記者10月30日獲悉，中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合13家產(chǎn)業(yè)伙伴于日前發(fā)布了國(guó)內(nèi)首個(gè)支持智算應(yīng)用一鍵式跨架構(gòu)遷移平臺(tái)——算力原生“芯合”。該項(xiàng)自主創(chuàng)新成果對(duì)我國(guó)自主智算芯片及軟件生態(tài)繁榮發(fā)展具有重要意義。

智算領(lǐng)域，芯片為本，軟件為核。近年來(lái)，隨著多樣化異構(gòu)智算芯片的涌現(xiàn)，產(chǎn)業(yè)界形成了多套“AI框架+工具鏈+硬件”的軟硬一體豎井生態(tài)，上層應(yīng)用與底層智算芯片深度綁定，但由此也帶來(lái)了應(yīng)用開(kāi)發(fā)遷移成本高昂、智算資源難以集聚、智算芯片企業(yè)多而不強(qiáng)等挑戰(zhàn)。

為屏蔽異構(gòu)硬件差異、融通智算豎井生態(tài)，中國(guó)移動(dòng)以智算基礎(chǔ)軟件棧為攻關(guān)要點(diǎn)，聯(lián)合產(chǎn)業(yè)于2022年率先提出算力原生原創(chuàng)技術(shù)，并于2023年啟動(dòng)“芯合”計(jì)劃。算力原生“芯合”平臺(tái)在研發(fā)過(guò)程中，打破了產(chǎn)業(yè)各自為戰(zhàn)的傳統(tǒng)模式，建立了智算生態(tài)協(xié)同橋梁，并以典型應(yīng)用為牽引，制定了端到端的開(kāi)發(fā)、編譯運(yùn)行機(jī)制和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，形成了平臺(tái)軟件研發(fā)、芯片對(duì)接適配、應(yīng)用融合驗(yàn)證的閉環(huán)攻關(guān)體系。

據(jù)了解，該平臺(tái)可依托四大自研核心組件提供跨架構(gòu)一站式解決方案。目前，該平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)圖像處理、視頻分析等典型智算應(yīng)用在三家智算芯片企業(yè)之間的一鍵部署和實(shí)時(shí)遷移，且遷移速率小于10秒，性能損耗不高于15%。中國(guó)移動(dòng)相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，該平臺(tái)已初步具備商用條件，未來(lái)將在提升智能算力網(wǎng)絡(luò)自主可控水平方面發(fā)揮重要作用。


突破算力瓶頸的兩大方式

中國(guó)近年來(lái)提出把計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)融合起來(lái)，“東數(shù)西算”工程的推進(jìn)是很重要的大方向。從技術(shù)方面來(lái)看，其實(shí)它就是在構(gòu)造一個(gè)以能源、計(jì)算能效性為優(yōu)先綜合布局的新型算力網(wǎng)。

東部的數(shù)據(jù)量很大，包括游戲、智慧城市、智能駕駛、交通等有非常多數(shù)據(jù)產(chǎn)生和使用。還有很多地區(qū)能效比高，很多自然能源可以使用，適合建立建數(shù)據(jù)中心。這個(gè)概念在上面看是一張算力網(wǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)把它連接起來(lái)，當(dāng)中的底層技術(shù)非常復(fù)雜，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)有延遲，很多應(yīng)用根據(jù)數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用的需求對(duì)延遲的敏感度不太一樣。

對(duì)于數(shù)據(jù)處理，無(wú)論是算力還是網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，都很有獨(dú)特的要求。從數(shù)據(jù)量和質(zhì)來(lái)看，傳統(tǒng)的單一計(jì)算架構(gòu)肯定會(huì)碰到性能和功耗的瓶頸。因此，我們要朝兩方面邁進(jìn)：第一，是突破算力瓶頸，通過(guò)不同的方式解決多樣化數(shù)據(jù)的計(jì)算有效性; 第二，在提升算力的時(shí)候，還需要考慮到綠色計(jì)算，不能用很耗能的計(jì)算方式去解決問(wèn)題，要想如何以能量?jī)?yōu)化的方式去解決未來(lái)的數(shù)據(jù)處理。

解決上述問(wèn)題，異構(gòu)計(jì)算和異構(gòu)集成是未來(lái)的兩大方向。

何為異構(gòu)計(jì)算？就是用不同的架構(gòu)處理不同類型的數(shù)據(jù)，真正做到“用好的工具解決好的問(wèn)題”。

何為異構(gòu)集成？是以更好的集成組合方式，把不同工藝下優(yōu)化好的模塊更好地集成到未來(lái)的解決方案當(dāng)中，從而更加高效地處理復(fù)雜計(jì)算。

在“解決問(wèn)題”的這個(gè)思路下，首先我們要能夠在硬件的架構(gòu)布局上“全面發(fā)展”，對(duì)不同的數(shù)據(jù)有不同的處理器架構(gòu)，比如說(shuō)CPU、GPU、IPU、FPGA、AI加速器，它們各自針對(duì)不同種類的數(shù)據(jù)流，包括數(shù)據(jù)處理的不同特點(diǎn)，可以進(jìn)行定制。

