一 、前言

芯片被喻為信息時代的“發(fā)動機(jī)”,是各國競相角逐的“國之重器”,是一個國家高端制造能力的綜合體現(xiàn)。

雖然我國有著全球最大的半導(dǎo)體市場,并且已成為繼美國之后的全球第二大集成電路設(shè)計重鎮(zhèn),但目前集成電路的主流產(chǎn)品仍然主要集中在中低端，除了移動通信終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部分集成電路產(chǎn)品占有率超過10%外,高端芯片的占有率幾乎為零。

鑒于種種原因和風(fēng)起云涌的國際形勢，今年上半年我國電子企業(yè)普遍加快了微電子、集成電路等產(chǎn)品研發(fā)，投資增長了43.6%。集成電路產(chǎn)業(yè)正在成為各大城市的共同選擇,各地方政府、集成電路企業(yè)、資本、高校和研究中心都在準(zhǔn)備充分發(fā)揮區(qū)域協(xié)同創(chuàng)新能力,共同打造地區(qū)集成電路“芯”高地。

我國集成電路首次大規(guī)模投資熱潮發(fā)生在上世紀(jì)80到90年代，具有代表性的有當(dāng)時的“531戰(zhàn)略”、“908工程”（無錫華晶）和“909工程”（上海華虹NEC）。這些工程盡管當(dāng)時在很大程度上改善了我國集成電路的生產(chǎn)工藝條件，但是，行業(yè)的整體競爭力并沒有多大的提升，主要因為一方面技術(shù)缺乏前瞻性，一些工藝線剛投產(chǎn)即落后，另一方面只注重引進(jìn)工藝生產(chǎn)線，缺乏整體布局和對基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)的重視。

第二波“芯片熱”爆發(fā)在本世紀(jì)初，由于中國市場自身的需求以及政府的扶持，當(dāng)時集成電路成為了所謂的風(fēng)口，大量資金涌入，充滿了各種躁動。2003年前后中國集成電路行業(yè)有代表性的企業(yè)有杭州士蘭微、上海貝嶺、華虹NEC、北京的中星微電子和大唐微電子等。2005年，憑借攝像頭芯片業(yè)務(wù)，中星微電子登陸納斯達(dá)克，成為國內(nèi)第一個登陸納斯達(dá)克的芯片企業(yè)。直到2006年陳進(jìn)的“漢芯事件”曝光，這波芯片熱潮才慢慢退去。

從2006年到現(xiàn)在，我國集成電路科技創(chuàng)新主要由“核高基”和“大基金”主導(dǎo)。“核高基”是“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”專項的簡稱。2006年，國務(wù)院頒布了《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020年）》，將“核高基”列為16個科技重大專項之首，與載人航天、探月工程等并列?！按蠡稹笔浅闪⒂?span>2014年的國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金，專為促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而設(shè)立。目前，這兩股力量仍側(cè)重于“填補(bǔ)空白、補(bǔ)齊短板”，主要成果有用于神威超級計算機(jī)的申威CPU和用于北斗衛(wèi)星的龍芯處理器。

總的來說，我國近幾十年來在集成電路上有過不少努力，也出現(xiàn)過幾次熱潮，但基本上是“戰(zhàn)術(shù)上的勤奮”，缺少前瞻性思維和戰(zhàn)略視野。因此，總逃不出一個“落后-追趕-再落后”循環(huán)的怪圈。要知道，戰(zhàn)術(shù)上的勤奮永遠(yuǎn)彌補(bǔ)不了戰(zhàn)略上的缺失和懶惰。當(dāng)前,我們必須清醒地認(rèn)識到,隨著摩爾定律的放緩(摩爾定律預(yù)計在2021-2025年走向終結(jié)),進(jìn)一步減小芯片線寬難度越來越大。目前的解決方案是通過光學(xué)信號處理(光子計算和光子芯片)和AI突破摩爾定律的限制,這也必將帶來芯片技術(shù)發(fā)展的新形勢和新機(jī)遇。因此,在世界新一輪科技革命同我國轉(zhuǎn)變發(fā)展方式的歷史性交匯點, 科技創(chuàng)新角逐空前激烈時期，我們?nèi)魏螒?zhàn)略誤判都有可能帶來災(zāi)難性的后果。

