AI和軟硬件協(xié)同設(shè)計助力下 集成電路設(shè)計業(yè)也將迎來新機(jī)遇

近日在南京舉辦的中國集成電路設(shè)計業(yè) 2019 年會即 ICCAD 2019 上，新思科技中國董事長兼全球資深副總裁葛群做題為《致新致遠(yuǎn)，共思同行》的主題演講，以下為他的演講實錄：

今天我們是來到了南京，南京六朝古都，非常有歷史感的地方，所以開始我們談一下芯片的歷史。這是上世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時還是比較先進(jìn)的控制器，大概集成了 2000 個晶體管，過了 30 年以后，同樣的面積下，我們集成了 20 億個晶體管，增加了 38 萬倍，符合了我們摩爾定律的要求。真正讓芯片發(fā)生如此巨大變化的，有這些奇跡發(fā)生的背后，是我們一代又一代芯片人的努力，我今天演講開始，稍微簡單介紹一下我們回顧一下芯片人背后所做的事情，從一個例子，一個縮影。

陳博士，1985 年的時候，當(dāng)時在英特爾剛剛博士畢業(yè)，在英特爾接待了來自于中國航空部的部長，跟他介紹了當(dāng)時在英特爾，當(dāng)時最先進(jìn)的人工智能技術(shù)，就是語音識別。從那個時候起，我們陳博士開始對中國這個國家發(fā)生了濃厚的興趣，1985 年到 1995 年之間多次訪問和考察，最后 1995 年在中國成立了自己的中國公司。

但他最擔(dān)心中國的芯片產(chǎn)業(yè)，最缺人才，所以當(dāng)公司成立第二年，他就把全套的芯片設(shè)計軟件，當(dāng)時最是先進(jìn)的，捐獻(xiàn)給清華大學(xué)，希望和清華大學(xué)一起共同培養(yǎng)中國集成電路人才的發(fā)展。自從中國的 909 工程以后，中國的芯片產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展的軌道，拉開了整個快速發(fā)展的序幕。之后我們有大批國外企業(yè)家、先鋒者，當(dāng)時成立的華虹國際等，都為今天集成電路生產(chǎn)奠定了扎實的基礎(chǔ)。

后來小陳博士變成了陳博士，他在中國越干越覺得不過癮，他在 2012 年決定在美國本土之外，建立全球最大的研發(fā)中心，同時我們這個時期，我們中國的集成電路產(chǎn)業(yè)又進(jìn)入了更多元化的發(fā)展，我們公司企業(yè)產(chǎn)品越來越多樣化，同時一些企業(yè)的產(chǎn)品也在國際世界上嶄露頭角，甚至有一些產(chǎn)品能夠三分天下等等。

陳博士那個時候不斷在思考，我能夠為中國產(chǎn)業(yè)做一些什么呢？除了技術(shù)方面，有一件事情是和南京相關(guān)的，2017 年為了幫助更好的服務(wù)于中國的芯片企業(yè)，它在南京成立了區(qū)域總部，能夠用人民幣的方式服務(wù)于我們中國的企業(yè)，讓他們更容易獲得技術(shù)和獲得相關(guān)支持。中國中央人民政府為了表彰陳博士，頒發(fā)了“中國人民友誼獎”，感謝他過去二十幾年，為中國產(chǎn)業(yè)做出的服務(wù)。大家可以記得我們陳博士的標(biāo)志性微笑，他就開心想到中國集成電路產(chǎn)業(yè)的希望，同時他在構(gòu)思下一步他能為中國產(chǎn)業(yè)做一些什么，所以所以他在 2019 年和清華大學(xué)，再從事 20 年所說的事情，他們成立了中國清華和新思科技的聯(lián)合智能實驗室，進(jìn)一步推動人工智能和芯片在未來的高速發(fā)展。

陳博士就是新思科技的聯(lián)合 CEO，為什么講陳博士在中國 25 年的歷史和淵源呢？我們作為行業(yè)的后繼者，我們看到的是以陳博士為代表的中國芯片行業(yè)人的縮影，是他們在過去二十幾年、十幾年的堅持，才有今天中國集成電路產(chǎn)業(yè)的巨大發(fā)展。我們作為后繼者，希望能夠堅持他們的堅持，繼續(xù)推動中國集成電路繼續(xù)前進(jìn)，我們也希望能夠?qū)W習(xí)他們過去 25 年所得到的經(jīng)驗、教訓(xùn)，他們所面對機(jī)遇和挑戰(zhàn)的一些收獲，讓我們面對未來，更多的不確定性，更多的技術(shù)和挑戰(zhàn)。

