 。他指出，“隨著摩爾定律逐漸走向極限，我們進入了后摩爾時代， IC設計的新趨勢是從單純追求先進工藝演進到積極推動架構創(chuàng)新。異構設計創(chuàng)新將大放異彩，而且這個趨勢不會改變” 。

       Glossner博士指出異構計算之路始于GPU，從僅僅作為圖形處理加速器轉變?yōu)榭捎糜趫?zhí)行常規(guī)計算功能，如應用在AI領域進行天氣預報等?！皢栴}是還必須通過CPU控制GPU，這通常意味著不得不采用基于操作系統(tǒng)調用的IO操作來實現(xiàn)昂貴的、往返多次的數(shù)據(jù)復制。而異構系統(tǒng)架構（HSA）帶有緩存一致的共享虛擬內存，允許所有處理器在相同的內存地址空間工作，無需I/O重復操作” 。傳統(tǒng)系統(tǒng)架構中兩個處理器仍然有獨立的開發(fā)環(huán)境，并且更難的是不同供應商的GPU就有不同的工具鏈和指令集架構（ISA）。因此，一個名為HSAIL的虛擬指令集（類似一種異構的Java-esque虛擬機）被開發(fā)出來，可以提供一個通用的編譯器中間表示（IL），該中間表示（IL）隨后被“finalized”到每個物理GPU指令集上?！爱悩嬒到y(tǒng)架構（HSA）后來將HSAIL擴展到DSP和FPGA上” 他進一步解釋說。

       目前華夏芯已經推出了一套名為Unity的異構指令集平臺，適用于不同類型處理器的設計，如CPU、DSP、GPU、AI等。它的一個關鍵優(yōu)勢是為程序員提供了一個可用于開發(fā)、編譯和調試程序的統(tǒng)一工具鏈。與其他大多數(shù)系統(tǒng)相比，這大大提高了處理能力?！拔覀儗樵S多不同類型的異構系統(tǒng)提供可授權IP內核，并提供包含CPU、DSP、Vector和AI處理單元的經過驗證的芯片。我們已經將這些IP內核集成到華夏芯的一款GP8300 SoC中，其中包含4個緩存一致的CPU/Vector處理器以及2個面向邊緣應用的AI加速器” 。Glossner博士指出。

       GP8300是面向視覺分析和AI加速計算的高性能SOC，用28nm工藝設計，集成了華夏芯自主架構的4核64位超標量CPU和2核AI專用處理器，適用于輔助駕駛（ADAS）、智能監(jiān)控、機器人、邊緣計算等應用?！?nbsp;    

       Glossner博士表示從異構計算的應用場景來看，異構計算非常適用于5G相關應用，包括無人駕駛、智能安防、數(shù)據(jù)中心、智能手機等各種場景。目前，這些領域正不斷涌現(xiàn)出各種異構創(chuàng)新的產品。

       在芯片工藝成本不斷指數(shù)級提升的今天，業(yè)界已經達成的共識就是：通過異構計算在提升性能、降低功耗的同時，減少芯片工藝相關的投入，降低設計和編程開發(fā)的門檻。尤其我們進入了智慧物聯(lián)網時代以后，通過異構實現(xiàn)傳感器的融合，更滿足了AIoT的需要。

        Glossner博士認為異構計算也是中國、甚至全球處理器行業(yè)打破傳統(tǒng)巨頭壟斷的最有可能的領域。物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能的快速發(fā)展給信息產業(yè)帶來了巨大的發(fā)展空間，但同時對芯片提出了全新的性能、功耗等方面的要求?；诋悩嬘嬎慵軜嫷男酒?，或稱之為“CPU+”，是把CPU、GPU、DSP、AI加速器等不同類型的處理器內核高效地融合在同一顆芯片上，實現(xiàn)協(xié)同運算、協(xié)同存儲與協(xié)同管理，在性能、功耗等技術指標上與現(xiàn)有同構多核處理器相比較，有數(shù)倍甚至數(shù)十倍的提高。

       為了推廣異構計算，全球異構系統(tǒng)架構（HSA）聯(lián)盟強調了生態(tài)共建、資源共享（包括軟件庫的重用、共享）的戰(zhàn)略發(fā)展定位。作為全球異構系統(tǒng)架構HSA聯(lián)盟主席Glossner博士積極推動異構計算，他認為HSA就是一套免版稅的開放式API，旨在實現(xiàn)異構計算平臺對程序員的友好。HSA的目標是使異構系統(tǒng)的編程既高效又簡易。緩存一致的共享虛擬內存避免數(shù)據(jù)副本，API提供支持python，C++等多種語言的統(tǒng)一編程環(huán)境。

