许居衍院士:下一波芯片技术的创新前瞻

王莹

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。

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。

●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何年谓联合国对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）。

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。

軟件定义的核心是API，它解耦了软、硬件之间的技术关系。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。

23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、激子等才网刚刚开始。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2nm制程，台积电预计2025年将量产2nm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，新架構是存算一体的，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64k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70mW;如果变成同步了，大概要100mW。

●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。

物理态变量，除了电子电荷外，还有自旋、相位、极性、轨道对称性、磁通量、分子构型等。例如英特尔的下一代架构是量子和神经形态体系结构，许院士认为是非常重要的技术。

●新兴器件是另类的信息处理。新兴器件包括自旋波器件（SWD）、激子器件、纳米磁性逻辑（NML）、发光器件/晶体管激光器（TL）。

●新兴架构包括模拟计算、神经计算、量子计算。

许院士有一个非常新的观点：我们现在通过API连接异构计算（GPU、FPGA等），未来新兴计算在相当长的时期里也将与传统计算通过微服务（API）组成专业计算机（specialized computers）。后摩尔时代，异构计算、异构（质）集成将得到很大发展。

3结束语

●物联网模拟数据持续泛滥，导致了ICT面临颠覆性的创新挑战。

●在硬件颠覆更新之前，软件定义仍将“吞噬一切”。但是在架构创新的时代，尤其是“新兴”范式出来以后，软件的作用还无法预测。

●摩尔定律失效驱动了创新的

“百花齐放”，现在是年轻人创业的最佳时机。尽管硅CMOS技术和冯·诺伊曼计算架构仍将（或分别）长期主导ICT发展，但先进器件、材料、封装和新型通信、新兴架构已经在推动/冲击着ICT的变革。

●“硅冯”范式还有一定的韧性，有人说还可以维持50～100年，仍是十分重要的。人们关心异构计算科学。

另外，许院士还谈到，十几年前他看到苹果公司开始收购半导体公司时，就觉察到未来将是大型系统公司/互联网公司等企业介入芯片的时代。

多年后[注1]，许院士和黄安君在《电子产品世界》杂志发表文章，提出观点：硅将会变得和空气、水一样重要，但是又非常普通，大家都可以很容易地进来。现在有一个数据，我国现在对外代工的企业中，5%是系统商，17%是半导体设计公司——这两类企业已经占了很大的份额，将来可能份额更大。

参考文献：

[1]黄安君.牧村先生也拓展到第七波了[R/OL].电子产品世界[2015-5-18].http：//www.eepw.com.cn/article/275226.htm

[注1]：这个预测是2008年提出，随后在魏少军主持的通信专用集成电路年会上做了报告.