在過去 25 年，我們最早工藝不斷推進(jìn)摩爾定律的演進(jìn)，從我們手工畫一個單元，到利用先進(jìn)的 EDA 工具做更好的設(shè)計，剛才臺積電的羅總提到未來軟硬件協(xié)同設(shè)計是芯片設(shè)計的重要趨勢，我們在芯片設(shè)計的同時，開發(fā)對應(yīng)的軟件和系統(tǒng)應(yīng)用，以及在未來我們結(jié)合 AI 和 EDA，云和 EDA 的發(fā)展使我們芯片設(shè)計自動化效率更高。

整個芯片發(fā)展，剛才提到是絕對離不開人才，微電子和芯片產(chǎn)業(yè)依靠不單單是微電子專業(yè)，也依靠于電動工程、計算機(jī)學(xué)、物理、材料等，希望這方面不同人才，共同努力，才能推動芯片產(chǎn)業(yè)不斷的往前走。事實上，我們?yōu)榱蓑?qū)動芯片的高速發(fā)展，2018 年工信部做了 IC 產(chǎn)業(yè)的人才調(diào)查，為了達(dá)到原來既定 2025 年芯片發(fā)展的目標(biāo)和要求，我們行業(yè)還缺乏 30-40 萬的缺口，所以我們歡迎更多人能夠投入到欣欣向榮的行業(yè)當(dāng)中。

我們得到的一些經(jīng)驗，是感謝這個行業(yè)的投資人，是他們具有非常遠(yuǎn)見的眼光，勇氣和堅定，華杉資本等，使我們產(chǎn)業(yè)過去幾年得到更多資金支持，讓他們快速支持。在 2014 年，中國大基金的注入，使這個行業(yè)的發(fā)展更有活力，也使得今年有一批芯片企業(yè)成功進(jìn)入到科創(chuàng)板和主板，這邊我們特別感謝以丁總為領(lǐng)導(dǎo)的國家大基金，當(dāng)然我們非常開心看到上個月國家大基金二期宣布了，我感覺未來我們集成電路產(chǎn)業(yè)是非常值得期待的。

芯片是剛才前面幾位專家和領(lǐng)導(dǎo)提到的，芯片是未來整個產(chǎn)業(yè)發(fā)展，尤其是工業(yè)發(fā)展的基石，我們作為芯片人一直以芯片為自豪，是他讓整個社會，工業(yè)化變成電子化、智能化，同時新興的應(yīng)用也帶來芯片更大的發(fā)展空間。

所以我們舉幾個例子，一個是整個云端的市場，芯片市場有 50 億美金，以及大家討論的物聯(lián)網(wǎng)市場帶來了 640 億美金的空間，這些都是在我們芯片企業(yè)，努力推動產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)然產(chǎn)業(yè)的形式就像剛才劉總提到，會遇到更多挑戰(zhàn)，無論應(yīng)用端還是工藝端。

我們舉兩個例子看，以 AI 來看。AI 的發(fā)展，我們知道數(shù)據(jù)越來越多，我們算法越來越復(fù)雜，要求芯片算力越來越大，我們將來一個 AI 芯片希望在不同場景下支持不同的算法，所以對于可重構(gòu)的 AI 芯片的呼聲越來越大，在智能汽車方面，現(xiàn)在一個高端的智能汽車所搭載的軟件代碼量已經(jīng)超過一億行，已經(jīng)超過了互聯(lián)網(wǎng)軟件甚至小型飛機(jī)。同時我們未來希望的自動駕駛汽車，他們所需要運算量已經(jīng)超過了每秒十萬億次的浮點預(yù)算，相當(dāng)于每天帶著四百臺 16 寸家用電腦，一起旅行。我想我們自動駕駛是更強(qiáng)算力的芯片。同時，提到了我們整個安全方面，曾經(jīng)對全球 16 家汽車廠商做過一個調(diào)查，關(guān)于如何防護(hù)黑客以及數(shù)據(jù)安全保護(hù)?；旧纤衅噺S商都沒有對此有非常好的應(yīng)對方法，所以我們在不斷推進(jìn)芯片高速發(fā)展的同時，我們希望研究更多的算法和架構(gòu)，讓汽車更安全，而不是變成非常不可信的出行工具，這是應(yīng)用端，對我們芯片提出更高的要求。

