HOT CHIPS是高性能芯片大會(huì)，是每年芯片領(lǐng)域最盛大的峰會(huì)之一。與國(guó)際固態(tài)半導(dǎo)體會(huì)議ISSCC不同，HOT CHIPS更偏重于商業(yè)芯片而不是學(xué)術(shù)項(xiàng)目，因此每年都會(huì)看到全球的半導(dǎo)體行業(yè)巨頭展出最尖端的芯片。今年是第三十屆HOT CHIPS會(huì)議，本文將為大家?guī)頃?huì)議上的最新趨勢(shì)解讀。有趣的是，今年的芯片主題集中在高性能計(jì)算和IoT，恰好是芯片光譜的兩端。在高性能計(jì)算領(lǐng)域，我們看到異構(gòu)計(jì)算正在占據(jù)主流；在IoT領(lǐng)域，安全則成了關(guān)注點(diǎn)。

異構(gòu)計(jì)算：Xilinx、 Intel、AMD、Nvidia紛紛秀肌肉

在詳細(xì)介紹Xilinx、Intel、AMD、Nvidia等展出的芯片之前，我們先來梳理一下什么是異構(gòu)計(jì)算。事實(shí)上，“異構(gòu)計(jì)算”的反面是“通用計(jì)算”。通用計(jì)算是用一種通用芯片架構(gòu)處理絕大多數(shù)問題，而異構(gòu)計(jì)算則主張使用不同的芯片架構(gòu)處理不同的應(yīng)用。如果我們回顧半導(dǎo)體行業(yè)快速發(fā)展的這幾十年，尤其是上世紀(jì)九十年代到本世紀(jì)第一個(gè)十年，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這是通用計(jì)算發(fā)展的黃金時(shí)代——處理器芯片隨著半導(dǎo)體工藝的進(jìn)步而快速提升性能，因此普遍的看法是只要把處理器做好就行，如果這一代處理器沒法解決算力問題，等到半導(dǎo)體工藝進(jìn)步到了下一代就一定能解決。這種用一種處理器來解決所有問題的思路就是通用計(jì)算。

雖然通用計(jì)算在摩爾定律快速發(fā)展的時(shí)代獨(dú)占鰲頭，但是異構(gòu)計(jì)算其實(shí)并沒有走遠(yuǎn)。大家熟悉的智能手機(jī)SoC就是異構(gòu)計(jì)算的典型例子：在智能手機(jī)SoC中，我們除了ARM核處理常用計(jì)算以外，還有.H265解碼器處理視頻解碼，ISP執(zhí)行白平衡等攝像頭相關(guān)算法，DSP用來處理傳感器相關(guān)的計(jì)算等等。為什么手機(jī)SoC要用異構(gòu)計(jì)算而不是用一個(gè)處理器解決所有問題？關(guān)鍵的原因在于手機(jī)的電池有限，對(duì)于SoC能效比的要求很高，因此需要不同的應(yīng)用使用專用的模塊以提升能效比。

這里我們可以看到異構(gòu)計(jì)算的一個(gè)特點(diǎn)就是其能效比很高，因?yàn)閷Ｊ聦＾k，把處理任務(wù)交給專用模塊處理，效率當(dāng)然高；當(dāng)然異構(gòu)計(jì)算也是要付出代價(jià)的，因?yàn)槊恳粔K模塊單元都要占據(jù)芯片面積，這就提高了芯片的成本，同時(shí)很多模塊在大部分時(shí)間事實(shí)上是閑置的（比如如果你的手機(jī)從來不看視頻那么.H265加速模塊很有可能就是處于閑置狀態(tài)），這從某種意義上來說就造成了浪費(fèi)。

