2024年起，再怎么重视「异构芯片」都不为过

进入大模型时代，全社会算力需求被推高到了前所未有的程度。2024年1月，微软联合创始人比尔·盖茨与OpenAI首席执行官山姆·奥特曼进行了一次对话，奥特曼在对话中表示人工智能将引发人类历史上“最快”的一次技术革命，人类可能还没有准备好以多快的速度适应这种变革。奥特曼预计，这项技术将迅速发展，使系统的计算能力达到GPT-4的10万倍或100万倍。

简单来说，用于人工智能计算的英伟达GPU芯片远远不够用了。2024年1月，Meta公司CEO扎克伯格宣布到今年年底将需要大约35万块英伟达H100，将其他GPU包括在内的话，算力总水平相当于近60万块H100，而60万块H100的采购费用保守估计约90亿美元。在中国市场，不仅阿里、腾讯等互联网和云公司纷纷囤积GPU，甚至像莲花味精这样的上市公司也斥资6.93亿采购了330台英伟达H800 GPU，更不用说各种在建智算中心。

而为应对GPU全球供应短缺问题，以及美国对GPU的出口限制问题，当然更重要的是在AI场景下降低成本，于是市场上涌现了各类异构AI芯片。由于大模型AI对于全社会的重要性，以及各行各业加快建设智算中心，也引发了全社会学习异构AI芯片的热潮，即使是企业领导干部也需要了解一些异构AI芯片的知识。

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从基本的计算机原理讲起

在了解相关CPU、GPU等异构AI芯片的知识之前，让我们先来了解一下基本的计算机原理。

现代计算机由处理器、内存、I/O（输入/输出）设备三大部分构成。在处理器方面，一直以来都遵循冯·诺依曼架构，即处理器也是一个系统。处理器又叫中央处理单元（Central Processing Unit），即CPU。程序员通过输入设备发出指令，经过CPU和内存的处理，再将处理结果发送到输出设备。

ISA指令集体系结构是处理器与程序员进行交互的方式，指令集是处理器指令的完整集合，体系结构是处理器系统的构建方式，特定的处理器需要配备相应的指令集，才能与程序员交互。32位处理器是指能够处理32位指令和数据的CPU和计算机架构；64位处理器是指能够处理64位指令和数据的CPU和计算机架构。

RISC即精简指令集计算机架构，CISC即复杂指令集计算机架构，英特尔X86是典型的CISC架构，而MIPS（适用于嵌入式和消费级设备）和ARMv8架构（适用于移动设备、服务器、网络设备、物联网设备等）都是典型的RISC架构。RISC-V是一个基于RISC原则的开源指令集架构，RISC-V指令集可以自由地用于任何目的，允许任何人设计、制造和销售RISC-V芯片和软件。

CISC架构适用于通用计算任务的计算机。既然要完成各种通用计算任务，势必带来指令集的冗余，因此CISC指令集中只有约20%的指令会经常被用到，其余80%的指令则不经常被用到，这些不经常被用到的特殊指令让CPU的设计变得非常复杂，也导致CPU的面积越来越大。而RISC架构只包含处理器常用的指令，对于不常用的操作，通过执行多条常用指令的方式来达到同样的效果。

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基础芯片，从CPU到ASIC

CPU

理解了这些最基本的概念，让我们来看一看CPU、GPU、FPGA、ASIC这几种最基础的异构芯片。CPU通常指英特尔X86，AMD公司也生产X86架构CPU。X86架构最早出现在上世纪70年代末的Intel 8086处理器上，后发展为80286、80386、80486等，逐步演化为现代的X86架构。

X86架构的特点包括属于CISC架构，X86架构在个人计算机、服务器和工作站市场占主流地位，具有很高的兼容性，能够运行大量软件和操作系统，无需重新编写或修改就可以移植软件，X86架构引入了64位处理器，能够处理更大的内容和数据，而由于X86架构支持多核心处理等，适合运行虚拟机，因而也在虚拟化和云计算中得到了广泛应用。

