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      中星微張韻東:后摩爾時代 走自主創新的智能摩爾之路

      發布時間:2021-07-15 16:57  來源:中國高新技術產業導報    背景: 無障礙閱讀通道

          自5月14日,國家科技體制改革和創新體系建設領導小組在北京召開第十八次會議,專題討論了面向后摩爾時代的集成電路潛在顛覆性技術后,業界關于后摩爾時代半導體產業發展方向的討論掀起新一輪高潮。

          摩爾定律要終結了嗎?如何開拓摩爾定律新維度?后摩爾時代的突圍之路、創新之路怎么走?日前,國家科技進步獎一等獎獲得者,中星微集團聯席總裁、數字多媒體芯片技術國家重點實驗室執行主任、“星光中國芯工程”副總指揮張韻東在接受記者獨家專訪時,一一給出了自己的答案。

          摩爾定律必將走向終結

          “當前物理層面和信號層面都受到物理規律的制約,摩爾定律正在走向極限和盡頭。”張韻東開門見山地向記者表示,下一次信息革命的關鍵是如何進一步借鑒人腦的智慧機制,研究新型人工智能計算方法,未來走向智能摩爾,通過多核異構的智能處理器實現多模融合智能算法。

          作為我國神經網絡處理器專家,曾主持和參與制訂2項國家標準,多次擔任“核高基”、“973計劃”、“863計劃”、國家電子發展基金、國家集成電路設計專項等重大科研項目負責人,憑借近30年的從業經驗,張韻東認為,摩爾定律自1956年提出以來,每隔約18個月,半導體的性能提升一倍,價格也相應地下降一倍,已經持續驗證了超過半個世紀的時間     了。目前,半導體的最小線寬參數已經開始做到3納米,最后會接近一個量的極限。

          張韻東表示,大家都知道的摩爾定律,現在已經走到了7納米、5納米量產,3納米也進入試產的階段,快要逼近摩爾定律的極限值。未來怎么辦?國外講“more moore”,就是延展摩爾、擴展摩爾的意思,沿著摩爾的道路繼續發展3納米、2納米、1納米。大家都認為,1納米也是有可能實現的。1納米相當于3層原子,到時候很多電子信號、電子的波函數,都不一定能約束在1納米里面,0和1將越來越模糊,電子隧道效應產生的漏電流會越來越大。

          由此,張韻東斷言:“從這個角度來看,摩爾定律不管走到哪一代,必將走向終結,這是基本的物理規律。”

          后摩爾時代的方向之爭

          摩爾定律最終將走向何方?除了“more moore”談延展摩爾、擴展摩爾,大約在20世紀90年代末期,國外又有一種理論,叫做“more than moore”,大致是超越摩爾的意思,通過集成堆疊封裝3D技術等,把更多的功能集成到同一個芯片上或者同一個封裝里,包括把存儲和計算合在一起,也包括把天線、傳感器集成在一起,這就是“more than moore”。

          “‘more than moore’是第二個維度,在物理層面和信號層面,能想到的辦法只能是集成,把各種模塊集成到一塊兒。”張韻東說,選擇“more moore”還是“more than moore”?兩者各有利弊?;诖?,“星光中國芯工程”從2016年提出“智能摩爾之路”,核心就是跳出二維,走向三維,從信息層面入手,研究人眼關注東西的特征。

          “你想想看,我們在道路上錄像的時候,可能并不想看道路兩旁樹葉怎么動,但現在的計算方法在這方面耗費了很多計算和存儲資源,其實我們真正關心的可能是人和車這些移動的目標。”張韻東舉例說明道:而人眼的視覺關注機制就不一樣,人眼只看人關注的東西,不關注的東西就不怎么看。從現在的神經和人腦研究來看,這個關注機制在人腦里面是分層分區的。也就是說,在信息層面,人對信息有關注機制,也有遺忘機制,還有分區機制,人腦里有的地方管語言,有的地方管視覺,有的地方管行為。同理,今天的處理器好像什么都管,都在處理器計算,其實也就說明,處理器一會兒算圖像,一會兒算聲音,一會兒算文字,算什么都在用同一個指令集,這樣的處理效率就很低。

          “我們講智能摩爾之路,就是要借鑒人腦的機制,來分層分區地去關注各種東西,從而形成更加智能的計算。也就是在信息層面,對需要關注的信息,對有用的信息進行更高效率的計算。”張韻東說,所謂智能摩爾技術路線,是他們通過實驗發現,在物理層面智能芯片的發展已經受到了物理規律摩爾定律的限制時提出來的。

          走自主創新的智能摩爾之路

          “雖然摩爾定律在物理層面和信號層面都受到物理規律的制約,看似已接近極限,但在信息層面的技術創新還遠沒有達到極限。而下一次信息革命的關鍵在于,通過進一步借鑒人腦智慧機制來研究新型人工智能計算方法,達到進一步提升信息處理的性能/功耗價格比的目標。”張韻東一語道破后摩爾時代突圍和創新的天機。

          “智能摩爾技術路線立足于信息處理架構的創新,它在More Moore和 More-Than-Moore之外開創了一個新的創新維度,相互之間不僅不會沖突,而且還能夠利用前兩個維度的發展進步的成果產生合力,共同推進,大幅度提高產品的整體性能。”張韻東進一步闡述說。

          “為實現智能摩爾之路,要做很多技術,比如現在提出來的數字像素傳感技術,也叫DPS技術,和多核異構XPU技術一起,把這兩個技術結合起來,就能很好地學習人腦的處理方式。在未來,我們將攻克多核異構XPU的架構技術,這個架構將用來支撐智能摩爾之路的發展。”張韻東詳盡描述道,XPU多核異構智能處理器可以在同一芯片內部配備 NPU、DSP、CPU、GPU、FPGA以及特定功能的運算加速算子單元等不同類型的處理器核心,并實現了算力共享和內存共享,不同架構的智能化算法能夠實現底層、深層次地融合計算。相比NPU、GPU這一類深度學習處理器,XPU多核異構智能處理器更適合目前的信息理論發展現狀,在實際應用中更靈活、高效,能耗更低。舉個例子:中星微自主研發,于2020年實現量產的新一代人工智能處理器(XPU)的性能超越了星光智能第二代芯片的8倍。

          長期以來,我國的集成電路相對受到西方很多先進制造設備、材料和工藝引進方面的限制。“我們比國際上最先進的、能夠買到的設備和制造工藝要晚兩代,我們的高端芯片還要多加努力,現在機會已經來了!”張韻東透露,后摩爾時代,堅持走自主創新的智能摩爾之路,目前已在國內形成廣泛的認同,并在中星微落地實踐成為行動指南,在該技術路線指導下所產生的技術成果,在實現國產替代,解決“卡脖子”問題上,已取得了一系列的積極突破,并在國內一些特定領域如安防、交通領域等實現了規模應用。(中國高新技術產業導報 作者:張偉)

       

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