集成電路領(lǐng)域作為我國技術(shù)創(chuàng)新的高地,在未來的規(guī)劃上,應(yīng)有更高的戰(zhàn)略視野和更前瞻的謀劃。以“超前布局為主,補(bǔ)足關(guān)鍵短板為輔”為原則,明確將“光子+AI”作為未來芯片發(fā)展的戰(zhàn)略方向。努力實現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，抓住千載難逢的歷史機(jī)遇,有力支撐世界科技強(qiáng)國建設(shè)。讓新型芯片技術(shù)真正發(fā)揮創(chuàng)新引領(lǐng)發(fā)展的第一動力作用,這樣才能站上世界科技競爭和未來發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。

二、在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域,堅持有所為和有所不為

在傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域,門檻最高的是RRU基站設(shè)備相關(guān)的中/射頻芯片和DSP/FPGA芯片、高速相干光通信芯片以及高端服務(wù)器處理器芯片。這些領(lǐng)域要想實現(xiàn)國產(chǎn)替代,需要較長時間和更多的投入,因此,傳統(tǒng)芯片應(yīng)重點放在這四個領(lǐng)域。手機(jī)產(chǎn)業(yè)等相關(guān)的中低端芯片門檻相對較低,一些細(xì)分領(lǐng)域的國產(chǎn)芯片甚至已經(jīng)成為國際龍頭,這些領(lǐng)域可由企業(yè)根據(jù)自身利益通過市場來解決。

(1) RRU基站設(shè)備相關(guān)的中/射頻芯片和DSP/FPGA芯片

基站芯片的成熟度和高可靠性要求與消費級芯片不可同日而語,從開始試用到批量使用起碼需要兩年以上的時間,呈現(xiàn)技術(shù)更迭快、門檻高和自給率低的特點。目前,中興和華為在基帶芯片上基本達(dá)到自給,都有自主研發(fā)的基帶芯片。但是在中/射頻領(lǐng)域,主要由TI、ADI、Qorvo和IDT等歐美廠商壟斷。同時,TI和ADI都在加速研發(fā)多通道、高集成的單芯片解決方案,以滿足5G大規(guī)模天線基站的要求,如TI的AFE75XX系列和ADI的AD93XX系列等。在這個領(lǐng)域,國產(chǎn)芯片廠商才剛剛起步,如南京美辰微電子通過前期參與國家重大專項《基于SiP RF技術(shù)的TD-LTE/TD-LTE-Advanced/TD-SCDMA基站射頻單元的研發(fā)》,獲得了較大的技術(shù)提升,在正交調(diào)制器、混頻器、VGA、鎖相環(huán)、DPD接收機(jī)和ADC/DAC等芯片產(chǎn)品方面已有可量產(chǎn)的方案。后續(xù)可通過定點扶持實現(xiàn)該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)能力的進(jìn)一步提升。

此外,高性能DSP/FPGA芯片基本上由TI和 Xilinx壟斷。尤其Xilinx最近推出的高集成RFSoC芯片,融合了多通道的DAC/ADC和高端FPGA,無論在軟件定義無線電(SDR)系統(tǒng)還是在軟件定義光學(xué)網(wǎng)絡(luò)(SDO)上都具有很大的優(yōu)勢。在這方面,目前國內(nèi)基本無對標(biāo)產(chǎn)品,后續(xù)需要重點扶持和加大投入。

