“摩爾定律不可能永遠(yuǎn)適用，芯片性能升級(jí)遇到了世界性瓶頸，這剛好是我們追趕的最佳機(jī)遇?！蓖鯑|琳說。

目前，5G正處于標(biāo)準(zhǔn)確定的關(guān)鍵階段，今年6月，國際標(biāo)準(zhǔn)組織3GPP即將完成5G第一版本國際標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)政策利好也不間斷，4月24日，發(fā)改委、財(cái)政部發(fā)布通知，將降低5G公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)頻率占用費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)……

5G技術(shù)不僅能支持包括汽車在內(nèi)的各類機(jī)器人順暢地互聯(lián)互通，也將是智能手機(jī)、智能家居、人工智能、大數(shù)據(jù)及云計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)“質(zhì)”的升級(jí)的基礎(chǔ)技術(shù)。

面對這股迎面而來的5G浪潮，中國的芯片行業(yè)準(zhǔn)備好了嗎？雖然道阻且長，但以華為海思為代表的中國智造依然讓人期待。目前在基帶領(lǐng)域，華為海思是唯一可與高通相比的中國公司，這是華為30多年來各種要素積累的結(jié)果，也非一蹴而就。

而在創(chuàng)業(yè)公司層面，也有一家公司顯得尤為特別：脫胎于中科院自動(dòng)化研究所、原國家專用集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心（1992年組建）的思朗科技，由該中心原主任、原中科院自動(dòng)化所所長王東琳博士帶隊(duì)，已經(jīng)研制出高性能領(lǐng)域微處理器MaPU, MaPU首次實(shí)現(xiàn)了代數(shù)算法級(jí)全局優(yōu)化且高度可編程，已于2015年流片成功。

MaPU不僅完全可以實(shí)現(xiàn)國際巨頭的可編程處理器的性能，而且功耗比可媲美ASIC?；贛aPU，思朗科技進(jìn)一步研制出了三大領(lǐng)域處理器：面向5G通信領(lǐng)域的UCP、面向多媒體領(lǐng)域的UMP，以及面向超算領(lǐng)域的HPP。同時(shí)，還配備了AI領(lǐng)域處理器：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎NNE。

近日，在中科院自動(dòng)化所，投資界采訪到了思朗科技創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家王東琳。王東琳在國際上最早提出代數(shù)算法級(jí)“全局優(yōu)化計(jì)算”架構(gòu)，基于此架構(gòu)設(shè)計(jì)的MaPU在計(jì)算能力和性能功耗比方面具有國際領(lǐng)先水平。

思朗科技創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家王東琳

高性能領(lǐng)域微處理器MaPU

王東琳介紹，MaPU最大的特點(diǎn)是計(jì)算能力強(qiáng)，功耗低。

當(dāng)前，市面常用的處理器有幾類，一類是可編程的處理器，比如英特爾、TI的處理器，因?yàn)榭删幊蹋m應(yīng)性非常廣。但是當(dāng)執(zhí)行一個(gè)數(shù)學(xué)算法的時(shí)候，它的運(yùn)算器的利用率一般在15%左右，高的能到20%。TI的處理器，運(yùn)算器利用率最高也僅可以到40-50%。就是說這些處理器空有那么高的頻率，空有這么多資源，但它的執(zhí)行效率不高。

還有一種是不用編程的ASIC方案，它用硬件把算法流程和對算法的控制都已經(jīng)寫好了。這種實(shí)際上就是算法的加速器，因此執(zhí)行效率會(huì)非常高，幾乎可以接近100%。

