華夏芯是國內(nèi)少有的基于自主IP的異構(gòu)計算芯片設(shè)計公司。

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新，總是伴隨著新的應(yīng)用場景出現(xiàn)，AI和5G的到來，也意味著傳統(tǒng)的計算架構(gòu)正面臨新一輪的挑戰(zhàn)。

在一些特定領(lǐng)域，比如AI和5G等場景下，通用計算顯得越來越吃力，異構(gòu)計算則順勢而上，正逐漸成為主流的芯片架構(gòu)。

那么，何為異構(gòu)計算呢？

多種計算單元（例如CPU、GPU、DSP、AI加速器、FPGA等）的搭配、集成、融合統(tǒng)稱之為異構(gòu)計算。通常情況下，異構(gòu)計算架構(gòu)的芯片中既有傳統(tǒng)的通用計算單元，也有高性能的專用計算單元，例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的加速器。

異構(gòu)計算由來已久，不過在AI和5G對計算性能超高要求的催化下，芯片的設(shè)計創(chuàng)新開始聚焦于此。華夏芯（北京）通用處理器技術(shù)有限公司（簡稱為華夏芯）便是國內(nèi)最早從事異構(gòu)計算研究的芯片公司之一。

在由工業(yè)和信息化部人才交流中心、南京市江北新區(qū)管理委員會共同主辦的芯動力人才計劃——第一屆集成電路創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)論壇上，鎂客網(wǎng)采訪了華夏芯創(chuàng)始人李科奕，他表示，“芯片行業(yè)的共識是：未來AI和5G芯片的主流架構(gòu)一定是異構(gòu)計算。”

圖 | 華夏芯創(chuàng)始人李科奕

AI和5G場景是異構(gòu)計算的春天

這幾年，專用芯片的概念甚囂塵上，一大波初創(chuàng)公司推出了針對某個特定應(yīng)用場景的AI專用芯片。

但在李科奕看來，全球芯片行業(yè)發(fā)展到今天，從來沒有出現(xiàn)過某一領(lǐng)域的專用芯片公司成長為行業(yè)巨頭的案例。

“Intel、英偉達(dá)這些壟斷企業(yè)的主要銷售收入都來自于通用型、平臺型的芯片。專用芯片雖然性能很好，但有其自身的局限性：生命周期短，需要不斷的迭代。只有在AI算法、通訊協(xié)議已經(jīng)固定的場合，專用芯片才會有一定的市場。更重要的是，通用計算的復(fù)雜度遠(yuǎn)比專用計算高很多，通用芯片廠商很容易就可以把專用計算單元集成到芯片中去，這就是所謂的異構(gòu)計算。”

與傳統(tǒng)的通用計算芯片相比，異構(gòu)架構(gòu)具有高性能、低功耗等顯著優(yōu)點。而且，相對于專用計算芯片，即使新的算法出來，異構(gòu)架構(gòu)的芯片也可以依賴通用計算單元加以支持，不至于很快會被淘汰，從而延長了芯片的生命周期。所以在先進(jìn)工藝投入越來越大的情況下，異構(gòu)計算成為業(yè)界主流的選擇。

集成電路的技術(shù)發(fā)展趨勢讓李科奕選擇了從異構(gòu)計算的角度切入，另一方面則是著眼于輔助駕駛、邊緣計算、智能安防、5G等新興應(yīng)用帶來的異構(gòu)計算的市場機(jī)遇——這些場景的共同特點是都只需要“單點”的應(yīng)用開發(fā)，而不用像手機(jī)、PC一樣需要匯集眾多第三方的應(yīng)用軟件，從而有很強(qiáng)的生態(tài)依賴性。

李科奕表示，“PC時代是Wintel聯(lián)盟主宰生態(tài)，移動互聯(lián)網(wǎng)是Arm+Android主導(dǎo)生態(tài)，AI和5G時代則開啟了全新的生態(tài)、或者是多生態(tài)并存的局面，這也是國產(chǎn)芯片廠商的發(fā)展機(jī)遇。”