当然，在英特尔和AMD之前是大型主机和小型机的年代。整个现代PC产业主要指X86架构的个人计算机、服务器和工作站以及基于这些硬件的软硬件生态。而整个现代PC产业和之前的小型机产业都是IBM大型主机技术降维应用的红利。在1960年代初，IBM投入了50亿美元开发大型主机，这相当于今天接近400亿美元的投资。1969年，人类*位宇航员登陆月球，而在阿波罗登月项目中，IBM大型主机System360做出了重要贡献。IBM大型主机技术孵化了后来的小型机以及整个现代PC与PC服务器产业。

与PC和PC服务器不同，大型主机和小型机都是高度集成的系统，而不像X86那样易用化、模块化、工业标准化，从而支撑起庞大的软件产业和用户群。今天，大型主机和小型机仍然在进化和使用中，但其用户群主要集中在*金融机构或对性能和安全性要求超高的企业或政府机构。大型主机和小型机的CPU处理器与X86架构CPU处理器不同，目前主要由IBM维护和推出新的大型主机与小型机CPU。

在冯·诺依曼架构下，CPU也是一个系统，今天已经发展成为超大规模集成电路。X86 CPU从单核到双核以及包含更多核心的CPU，越来越复杂、性能也越来越高。最新的第五代英特尔至强服务器CPU最高支持64个核心，AMD已经发布的第四代EPYC霄龙服务器CPU最高支持96个核心；而根据有关披露，即将发布的第六代至强服务器CPU最高将支持288个核心（能效核）。当然，仅从核心数量并不能判定CPU性能的高低，英特尔与AMD对于核心的定义也各不相同。但一个CPU处理器内将容纳更多的核心，甚至是异构芯片，将是CPU的发展趋势。

PCIe是一种高速串行计算机扩展总线标准，是当前主流的片间互连高速总线，为主板上的各类外设以及扩展卡等提供与CPU之间的高速连接。PCIe由PCI发展而来，PCI外设组件互连总线由英特尔公司在1991年推出，允许在当时的计算机内安装多达10个遵从PCI标准的扩展卡。PCIe扩展了PCI的性能，支持逻辑隔离的多个虚拟设备。

ASIC

再回到指令集和指令集架构。在现代计算机产业中，根据指令的复杂度，处理器分为CPU、Coprocessor协处理器、GPU（图形处理器）、FPGA（现场可编程门阵列）、DSA（特定领域加速器）和ASIC（专用集成电路）等，按从CPU到ASIC的顺序，通用性、灵活性和成本不断降低，面积也越来越小，但在应对特定计算场景的性能不断提升，其中CPU是能够独立运行的处理器，其它处理器则需要在CPU的协助下运行。

接下来先看一下ASIC专用集成电路。ASIC与CPU可以说是天平的两端，CPU是一个硬件与软件解耦的架构，而ASIC是硬件与软件高度集成的架构。ASIC为特定应用而设计，可以通过定制化设计，以满足特定应用的需求。与通用芯片相比，ASIC具有更高的效率和更低的功耗。

由于ASIC是完全不可编程的定制处理引擎，因此理论上也具有最复杂的“指令”以及最高的性能效率。因为每种ASIC可覆盖的场景非常小，因此需要数量众多的ASIC处理引擎，才能覆盖各类场景。例如，在网络交换机中常采用ASIC芯片，用于交换机所有端口之间直接并行转发数据，以提高交换机高速转发数据性能；ASIC也被用于各种汽车系统，包括ADAS高级驾驶员辅助系统、发动机控制单元和信息娱乐系统等；在消费电子设备、医疗设备和工业控制系统中，也大量应用了ASIC芯片。

进入人工智能时代，ASIC芯片还被用于NPU、TPU等人工智能算法专用芯片。由于ASIC厂商众多，不同的ASIC厂商推出各种的编程语言，可谓五花八门、各不相同，因此ASIC芯片很难培养起庞大的生态。

FPGA理解了ASIC，那么FPGA就是处于CPU与ASIC之间的一种集成电路。FPGA又称现场可编程门阵列，是ASIC专用集成电路领域中的一种半定制电路，是可重复编程的设备。

一般来说，FPGA比ASIC的速度慢，实现同样功能要比ASIC电路面积大，功耗、成本等都高于ASIC，但是可以快速成品，可以被修改。由于可重复编程的特点，FPGA的通用性要比ASIC更好。FPGA无需像ASIC设计那样要经过数百万美元的流片阶段，也不用承担流片失败的风险。因此，FPGA通常用于ASIC芯片的验证。