再者，把不同架構(gòu)組裝起來(lái)后，就需要有人根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行編程，釋放硬件的功能，把它調(diào)度好，這就需要有一個(gè)對(duì)應(yīng)的很好的軟件框架，英特爾的oneAPI就在構(gòu)造一個(gè)完整的異構(gòu)計(jì)算體系，目的是未來(lái)寫(xiě)一個(gè)軟件，只需要讓?xiě)?yīng)用者指定它的功能，而不需要非常明確地指定哪些部分運(yùn)行在CPU上，哪些部分運(yùn)行在GPU上，哪些部分運(yùn)行在AI加速器上。通過(guò)底層的軟件功能模塊和工具鏈，就可以把下面具體的實(shí)現(xiàn)分布在不同的硬件上，硬件發(fā)生變化，下面具體的實(shí)現(xiàn)也發(fā)生相應(yīng)變化，但是上面的軟件開(kāi)發(fā)代碼是不用變的。

國(guó)內(nèi)芯片廠商跟進(jìn)

不同于國(guó)際大廠在各方面實(shí)力雄厚，國(guó)內(nèi)廠商難以在短時(shí)間內(nèi)形成如此全的產(chǎn)品線，但是國(guó)產(chǎn)芯片廠商現(xiàn)在已經(jīng)漸漸開(kāi)始選擇通過(guò)投資和合作的方式埋下異構(gòu)的種子。

2021年11月，GPU芯片企業(yè)壁仞科技，與IDG資本、字節(jié)跳動(dòng)等共同參與了國(guó)產(chǎn)DPU初創(chuàng)企業(yè)云脈芯聯(lián)數(shù)億元的天使輪投資。據(jù)壁仞科技創(chuàng)始人、董事長(zhǎng)、CEO張文透露，除了DPU之外，從布局整體計(jì)算產(chǎn)業(yè)出發(fā)，壁仞科技正在密切關(guān)注國(guó)產(chǎn)CPU的最新發(fā)展，未來(lái)形成CPU+GPU+DPU的全國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)級(jí)解決方案。

日前，DPU芯片廠商云豹智能與AI芯片廠商燧原科技達(dá)成了戰(zhàn)略合作，共同研發(fā)和提供大規(guī)模高性能AI算力平臺(tái)解決方案?；谠票悄茉葡鯠PU和燧原科技云燧T20率先推出了DataDirectPathStorage解決方案，為AI訓(xùn)練儲(chǔ)存訪問(wèn)提供更高效的解決方案。在傳統(tǒng)解決方案中，云燧T20訪問(wèn)存儲(chǔ)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)先搬移到系統(tǒng)內(nèi)存，再由系統(tǒng)內(nèi)存搬移到目標(biāo)設(shè)備。而基于DataDirectPath Storage技術(shù)，云燧T20可通過(guò)DPU直接獲得數(shù)據(jù)，從而繞過(guò)系統(tǒng)內(nèi)存和CPU，讓數(shù)據(jù)訪問(wèn)速度更快，訪問(wèn)延遲更短，系統(tǒng)開(kāi)銷更小。

此外，國(guó)內(nèi)還有異構(gòu)處理器IP提供商華夏芯，通過(guò)自主設(shè)計(jì)的Unity統(tǒng)一指令集架構(gòu)和基于此架構(gòu)的CPU、DSP、GPU、AI專用處理器系列IP與SoC，在提升性能價(jià)格比的同時(shí)，顯著降低計(jì)算芯片研發(fā)成本和研發(fā)復(fù)雜度，同時(shí)縮短研發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)人員工作量和降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻。據(jù)悉，華夏芯的Unity和英特爾的OneAPI都是為了簡(jiǎn)化編程環(huán)境，但不同的是，OneAPI是面向不同體系架構(gòu)的統(tǒng)一編程環(huán)境，Unity是面向不同微架構(gòu)的統(tǒng)一體系架構(gòu)和統(tǒng)一編程環(huán)境。


晶圓廠和封裝廠在異構(gòu)集成上的布局

異構(gòu)計(jì)算的強(qiáng)大只有完備的通用計(jì)算芯片產(chǎn)品線還不夠，還必須要有先進(jìn)的異構(gòu)集成封裝技術(shù)將其巧妙的封裝在一起，才能達(dá)到最終提升算力的目的。因此，這幾年異構(gòu)集成也重新定義了封裝在芯片產(chǎn)業(yè)鏈中的地位，現(xiàn)在封裝起到一個(gè)重新架構(gòu)的作用。

過(guò)去，考慮到功耗、性能、成本等因素的影響，芯片的集成首先在單片上進(jìn)行，例如SoC。但現(xiàn)在摩爾定律逐漸來(lái)到極限，在單片上繼續(xù)微縮，成本效益越發(fā)不受控制。而得益于近十年來(lái)先進(jìn)封裝與芯片堆疊技術(shù)的發(fā)展，例如3D堆疊、SiP等，也使得異構(gòu)集成成為了大幅存在可能。

異構(gòu)集成主要是將多個(gè)不同工藝節(jié)點(diǎn)的芯片封裝到一個(gè)封裝內(nèi)部，這些芯片可以是不同種類、不同制造商、甚至是不同材料（Si/SiC/GaN）、不同工藝節(jié)點(diǎn)（如7nm和28nm等搭配），以此來(lái)達(dá)到增強(qiáng)功能和提高性能。新的封裝技術(shù)能夠?qū)?lái)自不同制造工藝流程的小芯片集成到具有多種功能的單個(gè)封裝中。

為此，無(wú)論是臺(tái)積電、三星和英特爾這樣的晶圓大廠，還是封裝廠，都在積極布局異構(gòu)集成，在半導(dǎo)體后道技術(shù)上做好集成的工作。先進(jìn)封裝逐漸成為集成電路芯片成品制造產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一。