很明顯，可編程處理器和ASIC之間在功耗上有著巨大的差別。ASIC的問題是，效率高，但是算法不可變，算法只要變化一點(diǎn)，這個(gè)芯片就不能用了。

而MaPU既可以做到接近ASIC的效率（計(jì)算資源利用率可以達(dá)到90%以上），同時(shí)也高度可編程，兼具兩者的優(yōu)勢。

以超算芯片為例，MaPU的性能功耗比全球第一

在王東琳看來，當(dāng)前主流可編程處理器的核心問題在于它是傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，指令層次低并試圖在運(yùn)行時(shí)刻通過亂序多發(fā)射等技術(shù)盡可能實(shí)現(xiàn)局部并行執(zhí)行。這造成了芯片中計(jì)算資源利用率不高，數(shù)據(jù)IO量大，動(dòng)態(tài)功耗大，整體性能功耗比不高，已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)對微處理器巨大計(jì)算能力以及極低功耗的雙重渴求。如果能從應(yīng)用算法整體來考量時(shí)間及空間等不同維度并行特性，并利用這些并行特性來進(jìn)行整體性優(yōu)化整理，其內(nèi)核中的運(yùn)算器的使用率將獲得大幅提高。于是王東琳和他的團(tuán)隊(duì)經(jīng)過精密的測算和試驗(yàn)，提出代數(shù)算法級(jí)全局優(yōu)化的解決方案。

“一條指令，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)代數(shù)算法，所以叫做代數(shù)指令。傳統(tǒng)架構(gòu)的指令集都是算術(shù)運(yùn)算級(jí)的指令?！蓖鯑|琳介紹說，MaPU將其升級(jí)為代數(shù)級(jí)算法指令，“MaPU通過代數(shù)指令軟流水線來零延時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)（與算法相適應(yīng)的）硬件架構(gòu)，達(dá)到與ASIC基本相同的算法架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)算法的全局優(yōu)化執(zhí)行過程?！?/p>

簡而言之，MaPU既能支持應(yīng)用算法級(jí)全局優(yōu)化，又能通過高度可重構(gòu)的計(jì)算架構(gòu)與存儲(chǔ)體系在軟件層面實(shí)現(xiàn)的這點(diǎn)，可靈活適應(yīng)領(lǐng)域（5G通信、多媒體、超算或人工智能）內(nèi)各種算法，可以說MaPU集合了ASIC、FPGA、CPU的優(yōu)勢，是幾乎可以與ASIC的性能功耗比相媲美的“軟ASIC?！?/p>

“MaPU-代數(shù)運(yùn)算微處理器，在并行代數(shù)運(yùn)算、并行存儲(chǔ)體系指令系統(tǒng)和硬件架構(gòu)方面產(chǎn)生重大原始性創(chuàng)新，將微處理器硬件支撐從標(biāo)量/超標(biāo)量運(yùn)算提升至代數(shù)運(yùn)算層次，數(shù)量級(jí)地提升計(jì)算密集型領(lǐng)域微處理器能效比?！蓖鯑|琳如此總結(jié)。

那么，具體的性能以及功耗比指標(biāo)如何，王東琳給出了一組直觀的對比數(shù)據(jù)：

以極光H1.0超算芯片為例，芯片內(nèi)部集成32個(gè)HPP處理核，雙精度浮點(diǎn)處理能力將達(dá)到4,659GFLOPS@64，經(jīng)評估功耗僅為40W左右，性能功耗比達(dá)到 116GFLOPs@64/W，為全球第一。

因此，MaPU應(yīng)用量產(chǎn)之后，它獨(dú)創(chuàng)的架構(gòu)優(yōu)勢將有望使我國在微處理器架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)重大突破，在同等能耗比下釋放巨大計(jì)算能力，引領(lǐng)中國電子行業(yè)的自主創(chuàng)新發(fā)展。

對此，中科院院長白春禮在今年3月曾在媒體表示：“在高科技產(chǎn)品研發(fā)方面，中科院即將發(fā)布一款具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的微處理器——MaPU代數(shù)處理器，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。相信MaPU系列處理器問世以后，將在世界計(jì)算機(jī)、通信等領(lǐng)域以及廣大消費(fèi)電子市場產(chǎn)品中大放異彩。”

“MaPU的三個(gè)孩子”

在MaPU的基礎(chǔ)上，思朗科技進(jìn)一步研制出了三款性能強(qiáng)大的領(lǐng)域處理器：5G通信領(lǐng)域處理器UCP、多媒體領(lǐng)域處理器UMP，以及超算領(lǐng)域處理器HPP。

