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作者 | 吳優(yōu)? ?編輯 | 包永剛
1965年的一天，美國(guó)仙童半導(dǎo)體公司一位叫戈登·摩爾的工程師應(yīng)邀撰寫了一篇題為《讓集成電路填滿更多的元件》的文章，對(duì)集成電路未來的發(fā)展做出經(jīng)濟(jì)性預(yù)測(cè)，并在《電子學(xué)》雜志刊出。這一預(yù)言之后逐漸被完善，并影響了此后60多年全球集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)都產(chǎn)生深刻影響。用確定的方法對(duì)不確定的未來進(jìn)行預(yù)測(cè)是人類最樸素的追求，卻也是一件充滿風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)的事情，那些擁有領(lǐng)先技術(shù)卻在時(shí)代發(fā)展洪流中破產(chǎn)倒下的公司，在復(fù)盤經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)時(shí)八成不會(huì)少了這一條：對(duì)市場(chǎng)趨勢(shì)的誤判。剛剛結(jié)束的2022已經(jīng)足夠波譎云詭，2023注定充滿更多不確定性，我們從未像今天這樣渴望精準(zhǔn)把握科技發(fā)展趨勢(shì)，通過定性的預(yù)測(cè)抵御未知的風(fēng)險(xiǎn)。1月11日，阿里達(dá)摩院發(fā)布2023十大科技趨勢(shì)，多模態(tài)預(yù)測(cè)訓(xùn)練大模型、Chiplet（芯粒）、存算一體、云原生安全、軟硬融合云計(jì)算體系架構(gòu)、端網(wǎng)融合的可預(yù)期網(wǎng)絡(luò)、雙引擎智能決策、計(jì)算光學(xué)成像、大規(guī)模城市數(shù)字孿生、生成式AI位列其中。其中Chiplet、存算一體以及軟硬融合云計(jì)算體系架構(gòu)恰好為處于后摩爾時(shí)代的算力產(chǎn)業(yè)提供了可供參考的發(fā)展方向。
01、Chiplet互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)逐漸統(tǒng)一，芯片研發(fā)流程正在重構(gòu)? ?
達(dá)摩院將Chiplet作為底層突破引起的“范式重置”列為2023十大科技趨勢(shì)之一。報(bào)告指出，在后摩爾時(shí)代，Chiplet可能是突破現(xiàn)有困境最現(xiàn)實(shí)的技術(shù)路徑，能夠降低對(duì)先進(jìn)工藝的依賴，實(shí)現(xiàn)與先進(jìn)工藝接近的性能，重構(gòu)芯片研發(fā)流程，從制造到封測(cè)，從EDA工具到IP設(shè)計(jì)，全方位影響芯片產(chǎn)業(yè)格局。在芯片界，被譯為芯?；蛐⌒酒腃hiplet早已不是新鮮陌生的名詞，可以將其理解為硅片級(jí)別的“解構(gòu)-重構(gòu)-復(fù)用”。
目前主流的系統(tǒng)級(jí)單芯片是將多個(gè)負(fù)責(zé)不同類型計(jì)算任務(wù)的計(jì)算單元，通過光刻的形式制造到同一塊晶圓上，Chiplet則是將傳統(tǒng)的SoC分解為不同的核心，選擇合適的工藝分開制造，再用2.5D、3D先進(jìn)的封裝技術(shù)封裝，不需要全部都采用先進(jìn)工藝在同一塊晶圓上進(jìn)行一體化制造。
不難看出，Chiplet改變了芯片制造流程，芯粒之間的互聯(lián)尤其是2.5D、3D先進(jìn)封裝帶來的電磁干擾、信號(hào)干擾、散熱等諸多復(fù)雜物理問題，也在芯片設(shè)計(jì)時(shí)就需要納入考慮，對(duì)EDA工具也提出新需求。正是因?yàn)镃hiplet技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)IP模塊復(fù)用，又能讓不同的核心采用最適合自己的工藝，因此成為許多芯片廠商在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)努力平衡經(jīng)濟(jì)與性能的一種系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)理念。
