许居衍院士：下一波芯片技术的创新前瞻

—— 访中国工程院院士、中国电子科技集团公司第58研究所名誉所长许居衍

作者：王莹时间：2021-12-15 来源：电子产品世界收藏

编者按：2021年10月16日，无锡，在“2021中国物联网大会”期间，电子产品世界和中国电子学会联合主办了“智慧物联网创新技术应用高峰论坛”，许居衍院士做了主题演讲，从物理角度分析了物联网的挑战，预测了未来的新兴范式。

本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202112/430320.htm

1 从物理角度看物联网的挑战

随着物联网（IoT）的发展，带来了数据洪流，对数据处理带来了巨大挑战。

许居衍院士是物理专业出身，从物理挑战的角度看，实际上我们没有进行物理计算。物理计算最重要的是模拟计算，1960 年曾出现过，但是很快就被淹没了。许院士认为，现在应该重视涉及新的算法、编程、控制的模拟计算了。

现有技术难以满足未来需要。

● 摩尔定律还在延续，只是速度会减慢。过去是每18 个月性能翻一番，到2005 年时，变成每3.5 年翻一番。那时几何等比例缩小是不能用的，因玻尔兹曼统计法在物理层面行不通了。在2015 年是6 年翻一番，尽管人们做了很多的努力，例如改用了纳米制程、采用新材料等，但材料层面的量子效应出来了。到现在为止已经是要20 年翻一番（如图1）。原因之一是功耗已碰墙，因为半导体器件发热很厉害。

图1 现行技术难以满足未来需求

● 冯·诺伊曼架构已经不能满足需要。因为该架构需要不断地在存储和计算之间搬运数据，消耗了一半甚至绝大部分的工作量，而逻辑处理只占很小的部分。

2 今后会有哪些新技术？

因此，人们寄希望于技术创新。这些新技术需要满足的条件是：①集成度可以提高，且成本不能太高；②开关速度快；③能效高；④处理信息功能优于CMOS。这些技术从何而来？新、老技术之间有什么关联性？它们与ICT（信息与通信技术）有什么关系？

2018 年联合国对ICT 的定义是：主要通过电子手段完成信息的加工和通信的产品和服务。

ICT 产业奠定了数字化经济的基础。ICT 制造包括元器件、计算机设备、通信设备和消费产品（如图2）。

以下是许院士的观点和分析，仅供参考。从以下引导出来的技术，与国际半导体技术发展路线图（ITRS）及其他地方的介绍是一致的。

处理技术、存储技术本质上是器件技术；通信里有协议、架构；信息处理里有计算架构、软件。所以ICT由器件、软件和架构三个部分组成（如图3）。①软件和器件组合，就是“软件定义器件”，②软件和架构的相互作用，就是“软件定义架构”，③器件和架构的相互作用产生四大技术群。

2.1 软件定义器件

2017 年DARPA（美国国防高级研究计划局）推出“电子复兴计划”，其中提出SDH（软件定义硬件），特点是既可以像CPU 一样编程，又可以性能很高，比现在CPU 性能提高成百上千倍。2020 年代将会是“软件定义器件”的一个高峰期，举2 个例子，一个是牧村浪潮，这是牧村先生2014 年提出来，认为2017—2027年是高度灵活超级集成的时代。许居衍院士比牧村先生提前了14 年提出可重构的系统级芯片，预计在2018—2028 年芯片的灵活性/ 可重构性非常高（如图4）。

图4 许居衍院士20世纪80年代末提出、90年代初发表的“半导体特征循环”已完整提到第六波和第七波，第七波特征当时用“？”表示，2000年拉直“？”为可重构的系统级芯片^[1]

2.2 软件定义架构

即把硬件和软件分隔开来，用SDA 简化了Web Scare 的实现。Web Scare 是2013 年由市场调查公司Gartner 提出来的，指大型云服务公司必须将软件扩展到庞大的受众群体，同时保持足够的敏捷性，以具备快速适应的能力。可见SDA 重塑了信息基础架构，将成为ICT 发展的主旋律。

关于软件定义，上面已介绍了2 方面：①软件定义硬件，②软件定义架构。实际上，软件定义一切。可以用两句话概括：有限的资源，“无限”的畅想。现在人们都知道“万物皆互联，一切可编程”。“一切可编程”非常重要的一点就是应用编程接口（API），在API 之上可以编程，在接口的下面，也就是基础设施部分，没有必要时它基本上不动。软件定义的核心是API，它解耦了软、硬件之间的关系。软件定义有三大特点：①推动应用软件向个性化发展，②硬件资源向标准化发展，③系统功能向智能化发展。

2.3 器件和架构的互动作用

器件本身是怎么组织起来的？怎么设计的？应该有多少功能块？这些功能块应该怎么运行？有了软件，软件又来影响架构。所以器件和架构是相互影响的。但是很重要的一点，器件是通过架构走向应用的。器件包括很多，有电子的、光子的、离子的、激子的，现在除了电子我们非常熟悉之外，光子、离子、激子等才刚刚开始。实际上，所有的物理粒子都可以用来做器件。

