推动异构计算发展的三点建议

2021年是“十四五”的起步之年，要开好局谋好篇，加快发展现代产业体系，推动经济体系优化升级。发展大数据、人工智能（AI）、5G、工业互联网等战略性新兴产业，是推进产业基础高级化、产业链现代化的重要一环。

集成电路是信息化发展的基础，在人工智能、5G开启的万物互联时代，数据的量和质都发生了很大的变化，计算架构也需要作出相应的调整。异构计算是继单核突破、多核堆叠之后的第三次算力提升方向，能更灵活地协调性能、成本和功耗，满足多样化场景的计算需求，正在成为智能时代的主流芯片架构。

为国内集成电路发展提供良好契机

大数据、人工智能、5G等场景的海量计算需求和算法迭代，让数据量呈现爆发式增长，也让数据类型趋向多元。在这种趋势下，以CPU为代表的通用计算显得越来越吃力，面向多变应用场景的异构计算正在逐渐成为主流的芯片架构。

同时，集成电路作为具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目之一，是“十四五”期间推动创新驱动和科技自立的重要组成。而异构计算，正在为中国集成电路产业提供良好的发展机遇。

从算力提升的技术路线来看，异构计算在AI和5G时代有着充足的发挥空间，将助力突破传统处理器芯片的算力瓶颈。如果说PC时代的计算生态被英特尔与微软的“Wintel”联盟主宰，移动互联网时代被ARM+Android主导，而AI与5G时代则开启了全新的生态或者多生态并存的局面。异构计算能灵活协调性能和功耗，为万物互联的碎片化场景提供性价比最优的计算方案，发展潜力可期。

其次，从异构计算本身来看，还没有一个国际企业能够提供全套完整的知识产权（IP）核。当市场没有被垄断，技术、创新和应用成为决定性因素的时候，中国企业就有了打破天花板的可能。目前，中国相关企业做了大量基础性研究工作。如果能抓住这一难得的历史机遇，从异构计算的IP领域切入，完全有可能深度影响甚至推动全球异构计算产业的发展。

对异构计算发展的三点建议

发展异构计算要解决的核心问题是掌握异构计算单元以及让不同计算单元有机结合的设计。对中国企业来说，核心问题是能否基于自主IP推动异构芯片设计的原始创新。现在，大多数异构计算芯片使用的是基于不同架构的IP，每个架构都需要一支独立的大型设计团队，去完成包括IP设计和验证、工具链开发和软件生态建立等工作。这种“拉郎配”式的传统异构设计方式需要极为复杂的异构编程开发环境，是异构计算推广的主要障碍。

建议一：从底层IP开始做原始创新。异构计算的实现需要从异构芯片的底层IP开始做芯片设计领域的原始创新。IP相当于建筑物的地基，打好地基才有可能建设高楼大厦。

如果企业延续传统思路，独立开发CPU、DSP、GPU和AI等基础计算IP，会不可避免地重走传统行业巨头的路。一方面，会遭遇“拉郎配”问题;另一方面，行业巨头在核心IP上有相当严苛的专利保护，新开发的IP会受到行业巨头的专利限制。企业需要采用全新的理念来设计核心IP，建立全新的框架，在这个全新框架下设计和实现不同的IP，让IP不再是相互独立的单元，而是一个结构内可以有机共存的组合体。

建议二：软硬件“两条腿走路”。发展异构计算，要跳出比拼硬件性能的思维，用软硬件“两条腿走路”，为异构硬件提供统一的异构编程环境。

传统异构编程计算任务要在多个供应商提供的不同计算单元上运行，需要熟悉不同计算单元之间数据流的调度、交换和决策机制，这些对于异构计算系统开发者来说，都是门槛很高的难题。一个统一的编程环境可以大幅简化编程复杂度、大幅降低工作量并提升程序运行效率。

建议三：从三个维度形成市场竞争力。异构计算的竞争维度有三个，即生态、计算能力和计算效率，以及可配置性。其中生态决定了产业的吸引力和发展前景，谁掌握了生态谁就有发展的主动权，可以主导产业的发展方向，同时获取丰厚的商业利益。

计算能力和计算效率直接影响产品的竞争力。AI、5G等应用对算力和效率需求的增加速度超过底层软硬件系统的发展速度，算力和效率已成为决定产品市场前景的主要指标。

应用的多样性在不断增加和变化，不可能为每一类应用定制硬件和软件，底层的硬件必须具有较强的可配置性，用一个设计满足多类应用的需求和同一类应用不断变化的需求。

新一代信息基础设施建设为异构计算处理器开拓广阔的应用空间，国内企业需要从IP层面的原始创新出发，抓住整个集成电路产业链的上游节点。没有自主创新的国产IP链条，中国的IC设计难以改变被国外IP公司“卡脖子”的局面。不重视芯片的设计创新、架构创新，中国的IC设计很可能是大而不强。同时，各地也不宜一哄而上，需要集中力量，重点突破，着重支持2~3家自主知识产权的指令集、微架构与工具链厂商，避免资源浪费和恶性竞争，营造良好的产业发展环境。
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