AMD在2019年發(fā)布的Ryzen3000系列中部署了基于小芯片技術(shù)的Zen2內(nèi)核，憑借高性價(jià)比獲得了消費(fèi)者的認(rèn)可，AMD在CES 2023展會(huì)上最新推出的下一代面向數(shù)據(jù)中心的APU產(chǎn)品Instinct MI300，也采用了Chiplet設(shè)計(jì)，擁有13個(gè)小芯片。英特爾同樣采用小芯片技術(shù)，其Ponte VecchioGPU集成了47個(gè)小芯片。而在2021年云棲大會(huì)上，阿里平頭哥發(fā)布的倚天710同樣采用了這一技術(shù)，其用2.5D封裝技術(shù)集成了600億個(gè)晶體管，并實(shí)現(xiàn)了能效比的大幅提升。
最讓人印象深刻的，是蘋果去年3月發(fā)布會(huì)上將兩塊M1 Max芯片“黏合”而成的M1 Ultra，號(hào)稱性能超越英特爾頂級(jí)CPU i9 12900K和GPU性能天花板英偉達(dá)RTX3090，直接向業(yè)界展示了Chiplet如何實(shí)現(xiàn)降本增效。Chiplet早已從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)，不過其此前各家分別自定義接口與協(xié)議，如同混亂的“春秋戰(zhàn)國(guó)”。缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，讓Chiplet真正的潛力難以釋放。
2022年3月份，英特爾、AMD、臺(tái)積電等芯片公司聯(lián)合成立小芯片互連產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并定制了UCIe 1.0標(biāo)準(zhǔn)，有望解決長(zhǎng)期以來Chiplet發(fā)展的最大難題，即實(shí)現(xiàn)各家優(yōu)質(zhì)芯片模塊間的互連，標(biāo)志Chiplet時(shí)代真正到來。
半導(dǎo)體設(shè)備公司華封科技創(chuàng)始人王宏波曾這樣看待UCIe標(biāo)準(zhǔn)的意義：Chiplet時(shí)代，其實(shí)是將PC時(shí)代建立生態(tài)體系的邏輯縮小復(fù)刻到芯片中，Chiplet作為一個(gè)芯片組合，需要靠UCIe標(biāo)準(zhǔn)將不同公司的芯片設(shè)計(jì)方便的組合在一個(gè)芯片中，通過這種方式建立生態(tài)并推動(dòng)整個(gè)行業(yè)向前發(fā)展。達(dá)摩院2023十大科技趨勢(shì)項(xiàng)目組成員秦钖告訴雷峰網(wǎng)：“同構(gòu)和異構(gòu)的芯粒將長(zhǎng)期并存，所有工藝混合使用是所有廠家乃至整個(gè)產(chǎn)業(yè)界都應(yīng)該注意的現(xiàn)象之一。未來企業(yè)需要根據(jù)自身需求對(duì)Chiplet技術(shù)做出選擇。”
02、存算一體引發(fā)計(jì)算架構(gòu)變革，將在垂直領(lǐng)域規(guī)模化商用??
打破馮·諾依曼架構(gòu)存算分離的局限性，是學(xué)界和業(yè)界研究多年的命題。90年代，學(xué)界提出名為“存算一體”的概念，希望通過計(jì)算單元與存儲(chǔ)單元的融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的同時(shí)直接進(jìn)行計(jì)算，提高運(yùn)算效率，作為打破馮式架構(gòu)局限性的方法之一。但由于當(dāng)時(shí)受限于應(yīng)用場(chǎng)景的匱乏，以及摩爾定律的經(jīng)濟(jì)性依然適用，架構(gòu)創(chuàng)新對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的意義不大，存算一體在過去幾十年研究進(jìn)展緩慢。直到最近幾年人工智能的普及以及摩爾定律失效，存算一體才真正走進(jìn)大眾視野。
