美国半导体专家谈中国IP及异构计算发展机遇

 目前，中国已经是世界第二大经济体，在移动支付、智能手机、家电、汽车等众多信息技术、电子产品、大宗消费品领域市场位居全球第一。但是在全球集成电路产业格局中中国自主创新的比重还是偏小，尤其是涉及到集成电路产业链最上游的核心IP环节，几乎是空白。IP代表了一个国家集成电路产业的创新水平和创新能力。以美国为例，Intel、英伟达、赛灵思这些芯片巨头都聚焦基于自主IP的原始创新、设计创新和架构创新，而中国的芯片公司更多的是尝试应用创新、集成创新和采用最新的工艺。中国已经有近1700家IC设计公司，但是99%的公司的核心IP（CPU、DSP、GPU等）都许可自ARM、CEVA、Cadence等少数几家外国公司。中国应该有自己的“ARM”，而不是把中国集成电路的核心知识产权、关键技术的创新能力寄托在别人身上，应该尽快完善和提升在供应链、产业链中处于关键地位的IP技术。值得注意的是，伴随着开源指令集RISC-V大受青睐，IBM Power、MIPS等老牌指令集陆续开源，在这种情况下，是否还需要发展本土处理器IP，让我们看看一位美国技术大牛的见解。

      在近日召开“中国（深圳）集成电路峰会”上，电子创新网专访了华夏芯（北京）通用处理器有限公司的CTO John Glossner博士。Glossner博士是全球异构系统架构HSA联盟主席、软件无线电协会（Wireless Innovation Forum）董事兼秘书长，同时还兼任华夏芯美国子公司Optimum Semiconductor Technologies（OST）的首席执行官。Glossner博士拥有120多篇论文和36项专利，是处理器领域的大牛，他分享了中国本土IP发展的一些思路。

华夏芯CTO  John Glossner博士

       据Glossner博士介绍，华夏芯是中国唯一一家同时拥有全自主高端CPU、DSP、AI等处理器IP核、从事IP授权和芯片定制化设计的商业化集成电路企业。“我们是全球芯片公司和终端产品厂商的深度合作伙伴。在应用选择上，我们一直瞄准智能驾驶、安防监控、机器人、计算机视觉、智能家居、工业互联网、物联网、5G等新兴领域。一是看好这些领域未来的市场潜力，二是这些领域不存在所谓的生态问题和垄断巨头” 。他指出，“随着摩尔定律逐渐走向极限，我们进入了后摩尔时代， IC设计的新趋势是从单纯追求先进工艺演进到积极推动架构创新。异构设计创新将大放异彩，而且这个趋势不会改变” 。

       Glossner博士指出异构计算之路始于GPU，从仅仅作为图形处理加速器转变为可用于执行常规计算功能，如应用在AI领域进行天气预报等。“问题是还必须通过CPU控制GPU，这通常意味着不得不采用基于操作系统调用的IO操作来实现昂贵的、往返多次的数据复制。而异构系统架构（HSA）带有缓存一致的共享虚拟内存，允许所有处理器在相同的内存地址空间工作，无需I/O重复操作” 。传统系统架构中两个处理器仍然有独立的开发环境，并且更难的是不同供应商的GPU就有不同的工具链和指令集架构（ISA）。因此，一个名为HSAIL的虚拟指令集（类似一种异构的Java-esque虚拟机）被开发出来，可以提供一个通用的编译器中间表示（IL），该中间表示（IL）随后被“finalized”到每个物理GPU指令集上。“异构系统架构（HSA）后来将HSAIL扩展到DSP和FPGA上” 他进一步解释说。

        目前华夏芯已经推出了一套名为Unity的异构指令集平台，适用于不同类型处理器的设计，如CPU、DSP、GPU、AI等。它的一个关键优势是为程序员提供了一个可用于开发、编译和调试程序的统一工具链。与其他大多数系统相比，这大大提高了处理能力。“我们将为许多不同类型的异构系统提供可授权IP内核，并提供包含CPU、DSP、Vector和AI处理单元的经过验证的芯片。我们已经将这些IP内核集成到华夏芯的一款GP8300 SoC中，其中包含4个缓存一致的CPU/Vector处理器以及2个面向边缘应用的AI加速器” 。Glossner博士指出。

     GP8300是面向视觉分析和AI加速计算的高性能SOC，用28nm工艺设计，集成了华夏芯自主架构的4核64位超标量CPU和2核AI专用处理器，适用于辅助驾驶（ADAS）、智能监控、机器人、边缘计算等应用。　     

     Glossner博士表示从异构计算的应用场景来看，异构计算非常适用于5G相关应用，包括无人驾驶、智能安防、数据中心、智能手机等各种场景。目前，这些领域正不断涌现出各种异构创新的产品。

