在2018全球CEO峰會上,中國半導體產業協會IC設計分會理事長、清華大學微納電子系教授魏少軍帶來「智慧時代中國半導體市場需求」的主題演講。內容涵蓋人工智慧(AI)正向我們走來、架構創新是AI晶片的必須之路、軟體定義晶片及晶片智慧化、理性看待中國晶片產業走向智慧化,以及結束語五個部分。

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魏少軍指出,這些年AI非常熱,原因是一些重要事件的出現。最重要的是AlphaGo戰勝了韓國棋手李世石和中國棋手柯潔。這件事告訴我們,機器和人在很多時候比賽競爭,機器可能會贏人。為什麼?李世石要吃飯、要睡覺,AlphaGo則可以在他吃飯睡覺的時候不吃不睡地下一萬盤,第二天早上就已經不是第一天的AlphaGo了。過了半年再和柯潔下棋的時候,AlphaGo可能又已經不是和李世石下棋時的AlphaGo了,因此,凡是規則清晰的情況下,機器一定能贏過人。而AI的發展非常快,最重要的原因是深度神經網路的出現。

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「現在無產業不AI、無應用不AI、無晶片不AI。現在大家想申請國家專案、申請地方的資助,不提AI都不好意思拿出東西。」魏少軍認為,有些人對AI的發展充滿恐懼,不是他們對這件事產生恐懼,而是對AI無節制的發展且無法預測產生恐懼。「如果我們對AI有各種各樣不切實際的想法,有可能AI將是人類最後一個發明。我們不需要發明什麼東西,AI就可以自己發明。」他並強調,在AI的發展過程中,架構創新很重要。

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架構創新是AI晶片的必須之路

圖靈獎(ACM A.M. Turing Award)獲獎人John L. Hennessy和David A. Patterson在討論AI時,把架構問題看得非常重要,他們特別講明,今天人們處在架構創新的黃金年代。因此,魏少軍認為,AI的崛起有三個基本要素:演算法、資料和運算力。

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他進一步說明:「這三點之間有些已經存在,有些還在不斷發展,有些可以介入,有些沒法介入。晶片更多是考慮運算力的問題,演算法研究不是做晶片的人應該做,而是研究演算法的人做的事情,然而即便是今天做演算法的人,也解決不了兩個現實的問題。」(參見下圖)

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若將人類大腦與人工邏輯(天河-II超級電腦)作對比,大腦中有140億個神經元,工作頻率200Hz,大腦皮層很大,可以完成大概1016CPS運轉,重量1.2~1.6kg。電的傳導速度是300,000km/s,天河-II工作頻率4.2GHz,把晶片堆積起來可以實現比人腦快得多的運算能力,但是佔地面積720m2,重5噸,耗電42MW(需要一個發電站那麼大的功耗)。

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魏少軍指出:「我們一直追求運算力,但擁有超過人腦的運算力不是終極目標——把做AI晶片歸結到追求運算力就錯了。我們更多需要智慧的運算引擎,也就是說本身的運算需要有智慧化。」但是這個智慧化有很多的內容,魏少軍舉出三點,如下圖。

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「智慧運算」晶片應該具備以下圖中的一些基本要素。

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事實上,這樣的晶片現在還不存在。如下圖所示,今天用的晶片基本在第二、三、四象限。第二象限有ASIC和SoC等,有很強的軟體可程式設計性,硬體不太能可程式設計,ASIC基本在第三象限,它的最大好處是能量效率、運算效率都很高。第三類是FPGA和EPLD等,是硬體可程式設計,軟體不需要。魏少軍表示,第一象限不知道是什麼,因此就有了一些想像空間。

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軟體定義晶片與晶片智慧化的關係

軟體定義晶片的概念很有意思。首先得瞭解,「規格」定義不出晶片產品的差異化,如下圖所示。

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回到「軟體定義晶片」話題,它指的是軟體和硬體均可以程式設計,而且是混合顆粒度。魏少軍說:「我無法擺脫作為硬體工程師的心態,但是它給我們打開另外一扇窗,這扇窗存在的話,很可能走出全新的道路。」

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軟體定義晶片是怎麼工作呢?魏少軍解釋:「我們知道,今天的應用都用軟體實現。不考慮程式碼複雜性的情況,假如有一個軟體和硬體完全一致的結構,這種實現方式是最直接的。再設想一下,應用是C或者C++寫出來的。每次變換C和C++,硬體自動跟著變換,而且永遠是一樣的結構,這樣的效率是最高的。」

他進一步說明:「這是美好的想法,但並不是如此,軟體可以很複雜,硬體可以有邊界。最直接的是把軟體分塊,一塊一塊做。按照所謂的任務依賴關係,那就要求硬體一定要能夠動態地按照軟體即時地改變它的架構,這就是軟體定義晶片最原始的想法。當然不那麼簡單,當有硬體以後要改變它,改變什麼?有很多內容需要研究。這個想法是不是可以透這種方式打通從應用到晶片之間的通道呢?工程師有個軟體,透過某種東西實現一個硬體,讓硬體隨時跟著軟體變。只要能夠讓軟體實現智慧化的功能,硬體就可以實現智慧化,這個直接推理很清晰。」

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據了解,美國去年啟動電子復興計畫,6個計畫中就有1個是軟體定義硬體。其中的內容基本上和上述所談軟體定義晶片一致。「它提出一個指標,要變換的是300~10,00ns,只要這個時間變換都屬於他們的要求。中國做的遠好於它,只要花1/10的時間。」魏少軍說。

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「我們用軟體定義晶片的架構實現AI晶片的方式,全世界都沒有用這種方式,只有我們用這種方式做。今年年初美國著名科技評論雜誌專門對這個晶片進行報導,報導中指出,這是中國取得所謂的Crowning Achievement,給予很高的評價。」魏少軍補充,在晶片架構上如果不按照傳統的方式走,去找新的途徑,很可能會起到事半功倍的效果,但是這其中沒有太多的規則可以遵循。

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總結

魏少軍總結,現在很麻煩的是有太多人吹牛,所以會看到「嚇尿體」(備註:一種中國網軍們的誇飾法文體)盛行。實際上,無論是嚇尿體還是被嚇尿體,都沒有冷靜看到目前實際的情況。實際情況遠沒有想像那麼好。雖然中國有些地方做得不錯,但是總體來看既不像有些人說得那麼差,也沒有像有些人說得那麼好,還是需要努力。究竟什麼是產業真正要關注的?半導體產業最重要的是關注應用,應用是王,能不能找到應用的發展方向,特別是具體的技術發展方向,這關乎未來中國半導體產業發展的關鍵。

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最後,魏少軍舉出下圖一些問題,希望大家探討及思考。

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