換句話說，AI和5G下的應(yīng)用場景既沒有傳統(tǒng)生態(tài)的壓力，也沒有出現(xiàn)巨頭壟斷的市場格局。從事原始創(chuàng)新的初創(chuàng)公司完全可以通過價格、性能、定制開發(fā)等機(jī)制引導(dǎo)應(yīng)用開發(fā)廠商自愿把它們的軟、硬件開發(fā)移植到新的處理器架構(gòu)+操作系統(tǒng)的平臺上。

“當(dāng)市場沒有壟斷生態(tài)，技術(shù)、創(chuàng)新和應(yīng)用成為決定因素的時候，我們就有了打破天花板的可能。”

發(fā)軔于底層IP，專注芯片設(shè)計的原始創(chuàng)新

現(xiàn)在絕大多數(shù)異構(gòu)計算芯片使用的都是不同供應(yīng)商的IP，需要龐大的芯片設(shè)計團(tuán)隊去完成包括IP相互驗證在內(nèi)的技術(shù)維護(hù)和設(shè)計工作。但李科奕認(rèn)為這種“拉郎配”式的傳統(tǒng)異構(gòu)設(shè)計方式，沒有解決異構(gòu)計算推廣的主要障礙：極為復(fù)雜的異構(gòu)編程。

所以，華夏芯選擇從異構(gòu)芯片的底層IP開始，做芯片設(shè)計領(lǐng)域的原始創(chuàng)新企業(yè)——他們是國內(nèi)少有的基于自主IP的異構(gòu)計算芯片設(shè)計公司。

以異構(gòu)編程為例，計算任務(wù)要在多個供應(yīng)商提供的不同的計算單元上運行，比方說，有的AI計算首先需要在CPU或者DSP上進(jìn)行任務(wù)分割或者處理，然后在AI加速器上進(jìn)行目標(biāo)識別，再將結(jié)果反饋到CPU進(jìn)行下一輪的計算。要熟悉不同計算單元之間數(shù)據(jù)流的調(diào)度、交換和進(jìn)行決策的機(jī)制，這些對于復(fù)雜的AI系統(tǒng)開發(fā)者來說都是門檻很高的難題。

這種耗費大量人力、物力的開發(fā)工作顯然不適合全球大部分人工智能公司都是中小型企業(yè)的現(xiàn)狀，所以華夏芯決定另辟蹊徑，走了一條創(chuàng)新的異構(gòu)設(shè)計道路。

“如果你的編程模型，能夠讓各種計算任務(wù)在CPU、DSP或者GPU上都能運行，由編譯器和系統(tǒng)按照計算效率自動選擇最佳的運行載體，進(jìn)行任務(wù)分割，再系統(tǒng)化地對計算、通訊、存儲的開銷進(jìn)行優(yōu)化，這樣就能大幅降低編程開發(fā)的門檻。”要實現(xiàn)這一目的，不從底層IP創(chuàng)新做起，是無法打破IP供應(yīng)商之間各自為政的藩籬壁壘。

所以華夏芯設(shè)計了創(chuàng)新的Unity統(tǒng)一指令集架構(gòu)，此架構(gòu)由一套基礎(chǔ)指令集和面向不同應(yīng)用類型的擴(kuò)展指令集組成，結(jié)合以先進(jìn)的微架構(gòu)設(shè)計，就形成一套彼此高度融合的CPU、DSP、GPU和AI處理器異構(gòu)平臺。

目前，華夏芯已經(jīng)發(fā)布自主知識產(chǎn)權(quán)的Unity統(tǒng)一指令集架構(gòu)和基于此架構(gòu)的CPU、DSP及AI專用處理器系列IP，以及已經(jīng)量產(chǎn)投片的多核異構(gòu)GPT8300SoC芯片。

IP就相當(dāng)于建筑物的地基，有嚴(yán)格的專利保護(hù)，所以雖然自己打地基建高樓，比買基于別人地基上的樣板房自由度更高，但疑問也隨之而來，IP設(shè)計如何繞過巨頭們的技術(shù)專利？