(2) 高速相干光通信設(shè)備相關(guān)的芯片

光通信模塊主要采用的芯片有TA(跨阻放大器)、APD(雪崩光二極管)、LA( Limiting Amplifier)、激光器芯片( VCSEL、DFB和EML)、lCT/ICR(集成相干發(fā)射機(jī)/集成相干接收機(jī))和DWDM等。目前低于40Gbps以下的非相干光通信芯片和模塊自給率尚可,但是100Gbps以上的高端芯片,尤其高速ICT/ICR(集成相干發(fā)射機(jī)/集成相干接收機(jī))芯片仍需突破。高速ICT/ICR芯片目前主要有歐美日公司,如Infinera、Fujitsu、Finisar、Acacia、NeoPhotonics、0claro和Elenion等。國內(nèi)光迅科技和初創(chuàng)公司SiFotonics開始提供100Gbps-QPSK集成相干接收機(jī)芯片和解決方案,芯耘光電公司預(yù)計也在2019年完成100Gbps芯片方案研發(fā)。同樣,后續(xù)可通過定點扶持實現(xiàn)該領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)能力的進(jìn)一步提升。

(3) 高端服務(wù)器處理器芯片

目前,lntel在高端服務(wù)器處理器芯片的市場占有率已經(jīng)高達(dá)99%,其X86架構(gòu)加上微軟的軟件生態(tài),已經(jīng)處于絕對壟斷的地位。但是,近年在云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能推動下,服務(wù)器市場需求強(qiáng)勁。全球又掀起了一股高端服務(wù)器處理器芯片競爭熱潮,這其中主要有AMD最新的Zen處理器芯片和ARM引領(lǐng)的精簡指令集架構(gòu)。Zen架構(gòu)的“突破性性能”可以匹敵英特爾速度最快的10納米Broadwell-E處理器,其產(chǎn)品系列包括基于Zen架構(gòu)的8核(16線程）的Summit Ridge臺式機(jī)處理器芯片以及32核(64線程)的Naples服務(wù)器處理器芯片。ARM服務(wù)器芯片生態(tài)鏈上的企業(yè)則主要有Marvell(收購Cavium獲得的ARM服務(wù)器芯片業(yè)務(wù))、Ampere和中國的華芯通等。其中, Ampere為了構(gòu)建軟件生態(tài)系統(tǒng),在工具端、B0S/BMC和操作系統(tǒng)上積極與Java等領(lǐng)先廠商合作開發(fā),旨在幫助客戶解決遷移到云端的問題。我國的貴州華芯通半導(dǎo)體技術(shù)有限公司也于今年正式發(fā)布其ARM架構(gòu)的48核的服務(wù)器芯片-昇龍(StarDragon)。昇龍?zhí)幚砥髑度肓朔现袊吧逃妹艽a算法”標(biāo)準(zhǔn)的自主硏發(fā)的密碼模塊及軟件解決方案。

由于 Wintel生態(tài)過于強(qiáng)大,考慮到運行在云端的軟件無須傳承于任何傳統(tǒng)企業(yè),我們在高端服務(wù)器芯片上的突破應(yīng)該從ARM、云計算和 Linux生態(tài)入手,以保證足夠的設(shè)計、創(chuàng)新和提升空間。

三、把發(fā)展下一代光子集成芯片(PIC)作為重中之重

2010年以來,光子集成技術(shù)進(jìn)入了高速發(fā)展時期,國際上圍繞光子集成技術(shù)部署了許多重大的研究計劃,投入了大量的人力物力進(jìn)行高端光子集成芯片的研發(fā)。歐盟在“Horizon2020”計劃更是集中部署了光子集成研究項目,旨在實現(xiàn)基于半導(dǎo)體材料或二維晶體材料的光電混合集成芯片。2014年10月美國總統(tǒng)奧巴馬宣布光子集成技術(shù)國家戰(zhàn)略,聯(lián)邦政府結(jié)合社會資本投入6.5億美元打造光子集成芯片研發(fā)制備平臺。2015年,美國建立了“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟,明確將支持發(fā)展光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計劃開發(fā),支持4大研究領(lǐng)域及3個應(yīng)用能力技術(shù)開發(fā),并提出了每一項可開發(fā)領(lǐng)域的機(jī)會和目標(biāo)。

