??Arm引領(lǐng)AI時(shí)代芯片設(shè)計(jì)的范式躍遷

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨歷史性轉(zhuǎn)折的當(dāng)下，領(lǐng)先的計(jì)算平臺(tái)公司Arm于近日發(fā)布的《芯片新思維：人工智能時(shí)代的新根基》行業(yè)報(bào)告揭示了AI時(shí)代芯片技術(shù)的演進(jìn)路徑。芯粒與先進(jìn)封裝技術(shù)的崛起正突破傳統(tǒng)摩爾定律的物理極限，為架構(gòu)創(chuàng)新、能效革命與安全范式重構(gòu)提供了新的可能性，從而為人工智能的爆發(fā)式增長構(gòu)建新型算力基座。

隨著傳統(tǒng)縮放技術(shù)的終結(jié)，先進(jìn)的封裝技術(shù)已逐漸成為摩爾定律的真正繼任者——盡管其本身也面臨著諸多限制。芯粒設(shè)計(jì)趨勢(shì)的興起，實(shí)際上并不是為了讓芯片變得更小。事實(shí)上，隨著晶體管數(shù)量的增長速度超過單純縮放技術(shù)所能支持的速度，系統(tǒng)整體尺寸仍在持續(xù)加大。Arm解決方案工程部執(zhí)行副總裁Kevork Kechichian指出，這一技術(shù)演變始于2010年代，當(dāng)時(shí)臺(tái)積公司推出了CoWoS技術(shù)，使系統(tǒng)能夠突破晶圓廠光刻設(shè)備的物理尺寸限制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展。

Arm 解決方案工程部執(zhí)行副總裁 Kevork Kechichian

現(xiàn)代芯片設(shè)計(jì)正經(jīng)歷從平面集成到3D堆疊的質(zhì)變。通過先進(jìn)封裝將計(jì)算、存儲(chǔ)單元進(jìn)行空間重構(gòu)。Microsoft Azure Cobalt與Google Axion定制芯片的實(shí)踐表明，Arm Neoverse計(jì)算子系統(tǒng)（CSS）正成為架構(gòu)創(chuàng)新的核心載體：其模塊化設(shè)計(jì)允許SoC設(shè)計(jì)人員圍繞經(jīng)過驗(yàn)證的核心計(jì)算功能以及靈活的內(nèi)存與 I/O 接口配置，在確保軟件一致性的同時(shí)，使其能夠基于CSS周圍新增定制子系統(tǒng)，以打造差異化的解決方案。

這種變革正在顛覆傳統(tǒng)制造范式。當(dāng)CFET（互補(bǔ)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）等3D集成技術(shù)突破7納米以下制程瓶頸，芯片設(shè)計(jì)商與代工廠的協(xié)作深度達(dá)到空前水平。Arm在報(bào)告中指出，企業(yè)已無法在不了解 IP 如何在實(shí)際芯片中實(shí)現(xiàn)的情況下，進(jìn)行芯片IP設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)與制造之間曾經(jīng)的界限正在逐漸消融，取而代之的是原本各自獨(dú)立運(yùn)作的領(lǐng)域之間必須展開緊密協(xié)作。

能效：AI計(jì)算的生死線

高盛最新研究顯示，AI數(shù)據(jù)中心電力消耗將在2030年消耗美國7.5%的供電量。從芯片設(shè)計(jì)的角度來看，最主要的能耗來源有兩個(gè)：計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸。此外，還需要對(duì)過程中所產(chǎn)生的熱量進(jìn)行冷卻處理。Arm在報(bào)告中提到了三大技術(shù)趨勢(shì)：全行業(yè)推動(dòng)采用FP4（4位浮點(diǎn)數(shù)）靈活架構(gòu)并推出新指令集和功能，帶來了增量收益，并有助于實(shí)現(xiàn)更高效的AI計(jì)算；芯片堆疊技術(shù)和3D封裝技術(shù)的發(fā)展，也催生了諸如芯粒等更高能效的芯片設(shè)計(jì)方案。此外，業(yè)界已經(jīng)證明，更小型、更高能效的AI模型是完全可行的。

高盛預(yù)計(jì) AI 將推動(dòng)數(shù)據(jù)中心的電力需求增長達(dá) 160%

可以預(yù)見，無論是現(xiàn)在還是將來，AI都需要在云端和端側(cè)進(jìn)行混合處理。邊緣處理將與數(shù)據(jù)中心處理相輔相成，以更節(jié)能的方式完成推理任務(wù)。通過智能分配工作負(fù)載，可以提高整體系統(tǒng)能效。從移動(dòng)端到物聯(lián)網(wǎng)，一系列采用了更小型、更高能效 AI 模型的設(shè)備正在推動(dòng) AI 轉(zhuǎn)向邊緣側(cè)。例如，Arm 與 Meta 的優(yōu)化合作使得Meta Llama 3.2大語言模型能夠以前所未有的速度在基于Arm架構(gòu)的移動(dòng)設(shè)備上運(yùn)行。