這也是擺在諸多國內(nèi)芯片設(shè)計公司面前的難題，如何脫離桎梏，找到一條創(chuàng)新之路。李科奕認(rèn)為，如果我們還是用傳統(tǒng)的思路去做CPU、DSP和GPU，肯定很難繞過之前行業(yè)巨頭的IP專利限制。

李科奕打了個比方，之前傳統(tǒng)的IP是由不同的水果樹分別結(jié)出不同的果實，華夏芯是通過轉(zhuǎn)變水果樹的基因，讓一棵樹上結(jié)出不同的水果。“技術(shù)路徑不一樣才能繞開其他廠商的IP專利，而且我們這種設(shè)計思路，也’濃縮’了芯片設(shè)計團(tuán)隊規(guī)模，不需要為每個計算單元配備工具鏈和應(yīng)用開發(fā)的團(tuán)隊，并且大幅度降低了用戶開發(fā)的門檻。”

沒有自主創(chuàng)新的國產(chǎn)IP支撐，中國芯片設(shè)計產(chǎn)業(yè)會大而不強(qiáng)

目前，華夏芯的異構(gòu)計算主要覆蓋的場景是AI和5G領(lǐng)域?qū)τ嬎阌懈咝枨蟮膽?yīng)用，例如輔助駕駛、邊緣計算、機(jī)器人、安防監(jiān)控、智能家居等等。就像李科奕自己說的，越是對芯片的計算性能、效能功耗比和生命周期有要求的場景，華夏芯的異構(gòu)計算優(yōu)勢越能顯現(xiàn)。

和多數(shù)芯片設(shè)計公司不同，華夏芯的商業(yè)模式有兩種，一是芯片設(shè)計定制，即利用自主研發(fā)的IP平臺為客戶設(shè)計定制芯片：二是IP授權(quán)，即許可IP給客戶自己設(shè)計芯片。

當(dāng)下華夏芯主要以服務(wù)有定制需求的客戶為主，基于全套成體系的IP和設(shè)計平臺，通過與客戶共同定義芯片，可以最大程度滿足客戶在不同發(fā)展階段的定制需求——從小批量定制到大規(guī)模量產(chǎn)的芯片及解決方案，并且降低應(yīng)用開發(fā)的難度。目前已經(jīng)有幾款為客戶定制的芯片產(chǎn)品開始量產(chǎn)。

華夏芯李科奕強(qiáng)調(diào)，“我們是既IP廠商，也是計算平臺供應(yīng)商。華夏芯的IP覆蓋了從端到云的全產(chǎn)業(yè)鏈，我們的目標(biāo)是為客戶提供一次開發(fā)、多處部署、端云結(jié)合、協(xié)同計算、前后兼容的計算平臺。”

最后，談到國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，李科奕認(rèn)為，國內(nèi)芯片公司還處于中低端同質(zhì)化競爭的局面，市場環(huán)境也比較浮躁，無論是風(fēng)險投資還是政府的關(guān)注點，更多的是聚焦在應(yīng)用創(chuàng)新或者工藝制造方面，對IP和設(shè)計環(huán)節(jié)重視不夠。國內(nèi)的芯片設(shè)計公司的投入也以先進(jìn)工藝為主，而不是設(shè)計創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新。如果按照這種思路發(fā)展，中國只會成為集成電路的大國，但不會變成一個集成電路的強(qiáng)國。

“國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)熱衷于投資生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，但是沒有強(qiáng)大的IC設(shè)計支撐，下游的制造、封測就面臨無源之水、無根之樹的風(fēng)險。”

他提出了對國內(nèi)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展的一些建議：“IP是整個集成電路產(chǎn)業(yè)鏈最上游的節(jié)點，投資周期長，但I(xiàn)P才是集成電路產(chǎn)業(yè)的命脈、咽喉。沒有堅持自主創(chuàng)新的國產(chǎn)IP鏈條，中國的IC設(shè)計就永遠(yuǎn)改變不了被國外IP公司卡脖子的局面。不重視芯片的設(shè)計創(chuàng)新、架構(gòu)創(chuàng)新，中國的IC設(shè)計很可能是大而不強(qiáng)。”

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