除了上述的高速集成相干光發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，光子集成芯片技術(shù)還有兩個更重要的分支:一是集成微波光子(IMWP)芯片,主要應(yīng)用于軍事和民用無線電系統(tǒng),如意大利的 PHODIR(基于光子學(xué)的全數(shù)字雷達(dá))、俄羅斯的基于微波光子學(xué)的有源相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng) ROFAR、歐洲的GAA(下一代SAR的光子前端)和 HAMLET計劃等;二是數(shù)字光子芯片,如光學(xué)DSP、光子計算芯片和光子AI芯片等。

總體來講,我國光子集成技術(shù)還處于起步階段,制約我國光子集成技術(shù)發(fā)展的突出問題包括學(xué)科和研究碎片化,人才匱乏,缺乏系統(tǒng)架構(gòu)研究與設(shè)計,工藝設(shè)備的研發(fā)實力薄弱,缺乏標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化的光子集成技術(shù)工藝平臺,以及芯片封裝和測試分析技術(shù)落后等。幸運的是,該領(lǐng)域尚未形成壟斷和巨頭,如果超前布局,精心組織和重點投入,我們?nèi)杂汹s超的機(jī)會和時間窗。

(1) 集成微波光子(IMWP)芯片

無線技術(shù)平臺經(jīng)過數(shù)十年從數(shù)字無線電到軟件無線電的演進(jìn),目前下一代無線技術(shù)平臺正在呼之欲出。未來全球電信網(wǎng)絡(luò)以及雷達(dá)、通信和航天工業(yè)中新興的大規(guī)模應(yīng)用都將需要全新的技術(shù)來解決當(dāng)前電子技術(shù)對于大容量和超寬帶連接的限制。鑒于集成微波光子芯片具有更高的精度、更大的帶寬、更強(qiáng)的靈活性和抗干擾能力,因此被認(rèn)為是具有競爭力的下一代無線技術(shù)平臺。俄羅斯甚至稱有可能徹底放棄微波電子學(xué),轉(zhuǎn)而專攻微波光子學(xué)。目前在俄羅斯大約有850家公司參與微波光子學(xué)的研究和開發(fā)。此外,歐盟也正聯(lián)合開發(fā)新型全光子28GHz毫米波mMIMO收發(fā)信機(jī)芯片,并將于2018年底推出第一個版本。參與該研發(fā)計劃的公司和研究機(jī)構(gòu)有LioniX、Solvates、SATRAX、Linkra、Fraunhofer HHI和NTU的ICCS,并通過異構(gòu)集成,結(jié)合了PolyBoard和TriPleX兩個工藝平臺的優(yōu)勢。

在集成微波光子芯片領(lǐng)域,我國仍處于基礎(chǔ)研究階段,不久前剛結(jié)束的國家973計劃項目“面向?qū)拵Х涸诮尤氲奈⒉ü庾悠骷c集成系統(tǒng)基礎(chǔ)研究”重點針對微波光子相互作用下的高帶寬轉(zhuǎn)換機(jī)理、高精細(xì)調(diào)控方法和高靈活協(xié)同機(jī)制等3個科學(xué)問題,在微波光子作用機(jī)理、關(guān)鍵器件與原型系統(tǒng)方面取得了重要突破,為未來發(fā)展提供了相應(yīng)的理論與技術(shù)支撐。項目團(tuán)隊研制了覆蓋L/S/Ku/Ka波段的靈活可變的微波光子柔性衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器樣機(jī),以及構(gòu)建了分布式大動態(tài)可協(xié)同的智能光載無線(I-RoF)原型系統(tǒng)與研究平臺。該項目所取得的“寬帶集成、穩(wěn)相傳輸和多頻重構(gòu)”等創(chuàng)新成果在嫦娥三號Ⅹ波段信標(biāo)信號采集、北斗導(dǎo)航高軌衛(wèi)星的軌道監(jiān)測和微波光子柔性衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等國家重大工程中得到驗證和技術(shù)應(yīng)用。