       在芯片工艺成本不断指数级提升的今天，业界已经达成的共识就是：通过异构计算在提升性能、降低功耗的同时，减少芯片工艺相关的投入，降低设计和编程开发的门槛。尤其我们进入了智慧物联网时代以后，通过异构实现传感器的融合，更满足了AIoT的需要。

        Glossner博士认为异构计算也是中国、甚至全球处理器行业打破传统巨头垄断的最有可能的领域。物联网、云计算、大数据、人工智能的快速发展给信息产业带来了巨大的发展空间，但同时对芯片提出了全新的性能、功耗等方面的要求。基于异构计算架构的芯片，或称之为“CPU+”，是把CPU、GPU、DSP、AI加速器等不同类型的处理器内核高效地融合在同一颗芯片上，实现协同运算、协同存储与协同管理，在性能、功耗等技术指标上与现有同构多核处理器相比较，有数倍甚至数十倍的提高。

      为了推广异构计算，全球异构系统架构（HSA）联盟强调了生态共建、资源共享（包括软件库的重用、共享）的战略发展定位。作为全球异构系统架构HSA联盟主席Glossner博士积极推动异构计算，他认为HSA就是一套免版税的开放式API，旨在实现异构计算平台对程序员的友好。HSA的目标是使异构系统的编程既高效又简易。缓存一致的共享虚拟内存避免数据副本，API提供支持python，C++等多种语言的统一编程环境。

        Glossner博士认为异构计算为中国集成电路产业提供了良好的发展机遇，因为在这一领域，各国IP公司基本处在同一起跑线上，有些技术方面中国甚至做了不少的基础研究工作。如果能抓住这一难得的历史机遇，从异构计算的IP领域切入，完全有可能深度影响甚至推动全球异构计算产业的发展。比如，为推动中国异构计算的产业化发展，HSA中国工作组CRC于2017年成立，目前已有近40家会员，主要承担HSA在全球最大的市场推广和完善HSA标准的重任。以CRC为基础，又成立了中国异构计算标准（CSH）组，一批包括安全、片上互联、软件无线电的标准草案即将发布。

       对于当前热门的AI芯片，5G芯片，Glossner博士认为，在采用异构计算体系架构后，芯片相关的性能、功耗等核心指标都将出现相当显著的改善。与此同时，它们的系统能力与用户体验都将实现大幅提升。

     另外，Glossner博士指出和目前火爆的RISC-V相比，华夏芯的指令集从一开始就是为异构计算而设计的。华夏芯特别希望在统一指令集内，在相同的编程环境内，支持CPU、DSP、Vector、AI等。“我们ISA的一个关键优点是每个实现都可以运行用户程序。这意味着如果GPU正在忙于运行3D图形，并且假设矢量DSP可用，即使执行速度可能没有GPU那么快，仍然可以在DSP上运行用户程序。我们的另一个优点是向程序员提供了一个通用工具链。这意味着他们不必担心控制代码的CPU工具链和每个加速器的工具链不同，这可以显著提高程序员的工作效率” 。Glossner博士指出，“RISC-V主要是一个CPU指令集。有些团体定义了RISC-V的扩展，包括DSP和GPU扩展(这一点和华夏芯很像)，但它们还不是官方架构的一部分。对于一个需要平衡各方利益的基金会来说，这一道路还很漫长” 。

     “但是，华夏芯的异构架构发展速度会很快。” Glossner博士表示，“针对两年内热门的5G和AI落地应用需求，华夏芯为CPU、矢量DSP和卷积神经网络（CNN）提供经过硅验证的可授权IP。这里面的每一个处理器都有一个自己的路线图，其中一些已经处于第三代设计中，每个处理器系列都各具特点。此外，所有IP内核都是客户可配置的。在未来，除了持续增强我们当前的IP产品外，您还可以期待看到新的GPU内核和更广泛的AI功能。除此之外，我们还为客户打造了包含我们IP内核的SoC，针对包括AIoT、边缘计算、智能家居、智能城市等多个市场。对于一些客户而言，构建高集成度异构芯片可能非常具有挑战性。因此，我们可以为这些具有挑战性的SoC设计提供支持” 。

       据悉，目前GNN是华夏芯新一代的FPGA加速器平台，它的编译器能够直接将网络模型转换成FPGA的网表，其特点是：1、FPGA利用率高、高性能、低功耗，适用于数据中心（超大规模负载的实时AI处理)和嵌入式应用；2、单管道、较低延迟，适用于需要实时性能的应用、视频流对象检测与识别。

       华夏芯董事长李科奕曾指出：“纵观全球，以异构计算为代表的半导体产业新的赛道正在构建，新的生态也正在形成，这一点应该引起国内同行的关注，毕竟这是一个由人工智能推动的、新型计算快速发展的黄金时代” 。

     在这场全新的竞赛中，应当超越传统的思维方式，采用颠覆式创新路径才可能把握新机遇、开创新格局。