近日，由中國(guó)信息通信研究院、四川省經(jīng)濟(jì)和信息化廳、達(dá)州市人民政府主辦的“首屆全國(guó)先進(jìn)計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新大賽總決賽暨先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)”在四川達(dá)州舉辦。為把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機(jī)遇，推進(jìn)先進(jìn)計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新，中國(guó)信息通信研究院在會(huì)上發(fā)布了《先進(jìn)計(jì)算技術(shù)發(fā)展白皮書(shū)（2023 年）》，中國(guó)信息通信研究院、聯(lián)想、長(zhǎng)城科技、浪潮信息、鯤云科技等多家單位參編。

白皮書(shū)系統(tǒng)介紹了當(dāng)前全球及我國(guó)先進(jìn)計(jì)算技術(shù)發(fā)展背景與總體發(fā)展態(tài)勢(shì)，并從計(jì)算芯片、系統(tǒng)架構(gòu)、計(jì)算模式、綠色和安全技術(shù)四方面研究了產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)展，同時(shí)介紹了量子計(jì)算、類腦計(jì)算、光電計(jì)算、生物計(jì)算等前沿計(jì)算技術(shù)研究進(jìn)展，并結(jié)合當(dāng)前我國(guó)先進(jìn)計(jì)算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀提出了先進(jìn)計(jì)算技術(shù)發(fā)展推進(jìn)建議。

先進(jìn)計(jì)算技術(shù)成為新一輪科技革命的關(guān)鍵突破點(diǎn)

當(dāng)前，在以大模型為代表的人工智能技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用驅(qū)動(dòng)下，社會(huì)對(duì)計(jì)算能力的需求空前高漲，但隨著“摩爾定律”演進(jìn)趨勢(shì)放緩，計(jì)算技術(shù)的傳統(tǒng)演進(jìn)路徑面臨挑戰(zhàn)，先進(jìn)計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新成為破局關(guān)鍵，驅(qū)動(dòng)著芯片演進(jìn)、架構(gòu)創(chuàng)新，推動(dòng)計(jì)算產(chǎn)品向綠色安全方向發(fā)展，探索前沿計(jì)算技術(shù)落地應(yīng)用。

白皮書(shū)指出，先進(jìn)計(jì)算并非特指某項(xiàng)具體技術(shù)，而是指面向未來(lái)，相較于傳統(tǒng)計(jì)算技術(shù)在理論、硬件、系統(tǒng)以及應(yīng)用等方面進(jìn)行的創(chuàng)新與優(yōu)化，旨在提高算力、能效、靈活性，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物更高效互通的計(jì)算技術(shù)的統(tǒng)稱。先進(jìn)計(jì)算是涵蓋理論、材料、工藝、器件、系統(tǒng)、算法、架構(gòu)、應(yīng)用等在內(nèi)的系統(tǒng)工程，具備先進(jìn)性、泛在性和多樣性的特點(diǎn)，是解決計(jì)算技術(shù)發(fā)展問(wèn)題的集合。

當(dāng)前，全球先進(jìn)計(jì)算技術(shù)正處于密集創(chuàng)新階段，國(guó)內(nèi)外政府、龍頭企業(yè)高度重視先進(jìn)計(jì)算技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，計(jì)算芯片、整機(jī)系統(tǒng)、前沿技術(shù)創(chuàng)新突破不斷。白皮書(shū)分享到，傳統(tǒng)計(jì)算硬件不斷演進(jìn)，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算、異構(gòu)計(jì)算、存算一體等多種創(chuàng)新架構(gòu)涌現(xiàn)，以及量子計(jì)算、類腦計(jì)算、光計(jì)算等前沿計(jì)算技術(shù)的持續(xù)探索，為先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)提供了更多可能性。

可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算—從底層創(chuàng)新的計(jì)算架構(gòu)