移動(dòng)SoC是異構(gòu)計(jì)算的典型例子

在摩爾定律快要遇到瓶頸的今天，異構(gòu)計(jì)算又回到了人們的視野中。異構(gòu)計(jì)算的能效比是重要的考量——之前按照摩爾定律發(fā)展，芯片的功耗密度每一代都會(huì)大幅提高，以至于按照這樣的趨勢(shì)有人預(yù)測(cè)高性能處理器芯片溫度將會(huì)在十年內(nèi)接近火箭噴射口的溫度。當(dāng)然隨著設(shè)計(jì)和工藝的優(yōu)化，處理器的溫度并沒有到這么夸張，但是處理器芯片能效比較差卻是個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，目前數(shù)據(jù)中心的維護(hù)成本中有30%以上是用于芯片散熱，因此使用能效比較好的異構(gòu)計(jì)算范式也就在情理之中。

事實(shí)上，異構(gòu)計(jì)算流行還有一個(gè)更重要的原因，就是人們發(fā)現(xiàn)處理器芯片性能從半導(dǎo)體工藝特征尺寸縮小中已經(jīng)難以獲得好處——根據(jù)高通透露的消息，從10nm工藝到7nm工藝，晶體管雖然集成密度可以提高，但是性能幾乎沒有改善！但是我們的芯片性能一定還是要隨著時(shí)間推移而進(jìn)化的，因此辦法就是不再走傳統(tǒng)的靠半導(dǎo)體工藝改善芯片性能的老路，而是把更多的精力放在優(yōu)化芯片設(shè)計(jì)上。異構(gòu)計(jì)算就是芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)優(yōu)化的一個(gè)典型思路，使用專用的模塊處理專門任務(wù)，其性能自然也能獲得提升。

異構(gòu)計(jì)算的呈現(xiàn)形式也是多種多樣的。一種方法當(dāng)然就是在一塊芯片上集成多個(gè)模塊成為片上系統(tǒng)SoC。之前我們看到SoC主要是在移動(dòng)領(lǐng)域，因?yàn)槿缜八鲆苿?dòng)市場(chǎng)是較早大規(guī)模采用異構(gòu)計(jì)算的領(lǐng)域；如今我們會(huì)看到越來越多的高性能計(jì)算芯片也開始使用SoC了。此外，另一種方式是使用高級(jí)封裝異質(zhì)集成技術(shù)把不同模塊集成到一個(gè)封裝（而不是同一塊芯片）上。

使用異質(zhì)集成技術(shù)對(duì)于異構(gòu)計(jì)算有獨(dú)特的好處，例如一個(gè)異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中的模擬信號(hào)處理部分可以使用成熟工藝降低成本同時(shí)也降低漏電流，另一方面數(shù)字計(jì)算部分則可以用高級(jí)制程提高計(jì)算速度，最后再用異質(zhì)集成技術(shù)把兩部分芯片封裝到一起，實(shí)現(xiàn)了性能和成本的同時(shí)最優(yōu)化。

回到HOT CHIPS，如前所述，異構(gòu)計(jì)算成了高性能芯片最大的熱點(diǎn)。異構(gòu)計(jì)算最積極的提倡者可謂是Xilinx。Xilinx在本次HOT CHIPS上有兩個(gè)演講，與異構(gòu)計(jì)算相關(guān)的主要是其最新的7nm芯片項(xiàng)目Everest 。

在Everest方面，這個(gè)Xilinx的重頭芯片不再是單純的FPGA，而是一款SoC。上面除了IO接口之外，用于處理任務(wù)的主要分為三部分：通用處理器，可編程引擎和可編程邏輯FPGA。通用處理器就是CPU，用于處理常規(guī)計(jì)算部分；可編程邏輯FPGA模塊則可以根據(jù)用戶需求配置成專用處理模塊，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的計(jì)算加速。事實(shí)上，通用處理器加FPGA的架構(gòu)Xilinx在之前的Zynq系列和MPSoC中已經(jīng)引入并獲得了業(yè)界的肯定。這次的新要素則是可編程引擎部分。這部分可編程引擎實(shí)際上是一組矢量處理器單元組成的處理器陣列，并且通過互聯(lián)連接到了一起，用于處理高算力應(yīng)用。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，Everest的通用處理器可以用于運(yùn)行操作系統(tǒng)，并擔(dān)任控制器的角色；在遇到需要高算力的常規(guī)算法（如經(jīng)典的圖像處理算法等）時(shí)，可編程引擎可以完成計(jì)算；在遇到其他特殊的計(jì)算（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，深度學(xué)習(xí)）需要定制化邏輯才能滿足需求時(shí)，可編程邏輯FPGA則可以完成處理。這樣的設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了異構(gòu)計(jì)算的精神。