集成微波光子芯片主要在光學(xué)域上實現(xiàn)射頻信號的處理,其功能可以覆蓋無線系統(tǒng)的整個射頻信號鏈,包括濾波、IQ調(diào)制、UC/DC(上轉(zhuǎn)換/下轉(zhuǎn)換)、頻率合成器、AWG(任意波形生成)和光子ADC/光子DAC等。隨著集成相干光學(xué)、集成微波光子學(xué)、超大規(guī)模光子集成電路、光學(xué)頻率梳、光子ADC和光子數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展,集成微波光子芯片甚至可以發(fā)展到大規(guī)模ASPIC或PSoC(光子專用集成電路),并可能在未來5-10年內(nèi)顛覆整個RF技術(shù)生態(tài),使真正的光子定義無線電( Photonics Defined Radio, PDR)系統(tǒng)成為可能。

在規(guī)劃和發(fā)展路徑上,我們可以首先面向國防、航天、5G/B5G和6G移動通信的需求,從單片或單功能集成開始,提升設(shè)計和工藝水平,逐步發(fā)展大規(guī)模集成微波光子芯片。

(2) 高性能光子計算芯片和光子AI芯片

光子計算被認(rèn)為是突破摩爾定律的有效途徑之一,且更適合線性計算。光子器件的開關(guān)速度比電子器件更快,而且光波具有不同的波長、頻率、偏振態(tài)和相位信息,可以用來代表不同的數(shù)據(jù),因而光子計算具有內(nèi)稟的高維度的并行計算特性。光子計算超強(qiáng)的線性計算能力有望成為未來高性能計算的“圣杯”。

2016年MIT提出了使用光子代替電子作為計算芯片架構(gòu)的理論,并稱之為可程序設(shè)計納米光子處理器。美國的艾克塞特大學(xué)、牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)三所高校正在聯(lián)合研發(fā)光子計算芯片?？屏_拉多大學(xué)的科研人員日前已研制成功世界上第一款以光子處理和傳輸信息的微處理器芯片。

英國0ptalysys公司于2017年發(fā)布了第一代高性能桌面超級光子計算機(jī)(最高可達(dá)到9Pfps的處理速度),其光子處理器采用PCI擴(kuò)展卡與普通計算機(jī)進(jìn)行通訊(PCI擴(kuò)展卡是用于升級圖形處理器或服務(wù)器的標(biāo)準(zhǔn)組件)。同時,0ptalysys公司還承擔(dān)了一個五角大樓的研究項目-超級計算機(jī)的桌面化技術(shù),以及一個歐洲的項目-提高天氣仿真能力。Optalysys計劃在2020年之前推出Efps級別的更高性能的系統(tǒng)。

除了傳統(tǒng)的高性能計算外,光子芯片也將是未來AI計算的硬件架構(gòu),可能徹底淘汰現(xiàn)在的GPU,并且是未來量子計算的候選方案之一。

過去十年中,在構(gòu)建光子計算芯片的基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)工藝方面的投資開始得到回報。2016年,美國普林斯頓大學(xué)研制了全世界第一個光子神經(jīng)形態(tài)芯片。該芯片擁有超快的計算能力,并利用光子解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電路速度受限的難題,開辟了光子計算的新篇章。2017年,英國牛津大學(xué)的研究人員使用特殊的相變材料與集成光子技術(shù)開發(fā)出一種光子芯片,可形成與人腦相似的“光子突觸”,其運行速度比人腦神經(jīng)突觸快1000倍。法國初創(chuàng)公司 Light0n成功開發(fā)了利用激光處理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。該公司的目標(biāo)是,在機(jī)器學(xué)習(xí)中通過將信息與隨機(jī)數(shù)據(jù)相乘的方式壓縮數(shù)據(jù)。不同的是,Light0n的系統(tǒng)利用了光通過半透明材料時發(fā)生的隨機(jī)散射效應(yīng),能更容易地獲得相同的效果。

Lightelligence公司計劃于2019年第一季度推出光子計算芯片產(chǎn)品。 Lightmatter公司也正在用光子技術(shù)來増強(qiáng)電子計算機(jī)的性能,從根本上推出足夠強(qiáng)大的全新計算芯片,以促進(jìn)下一代人工智能的發(fā)展。

