【亚博网页版登陆】中国工程院院士许居衍:迎接可重构芯片浪潮|纪念集成电路发明60周年

本文摘要:(微信官方账号:)出版社:2018年10月11日,纪念集成电路发明人60周年学术会议在北京清华大学召开。

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(微信官方账号:)出版社:2018年10月11日,纪念集成电路发明人60周年学术会议在北京清华大学召开。中国科学院院士王阳元、中国工程院院士徐菊燕、清华大学教授魏少军等国内半导体行业顶尖专业人士在会上争相公开发表报告或演讲。其中,中国工程院院士徐菊燕发表了题为《庆贺可重构芯片浪潮》的演讲,总结分析了60年来集成电路的发展以及摩尔定律背后未被广泛认同的深层含义,并对未来国内外芯片行业的未来发展趋势进行了展望。

在不改变初衷的情况下,对演讲内容进行了编辑、编排和简化。徐菊燕院士:冯诺依曼计算机本质上是用二进制代码将操作者的数据和要执行的程序紧密联系起来。

现在我们用硅CMOS来支持这些二进制码,与事物的特性及其演化过程紧密相关,所以也称之为“硅冯范式”。硅丰模式现在遇到了很多困难。严格来说,早就应该戒掉了,但是我们现在还是停不下来。

我们在取代冯诺依曼架构方面做了很多探索,现在最流行的是量子计算。但是量子的互传是本世纪27个基本问题之一,目前我们还做不到毫秒倒计时计算。

另外,目前量子计算的容错亲和度只有99.9%,而传统的硅片是99.999999%,所以硅von模式会持续很长时间。我将从几个方面解释为什么摩尔定律仍然是推动CMOS革命最重要的因素。最近,我重新审视了摩尔定律的发展路线图。

摩尔定律最本质的问题是指“组件低于成本的构造(倍增)定律”。现在大家都很奇怪,总是关心这条线(摩尔定律),总想沿着这条线发展。

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本质上,摩尔最好的不在这里。我今天所讲的一切,都是摩尔在50年前预言的,但我们很少关注这些问题。

举个例子,Moore反复提到“一个大系统,通过功能设计和结构变化,可以划分成各种设备”。这不就是现在的可重构思想吗?而摩尔本人也已经说过,指数式的快速增长不太可能持续到某一天,所以我们更应该研究摩尔当年预见到的一些问题。根据尺寸数据,90纳米节点的物理栅极长度为25纳米,32纳米节点的物理栅极长度为24纳米。沿着这条路线,由节点带来的物理栅极长度的好处甚至更小,人们被迫使用FinFET来一起建立晶体管的栅极。

而当节点超过22nm时,从23.7nm(P沟道)到27nm(N沟道)可以仔细观察到物理栅长,而14nm节点的物理栅长是从23.7nm(P沟道)到23nm(N沟道)。未来,5nm以下节点的物理栅极长度可能会略有增加。由此解释的问题是,增加的工艺节点不会显著增加半导体的最关键和最活跃区域中的“源极溢出”问题。左图我画了两条红线。

第一条红线以上的部分是节点=网格长度的阶段,我称之为“多快多省”;两条红线之间的部分是节点栅长阶段。这时人们通过改进材料和晶体管结构来构建等效的微缩体,我称之为收益递增图。走到后面,我转向我称之为“莫名其妙”的图形阶段。在这个阶段,对摩尔定律的最初描述往往是模糊的,甚至是水解的。

不同的公司有不同的口号和标准:英特尔自称是真正的等比数字,晶体管密度可以超过上一代的N倍,而TSMC只做了0.58N倍,GLOBAL FOUNDRIES更差,只有0.4N倍。在这种情况下,“谁是老大说了算”,有人甚至开玩笑说摩尔定律就是人类性欲的定律。

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28nm节点后,摩尔定律早已无法提高成本。全球铸造厂称之为“我们长期以来不愿意跟上这一趋势”,最近宣布解散7纳米R&D竞赛。(记录:《GF退出7nm及先前制程研发:尖端工艺过于烧钱,不如之后沉迷于14nm》)目前一个很大的问题是晶体管的利用率比较大胆,经济在逐渐下降甚至亏损。

2005年,英特尔生产了一款1000核处理器的样品,但内核的激增不会给编程和电源管理带来问题。在今天的处理器中,只有9%的晶体管在满负荷工作,其他晶体管要么在休眠,要么在休眠。

在半导体制造业,世界上只剩下三家公司:英特尔、三星和TSMC。截至2018年3月,65纳米及以上先进技术仍占全球晶圆总产量的43%(晶圆厂产能的48%),占初始设计启动的近85%。

从行业指导的角度来看,英特尔还是希望保持1990年到1998年摩尔定律的步伐。2015年,英特尔明确提出了摩尔定律2.0的概念,但此时摩尔定律已经逐渐失去了在行业内的指导力量,英特尔本身也变得越来越困难。随后,IEEE中一个名为“重启计算”(Restart Computed)的组织明确提出了在系统而不是摩尔定律的指导下开发集成电路的思想,即从芯片构造到系统集成,从晶体管图递归到函数递归,从内部直接连接到外部传感器连接,从同构构造到异构构造。从历史规律来看,集成电路的摩尔定律不是第一个,而是获得指数快速增长的计算范式的第五个范式。

每当一个范式失去动力,另一个范式就不会加速。从这个角度看,摩尔定律只是一个“过客”,那么我们就不会进入第六范式。在IP寿命方面,晶体管数量的快速增长将基本结束于204X,IP寿命将耗尽。今天的业界不要纠结摩尔定律的线,要研究摩尔在1965年看到的东西,忘掉“摩尔”,重写“格罗夫”,看看未来应该是一个怎样的“转折点”。

为什么现在半导体技术处于非常令人失望的阶段?投资成本更低,但收益越来越低。甚至有人指出,半导体行业已经变成了一个“无效繁荣”的时代。在这种情况下,“开源硬件”和“可重构硬件”的概念经常出现。

个人认为,在可重构硬件领域,魏少军教授提出的“软件定义的芯片”比DAPA的“软件定义的硬件”要好。目前,重构的浪潮已经转向了很多不同的视野,其中之一就是中国计算研究所明确提出的“FISC”功能指令集,即在计算机中构建很多大型功能模块,必须根据什么样的特殊计算能力调用合适的功能。目前国内可重构硬件的代表有清华大学思想者可重构AI芯片和NTU RASP可重构芯片。思想者设计了两个16*16矩阵的rPE单元,在65nm工艺下构建了5个p/W的高性能。

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与TMS320C6672多核DSP相比,NTU拉斯普将信号处理中的25种算法归结为6个粗粒度异构rPE单元,其综合性能提高了10倍。更重要的是,可重构芯片的创意空间非常大。与传统的“源代码-编译器-继续执行”的CPU操作流程相比,可重构芯片可以在硬件描述语言中使用,通过硬件综合和设备分解来构造硬件重构的硬件编程。

另外,可重构硬件和传统的冯诺依曼硬件可以产生很多不同的人群,比如rPE单元可以同构异构,规模可以大也可以小,粒度可以细也可以细,甚至rPE单元本身也可以重构。当然,正因为如此,可重构硬件仍然不构成统一的标准。

物联网浪潮下,由于物联网的动态性、异构性、链接性、安全性和隐私性等特点,需要有低功耗、近低成本、前端、多协议、多模块、软加密的物联网芯片。可以认识到,实物芯片与实际市场需求的差距会更大,实际市场需求会激发创造力。未来10年,cSoC(定制SoC)时代将向rSoC(可重构SoC)时代过渡。允许禁止发表的原创文章。

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