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国产 EDA 扎堆、异构集成刷屏,世界半导体大会干货合集

2021-07-10 10:14:24 芯东西 心缘 编辑:奇奇 浏览数:47还学网

芯东西 6 月 16 日报道,2021 世界半导体大会暨南京国际半导体博览会于上周落幕,IC 设计开发者大会作为半导体大会的平行论坛之一同期举行。围绕后摩尔时代下芯片设计的技术演进、创新方向与时代机遇,多家国内外芯片专家...

芯东西 6 月 16 日报道,2021 世界半导体大会暨南京国际半导体博览会于上周落幕,IC 设计开发者大会作为半导体大会的平行论坛之一同期举行。

围绕后摩尔时代下芯片设计的技术演进、创新方向与时代机遇,多家国内外芯片专家在剖析产业痛点的同时,分享了最新技术进展及行业观察。

在政策支持、资本助力以及国际形势复杂多变的大背景下,芯片设计业作为国内半导体产业最具活力的领域之一,正保持高速增长。

从 CPU、GPU、DPU 到 AI 芯片,哪些芯片设计领域成为创业风口?创业大潮中,有哪些创新的芯片架构正在积极探索落地商用?上游的 IP、EDA 工具和封装技术又有哪些优化芯片设计流程、提高芯片设计效率的新技术风向?

经过密集的听会与逛展,芯东西发现异质集成、chiplet 等已成为本届大会上众多演讲嘉宾谈及的高频词汇。此外,多家国产 EDA 厂商出现在此次展会上,比邻新思科技(Synopsys)、楷登电子(Cadence)两大国际 EDA 巨头,分享各种优化芯片设计流程的最新工具。

“SoC 的创业,确实最近一段时间走到非常未有的、非常高程度的关注。”在大会期间的 SoC 设计技术论坛上,半导体行业知名投资人、华登国际合伙人王林分享了两个比较火的创业领域。

一是 GPU。当前 GPU 领域,全球头部玩家仅英伟达和 AMD,号称要做“中国英伟达”的公司快 20 家了,上海有 8 家,南京有 1 家。

“在中国创业这么大的芯片,这么需要巨额资本的创业,居然能够一夜之间出来将近 20 家企业,我觉得在中国创业浪潮真的是非常非常迅猛。”王林谈道,“全球就两家在活着,中国未来有几家活着,大家拭目以待。”

从中国的创业火热到过热,变化飞快,谁是第一波杀出来的,速度非常重要。

二是 DPU。王林说,这是今年 SoC 创业里面最火的概念了,从去年开始苗头渐起。

DPU 将一些 CPU 上要处理的加密解密或者存储的转化。英伟达看到了这样一个趋势,早在 2019 年就宣布以 69 亿美元收购以色列 Mellanox。

传统架构中,当 CPU 资源不够,往往人们要买更多服务器,也就会同时将网络、加速资源都扩容,从而带来这些资源的冗余,从成本、功耗等角度,不是一个很好的选择。

现在的数据中心,都倡导以资源池的形式来做,即将所有数据处理相关的做一个资源池,各个资源都做成资源池,对每个资源池分别管理、扩容,用最中心的 DPU 做调度和管理。

▲华登国际合伙人王林在演讲

大家认为,可能在未来的数据中心云端架构上,DPU 取代了 CPU,成为一个最关键的、最核心的芯片地位。如果把整个数据中心看成一整个大的服务器,DPU 就是一整个大服务器里的 CPU,这也是为什么以色列这家公司要花 69 亿美金收购。

讲一个实践,在数据中心最迅猛、最坚定走自研的芯片和硬件的新型架构的公司,就是全球公有云龙头亚马逊 AWS。亚马逊 2015 年以 3.5 亿美金收购了一家以色列芯片商 Annapurana Labs,里面有非常多做数据处理的高手。

基于这家以色列公司的团队,AWS 发展出来一系列的自研芯片,有加密芯片、加速卡、调度的系统等等。基于自有芯片架构及自有的一整套云端管理系统,AWS 的数据中心算力得以进一步释放,能更灵活去支持客户定制化的东西,并在一定程度上摆脱对硬件厂商的依赖。

所以,网络的新型云端架构更新,带来了非常多的机会。

中国创业公司得天独厚的优势,为确保供应链安全,中国大芯片的供应商,有很多创业机会。同时挑战也很大,王林挑了几条来讲:大芯片 SoC、云端 SoC 创业不仅拼芯片能力,也拼系统能力,对于系统的理解、对于整个云端架构未来趋势的理解和把握,非常难。

怎样的处理器,才是真正自主的处理器?

