為什么互聯(lián)網巨頭都開始布局自研芯片？

近幾年來，無論是國外的谷歌、Facebook，還是國內的百度、阿里巴巴，我們可以看到全球的大型互聯(lián)網公司都開始涉足芯片設計領域了，且這股趨勢看起來有蔓延之勢。究竟是什么原因推動了這種情況的產生？日前，國外媒體The next platform寫了一篇文章，闡述了這種現(xiàn)象產生的原因。

據我們粗略統(tǒng)計得知，云巨頭亞馬遜、阿里巴巴、百度、Facebook、谷歌和微軟都在設計自己的AI加速器芯片。究竟這是當下云行業(yè)的一種潮流還是短期現(xiàn)象？相信一千個人有一千個看法。但在我們看來，為特定任務設計定制芯片將成為云產業(yè)的主流，屆時處理器、網絡交換機、AI加速器等領域將會受到深刻的影響。大膽點的觀點認為，該領域內的大多數(shù)芯片市場將不能限免。

縱觀整個集成電路產業(yè)鏈，在一系列新的技術和經濟因素推動下，傳統(tǒng)的芯片設計和制造模式正在破壞，云巨頭涉足AI芯片設計只是大規(guī)模定制芯片影響當前集成電路供應鏈的冰山一角，更多的可能性正在發(fā)生。但造成這種現(xiàn)象的原因并不止一個，很多因素的同時發(fā)生導致了今日的結果：

1）摩爾定律的死亡；

2）基于多芯片模塊（MCM）和系統(tǒng)級封裝（SIP）的新架構方向；

3）芯片設計工具逐漸成熟為完整的開發(fā)工具鏈；

4）可授權IP使組裝芯片變得容易；

5）多項目晶圓（MPW）使得晶圓廠有能力實現(xiàn)原型制造和小批量生產客戶編寫的內部軟件框架；

6）網絡巨頭創(chuàng)造的規(guī)模，新興的物聯(lián)網巨頭的影響力也漸增；

摩爾定律的死亡

雖然晶圓廠有不同的觀點，但在很多人看來，摩爾定律實際上已經死了。經過了數(shù)十年的發(fā)展，現(xiàn)在的晶圓廠已經進入了一個瓶頸期，那就是如果繼續(xù)縮小晶體管的尺寸，晶體管將變得更不可靠，且功耗會劇增。且隨著晶體管的縮小，設計人員現(xiàn)在必須使用額外的晶體管來驗證邏輯塊是否能產生正確的結果。但是如果設計人員在芯片上封裝太多的邏輯，那么供電和散熱都會成為一項挑戰(zhàn)。正是這種困境讓芯片設計師進退兩難。

這就導致了以下結果：在追求高性能的前沿應用里，對晶體管數(shù)量的需求正在爆炸，但這種爆炸卻催生了更大，更熱的芯片，但邏輯的速度的提升，卻不會變得如想象中那么快。與此同時，較老的制造工藝（例如28納米）卻繼續(xù)在發(fā)生余熱，對于越來越多的應用來說，這甚至是最好的選擇。

在這種情況下，就使得現(xiàn)有的通用芯片不能滿足云服務商高性能和客制化的需求。

新的架構方向

面對上述困境，設計工程師想提高芯片性能，還有一個選擇，那就是放棄推動半導體技術前進，而是轉向追求新架構，達到性能提升的目的。這樣的話，他們就可以退回到前一代甚至兩代的工藝上進行硅片制造。這樣也能夠獲得更小，更冷，更實惠的芯片。從現(xiàn)狀看來，架構是硅設計的新“高地”，很多廠商早已投入其中以獲取領先競爭。

AMD則在其Epyc服務器產品線上采用了不同的方法。Epyc是基于AMD的八核Zeppelin die設計的。每個EPYC處理器中都封裝了四個由AMD proprietary 連接的四個Zeppelin die。

AMD創(chuàng)新的Epyc架構是不同架構和設計權衡的結果。與其他處理器設計相比，它使用了不同的互連、邏輯和存儲組合。這就使得EPYC的總晶體管數(shù)量和芯片面積與英特爾和Nvidia的產品處于相同的范圍，但制造成本卻要低得多。AMD暗示，在大芯片里，它們的架構還有可能在在單個封裝中繼續(xù)實現(xiàn)微縮。

