AI影響中國集成電路的幾點(diǎn)思考

AI 對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的設(shè)計(jì)、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(shù)的飛速發(fā)展正深刻改變著各行各業(yè)的面貌，其中，集成電路產(chǎn)業(yè)作為信息技術(shù)的核心領(lǐng)域，正迎來一場(chǎng)由 AI 驅(qū)動(dòng)的深刻變革。

今日，在 2024 國際集成電路展覽會(huì)暨研討會(huì)（IIC Shanghai）上，東南大學(xué)集成電路學(xué)院教授、中國集成電路設(shè)計(jì)創(chuàng)新聯(lián)盟專家組組長時(shí)龍興教授提出了他對(duì) AI 如何影響中國集成電路的幾點(diǎn)思考，引發(fā)了業(yè)界的廣泛關(guān)注和熱烈討論。

時(shí)龍興教授指出，AI 對(duì)集成電路產(chǎn)生的最顯著影響在于：隨著 AI 大模型的發(fā)展，其對(duì)算力的需求呈現(xiàn)爆炸式增長。然而，當(dāng)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(chǎn)業(yè)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。

AI 對(duì)中國集成電路產(chǎn)業(yè)的影響

隨著人工智能的發(fā)展，人類正在進(jìn)入 AI 時(shí)代，AI 做到了賦能千行百業(yè)。

當(dāng)下，全球以 AI 為主打產(chǎn)品的公司正在得到快速發(fā)展。國際排名前十的 AI 芯片企業(yè)包括：英偉達(dá)、英特爾、恩智浦、IBM、AMD、谷歌、Arm、蘋果、高通、博通。國內(nèi)排名前十的 AI 芯片企業(yè)包括寒武紀(jì)、云飛勵(lì)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(jī)器人、天數(shù)智芯。除此之外，一些傳統(tǒng)公司也在植入 AI 元素。

時(shí)龍興教授指出，隨著 AI 大模型的發(fā)展，其對(duì)算力的需求呈現(xiàn)爆炸式增長。然而，當(dāng)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(jì)算架構(gòu)被大家寄予希望。

模擬計(jì)算架構(gòu)

模擬計(jì)算架構(gòu)便是被看好的新型架構(gòu)之一，現(xiàn)如今模擬計(jì)算架構(gòu)是 ISSCC、IEDM 和 ISCA 等會(huì)議上的研究熱點(diǎn)，也是一些半導(dǎo)體大廠（臺(tái)積電、三星）的布局重點(diǎn)。

在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，基于先進(jìn)工藝的傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算 AI 芯片能效瓶頸提升緩慢，模擬計(jì)算 AI 芯片雖不成熟，但已經(jīng)展示了其巨大能效潛力。

以下是模擬計(jì)算 AI 芯片仍在面臨的一些問題：

第一點(diǎn)，模擬計(jì)算難以滿足多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求。因?yàn)?AI 芯片的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念是復(fù)雜化的，而模擬計(jì)算的規(guī)則化理念比較強(qiáng)，這樣一來就導(dǎo)致多樣化的網(wǎng)絡(luò)需求難以被滿足。

第二點(diǎn)，單一范式的模擬計(jì)算難以同時(shí)兼顧精度、能量效率和面積效益。

第三點(diǎn)，模數(shù)轉(zhuǎn)換等外圍電路能耗是模擬計(jì)算的新瓶頸。

時(shí)龍興教授表示，他們團(tuán)隊(duì)的模擬計(jì)算研究已開展多年，研究內(nèi)容主要包括算法架構(gòu)的融合、陣列電路、外圍電路和演示系統(tǒng)等。

存算一體

第二個(gè)被看好的新型架構(gòu)便是存算一體。眾所周知，存算一體架構(gòu)可以大幅降低存儲(chǔ)墻和功耗墻的限制，存內(nèi)計(jì)算架構(gòu)能夠以高計(jì)算能效、傳輸能效工作，尤其適用于高算力需求的任務(wù)執(zhí)行。

在存內(nèi)計(jì)算當(dāng)中，有很多的技術(shù)路線，時(shí)龍興教授重點(diǎn)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(nèi)計(jì)算具有工藝適配性強(qiáng)、可配置性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，是更合適大算力的實(shí)現(xiàn)方案。

時(shí)龍興教授團(tuán)隊(duì)的存內(nèi)計(jì)算研究內(nèi)容主要包括 CIM 宏單元、AI 加速器、編譯器設(shè)計(jì)和 SOC 芯片。

此外，AI 對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)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(fā)對(duì)設(shè)計(jì)流片測(cè)試的依賴度，使得時(shí)間縮短和成本下降。最后AI 對(duì) EDA 工具的發(fā)展也帶來了深遠(yuǎn)影響。時(shí)龍興教授表示下一代 EDA 需要智能化、敏捷化，AI-EDA 或許會(huì)成為卡脖子攻關(guān)破局關(guān)鍵。