而在底層架構(gòu)方面，新的指令集和功能的引入，能夠?yàn)?/span>AI帶來重大的創(chuàng)新機(jī)遇。比如，Arm在Armv9架構(gòu)中引入的SME（可伸縮矩陣擴(kuò)展）功能，通過量化技術(shù)減少AI和ML模型的內(nèi)存帶寬、占用空間以及計(jì)算復(fù)雜性，進(jìn)而提高其效率。 

安全：對(duì)抗AI驅(qū)動(dòng)的威脅與攻擊

DarkTrace 在2024年的安全報(bào)告中一組數(shù)據(jù)揭示了變革的緊迫性：近74%的受訪者表示AI驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)威脅對(duì)他們所在的組織已帶來顯著沖擊，60%的受訪者擔(dān)心其所在組織尚未做好充分準(zhǔn)備來應(yīng)對(duì)這類AI驅(qū)動(dòng)的威脅與攻擊。半導(dǎo)體行業(yè)正在通過構(gòu)建多層級(jí)的軟硬件防護(hù)體系，升級(jí)其防御能力。從嵌入在芯片中的加密技術(shù)，到經(jīng)AI強(qiáng)化的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，現(xiàn)代SoC架構(gòu)正不斷加固防線，以抵御傳統(tǒng)攻擊與新一代威脅。

專用計(jì)算的興起催生了對(duì)定制芯片解決方案的空前需求，每種芯片解決方案都針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行量身打造。這種定制化在顯著提升性能優(yōu)化的同時(shí)，對(duì)安全性提出了更高要求。因此，穩(wěn)健的安全框架對(duì)于確保這些專用芯片依然符合嚴(yán)格的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)是必要條件。Arm 推出的PSA Certified 認(rèn)證項(xiàng)目已成為安全芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域的黃金標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)安全啟動(dòng)、加密服務(wù)以及更新協(xié)議等方面制定全面的要求，PSA 認(rèn)證項(xiàng)目為芯片制造商提供了清晰的路線圖，使其能將安全機(jī)制深植于定制芯片解決方案的基礎(chǔ)架構(gòu)中。

此外，隨著AI從集中式數(shù)據(jù)中心向網(wǎng)絡(luò)邊緣延伸，邊緣計(jì)算不僅是一場(chǎng)技術(shù)革新，它還從根本上改變了我們對(duì)數(shù)據(jù)保護(hù)的思考方式。由于其本地處理能力，邊緣計(jì)算大幅減少了在網(wǎng)絡(luò)中傳輸敏感信息的需求，這種本地化的特性天然地強(qiáng)化了隱私與安全性，并縮小了潛在數(shù)據(jù)泄露的攻擊面。然而，邊緣側(cè)的數(shù)據(jù)保護(hù)需要成熟的硬件解決方案?，F(xiàn)代SoC集成了安全飛地和可信執(zhí)行環(huán)境 (TEE)，在芯片內(nèi)部構(gòu)建了加固的數(shù)字保險(xiǎn)庫。這些隔離環(huán)境能夠有效保護(hù)敏感的 AI 運(yùn)算，尤其是推理處理，使其免受未經(jīng)授權(quán)的訪問或篡改。

重構(gòu)計(jì)算邊疆的生態(tài)革命

Arm 在報(bào)告中指出，當(dāng)前行業(yè)正處于一種全新基礎(chǔ)模型范式的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這不僅會(huì)增加AI推理的復(fù)雜性，還將催生對(duì)更多對(duì)專用CPU架構(gòu)的需求。AI時(shí)代，AI工作負(fù)載正在改變多計(jì)算模塊的需求格局。因此，唯有通過 CPU、GPU、加速器及網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的共生協(xié)作，才能夠最好地滿足這些需求。而Arm計(jì)算平臺(tái)的靈活性讓三大層面的工作得以實(shí)現(xiàn)：

1） 異構(gòu)計(jì)算：基于Arm架構(gòu)的CPU正成為GPU和TPU等AI加速器的理想搭檔——既能高效管理數(shù)據(jù)流和通用計(jì)算任務(wù)，又能應(yīng)對(duì)工作流程中遇到的瓶頸。

2） 推理效率：大型AI模型的訓(xùn)練通常依賴高性能GPU，而Arm的高能效處理器則非常適合在端側(cè)和數(shù)據(jù)中心執(zhí)行推理任務(wù)。

3） 可擴(kuò)展性：Arm架構(gòu)支持CPU、GPU與專用加速器的無縫集成，這對(duì)于打造優(yōu)化的AI系統(tǒng)至關(guān)重要。

在這場(chǎng)芯片變革的躍遷中，Arm正以架構(gòu)創(chuàng)新為支點(diǎn)，帶動(dòng)整個(gè)計(jì)算產(chǎn)業(yè)的范式重構(gòu)。當(dāng)3D堆疊芯片突破物理限制，當(dāng)開源框架消融生態(tài)壁壘，半導(dǎo)體行業(yè)的游戲規(guī)則已被改寫。正如Kechichian在報(bào)告的結(jié)語中強(qiáng)調(diào)："未來幾年，半導(dǎo)體行業(yè)持續(xù)創(chuàng)新并適應(yīng)AI需求的能力變得至關(guān)重要。唯有通過整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)作，我們方能構(gòu)建起必要的技術(shù)基石——既能釋放AI的變革潛力，又能有效管控其計(jì)算成本與復(fù)雜度。"