我國在該領(lǐng)域的研究和產(chǎn)業(yè)化基本還是空白,理應(yīng)積極布局,統(tǒng)籌規(guī)劃,否則在未來的光子信息時代,我們將又一次飽嘗“缺芯缺腦”之痛。

(3) 加強(qiáng)光子集成相關(guān)的基礎(chǔ)研究和人才培養(yǎng)

正如前面所述,我國光子集成技術(shù)發(fā)展面臨學(xué)科和研究碎片化、人才匱乏、缺乏系統(tǒng)架構(gòu)研究與設(shè)計等問題。我國有關(guān)光子學(xué)的研究機(jī)構(gòu)眾多,專業(yè)繁雜,有武漢光電國家實驗室、集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室、北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室、上海交通大學(xué)光子集成與量子信息實驗室、南京大學(xué)微波光子技術(shù)研究中心、東南大學(xué)先進(jìn)光子學(xué)中心、南京航空航天大學(xué)微波光子學(xué)實驗室、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)量子材料與光子技術(shù)實驗室、浙江大學(xué)光子材料與器件實驗室、廈門大學(xué)半導(dǎo)體光子學(xué)研究中心、中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所信息功能材料國家重點實驗室、中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國家重點實驗室以及各學(xué)校的光電科學(xué)與工程學(xué)系。因此,建議對標(biāo)“微電子學(xué)”建立“微光子學(xué)”二級學(xué)科,規(guī)范和加強(qiáng)光子集成技術(shù)的人才培養(yǎng)。同時引導(dǎo)各研究機(jī)構(gòu)分工協(xié)作,在自己的優(yōu)勢領(lǐng)域重點攻關(guān),從而最終形成整體突破。

(4) 優(yōu)化光子集成產(chǎn)業(yè)生態(tài),構(gòu)建長效戰(zhàn)略合作機(jī)制

加強(qiáng)光子集成技術(shù)制造裝備研發(fā),建立光子集成芯片開放性的工藝加工平臺,為高端光子集成芯片研發(fā)和生產(chǎn)提供技術(shù)支撐和服務(wù)。建立光子集成設(shè)計和制備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化體系,增強(qiáng)整個產(chǎn)業(yè)的國際話語權(quán)。鼓勵建立光子集成產(chǎn)業(yè)協(xié)作聯(lián)盟,整合產(chǎn)業(yè)中分散的研發(fā)力量,完善創(chuàng)新體系與產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

張江光子國家實驗室牽頭承擔(dān)的硅光子重大專項已經(jīng)取得突破,具備了光子集成芯片的制造能力。預(yù)計今年年內(nèi),我國第一條硅光子研發(fā)中試線將在滬建成。后續(xù)可結(jié)合PolyBoard和TriPleX兩個工藝平臺的優(yōu)勢拓展成一個異構(gòu)平臺,未來作為地區(qū)甚至國家級光子集成芯片開放性的工藝平臺。

(5) 加強(qiáng)國際合作,努力實現(xiàn)我國光子集成技術(shù)的跨越式發(fā)展

我國在光子集成技術(shù)領(lǐng)域與歐美日俄尚有一定的差距,我們要充分利用荷蘭、意大利、西班牙、德國、比利時、俄羅斯和日本等歐亞國家在光子集成芯片等高端技術(shù)的優(yōu)勢,加強(qiáng)交流與合作,迅速提升光子集成技術(shù)方面的研發(fā)能力。同時,把張江光子國家實驗室建成光子集成技術(shù)的國際交流平臺。此外,加大光子集成產(chǎn)業(yè)核心人才引進(jìn)力度,繼續(xù)推動出臺針對相關(guān)人才回國就業(yè)和創(chuàng)業(yè)的支持政策。引導(dǎo)和鼓勵資本適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行必要的合資和并購,快速提升我國光子集成的自主產(chǎn)業(yè)能力。

