隨著傳統(tǒng)市場走向下坡路和摩爾定律的逐漸失效,半導(dǎo)體行業(yè)正在不斷革新,力求了解人工智能、自動駕駛汽車、物聯(lián)網(wǎng)等新市場的需求。
而其中最奇特的也許當(dāng)屬人工智能,因?yàn)樗挠?jì)算范式與傳統(tǒng)的“處理器-內(nèi)存”方法有著明顯差異。在近期于舊金山舉辦的國際電子器件大會上,法國研究員Damien Querlioz在談及“神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的新型器件技術(shù)”時說道,“長期以來,模式識別和認(rèn)知任務(wù)都是計(jì)算機(jī)的弱點(diǎn),比如識別和解讀圖像、理解口語、自動翻譯等?!?/p>
大約從2012年起,訓(xùn)練和推理階段的人工智能技術(shù)開始加速發(fā)展,但當(dāng)使用傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)時,功耗仍是一個巨大挑戰(zhàn)。
Querlioz是法國國家實(shí)驗(yàn)室CNRS的一名研究員,他舉了一個活生生的例子:2016年Google的AlphaGo與圍棋世界冠軍李世石之間的著名圍棋大戰(zhàn)。李世石的大腦在比賽中消耗了大約20瓦,而AlphaGo估計(jì)需要超過250,000瓦才能使其CPU和GPU保持運(yùn)轉(zhuǎn)。
雖然從那以后Google和其他公司均在功耗方面做出了改進(jìn),但越來越多的工作開始側(cè)重于為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)耗電更少的新器件。
Ted Letavic是格芯的高級戰(zhàn)略營銷人員,他表示,回想人工智能的各個階段,從改進(jìn)傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù),到設(shè)計(jì)耗電更少的全新器件和架構(gòu),在整個過程中,先進(jìn)高效的封裝將發(fā)揮關(guān)鍵作用。
Letavic稱,“人工智能時代正在逐步到來,我們可以利用現(xiàn)有的技術(shù),再加上衍生技術(shù),通過DTCO(設(shè)計(jì)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化)進(jìn)行全面優(yōu)化,一直深入到位單元設(shè)計(jì)層面?!?/p>
格芯的技術(shù)人員正在努力降低14/12 nm FinFET平臺的功耗并提升其性能,所采用的辦法包括雙功函數(shù)SRAM、更快且功耗更低的累加運(yùn)算(MAC)元件、對SRAM的更高帶寬訪問等?;贔D-SOI的FDX處理器的功耗也將降低,尤其是在部署背柵偏置技術(shù)時。Letavic表示,設(shè)計(jì)師掌握了這些技術(shù)后,客戶便可以“重新設(shè)計(jì)功耗包絡(luò)更低的人工智能固有元件,甚至達(dá)到7 nm?!?/p>
除了這些DTCO改進(jìn)以外,全球各地也在開展其他研發(fā)工作,希望實(shí)現(xiàn)基于相變存儲器(PCM)、阻性RAM (ReRAM)、自選扭矩轉(zhuǎn)換磁性RAM (STT-MRAM)和FeFET的嵌入式內(nèi)存與內(nèi)存中計(jì)算解決方案。
Querlioz在IEDM專題會議上提到,在IBM Almaden研究中心,由Jeff Welser領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)的基于PCM的芯片已取得顯著進(jìn)展,而基于STT-MRAM和ReRAM的人工智能處理器也前景光明。Querlioz表示,“現(xiàn)在,我們極有可能成功為認(rèn)知類型的任務(wù)和模式識別重新發(fā)明電子器件?!?/p>
Letavic稱,降低功耗的道路還很長,對于推理處理而言尤其如此,而這正促使眾多初創(chuàng)公司開發(fā)新的人工智能解決方案,格芯也與其中部分公司及長期合作伙伴AMD和IBM保持著密切合作關(guān)系。
Letavic認(rèn)為,憑借對馮諾依曼計(jì)算模式的DTCO改進(jìn),我們只能發(fā)展到這一步。除了分類邏輯和內(nèi)存,下一步是發(fā)展內(nèi)存中計(jì)算和基于模擬的計(jì)算。此外,為計(jì)算行業(yè)服務(wù)了35年的指令集架構(gòu)(ISA)將需要被新的軟件堆棧和算法取代。他說道:“對于特定領(lǐng)域的計(jì)算,必須重新發(fā)明軟件。IBM對軟件堆棧有著深刻的見解?!?/p>
“各方都必須一同轉(zhuǎn)向人工智能。格芯將與主要客戶緊密合作,我們不能將算法與技術(shù)分開,”Letavic在談及該系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化(STCO)方面的緊密合作時說道,“隨著我們邁入計(jì)算發(fā)展的第四個時代,STCO將是DTCO的自然延伸。我們將朝著特定領(lǐng)域的計(jì)算發(fā)展,共同迎接這一轉(zhuǎn)變?!?/p>