AI影響中國集成電路的幾點思考

AI 對集成電路產業的設計、制造都帶來了較大影響。

在科技日新月異的今天，人工智能（AI）技術的飛速發展正深刻改變著各行各業的面貌，其中，集成電路產業作為信息技術的核心領域，正迎來一場由 AI 驅動的深刻變革。

今日，在 2024 國際集成電路展覽會暨研討會（IIC Shanghai）上，東南大學集成電路學院教授、中國集成電路設計創新聯盟專家組組長時龍興教授提出了他對 AI 如何影響中國集成電路的幾點思考，引發了業界的廣泛關注和熱烈討論。

時龍興教授指出，AI 對集成電路產生的最顯著影響在于：隨著 AI 大模型的發展，其對算力的需求呈現爆炸式增長。然而，當前集成電路器件微縮所帶來的能效提升正逐漸減緩，難以滿足日益增長的人工智能算力需求，這無疑給集成電路產業帶來了前所未有的挑戰。

AI 對中國集成電路產業的影響

隨著人工智能的發展，人類正在進入 AI 時代，AI 做到了賦能千行百業。

當下，全球以 AI 為主打產品的公司正在得到快速發展。國際排名前十的 AI 芯片企業包括：英偉達、英特爾、恩智浦、IBM、AMD、谷歌、Arm、蘋果、高通、博通。國內排名前十的 AI 芯片企業包括寒武紀、云飛勵天、思必馳、百度、云知聲、比特大陸、紫光展銳、深鑒科技、地平線機器人、天數智芯。除此之外，一些傳統公司也在植入 AI 元素。

時龍興教授指出，隨著 AI 大模型的發展，其對算力的需求呈現爆炸式增長。然而，當前集成電路器件微縮所帶來的能效提升正逐漸減緩，難以滿足日益增長的人工智能算力需求。在這種情況下，除了通用的人工智能芯片，一些新型的計算架構被大家寄予希望。

模擬計算架構

模擬計算架構便是被看好的新型架構之一，現如今模擬計算架構是 ISSCC、IEDM 和 ISCA 等會議上的研究熱點，也是一些半導體大廠（臺積電、三星）的布局重點。

在現實應用中，基于先進工藝的傳統數字計算 AI 芯片能效瓶頸提升緩慢，模擬計算 AI 芯片雖不成熟，但已經展示了其巨大能效潛力。

以下是模擬計算 AI 芯片仍在面臨的一些問題：

第一點，模擬計算難以滿足多樣化的網絡需求。因為 AI 芯片的網絡設計理念是復雜化的，而模擬計算的規則化理念比較強，這樣一來就導致多樣化的網絡需求難以被滿足。

第二點，單一范式的模擬計算難以同時兼顧精度、能量效率和面積效益。

第三點，模數轉換等外圍電路能耗是模擬計算的新瓶頸。

時龍興教授表示，他們團隊的模擬計算研究已開展多年，研究內容主要包括算法架構的融合、陣列電路、外圍電路和演示系統等。

存算一體

第二個被看好的新型架構便是存算一體。眾所周知，存算一體架構可以大幅降低存儲墻和功耗墻的限制，存內計算架構能夠以高計算能效、傳輸能效工作，尤其適用于高算力需求的任務執行。

在存內計算當中，有很多的技術路線，時龍興教授重點比較了非易失性存算芯片和 SRAM 存算芯片。相比于非易失性器件，基于 SRAM 的存內計算具有工藝適配性強、可配置性強、可靠性高等特點，是更合適大算力的實現方案。

時龍興教授團隊的存內計算研究內容主要包括 CIM 宏單元、AI 加速器、編譯器設計和 SOC 芯片。

此外，AI 對集成電路產業的制造也帶來了較大的影響。比如虛擬制造可大幅降低集成電路研發對設計流片測試的依賴度，使得時間縮短和成本下降。最后AI 對 EDA 工具的發展也帶來了深遠影響。時龍興教授表示下一代 EDA 需要智能化、敏捷化，AI-EDA 或許會成為卡脖子攻關破局關鍵。

除了以上內容外，時龍興教授還帶大家回顧了中國集成電路產業的幾點主要特征。

集成電路的產業特征

集成電路的產業特征主要包含以下幾點：

第一點，集成電路的發展是一步創業史。集成電路的產業特征呈現了分久必合合久必分的特點，自從 1957 年的羅伯特·諾伊斯、戈登·摩爾等「八大金剛」創辦仙童半導體開始，集成電路產業就掀起了一場裂變風潮，如今中國的芯片設計企業有三千多家，未來的一段時間必然會有一個并購整合的過程，從而有更多的龍頭企業誕生。

第二點，集成電路產業以產品為中心。眾所周知，產業的協同是為了把產品做出來，如果把集成電路比喻為一顆果樹，這棵樹的根就是當下重要的半導體設備、材料、EDA 等工具，樹干就是集成電路制造，最后的果子就是最后的集成電路產品。對于一顆果樹來說，只有根深了才能葉茂，但是中國集成電路產業的根基還不算穩固，同樣葉茂也能反哺根深，產品和市場也能促進集成電路產業的根基更加穩固。

第三點，集成電路產業以系統應用為牽引。時龍興教授表示，從原來的手機到現如今各種 AI 設備的應用牽引著集成電路產業向前進步，這本質也是一個生態的問題。

第四點，集成電路的發展本質是經濟學問題。根據摩爾定律，每 18 個月晶體管特征尺寸縮小一半，性能提升一倍。功耗降低的同時，集成電路的制造成本也在降低。此外，集成電路產業本身也是一個資金密集、投資驅動的產業。

第五點，集成電路產業鏈的全球化分工。美國在集成電路支撐和集成電路制造產業的多個細分領域占據顯著優勢，尤其在 EDA/IP、邏輯芯片設計、制造設備等領域占比均達到 40% 以上。從全球其他國家和地區來看，日本在集成電路材料方面具有優勢，而中國臺灣和中國大陸在晶圓制造和封裝測試方面占據領先地位。全球集成電路產業鏈形成深度分工協作格局，相關國家和地區的集成電路企業專業化程度高，在集成電路產品設計和制造等環節形成優勢互補關系。

集成電路的技術特征

時龍興教授還對集成電路產業的技術特征做了概括。

第一點，集成電路發展史就是一部創新史。從 1947 年世界上第一個晶體管誕生，到 1958 年世界上第一塊鍺集成電路誕生再到后來摩爾定律的提出、動態隨機存取存儲器的發明、EDA 工具的出現等等?？梢钥吹?，整個集成電路的發展史就是一個創新史。

第二點，技術創新趨勢：高集成、高能效、敏捷化。隨著算力需求的多樣化，對能效的需求度越來越高，高能效是集成電路設計的永恒追求。敏捷化也是集成電路技術創新中的一個重要趨勢，「EDA+設計方法學」正成為后摩爾時代實現設計敏捷化的重要手段。

第三點，算力是剛需。時龍興教授表示，當前要解決的首要問題便是算力的問題。集成電路產品應用的發展離不開算力的支撐，而算力的提升又需要依賴器件、材料、架構的創新。

最后，時龍興教授提出，集成電路產業還有一個很明顯的特征——以人為本。集成電路是一個交叉的學科，與十多個一級學科都有相互聯系，因此該產業對人才的需求量極大。集成電路產業需要的不僅是實踐型人才，還需要更多的復合型和創新型人才。