四、爭取在AI芯片新型架構(gòu)創(chuàng)新上取得突破

今年以來,AI芯片初創(chuàng)公司呈現(xiàn)爆炸式增長,各種AI芯片xPU如雨后春筍,已經(jīng)達(dá)數(shù)十家之多。當(dāng)前無論基于多核CPU、GPU、還是FPGA架構(gòu)的AI芯片本質(zhì)上都不是真正的AI芯片,實際上是用現(xiàn)有的、相對成熟的架構(gòu)和技術(shù)去應(yīng)對全新的人工智能,并沒有革命性的技術(shù)突破。它們往往無法滿足AI的需求,也預(yù)示著目前許多所謂的xPU最終將是曇花一現(xiàn)。

通常CPU和GPU被設(shè)計成用來運行完整的程序,不是數(shù)據(jù)驅(qū)動的。而機(jī)器學(xué)習(xí)與CPU和GPU處理完全不同,是不斷訓(xùn)練程序使用數(shù)據(jù)的過程,然后在不進(jìn)行明確編程的情況下進(jìn)行推理,需要完全不同類型的處理器。AI芯片需要循環(huán)使用訓(xùn)練數(shù)據(jù),必須擅長處理數(shù)據(jù)之間的連接關(guān)系,比如可以用圖形表示數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性和其他關(guān)系?？梢哉f,AI的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的總體目標(biāo)是創(chuàng)造大而復(fù)雜的連接關(guān)系網(wǎng)絡(luò),這個網(wǎng)絡(luò)不僅可以是稀疏的、多層級的,而且可以彼此循環(huán)、學(xué)習(xí)和改進(jìn)。所以,AI芯片是“連接-存儲-計算”的范式,而傳統(tǒng) CPU/GPU是馮諾依曼結(jié)構(gòu),即“計算-存儲-連接”的范式。從這個意義上來說,范式轉(zhuǎn)變和架構(gòu)創(chuàng)新是未來AI芯片取得突破和成功的關(guān)鍵。

第一類創(chuàng)新架構(gòu)的方向是計算和存儲一體化(processing-in-memory),即在分布式存儲單元里面加上計算的功能。其中,具有代表性的是英國Graphcore公司的人工智能芯片IPU(Intelligence Processing Unit)。IPU采用16nm工藝,大規(guī)模多核陣列(大于1000個核)架構(gòu),每個核都有一個存儲單元(沒有外接共享存儲,是完全芯片內(nèi)分布式存儲),同時支持訓(xùn)練和推理。最近,美國的SRC啟動了一個1.5億美金的5年研究計劃JUMP,其中一個方向也是Intelligent memory and storage。

第二類創(chuàng)新架構(gòu)的方向是類腦芯片,典型的有IBM公司的類腦芯片TrueNorth、英特爾的自我學(xué)習(xí)芯片Loihi和高通的Zeroth芯片等。國內(nèi)最近幾年在類腦芯片研發(fā)上也不甘示弱,上海西井科技這樣的初創(chuàng)公同也在進(jìn)行類腦芯片的研發(fā),清華等知名高校則紛紛建立類腦研究中心,浙大甚至推出自己的“達(dá)爾文”類腦芯片。相比于傳統(tǒng)芯片,類腦芯片的確在功耗上具有絕對優(yōu)勢,拿英特爾的Loihi來說,不僅其學(xué)習(xí)效率比其他智能芯片高100萬倍,而且在完成同一個任務(wù)所消耗的能源比傳統(tǒng)芯片節(jié)省近1000倍。

第三類創(chuàng)新架構(gòu)的方向是前面所說的“光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”,光子芯片或?qū)⑹俏磥?span>AI計算的硬件架構(gòu)。