另一方面，我們看工藝對整個芯片提出更大的挑戰(zhàn)。先看我們邏輯工藝，根據(jù)摩爾定律我們不斷往下說，現(xiàn)在討論比較多是 5 納米，還有 3 納米，進(jìn)入 5 納米以后，設(shè)計者面對的挑戰(zhàn)越來越多，設(shè)計規(guī)則從 5 納米到 3 納米就有了一倍成長，我們設(shè)計師是面對指數(shù)級的挑戰(zhàn)，更多電子效應(yīng)，5 納米，他們擴(kuò)散器在不同 VT 之間不再是分開的，是連續(xù)在一起，不同 VT 之間有更多的漏電流，所以我們工具設(shè)計者如何布局布先，這也是更新的挑戰(zhàn)。同時，我們在追求更低成本，更密的情況下，如何達(dá)到功耗和性能提升，如何取舍，也是我們芯片設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)。我想這是更加具體的一些表示我們就不再贅述了。

我們除了平面工藝不斷擴(kuò)展，我們也慢慢從平面往數(shù)字方向走，看三維的 IC 或者三維更多整合，剛才羅總說三維分裝，在兩維上我們希望有更多的拓展，找到新的材料，或者是用像碳納米管，不斷延伸兩維的生命周期，繼續(xù)延續(xù)我們摩爾定律的有效性。

除了普通的邏輯工藝。我們更多像高鐵、電力傳輸以及目前的 5G，在這些領(lǐng)域，現(xiàn)在也在做比較多的研究，他們能在工藝電子以及高鐵上提高更多能，讓設(shè)計者更多發(fā)揮芯片對應(yīng)用帶來的性能。最近非常值得可喜的是中科院的沈陽研究所，剛剛發(fā)布了用硅和碳墨烯以及鉻形成的管，很或解決了未來微波、5G 以及 6G 的通訊。這些不同領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，我們科學(xué)家一直用孜孜不倦的精神突破界限。

我們剛才講了很多挑戰(zhàn)，那我們?nèi)绾蚊鎸@些挑戰(zhàn)呢？科學(xué)家腳步是不會停止的，接下來希望做一些拋磚引玉，分享一下我們怎么解決這些問題，讓芯片產(chǎn)業(yè)不斷往前走。

剛才提到整個工藝和設(shè)計的結(jié)合，過去看這是非常傳統(tǒng)的芯片研發(fā)周期，最早才倆選擇以及配方設(shè)定，到最后做出工藝器件交給設(shè)計者，他們做出單元庫等，整個周期從工藝最早研發(fā)開始，材料選擇開始，到最后芯片設(shè)計大概要五到八年的時間，到現(xiàn)在先進(jìn)工藝可能時間更長，我們?nèi)绾沃涝谧钤绲牟牧线x擇和配方選擇時候，對我最后的設(shè)計優(yōu)化能帶來多大的貢獻(xiàn)？比如我們設(shè)計是針對什么？低功耗？幾年以后才能知道，所以我們一直想要破解，在這方面做出貢獻(xiàn)。我們和先進(jìn)的生產(chǎn)商合作，更早建立更精確，更完整的模型，讓我們工藝設(shè)計師可以考慮到芯片設(shè)計所需要的要求，在早期做到融合設(shè)計，讓工藝能夠更早為我們設(shè)計做優(yōu)化，這個成果我們已經(jīng)應(yīng)用到和 IBM 的合作，利用這樣的技術(shù)極大縮短了整個工藝研發(fā)的周期，至少縮短了 12 個月。這當(dāng)中也是融合了很多不同學(xué)科，包括物理學(xué)、電子學(xué)等，值得我們更多的探索，同時應(yīng)用在其他的領(lǐng)域。

第二分享 EDA 方面。剛剛提到 5 納米以下，設(shè)計師和設(shè)計者面對的挑戰(zhàn)非常多，針對不同的挑戰(zhàn)，我們要使用不同的算法，這些算法是不是完全統(tǒng)一到同一個方向呢？不盡然。有的算法會降低功耗，要犧牲相關(guān)速率，有一些算法要跑得更快，如何雙讓算法互相兼容，走向共同的目標(biāo)呢？我們也希望找到一些方法，讓算法在更早期的時候融合，所以我們提出了一個“共同引擎”的概念，所有 EDA 從前到后我們使用同樣的引擎，同樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得我們 EDA 設(shè)計流程，從開始就能往同個方向優(yōu)化，重新利用工藝給設(shè)計者帶來最佳的效果。