過去的一年，1月份三星在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊Nature上發(fā)表了全球首個(gè)基于MRAM（磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器）存內(nèi)計(jì)算研究，2月份海力士也發(fā)表了基于GDDR接口的DRAM存內(nèi)計(jì)算的最新研究成果，臺(tái)積電在ISSCC上合作發(fā)表了六篇關(guān)于存內(nèi)計(jì)算存儲(chǔ)器IP的論文。不僅如此，諸如Mythic、Syntiant、知存科技、閃億半導(dǎo)體等初創(chuàng)公司紛紛涌入這一賽道，融資不斷，阿里巴巴達(dá)摩院也于2021年12月對(duì)外公布了與產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴推出的全球首款基于DRAM的3D鍵合堆疊存算一體芯片，國(guó)內(nèi)初創(chuàng)企業(yè)知存計(jì)算也于2022年3月份正式量產(chǎn)國(guó)際首顆存內(nèi)計(jì)算SoC芯片。
存算一體也隨之形成三大主流分支：利用2.5D或3D先進(jìn)封裝技術(shù)將計(jì)算邏輯芯片和存儲(chǔ)器封裝到一起的近存計(jì)算；基于傳統(tǒng)存儲(chǔ)介質(zhì)，但存儲(chǔ)器內(nèi)置獨(dú)立計(jì)算單元，可以直接完成計(jì)算的存內(nèi)計(jì)算；以及基于新型非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)做的新型存儲(chǔ)原件，通過更加創(chuàng)新的方式讓計(jì)算和存儲(chǔ)同時(shí)進(jìn)行。其中近存計(jì)算較為成熟，廣泛用于各類CPU和GPU上，存內(nèi)計(jì)算投資熱度較高，新型存儲(chǔ)器依然處于探索期。達(dá)摩院對(duì)此做出預(yù)測(cè)：在資本和產(chǎn)業(yè)雙輪驅(qū)動(dòng)下，基于 SRAM、NOR Flash 等成熟存儲(chǔ)器的存內(nèi)計(jì)算將在垂直領(lǐng)域迎來規(guī)?；逃茫∷懔?、低功耗場(chǎng)景有望優(yōu)先迎來產(chǎn)品和生態(tài)的升級(jí)迭代，大算力通用計(jì)算場(chǎng)景或?qū)⑦M(jìn)入技術(shù)產(chǎn)品化初期。
需要明確的是，存算一體依然是一種新興技術(shù)，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、量產(chǎn)方法、測(cè)試方法、計(jì)算范式與現(xiàn)有的方式完全不同，距離成為主流技術(shù)還有很長(zhǎng)的一段要走?！邦嵏擦笋T諾依曼架構(gòu)的存內(nèi)計(jì)算會(huì)落地，但可能也只是一種過渡性技術(shù)，對(duì)于產(chǎn)業(yè)來講，在關(guān)注這些能夠產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用技術(shù)的同時(shí)，也要關(guān)注未來十年可能成為主流的技術(shù)趨勢(shì)?！鼻罔栒f到。
03、軟硬融合云計(jì)算體系架構(gòu)，云上應(yīng)用全面加速? ??
過去十多年，云計(jì)算發(fā)展經(jīng)歷了分布式架構(gòu)技術(shù)和資源池化技術(shù)兩次革新。第一階段的分布式架構(gòu)替代大型機(jī)，滿足當(dāng)時(shí)企業(yè)所需算力需求；第二階段的資源池化技術(shù)，計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源可以分別按需擴(kuò)容，突破了規(guī)模和穩(wěn)定性的瓶頸，提供超大規(guī)模的云計(jì)算服務(wù)。不過隨著數(shù)據(jù)密集型計(jì)算場(chǎng)景的普及，用戶對(duì)低時(shí)延、高帶寬的需求越來越高，而傳統(tǒng)以CPU為中心的計(jì)算體系架構(gòu)，不僅需要承擔(dān)計(jì)算任務(wù)，還要負(fù)責(zé)邏輯控制，導(dǎo)致計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延大，且無法提供高帶寬，CIPU/IPU/DPU加速計(jì)算芯片應(yīng)運(yùn)而生，云計(jì)算進(jìn)入第三階段?！癉PU誕生的背景是帶寬與計(jì)算性能的增速失調(diào)。CPU的性能從5-10年前每年30%的增幅，到三年前大概只有每年不到3%的性能增幅。而網(wǎng)絡(luò)帶寬每年依舊還有35%左右的增長(zhǎng)。處理性能和帶寬增速的比例從原來的大概1:1，變成了現(xiàn)在的1:10左右?！敝锌岂S數(shù)CEO鄢貴海如此評(píng)價(jià)道。
