作者 / 魏少軍 清華大學(xué)微納電子學(xué)系主任 (北京 100084)

魏少軍，博士，教授，清華大學(xué)微納電子學(xué)系主任，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所所長(zhǎng)，清華大學(xué)移動(dòng)計(jì)算研究中心主任 。

摘要：在“2017中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)促進(jìn)大會(huì)”上，清華大學(xué)魏少軍教授就架構(gòu)創(chuàng)新和高端芯片發(fā)展做了相關(guān)報(bào)告。根據(jù)魏少軍教授會(huì)上報(bào)告整理，已獲作者授權(quán)。

0 引言

　　隨著近年來(lái)人工智能(AI)的興起，AI芯片的需求量越來(lái)越大，性能要求越來(lái)越高。而AI運(yùn)算量很大，這就意味著其需要有足夠高的運(yùn)算速度，預(yù)計(jì)其運(yùn)算速度需要達(dá)到每秒幾千億次。如果從能量效率角度分析，大概要做到每瓦1萬(wàn)億次。因此，國(guó)內(nèi)做AI芯片的企業(yè)大部分還在用專用芯片在做。采用專用集成電路的問(wèn)題在于，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)一旦變化，專用集成電路做成的芯片將無(wú)法應(yīng)對(duì)再應(yīng)用。這就為可編程器件帶來(lái)了機(jī)遇。

1 FPGA難以達(dá)到AI的要求

　　可編程器件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)軟件的方式來(lái)改變芯片的功能，從而適應(yīng)各種不同功能的應(yīng)用。最終提升銷量，從而分?jǐn)偖a(chǎn)品的成本。

　　而現(xiàn)在較為常用的可編程器件——FPGA仍然存在諸多問(wèn)題，還難以達(dá)到AI的速率及通過(guò)軟件改變芯片功能的需求。

　　1)FPGA的配置信息量很大，多達(dá)數(shù)十兆字節(jié)，因而所需配置時(shí)間也很長(zhǎng)，大概要幾十毫秒，甚至幾秒。

　　2)能量效率低。FPGA面板利用率很低，大概只有5%用來(lái)進(jìn)行計(jì)算，95%用來(lái)配置信息。正因?yàn)槠?5%是用來(lái)配置用的，還要耗電，因而能量效率很低。

　　3)另外，由于各方面原因，F(xiàn)PGA往往需要最先進(jìn)的工藝，同時(shí)還必須要有電路設(shè)計(jì)的支持，這也帶來(lái)了高設(shè)計(jì)成本。

　　FPGA存在的問(wèn)題總結(jié)起來(lái)包含十點(diǎn)：高細(xì)密度、配置信息量大、配置時(shí)間長(zhǎng)、需要斷電靜態(tài)配置、沒有邏輯復(fù)用能力、面積利用率低、能量效率低、工藝要求較高、對(duì)開發(fā)人員知識(shí)儲(chǔ)備要求高、價(jià)格貴，具體如表1所示。

2 理想的硬件結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示系統(tǒng)架構(gòu)為設(shè)想的理想系統(tǒng)架構(gòu)。其中左邊為軟件(應(yīng)用)，如果不考慮硬件的代價(jià)，左邊有怎樣的操作，右邊就要對(duì)應(yīng)怎樣的硬件，左邊和右邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是完全一致的。從計(jì)算上來(lái)看，這樣的結(jié)構(gòu)一定是效率最高的。

　　在這樣的架構(gòu)中，軟件可以無(wú)窮大，例如寫一個(gè)循環(huán)語(yǔ)句，可以一直循環(huán)下去，但是硬件不論多大都是有邊界的，這就需要將軟件分塊搬到硬件上按順序執(zhí)行。這樣搬的過(guò)程中，右邊的硬件架構(gòu)其實(shí)是在不斷變化的，我們稱之為架構(gòu)和功能可以動(dòng)態(tài)按照軟件要求實(shí)時(shí)改變。

3 軟件執(zhí)行方式

　　軟件信息主要可以分為兩類：計(jì)算信息和控制信息。如果我們將軟件寫成如圖2所示形式，中間對(duì)應(yīng)的是控制信息，用來(lái)控制程序執(zhí)行流程，右邊對(duì)應(yīng)的是計(jì)算信息。如果將軟件中的計(jì)算信息和控制信息分開，就可以找到相應(yīng)的架構(gòu)，包括控制單元和數(shù)據(jù)通道。

　　數(shù)據(jù)通道對(duì)應(yīng)的是陣列，控制單元對(duì)應(yīng)的是有限狀態(tài)機(jī)，不論是陣列，還是有限狀態(tài)機(jī)，都是完全可編程的。從而實(shí)現(xiàn)不同軟件部分按要求搬進(jìn)去執(zhí)行，具體地，將分塊軟件按照他們的依賴關(guān)系送到數(shù)據(jù)通道中，通過(guò)數(shù)據(jù)通道配置其中陣列，并執(zhí)行。

　　而在軟件配置和執(zhí)行過(guò)程中，如果整個(gè)系統(tǒng)是按照C語(yǔ)言編寫的，通過(guò)編譯器會(huì)產(chǎn)生一系列的控制流，最后在硬件芯片上運(yùn)行。這種架構(gòu)的獨(dú)特之處在于采用控制流、數(shù)據(jù)流和配置流代替之前的指令集。