UCP：全球首次徹底實(shí)現(xiàn)軟件定義無線電。

UCP是MaPU針對移動(dòng)通信增強(qiáng)的通用通信處理器是5G宏基站基站處理器的芯片內(nèi)核，UCP內(nèi)核每秒可以完成5.8G定點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT，每秒可以完成55GBPS的LDPC編碼以及2.5GBPS譯碼。根據(jù)初步測算，一顆含有二十個(gè)UCP內(nèi)核的基帶處理器就可以滿足64天線5G宏基站全部基帶處理需求。

“如果使用FPGS搭建5G系統(tǒng)，則需要多片互聯(lián)才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)解決方案，而基于FPGA的電路系統(tǒng)主頻一般<400-600MHz，片間互聯(lián)總線帶寬受限，運(yùn)算能力受限，這將成為實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)的瓶頸?！蓖鯑|琳說。

目前UCP內(nèi)核是國際領(lǐng)先的在可接受代價(jià)下實(shí)現(xiàn)全軟件定義5G無線傳輸基帶處理系統(tǒng)的處理器內(nèi)核，王東琳將UCP定義為“移動(dòng)通信領(lǐng)域徹底實(shí)現(xiàn)基帶處理的軟件定義無線電。”

除了基站設(shè)備制造商以外，UCP內(nèi)核還可以提供給5G終端制造商。由于5G標(biāo)準(zhǔn)的原因，所有終端都要重新嵌入適應(yīng)5G算法的基帶內(nèi)核（原有的基帶內(nèi)核或者DSP內(nèi)核無法應(yīng)對5G下行接收和上行發(fā)送時(shí)的大運(yùn)算量），這也是UCP內(nèi)核的機(jī)會(huì)。多合一無線通信設(shè)備、各領(lǐng)域?qū)拵ё越M網(wǎng)終端也都是UCP通過全軟件定義無線電技術(shù)施展能力的空間。

UMP：依靠它智能手機(jī)、智能電視都可在線升級(jí)視聽體驗(yàn)，并可為高清攝影、攝像等應(yīng)用提供超級(jí)引擎。

UMP是MaPU的第二個(gè)“孩子”，面向智能手機(jī)、智能電視的多媒體微處理器內(nèi)核。

UMP在MaPU基本架構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)明了更高效的并行處理架構(gòu)，使得各類視頻處理運(yùn)算的性能功耗比與ASIC相媲美，某些方面甚至勝出，同時(shí)還保持了高度可編程特性。

“這種特點(diǎn)可以使家用電視隨著電視廠家視音頻處理算法演進(jìn)在線改善視音頻體驗(yàn)效果，這是ASIC電視芯片無法比擬的?！蓖鯑|琳表示，“同時(shí)也可以通過算法和軟件改進(jìn)快速推出新產(chǎn)品?！?/p>

4個(gè)UMP內(nèi)核+1個(gè)ARM內(nèi)核構(gòu)成的超高清電視引擎芯片（功耗不超過8 瓦）可以滿足4K超高清電視的所有視音頻處理以及基于安卓系統(tǒng)電視管理的全部需求，視聽效果可以媲美索尼與三星最高端電視。14個(gè)UMP內(nèi)核+1個(gè)ARM內(nèi)核構(gòu)成的超級(jí)電視引擎芯片可以滿足8K超高清電視所有處理與計(jì)算需求。

加上思朗研發(fā)的AI領(lǐng)域深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎NNE內(nèi)核后，不論是智能電視還是智能手機(jī)，都可以在高清視頻、機(jī)器視覺、人機(jī)交互方面實(shí)現(xiàn)性能大躍升，讓國產(chǎn)消費(fèi)電子產(chǎn)品在較低成本下大幅提高用戶使用體驗(yàn)。第一款超級(jí)電視引擎芯片將于2018年底完成流片，并可以開始面向智能電視制造商進(jìn)行應(yīng)用推廣。

HPP內(nèi)核超算處理器相較于Intel最新型處理器性能功耗比提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

目前，MaPU的第三個(gè)“孩子”HPP內(nèi)核已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的產(chǎn)品。

“MaPU通過架構(gòu)創(chuàng)新獲得的核心能力還是高密集度計(jì)算?！币虼?，王東琳一直希望通過MaPU針對通用計(jì)算領(lǐng)域增強(qiáng)型內(nèi)核HPP（高性能處理）構(gòu)成超算型微處理器，滿足高端服務(wù)器領(lǐng)域的需求。

