自5月14日，國(guó)家科技體制改革和創(chuàng)新體系建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組在北京召開第十八次會(huì)議，專題討論了面向后摩爾時(shí)代的集成電路潛在顛覆性技術(shù)后，業(yè)界關(guān)于后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的討論掀起新一輪高潮。
摩爾定律要終結(jié)了嗎?如何開拓摩爾定律新維度?后摩爾時(shí)代的突圍之路、創(chuàng)新之路怎么走?日前，國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)獲得者，中星微集團(tuán)聯(lián)席總裁、數(shù)字多媒體芯片技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任、“星光中國(guó)芯工程”副總指揮張韻東在接受記者獨(dú)家專訪時(shí)，一一給出了自己的答案。
摩爾定律必將走向終結(jié)
“當(dāng)前物理層面和信號(hào)層面都受到物理規(guī)律的制約，摩爾定律正在走向極限和盡頭。”張韻東開門見山地向記者表示，下一次信息革命的關(guān)鍵是如何進(jìn)一步借鑒人腦的智慧機(jī)制，研究新型人工智能計(jì)算方法，未來走向智能摩爾，通過多核異構(gòu)的智能處理器實(shí)現(xiàn)多模融合智能算法。
作為我國(guó)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器專家，曾主持和參與制訂2項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，多次擔(dān)任“核高基”、“973計(jì)劃”、“863計(jì)劃”、國(guó)家電子發(fā)展基金、國(guó)家集成電路設(shè)計(jì)專項(xiàng)等重大科研項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，憑借近30年的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，張韻東認(rèn)為，摩爾定律自1956年提出以來，每隔約18個(gè)月，半導(dǎo)體的性能提升一倍，價(jià)格也相應(yīng)地下降一倍，已經(jīng)持續(xù)驗(yàn)證了超過半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間 了。目前，半導(dǎo)體的最小線寬參數(shù)已經(jīng)開始做到3納米，最后會(huì)接近一個(gè)量的極限。
張韻東表示，大家都知道的摩爾定律，現(xiàn)在已經(jīng)走到了7納米、5納米量產(chǎn)，3納米也進(jìn)入試產(chǎn)的階段，快要逼近摩爾定律的極限值。未來怎么辦?國(guó)外講“more moore”，就是延展摩爾、擴(kuò)展摩爾的意思，沿著摩爾的道路繼續(xù)發(fā)展3納米、2納米、1納米。大家都認(rèn)為，1納米也是有可能實(shí)現(xiàn)的。1納米相當(dāng)于3層原子，到時(shí)候很多電子信號(hào)、電子的波函數(shù)，都不一定能約束在1納米里面，0和1將越來越模糊，電子隧道效應(yīng)產(chǎn)生的漏電流會(huì)越來越大。
由此，張韻東斷言：“從這個(gè)角度來看，摩爾定律不管走到哪一代，必將走向終結(jié)，這是基本的物理規(guī)律。”
后摩爾時(shí)代的方向之爭(zhēng)
摩爾定律最終將走向何方?除了“more moore”談延展摩爾、擴(kuò)展摩爾，大約在20世紀(jì)90年代末期，國(guó)外又有一種理論，叫做“more than moore”，大致是超越摩爾的意思，通過集成堆疊封裝3D技術(shù)等，把更多的功能集成到同一個(gè)芯片上或者同一個(gè)封裝里，包括把存儲(chǔ)和計(jì)算合在一起，也包括把天線、傳感器集成在一起，這就是“more than moore”。
“‘more than moore’是第二個(gè)維度，在物理層面和信號(hào)層面，能想到的辦法只能是集成，把各種模塊集成到一塊兒。”張韻東說，選擇“more moore”還是“more than moore”?兩者各有利弊。基于此，“星光中國(guó)芯工程”從2016年提出“智能摩爾之路”，核心就是跳出二維，走向三維，從信息層面入手，研究人眼關(guān)注東西的特征。