在 SoC 设计技术论坛上,龙芯中科副总经理明旭从理论层面,对这一话题加以探讨。

信息产业发展这么多年,形成了两套技术体系,WinTel 体系统一了 PC 和服务器,AA 体系统一了移动端,但这两个体系都在美国的掌握之中。

跟着别人的体系走,是没有出路的。只有靠自己,下决心搞体系替代,才是唯一的出路。在这个过程中,有两个坎必须迈过 —— 自主 CPU 和自主操作系统。

如果处理器要实现自主,就要在指令集自主的基础上,能够自主设计微结构。

现在几类主要国产处理器,分别采用引进合作、Arm 授权、自主架构的模式。

引进合作,现在只剩 x86 架构,由于 x86 指令集没有授权的说法,只能靠合资建厂的方式去打知识产权的擦边球,因此没有自主性可言。

Arm 授权方式很多,包括软核、硬核、指令集。但其指令集的扩展是严格受限的,这恰恰是 Arm 生态建设成功的根本抓手,是不会放手的。

用这样国外的指令集,只能做产品,无法构建自主的产业体系。如果要发展自主的产业体系,必须从自主的指令集做起。

▲龙芯中科副总经理明旭

明旭打了个比方,通用处理器的要求就像培养一个孩子,要他成为学习好、品德高、运动能力强、还会做菜,这才是通用处理器。

因此对于通用处理器的设计要求是很高的,在所有芯片类产品里,通用处理器的技术要求基本上是一个珠穆朗玛峰的存在。

通用处理器的核心价值,并不在我们看到的芯片上,而是在 CPU 核心上和支撑软件生态的基础软件上,就像一个哑铃,份量都在两头。上层应用的性能和稳定性是三部分综合优化的结果。现在较受关注的“后门”问题,恰恰也在软件两头。

对于 CPU 核心自主处理器来说,从上层应用到底层处理器微结构的技术链贯通,可以针对热点代码,结合软硬件进行深度优化。另外,可以持续通过微结构升级的方式,来提升芯片性能。

其实,对于有条件的黑客和攻击者来说,在芯片内部,也就是在 CPU 核心内部放置后门,是最有效也最隐秘的技术手段。

当年斯诺登曝光“棱镜门”的时候,其实没有任何证据证明美国在芯片内部放了后门。但因为美国没有底线的行为,使得大家对美国处理器的安全性和是不是放后门开始有各种质疑和猜测,并在此过程中发现了一些蛛丝马迹。

“对于自主 CPU 来说,不用说,后门肯定没有!因为整个微结构都是我写的。”明旭说,前一段很受关注的处理器漏洞,解决起来也都得心应手。那是一个体系结构上的漏洞,在摸清机理之后,龙芯解决 CPU 漏洞只用了一行代码。另外,还有针对性在 CPU 核内的内存安全机制。

对于你拿别人的核来攒的 CPU 来说,后门难防。因为核心不是你做的。微结构持续升级的能力没有,而且供应链上的风险也很大。

在明旭看来,一定历史时期内,因为技术发展阶段不同,用别人的核来攒 CPU 无可厚非。有问题是,明明拿别人的核来攒,非要说自己做的,这个问题就大了。到时候出了问题,谁负责?实际上没有人能负得起这个责任。

总的来讲,真正核心技术包括无法引进的、即使引进了也难以消化吸收的芯片技术。

对于 CPU 高复杂系统,用别人的 CPU 核攒芯片,不复杂,复杂的是 CPU 核的内部,上百万甚至上千万行的代码,没有设计文档。

你把每一行代码都看懂,拼起来还是不懂。就像打开一个猪的大脑,可以看到每一颗神经元,甚至可以看到在跳,但它在想什么,你不知道。

明旭认为,高复杂系统的能力建设,是一整套体系能力的建设,至少需要 30 年的时间,在长期的自主研发过程中逐步演进,一步步堆出来的。在演进过程中,除人才、机制和经费,时间是最重要的创新因素。

