聊聊芯片技術(shù)趨勢

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來源：StarryHeavensAbove

作者：唐杉

今年我們看到很多芯片領(lǐng)域出現(xiàn)的“新現(xiàn)象”，也有不少會讓你“陷入沉思”的時刻。對我個人來說，蘋果M1可能是沖擊最大的一個。我從04年開始做手機(jī)SoC，08年開始接觸ARM，斷斷續(xù)續(xù)做到16年。在蘋果M1之前，我從來沒想過基于ARM的架構(gòu)可能在性能上超越X86。

當(dāng)然，M1并不是傳統(tǒng)意義上的CPU，而是一顆SoC，所以直接的比較也許并不完全公平。但如果從應(yīng)用程序的角度來看，運(yùn)行速度加快，功耗降低，都是實(shí)實(shí)在在的。

對M1的分析很多，細(xì)看下來，大部分架構(gòu)優(yōu)化的思路和獲得的結(jié)果也都是非常自然的（可能也有一些我們不知道的蘋果黑科技）。

但為什么蘋果之前沒人這么做，或者說做不到呢？

問題的關(guān)鍵在于蘋果掌握了完整生態(tài)和供應(yīng)鏈，在有充分的技術(shù)積累和豐厚利潤之后，可以做更多的“縱向優(yōu)化”。

這個事件本身還不只是技術(shù)上的勝利，未來會給整個產(chǎn)業(yè)帶來深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)然，從這句話的限定詞來看，能成功復(fù)制者可能寥寥無幾。后面的新聞?wù)f微軟也打算給Surface自研芯片來看，不知是不是有戲。（我雙十一買了臺Surface(i5)，之后就看到M1）。

之前的文章對芯片架構(gòu)和技術(shù)趨勢有不少討論，“通用”到“專用”，“同構(gòu)”到“異構(gòu)”，“先進(jìn)工藝”到“先進(jìn)封裝”，“分而治之”到“跨邊界優(yōu)化”。

為什么會有這些趨勢，簡單說就是被逼的，一方面摩爾定律放緩和Dark Silicon問題，另一方面特定算力需求激增。一句話，要求高了，只有精耕細(xì)作了。但問題是，即使這些趨勢大家都認(rèn)可，具體該怎么做呢？真沒那么簡單。

先說說異構(gòu)和專用的問題。我們可以看看已經(jīng)“精耕細(xì)作”了很多年的手機(jī)芯片。手機(jī)SoC是非常典型的異構(gòu)系統(tǒng)，包括大量的專用處理器，發(fā)展到今天，已經(jīng)極為復(fù)雜。

下圖是我隨便找的一個高通手機(jī)芯片的框圖，大家可以看一看，除了CPU，GPU，各種DSP和硬件加速器，可以說把異構(gòu)做到極致了。

source:?anandtech

為什么手機(jī)的主處理器在智能手機(jī)剛出現(xiàn)的時候就SoC的形式？也是被手機(jī)尺寸，功耗，成本這些限制給逼的，不可能照搬桌面PC獨(dú)立CPU的架構(gòu)。這種架構(gòu)的優(yōu)勢是將整個系統(tǒng)都放在一顆芯片上，而不僅僅是通用的CPU。

其中很多硬件模塊都是根據(jù)特定功能需求定制的，比如通信基帶，ISP，Connectivity，多媒體，語音，定位，可能是基于DSP，也可以是更專用的硬件加速器。這其實(shí)也就是我們今天常說的Domain-Specific的概念。

另一方面，模塊間的通信是在片上解決，效率要高很多。這種SoC/DSA架構(gòu)的優(yōu)勢是硬件PPA可以極致優(yōu)化；缺點(diǎn)除了架構(gòu)復(fù)雜度和不同類型硬件的優(yōu)化之外，異構(gòu)編程和軟件優(yōu)化也會比較困難。

先不看蘋果，由于安卓系統(tǒng)的出現(xiàn)，獨(dú)立的手機(jī)芯片廠商可以把精力集中在底層，反正這些DSP和硬件加速器一般也不開放，都是芯片廠商自己來優(yōu)化相關(guān)軟件（常說的firmware）。

這樣的架構(gòu)和生態(tài)已經(jīng)發(fā)展了十幾年，現(xiàn)存已經(jīng)不多的獨(dú)立手機(jī)芯片廠商已經(jīng)很有經(jīng)驗(yàn)。即便如此，芯片廠商提供的一些新算法的加速庫往往還不能令人滿意，也從側(cè)面說明了異構(gòu)專用架構(gòu)軟件優(yōu)化的難度。

再看蘋果，其技術(shù)上的優(yōu)勢，很大程度得益于在“封閉”的系統(tǒng)（操作系統(tǒng)也是自己的），有可能實(shí)現(xiàn)“縱向優(yōu)化”。在技術(shù)上的優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為巨大的利潤之后，蘋果的芯片就進(jìn)入良性循環(huán)。