“你想想看，我們?cè)诘缆飞箱浵竦臅r(shí)候，可能并不想看道路兩旁樹葉怎么動(dòng)，但現(xiàn)在的計(jì)算方法在這方面耗費(fèi)了很多計(jì)算和存儲(chǔ)資源，其實(shí)我們真正關(guān)心的可能是人和車這些移動(dòng)的目標(biāo)。”張韻東舉例說明道：而人眼的視覺關(guān)注機(jī)制就不一樣，人眼只看人關(guān)注的東西，不關(guān)注的東西就不怎么看。從現(xiàn)在的神經(jīng)和人腦研究來看，這個(gè)關(guān)注機(jī)制在人腦里面是分層分區(qū)的。也就是說，在信息層面，人對(duì)信息有關(guān)注機(jī)制，也有遺忘機(jī)制，還有分區(qū)機(jī)制，人腦里有的地方管語(yǔ)言，有的地方管視覺，有的地方管行為。同理，今天的處理器好像什么都管，都在處理器計(jì)算，其實(shí)也就說明，處理器一會(huì)兒算圖像，一會(huì)兒算聲音，一會(huì)兒算文字，算什么都在用同一個(gè)指令集，這樣的處理效率就很低。
“我們講智能摩爾之路，就是要借鑒人腦的機(jī)制，來分層分區(qū)地去關(guān)注各種東西，從而形成更加智能的計(jì)算。也就是在信息層面，對(duì)需要關(guān)注的信息，對(duì)有用的信息進(jìn)行更高效率的計(jì)算。”張韻東說，所謂智能摩爾技術(shù)路線，是他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在物理層面智能芯片的發(fā)展已經(jīng)受到了物理規(guī)律摩爾定律的限制時(shí)提出來的。
走自主創(chuàng)新的智能摩爾之路
“雖然摩爾定律在物理層面和信號(hào)層面都受到物理規(guī)律的制約，看似已接近極限，但在信息層面的技術(shù)創(chuàng)新還遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限。而下一次信息革命的關(guān)鍵在于，通過進(jìn)一步借鑒人腦智慧機(jī)制來研究新型人工智能計(jì)算方法，達(dá)到進(jìn)一步提升信息處理的性能/功耗價(jià)格比的目標(biāo)。”張韻東一語(yǔ)道破后摩爾時(shí)代突圍和創(chuàng)新的天機(jī)。
“智能摩爾技術(shù)路線立足于信息處理架構(gòu)的創(chuàng)新，它在More Moore和 More-Than-Moore之外開創(chuàng)了一個(gè)新的創(chuàng)新維度，相互之間不僅不會(huì)沖突，而且還能夠利用前兩個(gè)維度的發(fā)展進(jìn)步的成果產(chǎn)生合力，共同推進(jìn)，大幅度提高產(chǎn)品的整體性能。”張韻東進(jìn)一步闡述說。
“為實(shí)現(xiàn)智能摩爾之路，要做很多技術(shù)，比如現(xiàn)在提出來的數(shù)字像素傳感技術(shù)，也叫DPS技術(shù)，和多核異構(gòu)XPU技術(shù)一起，把這兩個(gè)技術(shù)結(jié)合起來，就能很好地學(xué)習(xí)人腦的處理方式。在未來，我們將攻克多核異構(gòu)XPU的架構(gòu)技術(shù)，這個(gè)架構(gòu)將用來支撐智能摩爾之路的發(fā)展。”張韻東詳盡描述道，XPU多核異構(gòu)智能處理器可以在同一芯片內(nèi)部配備 NPU、DSP、CPU、GPU、FPGA以及特定功能的運(yùn)算加速算子單元等不同類型的處理器核心，并實(shí)現(xiàn)了算力共享和內(nèi)存共享，不同架構(gòu)的智能化算法能夠?qū)崿F(xiàn)底層、深層次地融合計(jì)算。相比NPU、GPU這一類深度學(xué)習(xí)處理器，XPU多核異構(gòu)智能處理器更適合目前的信息理論發(fā)展現(xiàn)狀，在實(shí)際應(yīng)用中更靈活、高效，能耗更低。舉個(gè)例子：中星微自主研發(fā)，于2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的新一代人工智能處理器(XPU)的性能超越了星光智能第二代芯片的8倍。
長(zhǎng)期以來，我國(guó)的集成電路相對(duì)受到西方很多先進(jìn)制造設(shè)備、材料和工藝引進(jìn)方面的限制。“我們比國(guó)際上最先進(jìn)的、能夠買到的設(shè)備和制造工藝要晚兩代，我們的高端芯片還要多加努力，現(xiàn)在機(jī)會(huì)已經(jīng)來了!”張韻東透露，后摩爾時(shí)代，堅(jiān)持走自主創(chuàng)新的智能摩爾之路，目前已在國(guó)內(nèi)形成廣泛的認(rèn)同，并在中星微落地實(shí)踐成為行動(dòng)指南，在該技術(shù)路線指導(dǎo)下所產(chǎn)生的技術(shù)成果，在實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，解決“卡脖子”問題上，已取得了一系列的積極突破，并在國(guó)內(nèi)一些特定領(lǐng)域如安防、交通領(lǐng)域等實(shí)現(xiàn)了規(guī)模應(yīng)用。(中國(guó)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)導(dǎo)報(bào) 作者：張偉)
