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张韵东:后摩尔时代 走自主创新的智能摩尔之路

2021-07-27 14:59:28
来源:中国高新技术产业导报 作者:张伟 评论:0
  本报记者 张伟

  自5月14日,国家科技体制改革和创新体系建设领导小组在北京召开第十八次会议,专题讨论面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术后,业界关于后摩尔时代半导体产业发展方向的讨论掀起新一轮高潮。

  摩尔定律要终结了吗?如何开拓摩尔定律新维度?后摩尔时代的突围之路、创新之路怎么走?日前,国家科技进步奖一等奖获得者,中星微集团联席总裁、数字多媒体芯片技术国家重点实验室执行主任、“星光中国芯工程”副总指挥张韵东在接受记者独家专访时,一一给出了自己的答案。

  摩尔定律必将走向终结

  “当前物理层面和信号层面都受到物理规律的制约,摩尔定律正在走向极限和尽头。”张韵东开门见山地向记者表示,下一次信息革命的关键是如何进一步借鉴人脑的智慧机制,研究新型人工智能计算方法,未来走向智能摩尔,通过多核异构的智能处理器实现多模融合智能算法。

  作为我国神经网络处理器专家,曾主持和参与制订2项国家标准,多次担任“核高基”“973计划”“863计划”及国家电子发展基金、国家集成电路设计专项等重大科研项目负责人,凭借近30年的从业经验,张韵东认为,摩尔定律自1956年提出,每隔约18个月,半导体的性能提升一倍,价格也相应地下降一倍,已经持续验证了超过半个世纪的时间了。目前,半导体的最小线宽参数已经开始做到3纳米,最后将会接近一个量的极限。

  张韵东表示,大家都知道的摩尔定律,现在已经走到了7纳米、5纳米量产,3纳米也进入试产的阶段,快要逼近摩尔定律的极限值。未来怎么办?国外讲“more moore”,就是延展摩尔、扩展摩尔的意思,沿着摩尔的道路继续发展3纳米、2纳米、1纳米。大家都认为,1纳米也是有可能实现的。1纳米相当于3层原子,到时候很多电子信号、电子的波函数,都不一定能约束在1纳米里面,0和1将越来越模糊,电子隧道效应产生的漏电流会越来越大。

  由此,张韵东断言:“从这个角度来看,摩尔定律不管走到哪一代,必将走向终结,这是基本的物理规律。”

  后摩尔时代的方向之争

  摩尔定律最终将走向何方?除了“more moore”谈延展摩尔、扩展摩尔,大约在20世纪90年代末期,国外又有一种理论,叫做“more than moore”,大致是超越摩尔的意思,通过集成堆叠封装3D技术等,把更多的功能集成到同一个芯片上或者同一个封装里,包括把存储和计算合在一起,也包括把天线、传感器集成在一起,这就是“more than moore”。

  “‘more than moore’是第二个维度,在物理层面和信号层面,能想到的办法只能是集成,把各种模块集成到一块儿。”张韵东说,选择“more moore”还是“more than moore”?两者各有利弊。基于此,“星光中国芯工程”从2016年提出“智能摩尔之路”,核心就是跳出二维,走向三维,从信息层面入手,研究人眼关注东西的特征。

  “你想想看,我们在道路上录像的时候,可能并不想看道路两旁树叶怎么动,但现在的计算方法在这方面耗费了很多计算和存储资源,其实我们真正关心的可能是人和车这些移动的目标。”张韵东举例说明:而人眼的视觉关注机制就不一样,人眼只看人关注的东西,不关注的东西就不怎么看。从现在的神经和人脑研究来看,这个关注机制在人脑里面是分层分区的。也就是说,在信息层面,人对信息有关注机制,也有遗忘机制,还有分区机制,人脑里有的地方管语言,有的地方管视觉,有的地方管行为。同理,今天的处理器好像什么都管,都在处理器计算,其实也就说明,处理器一会儿算图像,一会儿算声音,一会儿算文字,算什么都在用同一个指令集,这样的处理效率就很低。

  “我们讲智能摩尔之路,就是要借鉴人脑的机制,来分层分区地去关注各种东西,从而形成更加智能的计算。也就是在信息层面,对需要关注的信息,对有用的信息进行更高效率的计算。”张韵东说,所谓智能摩尔技术路线,是他们通过实验发现,在物理层面智能芯片的发展已经受到了物理规律摩尔定律的限制时提出来的。

  走自主创新的智能摩尔之路

  “虽然摩尔定律在物理层面和信号层面都受到物理规律的制约,看似已接近极限,但在信息层面的技术创新还远没有达到极限。而下一次信息革命的关键在于,通过进一步借鉴人脑智慧机制来研究新型人工智能计算方法,达到进一步提升信息处理的性能/功耗价格比的目标。”张韵东一语道破后摩尔时代突围和创新的天机。

  “智能摩尔技术路线立足于信息处理架构的创新,它在More Moore和 More Than Moore之外开创了一个新的创新维度,相互之间不仅不会冲突,而且还能够利用前两个维度发展进步的成果产生合力,共同推进,大幅度提高产品的整体性能。”张韵东进一步阐述说。

  “为实现智能摩尔之路,要做很多技术,比如现在提出来的数字像素传感技术,也叫DPS技术,和多核异构XPU技术一起,把这两个技术结合起来,就能很好地学习人脑的处理方式。在未来,我们将攻克多核异构XPU的架构技术,这个架构将用来支撑智能摩尔之路的发展。”张韵东详尽描述道,XPU多核异构智能处理器可以在同一芯片内部配备 NPU、DSP、CPU、GPU、FPGA以及特定功能的运算加速算子单元等不同类型的处理器核心,并实现算力共享和内存共享,不同架构的智能化算法能够实现底层、深层次地融合计算。相比NPU、GPU这一类深度学习处理器,XPU多核异构智能处理器更适合目前的信息理论发展现状,在实际应用中更灵活、高效,能耗更低。举个例子:中星微自主研发的2020年量产的新一代人工智能处理器(XPU)的性能超越了星光智能第二代芯片的8倍。

  长期以来,我国的集成电路相对受到西方很多先进制造设备、材料和工艺引进方面的限制。“我们比国际上最先进的、能够买到的设备和制造工艺要晚两代,我们的高端芯片还要多加努力,现在机会已经来了!”张韵东透露,后摩尔时代,坚持走自主创新的智能摩尔之路,目前已在国内形成广泛的认同,并在中星微落地实践成为行动指南。在该技术路线指导下所产生的技术成果,在实现国产替代,解决“卡脖子”问题上,已取得了一系列的积极突破,并在国内一些特定领域如安防、交通领域等实现了规模应用。

(责任编辑:韩梦晨)

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