不同廠商在架構上的嘗試，讓云服務供應商看到了新的可能。

芯片設計工具日趨成熟

所謂的可重復結構可以是高速緩存存儲器塊（cache memory block,），處理器核心（processor core），存儲控制器（memory controller）等部分，也就是那些你可以通過“復制”來增加總吞吐量的功能。這是擴展內存容量和處理器內核增加容量和性能的方式。

可以肯定的是，在未來，聘用足夠多的設計人才去設計獨特的、擁有高價值邏輯的十億級晶體管變得幾乎不可能。而可重復的結構和并行架構推動了市場需求，并能將數(shù)十億個晶體管放在芯片上。

可授權和開源的IP模塊

要獲得通用或專用的可重復結構IP，有許多來源，上面提到的EDA公司是一個選擇，下面介紹的公司，又是另一個選擇。

Arm是數(shù)據中心可授權IP的可靠來源；

Wave Computing最近購買了MIPS，這對兩者都是好兆頭，因為人工智能（AI）IP在未來兩年乃至十年，會成為市場關注的熱點；

RISC-V旨在通過開源處理器內核使計算密集型可重復結構變得大眾化。這個相對新興的架構吸引了阿里巴巴，Cadence，谷歌，GlobalFoundries，華為，IBM，Mellanox，Mentor，高通和三星等知名廠商成為他們的會員。

如果你所統(tǒng)治的市場影足夠大，那么在超現(xiàn)代處理器核心方面，你會有更多的選擇，屆時：

AMD可能會授權其Epyc服務器架構。

Arm和Qualcomm可能會授權服務器級別的Arm 64位內核。

IBM可能會授權其Power9服務器架構。

另外，在互聯(lián)方向，雖然AMD憑借其Epyc MCM領先市場，但其他公司也在投資互連IP，這也讓你有了更多的選擇：

1）英特爾一直致力于其專有的嵌入式多芯片互連橋接（EMIB）點對點片上互連技術的開發(fā)，他們還計劃將EMIB的子集作為高級接口總線（AIB）進行許可。

2）Arm也擁有各種互連設計，但對于高端基礎設施市場，Arm授權其專有的CoreLink CNN（Cache Coherent Network）產品產品。熟悉設計的人都知道，Arm的CCN設計針對其較大的Arm 64位Cortex處理器進行了優(yōu)化。

3）SiFive的TileLink是應用在RISC-V處理器內核上的片上互連。TileLink看起來就像是AMD的Infinity Fabric協(xié)議，而不是Intel的EMIB / AIB點對點互連。

4）USR聯(lián)盟正在向其會員推進和認證其超短距（USR）系統(tǒng)級芯片（SoC）的互連技術

Fab變得更親民

過去，芯片設計和制造是不可分割的，如果有任何一方對另一方不熟悉的話，合作就無法進行。但隨著行業(yè)的成熟，某些設計可以與工廠分開進行，只需要大量的專業(yè)知識去“轉移”。過去，有競爭力的處理器公司需要擁有自己的晶圓廠來推動更出色的性能。但去年AMD的表現(xiàn)證明，設計和工廠分離也可以實現(xiàn)出色的性能。

僅存的的挑戰(zhàn)是降低小型設計公司的制造驗證設計的價格。多項目晶圓（MPW）制造能力現(xiàn)已在全球范圍內提供。MPW在普通晶圓上“放置”了許多不同的設計，因此原型和小批量生產就不必承擔生產晶圓的全部成本?，F(xiàn)在開發(fā)者可以從最大的晶圓廠（如GlobalFoundries，三星和臺積電）以及小型和特殊工藝的專業(yè)晶圓廠（如KAST的WaferCatalyst，IMEC / Fraunhofer，Leti / CMP，MOSIS，Muse Semiconductor）獲得MPW服務和價格。

