许居衍院士：迎接可重构芯片新浪潮

日前，在纪念集成电路发明60周年学术会议上，中科院院士、中国电子科技集团公司第五十八所研究院许居衍院士做了题为《迎接可重构芯片浪潮》的讲座。许居衍院士分三部分，详解了应对摩尔定律不断失效的未来，应当将创新转向架构设计。

许居衍院士首先以2018年的图灵奖得主,体系结构宗师John Hennessy和David Patterson的论调“迎接体系结构新的黄金时代”为开场白。

“硅-冯诺依曼”范式犹在

许居衍院士表示，“硅-冯诺依曼”范式的本质就是用SI的二进制编码表征事物的特征及其演变过程与结果。

目前来看，尽管硅技术的发展相对减缓，但其他能够取代CPU和内存的产品还没有问世。正如FinFET发明人胡正明教授所判断的，半导体产业还能持续发展100年。

同时，被认为取代传统硅技术的量子计算还有很长一段路要走，包括要解决消相干和容错率等问题。同时，即使量子计算商用化，其计算及逻辑也不会取代经典计算机的(if/than/else）等逻辑方式。

摩尔定律不再重要

许居衍院士表示，从摩尔定律本身来看，摩尔定律是指数型增长，因此这种增长是遇见的东西60年以后的事情，指数增长不可能永远下去。许居衍院士以实际为例，现在看似摩尔定律让栅极缩小，但实际上现阶段下，缩小的节点并不是缩小半导体有源区的关键部分，所以无论是速度还是功耗，都没有按照摩尔定律的完全规格走下去。“正因此，所以没有人知道16/14nm的真正含义。”许居衍院士说道。

许居衍院士表示，摩尔定律歧化了，变成了人类欲望定律。GF 的Rutger Wijburg就曾经说过，More Moore不会带来任何成本改进，趋势不再是我们的朋友（The trend is not our friend）。

而从企业来看，纷纷推出摩尔定律赛场。据统计，目前>65nm制程节点，仍占晶元产量的43%，晶圆厂产能的48%，且占所有初始设计（design starts）的近85%。

从行业导引来看，ITRS（半导体技术路线图）已经不在更新，取而代之的是IRDS（International Roadmap for Devices and Systems 国际器件与系统路线图），这也标志着行业放弃单纯的追求摩尔定律，从而强调系统的重要性。



许居衍院士总结了ITRS和IRDS之间的区别

实际上早在2005年，众多公司都意识到了摩尔定律单纯的缩小特征尺寸是无法持续的，所以英特尔开发了多核技术，但是多核技术也面临着诸多问题，包括编程和电源管理等困难，使得晶体管无法满负荷运转，“100个晶体管只有9个满负荷工作，其他都在休息。”许居衍院士说道。

从历史规律来看，摩尔定律只是过客。未来学家、《奇点临近》作者 Ray Kurzweil曾表示：“集成电路的摩尔定律不是第一个，而是提供指数增长的计算范式的第五个范式，每当一种范式失去动力，另外一种范式就会加快步伐。”

从IC寿命看，1992年，许居衍院士在电子学会第五次学术年会上做特邀报告时，就提到了摩尔定律及半导体技术生命曲线，这和Mentor前CEO Walden Rhines提到的半导体S曲线相类似。所以当拐点出现后，美国开始加快投入在量子芯片，就是为了寻找未来新的硅替代技术。

创新转向架构

许居衍院士表示，现在正处在历史变革期，所以不要纠缠摩尔定律这个曲线，而是需要通过其他角度考虑创新，比如谷歌的TPU、英伟达的GPU等，利用架构创新实现性能突破。

报告引用《未来视野》创办人马尔科姆·佩恩关于“在半导体颠覆性、指数性、循环性三大创新模式中，当前只有循环性创新还在发生作用”的论述，回顾了半导体技术发展的循环规律，以及当前出现的、与循环规律密切的几个主要“先兆”，讨论了下一个十年半导体芯片架构创新将进入可重构浪潮的可能，并由此提出了关于迎接浪潮、加强开展可重构芯片研究与业化的建议。

许居衍院士表示，半导体创新可以分为三部分， 循环性创新（牧村浪潮：1987 年， 原日立公司总工程师牧村次夫（Tsugio Makimoto）提出半导体产品沿着“标准”与“定制”交替发展，每十年波动一次的思想，并于1991 年第一次发表在Electronics Weekly上，称之为“牧村浪潮”（Makimoto’s Wave）。）、指数型创新（摩尔定律）和颠覆性创新（后CMOS时代材料与结构创新、生物芯片、量子计算等）。

如图所示，上图为牧村浪潮，下图为许氏循环，时间点几乎都是一样的。未来，就需要依靠U-rSoC（可重构硬件），使半导体循环性创新得以继续。

许居衍院士以苹果为例，其通过定制SoC处理器，引领了定制化SoC的潮流。而对于U-rSoC来说，形成浪潮将是2018至2028年，标志性事件为DARPA的SDH（软件定义硬件）计划以及Xilinx的ACAP平台等，其特征是软件/硬件均可编程。

“半导体产业很尴尬，投入很多但是收益却很低，产业效率低，虽然每年以16%的营收增长增长，但大部分钱都被系统厂商赚走。”许居衍院士说道。

许居衍院士表示，现阶段可重构浪潮进入了新视野。国际上包括GSA、DARPA等一系列组织已开始重视可重构架构，国内同时开始发力。

许居衍院士以清华大学的Thinker可重构AI芯片和南大的RASP可重构芯片为例，这两个研究成果虽然不是使用最先进的工艺，但峰值性能和能效都非常高，其中清华Thinker获得2017国际低功耗电子与设计会议设计竞赛将，南大RASP与TMS320C6672多核DSP相比，性能提高了一个数量级。



许居衍院士表示，其基本架构仍然满足冯诺依曼结构，只不过由于硬件软件均可编程，因此具备更大的创新力。

“现实对于计算的需求远远超过摩尔定律，所以需要可重构架构来弥补，对于物联网尤其是工业物联网来说，需要更多的可伸缩架构，满足多协议、多接口、硬加密等五花八门的应用。未来十年，cSoC时代必将向rSoC时代过渡。”许居衍院士判断道。

“新型计算尚难实现，现行范式仍将长存，因此未来十年应该寄希望于可重构计算，可重构具有低功耗、高性能、安全性、灵活性、并行性、低成本等诸多优点，应该引起产业及学术界重视。”许居衍院士总结道。

对此，他也呼吁建立可重构产学研联盟体系，组织数以万人队伍，其中企业数以千人，并且应筹集百亿级资金进行支持，同时建立与产业相关可重构计算研究平台，并且加设新的可重构计算课程。