從另一個(gè)角度，這其實(shí)也是摩爾定律放緩之下的CPU性能提升趨于天花板，無法滿足爆發(fā)式增長(zhǎng)的算力需求產(chǎn)生的結(jié)果，軟硬融合的云計(jì)算體系架構(gòu)，是科技融合觸發(fā)的產(chǎn)業(yè)革新。達(dá)摩院2023十大科技趨勢(shì)報(bào)告中指出，以CIPU為核心的云計(jì)算體系架構(gòu)，在工程上主要實(shí)現(xiàn)三個(gè)方面的突破：一是底層硬件結(jié)構(gòu)的融合帶來的全面硬件加速；二是在全鏈路實(shí)現(xiàn)硬件加速的技術(shù)上，創(chuàng)新地實(shí)現(xiàn)eRDMA，不但能大規(guī)模組網(wǎng)，還能讓用戶無需修改負(fù)載代碼無感加速，讓云上高性能計(jì)算普惠服務(wù)化成為現(xiàn)實(shí)；三是CIPU和服務(wù)器的系統(tǒng)組合，既能一對(duì)多，也能多對(duì)一，高效滿足云上不同計(jì)算場(chǎng)景下東西向流量配比的靈活度。
近幾年，無論是傳統(tǒng)芯片巨頭，還是云服務(wù)提供商，還是初創(chuàng)公司，都在涌入這一賽道。英偉達(dá)早在2020年就推出了BlueField-2 DPU ，亞馬遜早已擁有基于自研DPU的系統(tǒng)，谷歌云也同英特爾合作IPU，百度、字節(jié)、騰訊云紛紛加入自研DPU的隊(duì)伍，2022年6月，阿里云也發(fā)布了自己的CIPU處理器，DPU初創(chuàng)公司們，一時(shí)間也成為投資人眼中的香餑餑。
從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條來看，云計(jì)算向CIPU/IPU/DPU為中心的全新云計(jì)算體系架構(gòu)深度演進(jìn)，是未來不可阻擋的科技趨勢(shì)?！霸朴?jì)算體系架構(gòu)基礎(chǔ)技術(shù)的不斷革新，正在推動(dòng)云上基礎(chǔ)計(jì)算能力開始大幅超越線下服務(wù)器， 而企業(yè)只要上云就能從云計(jì)算資源或云服務(wù)中， 低成本獲得這些還在不斷擴(kuò)大的系統(tǒng)紅利?！卑⒗镌蒲芯吭骸⒗镌粕颀堄?jì)算平臺(tái)負(fù)責(zé)人蔣林泉說到。
04、連續(xù)第五年發(fā)布科技趨勢(shì)報(bào)告，多個(gè)趨勢(shì)已被市場(chǎng)驗(yàn)證? ??
芯粒、存算一體和軟硬融合的云計(jì)算體系架構(gòu)，是達(dá)摩院對(duì)后摩爾時(shí)代的預(yù)測(cè)，這些預(yù)測(cè)的底層邏輯和背景并不僅僅是著眼于“摩爾定律的失效”，而是更宏大的工業(yè)革命的變遷與規(guī)律。秦钖表示，歷史上的三次工業(yè)革命都有十分明顯的上下半場(chǎng)，每半場(chǎng)的時(shí)間持續(xù)50年左右，上半場(chǎng)是各式各樣的技術(shù)涌現(xiàn)，下半場(chǎng)是技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)的融合所產(chǎn)生的技術(shù)固化?！袄缭朴?jì)算是整個(gè)信息革命上半場(chǎng)產(chǎn)生的技術(shù)的集大成者，那么下半場(chǎng)，就有可能由量子計(jì)算開啟。判斷一個(gè)技術(shù)短期內(nèi)能不能應(yīng)用非常困難，預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率超過一半已是罕見?！鼻罔栒f到。
今年已經(jīng)是達(dá)摩院連續(xù)第五年預(yù)測(cè)十大科技趨勢(shì)，此前已經(jīng)有不少趨勢(shì)被市場(chǎng)精準(zhǔn)驗(yàn)證，例如在達(dá)摩院這一次走訪對(duì)談的過程中，發(fā)現(xiàn)AI for Science已經(jīng)被學(xué)術(shù)界專家廣泛接受，對(duì)大模型的判斷也被產(chǎn)業(yè)界所肯定。這讓我們不由得期待，2023十大科技趨勢(shì)中所描繪的世界，又會(huì)在哪些領(lǐng)域命中未來。