除了以上內(nèi)容外，時(shí)龍興教授還帶大家回顧了中國集成電路產(chǎn)業(yè)的幾點(diǎn)主要特征。

集成電路的產(chǎn)業(yè)特征

集成電路的產(chǎn)業(yè)特征主要包含以下幾點(diǎn)：

第一點(diǎn)，集成電路的發(fā)展是一步創(chuàng)業(yè)史。集成電路的產(chǎn)業(yè)特征呈現(xiàn)了分久必合合久必分的特點(diǎn)，自從 1957 年的羅伯特·諾伊斯、戈登·摩爾等「八大金剛」創(chuàng)辦仙童半導(dǎo)體開始，集成電路產(chǎn)業(yè)就掀起了一場(chǎng)裂變風(fēng)潮，如今中國的芯片設(shè)計(jì)企業(yè)有三千多家，未來的一段時(shí)間必然會(huì)有一個(gè)并購整合的過程，從而有更多的龍頭企業(yè)誕生。

第二點(diǎn)，集成電路產(chǎn)業(yè)以產(chǎn)品為中心。眾所周知，產(chǎn)業(yè)的協(xié)同是為了把產(chǎn)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(dāng)下重要的半導(dǎo)體設(shè)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(chǎn)品。對(duì)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(chǎn)業(yè)的根基還不算穩(wěn)固，同樣葉茂也能反哺根深，產(chǎn)品和市場(chǎng)也能促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的根基更加穩(wěn)固。

第三點(diǎn)，集成電路產(chǎn)業(yè)以系統(tǒng)應(yīng)用為牽引。時(shí)龍興教授表示，從原來的手機(jī)到現(xiàn)如今各種 AI 設(shè)備的應(yīng)用牽引著集成電路產(chǎn)業(yè)向前進(jìn)步，這本質(zhì)也是一個(gè)生態(tài)的問題。

第四點(diǎn)，集成電路的發(fā)展本質(zhì)是經(jīng)濟(jì)學(xué)問題。根據(jù)摩爾定律，每 18 個(gè)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(shí)，集成電路的制造成本也在降低。此外，集成電路產(chǎn)業(yè)本身也是一個(gè)資金密集、投資驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)業(yè)。

第五點(diǎn)，集成電路產(chǎn)業(yè)鏈的全球化分工。美國在集成電路支撐和集成電路制造產(chǎn)業(yè)的多個(gè)細(xì)分領(lǐng)域占據(jù)顯著優(yōu)勢(shì)，尤其在 EDA/IP、邏輯芯片設(shè)計(jì)、制造設(shè)備等領(lǐng)域占比均達(dá)到 40% 以上。從全球其他國家和地區(qū)來看，日本在集成電路材料方面具有優(yōu)勢(shì)，而中國臺(tái)灣和中國大陸在晶圓制造和封裝測(cè)試方面占據(jù)領(lǐng)先地位。全球集成電路產(chǎn)業(yè)鏈形成深度分工協(xié)作格局，相關(guān)國家和地區(qū)的集成電路企業(yè)專業(yè)化程度高，在集成電路產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造等環(huán)節(jié)形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)關(guān)系。

集成電路的技術(shù)特征

時(shí)龍興教授還對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的技術(shù)特征做了概括。

第一點(diǎn)，集成電路發(fā)展史就是一部創(chuàng)新史。從 1947 年世界上第一個(gè)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(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的發(fā)明、EDA 工具的出現(xiàn)等等?？梢钥吹剑麄€(gè)集成電路的發(fā)展史就是一個(gè)創(chuàng)新史。

第二點(diǎn)，技術(shù)創(chuàng)新趨勢(shì)：高集成、高能效、敏捷化。隨著算力需求的多樣化，對(duì)能效的需求度越來越高，高能效是集成電路設(shè)計(jì)的永恒追求。敏捷化也是集成電路技術(shù)創(chuàng)新中的一個(gè)重要趨勢(shì)，「EDA+設(shè)計(jì)方法學(xué)」正成為后摩爾時(shí)代實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)敏捷化的重要手段。

第三點(diǎn)，算力是剛需。時(shí)龍興教授表示，當(dāng)前要解決的首要問題便是算力的問題。集成電路產(chǎn)品應(yīng)用的發(fā)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(gòu)的創(chuàng)新。

最后，時(shí)龍興教授提出，集成電路產(chǎn)業(yè)還有一個(gè)很明顯的特征——以人為本。集成電路是一個(gè)交叉的學(xué)科，與十多個(gè)一級(jí)學(xué)科都有相互聯(lián)系，因此該產(chǎn)業(yè)對(duì)人才的需求量極大。集成電路產(chǎn)業(yè)需要的不僅是實(shí)踐型人才，還需要更多的復(fù)合型和創(chuàng)新型人才。