實(shí)際上，在蘋果開始自研芯片之后，可以說整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈，從Foundry到EDA/IP都是按照蘋果新機(jī)發(fā)布的節(jié)奏在進(jìn)步。積累到今天，蘋果已經(jīng)具備了挑戰(zhàn)傳統(tǒng)桌面系統(tǒng)架構(gòu)的能力。

對于傳統(tǒng)的桌面和數(shù)據(jù)中心處理器，簡單的說“不思進(jìn)取”也不是很公平，CPU本身還是芯片技術(shù)的高峰。在它能做到的范圍內(nèi)（主要是硬件），工藝演進(jìn)，封裝演進(jìn)，架構(gòu)優(yōu)化，硬件性能繼續(xù)提升還是可以預(yù)期的。

但它多年形成的生態(tài)特征（包括歷史包袱）和蘋果（還包括其他一些巨頭）這樣的“封閉”生態(tài)大不相同，蘋果們能做到的事情它還真做不到。

討論到這里，我們也不難看出，未來在技術(shù)上的優(yōu)化，傳統(tǒng)的分而治之的策略已經(jīng)越來越困難（或者并不經(jīng)濟(jì)），打破邊界有可能會實(shí)現(xiàn)“降維打擊”的效果。

雖然好處顯而易見，但成功與否的決定因素可能不在技術(shù)，而是背后掌控生態(tài)和供應(yīng)鏈的能力。另一方面，拋開技術(shù)原因，越來越復(fù)雜的競爭關(guān)系，也是推動產(chǎn)業(yè)鏈重新整合的動力。

今年，我們看到Nvidia收購ARM，AMD收購Xilinx，Intel推oneAPI，其實(shí)都是這方面的嘗試。對于芯片廠商來說，盡量在自己的核心領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)生態(tài)的“壟斷”是最高目標(biāo)。

但是，對于復(fù)雜芯片來說，構(gòu)建軟件生態(tài)可能要比設(shè)計或?qū)崿F(xiàn)出芯片本身更為復(fù)雜。特別是在一些專用領(lǐng)域，單芯片硬件架構(gòu)趨向簡化，但軟件棧的實(shí)現(xiàn)和產(chǎn)品化挑戰(zhàn)很大。

因此，從目前整體狀況來看，相對傳統(tǒng)芯片公司，科技巨頭在軟件和系統(tǒng)生態(tài)上具有先天的優(yōu)勢的。

我之前分析過Google情況，有很多芯片廠商很難做的事情，在Google自己的生態(tài)里面相對容易（其實(shí)是和蘋果M1的情況類似）。還有一個例子是這篇文章里JAX這個研究性框架可以很好的發(fā)揮TPU的性能。未來我們應(yīng)該能看到更多由科技巨頭發(fā)起的發(fā)自系統(tǒng)需求的跨層次優(yōu)化。

回顧歷史，分而治之（分層優(yōu)化）是計算機(jī)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)幾十年快速發(fā)展的關(guān)鍵，未來實(shí)現(xiàn)徹底扁平或端到端的優(yōu)化是不太可能的（這個超越人類能力的問題可能得留給AI），但找到更合理的分層或分塊方式是完全有可能的。

比如，我們看到深度學(xué)習(xí)框架和編譯器領(lǐng)域就有很多嘗試，一方面打破傳統(tǒng)的圖和算子的層次進(jìn)行統(tǒng)一優(yōu)化是一個廣泛關(guān)注的路徑；另一方面，通過多層IR和編譯工具來更合理的實(shí)現(xiàn)“分而治之”也很有前景。

蘋果M1的例子再次給我們證明了現(xiàn)在確實(shí)是“架構(gòu)的黃金時代”，芯片，軟件，系統(tǒng)都還有很多優(yōu)化空間。重新思考非常必要，甚至“重新設(shè)計輪子”有可能是非常合理且有效的選擇。

最后說兩句“先進(jìn)封裝”的問題。“Chiplet”是今年的熱詞，歷史更久且更準(zhǔn)確的技術(shù)詞匯應(yīng)該是異構(gòu)集成（Heterogeneous Integration），有興趣的朋友可以看看HIR（Heterogeneous Integration Roadmap），有這個領(lǐng)域非常完整的分析和預(yù)測。

總的來說，這個技術(shù)趨勢是比較清晰明確的，而且第一階段的Chiplet形態(tài)（比如HBM）在技術(shù)上已經(jīng)比較成熟，除了成本比較高，在很多高端芯片上已經(jīng)使用。而且這個技術(shù)涉及的供應(yīng)鏈比較簡單，可以說是花錢就可以解決的問題。

當(dāng)然，這個方向還是有很多技術(shù)挑戰(zhàn)的，最終是要走向Monolithic 3D（如下圖）。

source:?ERI summit?2020

另外一個和異構(gòu)集成關(guān)系很大的是光互聯(lián)，這兩件事要是解決了，芯片和系統(tǒng)架構(gòu)可能發(fā)生產(chǎn)生根本性的變化。