半導(dǎo)體巨頭Intel也不甘落后，在GPU領(lǐng)域展示了其在半導(dǎo)體工藝領(lǐng)域的深厚積累，使用EMIB異質(zhì)集成技術(shù)在一塊封裝里集成了兩塊芯片，從而完成異構(gòu)計(jì)算。EMIB技術(shù)即Embedded Muitl-Die Interconnect Bridge （嵌入式多晶片互聯(lián)橋接）。最傳統(tǒng)的異質(zhì)集成技術(shù)在封裝的基底上走線來連接兩塊芯片，但是由于封裝的基底走線的密度有限，造成了芯片間互聯(lián)的總線寬度不能太寬，從而影響了系統(tǒng)的性能。另一個(gè)方法是TSMC等使用的2.5D方法（例如InFO），

首先在封裝的基底上先做一塊硅載片（silicon interposer），然后把芯片再固定在硅載片上，由于硅載片上的走線密度可以很高，因此異質(zhì)集成系統(tǒng)的性能得到了保障，其缺點(diǎn)是硅載片的成本較高。而Intel的EMIB則是更進(jìn)一步，不是做一大塊硅載片并把芯片放在上面，而只是在兩塊芯片互聯(lián)走線的地方把原來的基底部分換成能實(shí)現(xiàn)高密度走線的silicon bridge，從而大大降低了成本。

在這次Intel的GPU中，同一個(gè)封裝里就用EMIB技術(shù)封裝了兩塊圖像處理芯片，一塊高性能芯片用于計(jì)算能力需求強(qiáng)較高的場(chǎng)合（如游戲），另一塊能效比高用于在常規(guī)場(chǎng)景中應(yīng)用從而達(dá)到節(jié)能提升電池壽命的目的，這樣的設(shè)計(jì)也很好地體現(xiàn)了異構(gòu)計(jì)算的精神。

AMD和Nvidia則在演講中宣傳了自己的SoC。AMD的SoC是Accelerated Processing Unit（加速處理器，APU），在一塊芯片上集成了Zen CPU和Vega GPU，并且使用高速互聯(lián)Infinity Fabric實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)。Nvidia的SoC則是用于自動(dòng)駕駛的Xavier，這塊SoC上除了基于ARM架構(gòu)的RISC CPU和基于Volta架構(gòu)的GPU之外，還包括了用于立體視覺和光流處理的PVA模塊，用于深度學(xué)習(xí)推理加速的DLA模塊，用于攝像頭圖像處理的ISP以及視頻編解碼模塊。這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止是一塊GPU，而是一個(gè)典型的異構(gòu)計(jì)算芯片SoC了。

物聯(lián)網(wǎng)安全：硬件安全必不可少

除了超高性能計(jì)算芯片之外，另一個(gè)本次HOT CHIPS的熱點(diǎn)則是物聯(lián)網(wǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們生活中的絕大部分物體都會(huì)通過物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，一方面從網(wǎng)絡(luò)中獲取指令從而給社會(huì)帶來更大的自動(dòng)化，另一部分通過將收集到的數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)中心，則可以讓數(shù)據(jù)挖掘算法更好地分析大數(shù)據(jù)并且為用戶提供個(gè)性化的服務(wù)。