FPGA本质上是并行计算，这种并行处理能力使得 FPGA在高速数据处理的应用中表现出色，例如数字信号处理、图像处理和加密等。同样，在人工智能时代，FPGA也被用于人工智能算法处理。特别是AI算法推陈出新，对硬件的算力及灵活度都有较高要求，而FPGA正好符合了这样的需求。

DSA

接下来看DSA特定领域加速器。DSA是一种针对特定领域定制的可编程处理器，能够用于加速某些应用程序，实现更好的性能和性价比。DSA介于FPGA与ASIC之间，ASIC是完全不能编程的软硬件高度集成的定制芯片，FPGA是面向不同领域的可编程处理器，而DSA则是专门面向特定领域的可编程处理器。由此可见，DSA的灵活性在FPGA与ASIC之间，成本、功耗等也在二者之间。

DSA的好处就是能够面向特定领域，形成自己的生态，只要该领域的市场足够大，比如人工智能计算加速、图形渲染加速等。某种程度上，GPU就是基于DSA思路而设计开发的产品。随着摩尔定律的失效，现代计算机专家们认为DSA能够提高CPU处理器的效率和速度。2017年，图灵奖获得者John Hennessy与David Patterson联合发表了“计算机体系架构的黄金年代”文章，指出由于目前通用计算的性能瓶颈，需要面向不同应用场景开发针对性优化的架构，他们给出的解决方案就是DSA。

DSA既是一种架构，也是一种设计理念。狭义的DSA基于ASIC实现，广义的DSA基于FPGA实现，或者基于颗粒度更小的Chiplet小芯片集成起来实现。所谓Chiplet，即将一个大芯片裸片（Die）切成小芯片，切下来的小芯片是已经完成了设计、制造、测试流程的成品小裸片，只需要一次封装加工就可以使用，既可以复用给其他芯片，也可以将众多Chiplet集成起来实现新的功能。DNN深度神经网络是DSA应用的一个重要领域。

GPU

那么接下来让我们了解一下当下最火爆的GPU。GPU又称图形处理器，目前分为消费级GPU和数据中心级GPU。消费级GPU主要用于游戏电脑、设计、3D显示等场景，而数据中心级GPU主要用于人工智能场景。CPU与GPU*的区别之一是CPU是基于串行计算，而GPU是基于并行计算，这让GPU天然就适合基于并行计算的人工智能算法。GPU作为一种DSA，在设计上就是专门为了需要大规模并行计算的图形处理而生，因此GPU的核心数通常远超CPU，可达512核甚至更多，但GPU也没有CPU上那么 多适用通用计算的组件。典型的GPU厂商有NVIDIA英伟达、AMD、英特尔等。

*现代通用GPU架构（即GPGPU）由英伟达在2006年推出，这就是Tesla。Tesla采用全新的CUDA架构，支持C语言对GPU编程，可用于通用数据的并行计算，标志着GPU开始从专用图形处理器转变为通用数据并行处理器。随着英伟达公司发布NVIDIA GPU专用编程库CUDA，AMD和Apple等公司推出开源的OpenCL（Open Computing Language, 开放设计语言，是一个为异构平台CPU/GPU/DSP/FPGA等等进行编程设计的框架），GPU开始在通用计算领域得到广泛应用，如数值分析、海量数据处理、金融分析等等。

近年来，随着人工智能的大火，GPGPU也在深度学习算法等人工智能计算中广泛应用。数据中心级GPU就是为了人工智能的智算需求而生，英伟达A100、H100被认为是功能最强大的数据中心级GPU，也是各大人工智能公司、云厂商、互联网公司等竞相争夺的资源。

Co-processor协处理器

所谓协处理器，顾名思义即协助CPU中央处理器完成各种计算任务的处理器，特别是协助中央处理器完成无法执行或执行效率、效果低下的处理任务而开发和应用的处理器，例如数学协处理器、图形协处理器、音频协处理器、网络协处理器或手机上的运行协处理器等。协处理器通常被集成在计算机的主板或者CPU内部，也可以作为外部设备连接到主板上。例如，早期的图形协处理器Intel 82786，而今天的英特尔GPU也开始具备更强的能力，以应对英伟达对于GPU市场的垄断。（作者：北电数智（公众号同名）））

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