從而開發(fā)了極光H1.0——超級(jí)計(jì)算類MaPU微處理器（預(yù)計(jì)年底完成流片及封測），經(jīng)設(shè)計(jì)評估極光H1.0的性能功耗比遠(yuǎn)超國際上其它超算類微處理器，可以作為超算系統(tǒng)及超級(jí)服務(wù)器的核心處理器。

王東琳給出了一組數(shù)據(jù)：

基于HPP內(nèi)核的超算處理器極光H1.0與Intel最新型Xeon Phi性能相當(dāng)，但可16/32/64/128位靈活重構(gòu)，性能功耗比提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)：在提供同等64位浮點(diǎn)運(yùn)算能力時(shí)極光H1.0（2x16個(gè)HPP內(nèi)核）功耗是40W，Intel Xeon Phi處理器是300W。

NNE：頂級(jí)深度神經(jīng)網(wǎng)處理

思朗的另一款產(chǎn)品：加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引擎NNE 繼承并發(fā)展了MaPU的“同心圓存儲(chǔ)體系優(yōu)化模型”，并針對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)點(diǎn)是針對主流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，整網(wǎng)吞吐率高，訪存需求及功耗低，與英偉達(dá)深度神經(jīng)網(wǎng)內(nèi)核性能相當(dāng)?shù)矢摺Ｋ祭实腘NE在存儲(chǔ)體系和配置深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)吸收MaPU全局優(yōu)化思想，性能功耗比上優(yōu)勢明顯。

“NNE可以支持深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練，特別支持智能推理，在視頻圖像識(shí)別方面做了專門優(yōu)化，在目標(biāo)檢測、識(shí)別、視頻圖像結(jié)構(gòu)化方面具有較突出的優(yōu)勢?！?。王東琳介紹。

一個(gè)可期待的應(yīng)用場景就是智能駕駛，在這個(gè)場景里，UMP可以高速處理多路攝像頭圖像并提取待識(shí)別目標(biāo)；NNE負(fù)責(zé)理解判斷處理路況、車況并提供決策及駕駛控制所需要的關(guān)鍵信息；而UCP負(fù)責(zé)提供極短時(shí)延的車聯(lián)網(wǎng)通信能力。

甘坐冷板凳，堅(jiān)持研發(fā)了近10年的科研團(tuán)隊(duì)

思朗及其前身團(tuán)隊(duì)，從2009年就開始部署新指令集體系結(jié)構(gòu)的研究，到研發(fā)出完全自主創(chuàng)新的微處理器架構(gòu)MaPU已經(jīng)經(jīng)歷了9年艱苦歲月。研發(fā)團(tuán)隊(duì)系原國家專用集成電路設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心的70多位核心科研人員。

2017年二季度開始，團(tuán)隊(duì)開始公司化運(yùn)作。

王東琳是個(gè)有技術(shù)信仰的人，團(tuán)隊(duì)伙伴也是這樣。集成電路領(lǐng)域向來人才不足，人員短缺。因?yàn)樽鲂酒扔布?，收益又不高，不少?yōu)秀學(xué)生畢業(yè)后更愿意選擇金融和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)。做芯片就需要有工匠精神，需要頂尖的技術(shù)人才愿意沉下心做研發(fā)，并能長期承受住研發(fā)成功與否的壓力。思朗科技的研發(fā)團(tuán)隊(duì)做到了。

基于MaPU的幾款增強(qiáng)領(lǐng)域處理器在各自領(lǐng)域各有優(yōu)勢，實(shí)際上也可以組合使用，從而落地到各種不同的實(shí)際場景中：5G通信、智能手機(jī)、智能家居、超算、智能駕駛、智慧城市、機(jī)器人和無人機(jī)等等。

“摩爾定律不可能永遠(yuǎn)適用，芯片性能升級(jí)遇到了世界性瓶頸，這剛好是我們追趕的最佳機(jī)遇?！蓖鯑|琳說，“芯片是一個(gè)需要耐心的行業(yè)，我們已經(jīng)做了9年，基礎(chǔ)已經(jīng)打好，接下來的重點(diǎn)是到實(shí)際應(yīng)用中去調(diào)整、去優(yōu)化?！?/p>