然而，從物聯(lián)網(wǎng)的兩大愿景中，我們同樣也可以看到物聯(lián)網(wǎng)安全的至關(guān)重要。一方面，物聯(lián)網(wǎng)會(huì)從遠(yuǎn)端收集指令，一旦被破解，那么黑客就可以遠(yuǎn)端操縱我們生活中幾乎每一個(gè)物件，其破壞力驚人；另一方面，如果物聯(lián)網(wǎng)傳遞的數(shù)據(jù)如果被黑客惡意攔截，那么無(wú)論是用戶隱私還是關(guān)鍵信息（如重要密碼等）被盜都會(huì)給用戶造成損失。物聯(lián)網(wǎng)安全問題已經(jīng)離我們并不遙遠(yuǎn)，之前MIRAI攻擊讓黑客得以能夠操縱大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)施DDOS攻擊，給我們敲響了警鐘。

本次HOT CHIPS上，微軟和谷歌都帶來了基于芯片的物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案。那么，芯片如何實(shí)現(xiàn)安全呢？我們不妨來分析一下物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的安全加密過程。舉例來說，我們認(rèn)為官方發(fā)布的應(yīng)用軟件是安全的，而來自不明渠道的應(yīng)用軟件可能是危險(xiǎn)的，那么如何區(qū)分來自官方的軟件和來自不明渠道的軟件呢？標(biāo)準(zhǔn)的做法就是數(shù)字簽名，官方的數(shù)字簽名可以保證其他人無(wú)法冒用，所以物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在安裝軟件的時(shí)候只要能驗(yàn)證軟件附帶的數(shù)字簽名是否是官方的即可。

然而，黑客還是有可乘之機(jī)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的數(shù)字簽名驗(yàn)證流程并非完美，如果數(shù)字簽名驗(yàn)證流程只是在軟件層面執(zhí)行，例如密鑰的存儲(chǔ)放在軟件層面，那么黑客還是有可能能夠侵入這個(gè)簽名驗(yàn)證流程，通過漏洞把存儲(chǔ)的密鑰或者驗(yàn)證代碼改成自己的版本，就能繞過數(shù)字簽名流程了。這里可以看到，物聯(lián)網(wǎng)的安全有一層層的依賴性，如同洋蔥一樣：軟件安全性依賴于數(shù)字簽名，而數(shù)字簽名的安全性又依賴于數(shù)字簽名驗(yàn)證流程。一旦最核心的安全層被入侵，那么物聯(lián)網(wǎng)的安全性就無(wú)從談起了，這個(gè)最核心的安全就是所謂的root of security。

現(xiàn)在看來，最安全的root of security是硬件芯片級(jí)安全方案，即把關(guān)鍵的安全驗(yàn)證代碼和密鑰在芯片設(shè)計(jì)的時(shí)候就固化在芯片里，那么黑客目前來看就沒有辦法可以侵入root of security了。

微軟和谷歌帶來的方案就是這樣。微軟的方案是Sphere MCU，是一款為智能物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備量身打造的MCU。在MCU中，除了處理器和存儲(chǔ)器之外，還包含了Pluton Engine。Pluton Engine本身包含了密鑰驗(yàn)證加速引擎，硬件隨機(jī)數(shù)生成器以及密鑰存儲(chǔ)等模塊，在實(shí)現(xiàn)安全root of trust的同時(shí)，也幫助整個(gè)系統(tǒng)加速了安全驗(yàn)證的計(jì)算流程。

谷歌則為我們帶來了Titan。與微軟在終端做MCU的安全不同，谷歌則是瞄準(zhǔn)了云端的安全。Titan目前的應(yīng)用場(chǎng)景在云端服務(wù)器，在服務(wù)器的啟動(dòng)、Firmware等做root of trust。谷歌的Titan是一塊單獨(dú)的芯片，其中也包含了MCU，從而為云端的安全保駕護(hù)航。這次的HOT CHIPS，谷歌除了Titan之外還有一個(gè)關(guān)于終端照片處理加速芯片Pixel Visual Core的演講，可見谷歌在芯片和硬件領(lǐng)域已經(jīng)有了大量的布局。