作為行業(yè)內(nèi)有代表性的創(chuàng)新架構(gòu)之一，白皮書(shū)梳理了“可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算”的原理、優(yōu)勢(shì)、發(fā)展路徑及應(yīng)用現(xiàn)狀。據(jù)白皮書(shū)定義，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流架構(gòu)是一種基于可重構(gòu)的空間連接關(guān)系定義計(jì)算次序的計(jì)算架構(gòu)方式。

如下圖所示，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算單元之間有可重構(gòu)的計(jì)算連線，根據(jù)計(jì)算次序定義計(jì)算單元之間的連接關(guān)系，從而定義一個(gè)依次計(jì)算乘法、累加、激活、池化的案例，無(wú)需指令實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的計(jì)算次序，節(jié)省由于數(shù)據(jù)讀寫(xiě)帶來(lái)的計(jì)算單元閑置。

▲可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算示意圖

在這種計(jì)算方式下，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流架構(gòu)解決指令集架構(gòu)的幾大核心問(wèn)題：

（1） 數(shù)據(jù)流架構(gòu)中數(shù)據(jù)流動(dòng)次序即計(jì)算執(zhí)行次序，沒(méi)有指令概念，移除了由于指令帶來(lái)的控制冗余以及等待指令讀取譯碼帶來(lái)的計(jì)算單元閑置；

（2） 數(shù)據(jù)流架構(gòu)支持時(shí)鐘級(jí)的精確計(jì)算，每個(gè)數(shù)據(jù)流動(dòng)及計(jì)算在每個(gè)時(shí)鐘都可精確預(yù)計(jì)，從而支持將數(shù)據(jù)流動(dòng)與計(jì)算深度重疊，大幅降低計(jì)算單元閑置；

（3） 數(shù)據(jù)流架構(gòu)中一個(gè)數(shù)據(jù)流流水線中可深度整合大量計(jì)算單元，從而打破指令集架構(gòu)中峰值算力提升與芯片利用率的沖突問(wèn)題：通過(guò)不斷加深數(shù)據(jù)流流水線，可以在提升峰值算力同時(shí)，不降低流水線中計(jì)算單元閑置時(shí)間。

2020 年，鯤云科技推出全球首款可重構(gòu)數(shù)據(jù)流 AI 芯片 CAISA，CAISA 芯片利用率最高可達(dá) 95.4%，在芯片成本為國(guó)際同類產(chǎn)品 1/3 的情況下，最高可提供 4.12 倍以上的實(shí)測(cè)性能。目前，CAISA 芯片已與飛騰、麒麟、浪潮、open 歐拉等完成產(chǎn)品兼容，在算力性價(jià)比、芯片利用率、實(shí)測(cè)性能和處理延時(shí)等指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先，為底層的 AI 算力支撐提供了新的選擇。

除鯤云科技外，全球研發(fā)數(shù)據(jù)流 AI 芯片的團(tuán)隊(duì)還有脫胎于斯坦福大學(xué)的 SambaNova、前谷歌 TPU 核心團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦的 Groq，目前仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段。同時(shí)，部分指令集架構(gòu)芯片也在局部采用了數(shù)據(jù)流架構(gòu)，比如 TPU 的 Systolic Array，GPU 里的 Tensor Core 等，以提升芯片利用率。由此可見(jiàn)，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算作為一種新的技術(shù)路線獲得市場(chǎng)充分認(rèn)可。

放眼先進(jìn)計(jì)算產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展，白皮書(shū)強(qiáng)調(diào)，應(yīng)加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方協(xié)同，加強(qiáng)核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，以技術(shù)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定，推進(jìn)示范應(yīng)用，助力產(chǎn)業(yè)加快成熟。作為行業(yè)“排頭兵”，鯤云科技將基于“可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計(jì)算”持續(xù)加強(qiáng)產(chǎn)品、解決方案的研發(fā)迭代，為社會(huì)提供下一代計(jì)算平臺(tái)，加速人工智能在各行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景落地。

審核編輯：湯梓紅