MPW使小型設計公司和學術研究的開發(fā)項目能從晶圓廠獲得更好的支持。大的設計客戶則可以通過過往的渠道來訂購大批量晶圓。

軟件框架使硬件加速器成為可能

開源操作環(huán)境和應用程序代碼使Web巨頭能夠共同設計和優(yōu)化數(shù)據中心基礎架構。隨著芯片設計和制造進一步商品化，這些公司會發(fā)現(xiàn)，去體驗和部署包括AI加速器在內的新處理器指令集變得越來越簡單。

事實上，人工智能芯片的部署已經在進行中。大多數(shù)網絡巨頭都擁有內部的深度學習模型開發(fā)環(huán)境，甚至有些還開放給其他開發(fā)者訪問。重要的一點是，他們當中的大多數(shù)正在進行AI芯片設計：

1）AWS已投資Apache MXNet和由亞馬遜開發(fā)的用于消費設備的AI芯片；

2）百度創(chuàng)建了PaddlePaddle和昆侖芯片；

3）谷歌創(chuàng)造了TensorFlow和幾代TPU芯片

4）微軟創(chuàng)建了Cognitive Toolkit及其FPGA驅動的Brainwave附加卡；

5）騰訊創(chuàng)建了DI-X平臺（具有專有模型和算法）和ncnn（面向移動），并與芯片廠聯(lián)發(fā)科建立了合作關系；

6）阿里巴巴尚未加入軟件框架競賽，但他們已發(fā)表了許多關于深度學習架構和算法的原創(chuàng)研究論文，并正在開發(fā)一個神經處理單元（NPU）；

在另一些云供應商中，IBM擁有Cognitive Computing和Watson服務，并與許多AI加速器公司在OpenPower方面進行合作。在社交媒體領域，F(xiàn)acebook推動了Caffe和Caffe2的發(fā)展。

然后有幾十家初創(chuàng)公司推出了AI加速器芯片，而Wave Computing在購買MIPS之后，則處于領先的地位。

另外，可以確認的是，很多網絡巨頭也在投資量子計算，因為他們把它當做神經網絡的潛在通配卡加速器，這也不是巧合。

規(guī)模效應的推動

一旦網絡巨頭在其遍布其全球數(shù)據中心基礎架構中部署大規(guī)模的定制芯片，這意味著它會買入數(shù)十十萬乃至百萬計的芯片。如果每個芯片能提高幾瓦的效率，那么整體效率提高則可以很容易就達到數(shù)十兆瓦。與此同時，還能解決盈利的新問題，還可以擁有更快的速度和更高的精度。

此外，網絡巨頭們往往有晶圓廠的關系，這就有利于其建立消費設備的定制芯片，如Google Home和Amazon Dot。如果這些廠商能夠有包括AI加速器在內的多款芯片在晶圓廠生產的時候，龐大的數(shù)量將會帶來很大的經濟規(guī)模效應。

新趨勢帶來的可能影響

我們還沒有看到這些融合趨勢帶來的真正影響。和目前AI加速器的嘗試一樣。這也僅僅只是一個開始。

一個對軟件操作環(huán)境和深度學習建模語言有控制權的網絡巨頭也將進入芯片設計領域是一件很容易的事，且是一個很不錯的選擇。因為他們很容易就能獲得最好的EDA工具、開源和可授權的IP模塊，然后就可以構建原型芯片，將其布置到全國各地的服務器上。

具體來說，網絡巨頭進入芯片領域，不但可以定制其整數(shù)和浮點的處理器內核，還可以基于這些定制的處理器內核、定制AI加速器、定制的I / O和內存控制器等部件打造SoC。他還可以在其專有的芯片里面優(yōu)化其軟件性能，這在通用的大規(guī)模芯片上是很難做到的。

未來，網絡巨頭可能會設計完全不同的芯片。屆時那些專門面向標準化操作環(huán)境和標準指令集設計的病毒將不會在這些芯片上執(zhí)行。黑客需要更好的手段才能訪問網絡巨頭的系統(tǒng)，尤其是這些系統(tǒng)還可能會定期更改的時候。

到時的數(shù)據中心，將會是一個截然不同的數(shù)據中心。

到時的芯片世界，也將會是一個不同的芯片世界。