        Glossner博士認為異構計算為中國集成電路產業(yè)提供了良好的發(fā)展機遇，因為在這一領域，各國IP公司基本處在同一起跑線上，有些技術方面中國甚至做了不少的基礎研究工作。如果能抓住這一難得的歷史機遇，從異構計算的IP領域切入，完全有可能深度影響甚至推動全球異構計算產業(yè)的發(fā)展。比如，為推動中國異構計算的產業(yè)化發(fā)展，HSA中國工作組CRC于2017年成立，目前已有近40家會員，主要承擔HSA在全球最大的市場推廣和完善HSA標準的重任。以CRC為基礎，又成立了中國異構計算標準（CSH）組，一批包括安全、片上互聯(lián)、軟件無線電的標準草案即將發(fā)布。

       對于當前熱門的AI芯片，5G芯片，Glossner博士認為，在采用異構計算體系架構后，芯片相關的性能、功耗等核心指標都將出現(xiàn)相當顯著的改善。與此同時，它們的系統(tǒng)能力與用戶體驗都將實現(xiàn)大幅提升。

       另外，Glossner博士指出和目前火爆的RISC-V相比，華夏芯的指令集從一開始就是為異構計算而設計的。華夏芯特別希望在統(tǒng)一指令集內，在相同的編程環(huán)境內，支持CPU、DSP、Vector、AI等?！拔覀僆SA的一個關鍵優(yōu)點是每個實現(xiàn)都可以運行用戶程序。這意味著如果GPU正在忙于運行3D圖形，并且假設矢量DSP可用，即使執(zhí)行速度可能沒有GPU那么快，仍然可以在DSP上運行用戶程序。我們的另一個優(yōu)點是向程序員提供了一個通用工具鏈。這意味著他們不必擔心控制代碼的CPU工具鏈和每個加速器的工具鏈不同，這可以顯著提高程序員的工作效率” 。Glossner博士指出，“RISC-V主要是一個CPU指令集。有些團體定義了RISC-V的擴展，包括DSP和GPU擴展(這一點和華夏芯很像)，但它們還不是官方架構的一部分。對于一個需要平衡各方利益的基金會來說，這一道路還很漫長” 。

       “但是，華夏芯的異構架構發(fā)展速度會很快?！?Glossner博士表示，“針對兩年內熱門的5G和AI落地應用需求，華夏芯為CPU、矢量DSP和卷積神經網絡（CNN）提供經過硅驗證的可授權IP。這里面的每一個處理器都有一個自己的路線圖，其中一些已經處于第三代設計中，每個處理器系列都各具特點。此外，所有IP內核都是客戶可配置的。在未來，除了持續(xù)增強我們當前的IP產品外，您還可以期待看到新的GPU內核和更廣泛的AI功能。除此之外，我們還為客戶打造了包含我們IP內核的SoC，針對包括AIoT、邊緣計算、智能家居、智能城市等多個市場。對于一些客戶而言，構建高集成度異構芯片可能非常具有挑戰(zhàn)性。因此，我們可以為這些具有挑戰(zhàn)性的SoC設計提供支持” 。

       據(jù)悉，目前GNN是華夏芯新一代的FPGA加速器平臺，它的編譯器能夠直接將網絡模型轉換成FPGA的網表，其特點是：1、FPGA利用率高、高性能、低功耗，適用于數(shù)據(jù)中心（超大規(guī)模負載的實時AI處理)和嵌入式應用；2、單管道、較低延遲，適用于需要實時性能的應用、視頻流對象檢測與識別。

       華夏芯董事長李科奕曾指出：“縱觀全球，以異構計算為代表的半導體產業(yè)新的賽道正在構建，新的生態(tài)也正在形成，這一點應該引起國內同行的關注，畢竟這是一個由人工智能推動的、新型計算快速發(fā)展的黃金時代” 。

       在這場全新的競賽中，應當超越傳統(tǒng)的思維方式，采用顛覆式創(chuàng)新路徑才可能把握新機遇、開創(chuàng)新格局。