剛才動畫沒有看到，其實一般的芯片設(shè)計，從前到后一定會經(jīng)歷兩個重大的不確定性，前端到后端，通過技術(shù)，我們可以極大降低不確定性，同時把設(shè)計周期大大縮短。我們看一些比較直觀的圖片，上面的圖是沒有采用 Fusion 技術(shù)之前，不同計算單元線非常長，非常密，要花更多功耗，也不一定跑得更快，采用 Fusion 以后，我們技術(shù)聯(lián)線都是在局部，它可以用更低的功耗，更小的成本，跑得更快，這是對整個芯片，讓我們工程師更好面對未來挑戰(zhàn)。

看一下具體數(shù)據(jù)。虛線是目前比較標(biāo)準(zhǔn)的行業(yè)水平利用了 Fusion Compiler 技術(shù)，無論技術(shù)和面積上都有非常大的提升，這是 Fusion 給我們的啟發(fā)，如何用融合的技術(shù)，用不同的引擎和設(shè)計結(jié)構(gòu)，讓我們的芯片設(shè)計變得更加容易，只有有這樣的好處，這樣的數(shù)字結(jié)構(gòu)之后，我們能夠讓 AI 融入，這是目前大家都希望這件事情幫助芯片設(shè)計變得更容易，更快。

剛才講的是如何面對工藝上的挑戰(zhàn)，另一方面我們?nèi)绾蚊鎸?yīng)用帶來的挑戰(zhàn)呢？剛才我們反復(fù)強(qiáng)調(diào)軟硬件結(jié)合，我們其中一個應(yīng)用領(lǐng)域是 AI，我們兩年前全球成立中國的 AI 加速器，這個 AI 加速器不單單是為我們研究更快的 AI 加速器，更重要的是我們希望能夠早期把 AI 算法和硬件做更早的優(yōu)化和深度的融合，我們也和 AI 的 MLPer 聯(lián)盟，推動人工智能性能測試標(biāo)準(zhǔn)制定，中國企業(yè)成功利用我們的技術(shù)，降低了 30%的預(yù)算時間。

這是我們把整個軟硬件協(xié)同設(shè)計的想法，應(yīng)該到了 AI 領(lǐng)域，下面這個領(lǐng)域是我們把整個軟硬件協(xié)同設(shè)計的方式，帶入了汽車電子，尤其是未來的智能汽車設(shè)計，未來智能汽車的駕艙是非常復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到人工駕駛、人工處理以及智能傳感等等。過往傳統(tǒng)的方法是把芯片設(shè)計，拿到芯片以后再做對應(yīng)的軟件和系統(tǒng)開發(fā)，這個周期大概至少三到五年時間，才有機(jī)會做一臺智能汽車出來?，F(xiàn)在我們采用早期的軟硬件協(xié)同方法學(xué)，我們重新定義了未來智能汽車研發(fā)流程，讓我們汽車設(shè)計者，能夠在芯片出來之前，基于虛擬芯片，進(jìn)行相關(guān)智能駕艙的設(shè)計，我們國內(nèi)第一大汽車供應(yīng)商已經(jīng)用這個方法迅速應(yīng)用到智能加艙，整個研發(fā)周期提高了 12 個月。

同時我們專家擔(dān)任學(xué)校校外教授、導(dǎo)師，幫助產(chǎn)業(yè)培育更多人才。新思從過去 25 年切換到新的篇章，我們老陳博士宣布的美國本土之外，建立最大的海外研發(fā)中心，這個研發(fā)中心終于花了幾年功夫建設(shè)完成，明年 1 月份正式啟用，這是 6 萬方的研發(fā)中心，成為美國本土之外，成立最大的海外研發(fā)中心，這個研發(fā)花了幾年的功夫建設(shè)完成。這個研發(fā)中心持續(xù)我們除了美國之外，最大的自己購并并行建設(shè)的研發(fā)中心，為中國產(chǎn)業(yè)做出更多貢獻(xiàn)。

我們也相信中國有足夠大的市場，有足夠聰明的人才和工程師，中國也勢必能做出自己的 EDA，我們新思愿意與開放的心態(tài)，和中國產(chǎn)業(yè)一起，為產(chǎn)業(yè)做出更多貢獻(xiàn)，我們也會堅持我們過去 25 年的堅持，和合作伙伴一起共建未來，合作未來。