AI影响中国集成电路的几点思考

智能计算   作者:时龙兴 时间:2024-04-01来源:半导体产业纵横

AI 对集成电路产业的设计、制造都带来了较大影响。

在科技日新月异的今天,人工智能(AI)技术的飞速发展正深刻改变着各行各业的面貌,其中,集成电路产业作为信息技术的核心领域,正迎来一场由 AI 驱动的深刻变革。

今日,在 2024 国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shanghai)上,东南大学集成电路学院教授、中国集成电路设计创新联盟专家组组长时龙兴教授提出了他对 AI 如何影响中国集成电路的几点思考,引发了业界的广泛关注和热烈讨论。

时龙兴教授指出,AI 对集成电路产生的最显著影响在于:随着 AI 大模型的发展,其对算力的需求呈现爆炸式增长。然而,当前集成电路器件微缩所带来的能效提升正逐渐减缓,难以满足日益增长的人工智能算力需求,这无疑给集成电路产业带来了前所未有的挑战。

AI 对中国集成电路产业的影响

随着人工智能的发展,人类正在进入 AI 时代,AI 做到了赋能千行百业。

当下,全球以 AI 为主打产品的公司正在得到快速发展。国际排名前十的 AI 芯片企业包括:英伟达、英特尔、恩智浦、IBM、AMD、谷歌、Arm、苹果、高通、博通。国内排名前十的 AI 芯片企业包括寒武纪、云飞励天、思必驰、百度、云知声、比特大陆、紫光展锐、深鉴科技、地平线机器人、天数智芯。除此之外,一些传统公司也在植入 AI 元素。

时龙兴教授指出,随着 AI 大模型的发展,其对算力的需求呈现爆炸式增长。然而,当前集成电路器件微缩所带来的能效提升正逐渐减缓,难以满足日益增长的人工智能算力需求。在这种情况下,除了通用的人工智能芯片,一些新型的计算架构被大家寄予希望。

模拟计算架构

模拟计算架构便是被看好的新型架构之一,现如今模拟计算架构是 ISSCC、IEDM 和 ISCA 等会议上的研究热点,也是一些半导体大厂(台积电、三星)的布局重点。

在现实应用中,基于先进工艺的传统数字计算 AI 芯片能效瓶颈提升缓慢,模拟计算 AI 芯片虽不成熟,但已经展示了其巨大能效潜力。

以下是模拟计算 AI 芯片仍在面临的一些问题:

第一点,模拟计算难以满足多样化的网络需求。因为 AI 芯片的网络设计理念是复杂化的,而模拟计算的规则化理念比较强,这样一来就导致多样化的网络需求难以被满足。

第二点,单一范式的模拟计算难以同时兼顾精度、能量效率和面积效益。

第三点,模数转换等外围电路能耗是模拟计算的新瓶颈。

时龙兴教授表示,他们团队的模拟计算研究已开展多年,研究内容主要包括算法架构的融合、阵列电路、外围电路和演示系统等。

存算一体

第二个被看好的新型架构便是存算一体。众所周知,存算一体架构可以大幅降低存储墙和功耗墙的限制,存内计算架构能够以高计算能效、传输能效工作,尤其适用于高算力需求的任务执行。

在存内计算当中,有很多的技术路线,时龙兴教授重点比较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 的存内计算具有工艺适配性强、可配置性强、可靠性高等特点,是更合适大算力的实现方案。

时龙兴教授团队的存内计算研究内容主要包括 CIM 宏单元、AI 加速器、编译器设计和 SOC 芯片。

此外,AI 对集成电路产业的制造也带来了较大的影响。比如虚拟制造可大幅降低集成电路研发对设计流片测试的依赖度,使得时间缩短和成本下降。最后AI 对 EDA 工具的发展也带来了深远影响。时龙兴教授表示下一代 EDA 需要智能化、敏捷化,AI-EDA 或许会成为卡脖子攻关破局关键。

除了以上内容外,时龙兴教授还带大家回顾了中国集成电路产业的几点主要特征。

集成电路的产业特征

集成电路的产业特征主要包含以下几点:

第一点,集成电路的发展是一步创业史。集成电路的产业特征呈现了分久必合合久必分的特点,自从 1957 年的罗伯特·诺伊斯、戈登·摩尔等「八大金刚」创办仙童半导体开始,集成电路产业就掀起了一场裂变风潮,如今中国的芯片设计企业有三千多家,未来的一段时间必然会有一个并购整合的过程,从而有更多的龙头企业诞生。

第二点,集成电路产业以产品为中心。众所周知,产业的协同是为了把产品做出来,如果把集成电路比喻为一颗果树,这棵树的根就是当下重要的半导体设备、材料、EDA 等工具,树干就是集成电路制造,最后的果子就是最后的集成电路产品。对于一颗果树来说,只有根深了才能叶茂,但是中国集成电路产业的根基还不算稳固,同样叶茂也能反哺根深,产品和市场也能促进集成电路产业的根基更加稳固。

第三点,集成电路产业以系统应用为牵引。时龙兴教授表示,从原来的手机到现如今各种 AI 设备的应用牵引着集成电路产业向前进步,这本质也是一个生态的问题。

第四点,集成电路的发展本质是经济学问题。根据摩尔定律,每 18 个月晶体管特征尺寸缩小一半,性能提升一倍。功耗降低的同时,集成电路的制造成本也在降低。此外,集成电路产业本身也是一个资金密集、投资驱动的产业。

第五点,集成电路产业链的全球化分工。美国在集成电路支撑和集成电路制造产业的多个细分领域占据显著优势,尤其在 EDA/IP、逻辑芯片设计、制造设备等领域占比均达到 40% 以上。从全球其他国家和地区来看,日本在集成电路材料方面具有优势,而中国台湾和中国大陆在晶圆制造和封装测试方面占据领先地位。全球集成电路产业链形成深度分工协作格局,相关国家和地区的集成电路企业专业化程度高,在集成电路产品设计和制造等环节形成优势互补关系。

集成电路的技术特征

时龙兴教授还对集成电路产业的技术特征做了概括。

第一点,集成电路发展史就是一部创新史。从 1947 年世界上第一个晶体管诞生,到 1958 年世界上第一块锗集成电路诞生再到后来摩尔定律的提出、动态随机存取存储器的发明、EDA 工具的出现等等。可以看到,整个集成电路的发展史就是一个创新史。

第二点,技术创新趋势:高集成、高能效、敏捷化。随着算力需求的多样化,对能效的需求度越来越高,高能效是集成电路设计的永恒追求。敏捷化也是集成电路技术创新中的一个重要趋势,「EDA+设计方法学」正成为后摩尔时代实现设计敏捷化的重要手段。

第三点,算力是刚需。时龙兴教授表示,当前要解决的首要问题便是算力的问题。集成电路产品应用的发展离不开算力的支撑,而算力的提升又需要依赖器件、材料、架构的创新。

最后,时龙兴教授提出,集成电路产业还有一个很明显的特征——以人为本。集成电路是一个交叉的学科,与十多个一级学科都有相互联系,因此该产业对人才的需求量极大。集成电路产业需要的不仅是实践型人才,还需要更多的复合型和创新型人才。

关键词: AI 模拟计算

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