如果分析硅CMOS 和新器件、冯·诺伊曼架构和新兴架构，可分成4 大类。

1）“硅冯”范式：硅CMOS 技术与冯·诺依曼结合目前是最重要的应用。它是0/1 模式，通过计算机的二进制计算来表征事物的特征及其演变过程。我们现在所有的东西都是这种0/1 表示。

“硅冯”范式引起了思考。在国际计算机体系结构大会ISCA2018 的图灵奖演讲会上，ACM/IEEE 邀请了2017 年图灵奖获得者John L. Hennessy 与David Patterson联合进行了一场关于未来计算机体系结构发展道路探索的演讲，二位专家展望未来10 年是架构创新的黄金时代。

2019 年，在SEMI-West 上，产业界的AMD、英伟达也提出了类似观点：灵活应变的架构将引领未来。可见，当摩尔定律逐渐终结时，体系结构正在闪耀新的活力。摩尔定律的终结可能是计算中发生的最好事情。

后摩尔时代的创新无穷。如图5，最底下是More Moore（深度摩尔）。此外，还有More than Moore（超越摩尔），包括2D/3D 封装、HC/HI（异构计算和异构集成/ 异质集成）、DSA（特定领域架构）、SDH（软件定义硬件）等。

● More Moore 从原理上看非常简单，做起来相当复杂。以前是平面的，是一个面的沟道场效应管，后来是FinFET，在3 个维度来控制沟道。再下去，3 面不行，是4 面…… 。

光刻制程现在也仍然在发展，IBM 已发布2 nm 制程，台积电预计2025 年将量产2 nm 技术芯片。现在很多人预计，除非有新的发现，到2025 年很难再做下去了。

● More than Moore 的芯粒很重要的是异构计算，用API 把CPU Host 和各种加速部件连接起来。这里强调一点，就是基于新的异构集成将会引领半导体产业进入下一个发展时期，例如基于芯粒的集成。

不管是MPU，还是SoC、GPU、FPGA、AI、IoT等先进和高集成的芯片产品都可以做成芯粒。例如手机芯片早已是芯粒。芯粒的应用将越来越多，将用于汽车电子、消费电子、工业自动化、医疗保健、国防、信息与通信等最终用途的行业中。据Transparency Market Research 报告，2021—2031 年芯粒的年复合增长率将达36.4%，到2031 年，芯粒市场的估值将超过471.9 亿美元。

国外在芯粒方面做得较好，例如一家单位搞了硅光结合的“光芯粒（optical chiplet）”。因为光和电是非常难融合的。因此将来光芯粒会不会促进发展呢？如果可以的话，摩尔定律可能会梅开二度。芯粒有可能推进“光进铜退”。例如数据中心，用于众多服务器、内存和计算资源之间的通信连接，从而推动“在封装级实现光进铜退”。因为一些超级计算机用电传输几厘米就不得了了，但光缆可以传出去几里，这样一来，预计2023年将会很快进入大型数据中心。过去，光纤已进入了家庭、城市，现在要到芯片封装里。

2）“类硅”模式：新器件与冯·诺伊曼架构的结合现在的共识是：下一代最好的情况是能进入跟CMOS雷同的二值开关，如果是这样，摩尔定律还可以再延续一段时间。这一共识印证了许居衍院士等专家演绎的“类硅”模式是对的。

一些大公司，诸如Intel、IMEC、NRI 等认为“类硅”有两种途径：①扩展CMOS，②非CMOS 的，仍然基于电荷变换（如图6）。

3）“类脑”模式：仍然利用现有硅CMOS 器件技术，但架构不是冯·诺伊曼架构，是通过神经突触传递的。冯·诺伊曼是存算分离的，新架构是存算一体的，冯·诺伊曼的叫做程序流，它是事件流（数据处理的）。

举两个极端的例子。

● IBM 的TrueNorth 是一个非常著名的模拟神经网络。神经内核是4096 个核，模拟100 万个可编程神经元和2.56 亿个可编程突触。其中1 个核里包括调度器、控制器、路由器、神经元，这里有256 个神经元（处理器）、256 个轴突（存储器）和64 k 的突触（通信）。其最主要的特色是异步计算（大脑式架构）。当然，在接口和时序方面为同步，但其他地方是异步的。异步时，当事件没有来的时候，是0，所以功耗才70 mW；如果变成同步了，大概要100 mW。

● 中科院计算所的DianNao，如图7，片上存储单元有NBin（保存的输入数据），NBout（保存的输出数据），SB（保存模型的权值），三者占66%。计算单元是NFU（神经功能单元），占28%。NFU 是典型的点乘器（dot-product）方案，上面是一个点乘，下面是累加，累加以后数据有2 个输入、1 个直接输出。输出就是1 个尖峰/ 脉冲了。它的一个优势是可以存储在计算机里，然后再处理。

4）“新兴”范式：新兴架构和新器件来做（如图8）。国际半导体技术发展路线图（ITRS）上指出，新的物理粒子有激子、离子、光波。