芯片架構(gòu)就如同軟件的操作系統(tǒng),一種架構(gòu)一旦成為主流,其它架構(gòu)就很難有成功的機(jī)會。傳統(tǒng)高端處理器芯片架構(gòu)是lntel的x86、AMD的K6、ARM的Advanced-RISC和GPU四足鼎立。AI芯片架構(gòu)也初現(xiàn)端倪,未來我們能否有一席之地,關(guān)鍵還看我們的謀劃能力和創(chuàng)新力度。正如RISC先驅(qū)David Patterson所說，現(xiàn)在是處理器芯片架構(gòu)創(chuàng)新的黃金時代。我國作為AI芯片架構(gòu)領(lǐng)域的重要研發(fā)基地,有上海西井科技、浙大的類腦芯片和清華、南京大學(xué)等的基礎(chǔ)研究,理應(yīng)走在AI芯片架構(gòu)創(chuàng)新的前列。

五、加強(qiáng)其它前沿芯片技術(shù)的研究

除了上述比較明確的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)趨勢,下面幾個關(guān)鍵技術(shù)其中任何一個取得突破都會對未來的集成電路技術(shù)產(chǎn)生顛覆性的影響,因此這些都需要我們加強(qiáng)研究和緊密跟蹤。

（1）碳納米管晶體管及芯片技術(shù)

碳納米管(CNT)是碳原子的管狀結(jié)構(gòu)。這些管狀結(jié)構(gòu)可以是單壁(SWNT)或多壁(MWNT)的,直徑一般在幾納米的范圍內(nèi)。它們的電特性根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)而變化,介于金屬和半導(dǎo)體之間。碳納米管場效應(yīng)晶體管( CNTFET)由兩個通過CNT連接的金屬觸點組成。這些觸點是晶體管的漏極和源極,柵極位于CNT的旁邊或周圍,并通過一層氧化硅分離。

基于納米管的RAM是由Nantero公司開發(fā)的非易失性隨機(jī)存取存儲器的專有存儲器技術(shù)(該公司也將此存儲器稱為NRAM)。理論上,NRAM可以達(dá)到DRAM的密度,同時提供類似于SRAM的性能。該領(lǐng)域未來最有希望應(yīng)用于高性能計算機(jī)(HPC)的是碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNTFET)、基于納米管的RAM(或Nano-RAM)以及芯片冷卻的改進(jìn)等。CNT是非常好的導(dǎo)熱體,因此,可以顯著改善CPU芯片的散熱。

（2）石墨烯晶體管及芯片技術(shù)

石墨烯是一種厚度為單一原子的二維結(jié)構(gòu)的材料。石墨烯實現(xiàn)在半導(dǎo)體村底上生長被認(rèn)為是一個重要的走向?qū)嵱玫睦锍瘫?span>2010年,IBM研究人員展示了一種截止頻率為100GHz的射頻石墨烯晶體管。這是迄今為止石墨烯器件達(dá)到的最高頻率。2014年, IBM Research的工程師開發(fā)出世界上最先進(jìn)的石墨烯芯片,其性能比以前的石墨烯芯片高出10000倍。

除了用于制備RF器件,由于石墨烯制造方法實際上與標(biāo)準(zhǔn)硅CM0S工藝兼容,并且具有出色的導(dǎo)熱和導(dǎo)電能力,因此未來有可能實現(xiàn)商用石墨烯計算機(jī)芯片。

(3)  金剛石晶體管及芯片技術(shù)

金剛石的加工方式可以和半導(dǎo)體類似,因此可以用來制備基于金剛石的晶體管。東京工業(yè)大學(xué)的研究人員制備了具有橫向p-n結(jié)的金剛石結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)。該器件具有優(yōu)異的物理性能,如5.47eV的寬帶隙,10MV/cm的高擊穿電場(比4H-Si0和GaN高3-4倍),以及20W/mK的高導(dǎo)熱率(比4H-Si0和GaN高4-10倍)。目前制造的金剛石晶體管的柵極長度在幾個微米范圍內(nèi),與當(dāng)前22nm技術(shù)相比仍偏大。為了實現(xiàn)高速工作的芯片(傳播延遲的限制),未來需要進(jìn)一步減小柵極尺寸。

金剛石的高導(dǎo)熱性比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料高幾個數(shù)量級,可以更快地散熱,能解決3D芯片堆疊模塊的溫度問題,這樣,預(yù)計基于金剛石的芯片能耗更低和高溫工作能力更強(qiáng)。