“龙芯在这上面已经努力了 20 年,我们还是有信心,再用 10 年时间,把我们处理器设计能力达到国际水平!”明旭说,龙芯处理器当前即是在走这样一条路,从指令集、IP 核到芯片模块,都完全自主设计,没有使用任何第三方 IP,“这在国内处理器厂商中是绝无仅有的。”

▲龙芯三大产品系列

今年 4 月份,龙芯推出自主指令集 LoongArch,具有完全自主、运行效率高、生态兼容三大特点,并实现了 CPU 核心自主优势,既能通过微结构的持续升级来提升性能,又能进行全方位处理器的安全性设计。

除了龙芯中科外,我们也在展会看到了澜起科技、飞腾等国产 CPU 供应商的身影。基于飞腾 CPU 的产品已覆盖台式机、一体机、便携机、瘦客户机等多类终端以及服务器和工业控制嵌入式产品等,澜起科技刚于今年 4 月发布其第三代津逮 CPU 服务器处理器。

在世界半导体大会期间,多家专注于 AI 芯片的公司分享了他们的架构设计理念。

比如在大会首日,南京大学特聘教授、IEEE Fellow、南京风兴科技董事长王中风分享了他们所研发的随机稀疏高能效神经网络加速器。

他谈到主要做的一些优化工作:一是降低算法复杂度,其快速卷积算法可将主要计算量降到 30% 甚至更多;二是满足存储空间及带宽需求,他们采用动态的计算流方案,可有效降低存储带宽压力;三是在内存、带宽限制情况下优化硬件设计单元,王中风团队设计的总架构,基于前期的算法和存储空间优化,在多数情况下能取得 2.5 倍以上的能效比。

▲清微智能发展历程

脱胎于清华大学微电子所的清微智能则聚焦可重构计算芯片。据清微智能首席架构师于义分享,其核心技术可重构计算(CGRA)兼具通用性和高能效,能够达到和 ASIC 相当的计算能效,同时又有接近软件可编程的灵活性,使得芯片能快速处理最新算法。

目前清微智能已量产 TX210、TX510、TX231 芯片,并正在开发马上要量产投片的 TX511,峰值算力将达到 2TOPS。于义透露说,未来清微智能的可重构计算芯片规划是从端侧 AIoT 一直发展到云端,最后实现通用计算,每瓦算力达到 500-1000TOPS。

主攻 AIoT 应用的大鱼半导体,在大会期间推出了其应用于蓝牙无线耳机的首款音频智能 SoC——U2。U2 采用台积电 40ULP 的低功耗工艺,并在此基础上优化了芯片设计、系统软件和协议栈。另外,U2 采取了分离设计的方法,将电源、射频、音频隔离开,从结构上杜绝底噪问题。

据其分享的测试结果,在播放状态下,内嵌 U2 的 TWS 耳机将市面上常见的 20+mW 的音乐播放功耗,压缩到 12mW,仅为 AirPods 的 2/3;通话状态下功耗 19mW 为 AirPods 的 2/3;待机状态下功耗 0.5mW,为 AirPods 的 1/4。

▲大鱼半导体 U2 芯片

面向自动驾驶计算芯片赛道,黑芝麻智能 CMO 杨宇欣分享道,过去车企都讲“里程焦虑”,但随着汽车智能化的提升,现在厂商更多是“算法焦虑”,要求汽车足够智能,一定要有足够强大的算力支撑。他认为,核心芯片应该是在整个产业链发展过程中最核心的一个环节。

但真正在做车规级大芯片,或车规级高性能芯片的智能公司少之又少,不超过 1%。这是因为安全可靠性是最大的门槛,对设计能力和耐力的要求极高,会把不少厂商难住。杨宇欣透露说,黑芝麻智能将不断演进大算力芯片,明年会发布 200TOPS 以上算力的芯片。

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