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邓中翰:AI芯片迎来10年创新创业窗口,智能摩尔提升功耗价格比
文章来源:新智元 环球科学ScientificAmerican 发布时间:2018-04-16 【字号:

     2018-04-16 环球科学ScientificAmerican

    中美贸易激战,芯片成为焦点。我国近年内集成电路产业的发展取得了突出的成绩,但在经济国际化的趋势中,国内芯片产业的发展还未真正取得胜利。在今年的新智元产业跃迁AI技术峰会上,中星微电子集团创建人、中国工程院院士邓中翰,回顾二十年芯片的发展之路,探讨在新时代如何通过创新发展,不断通过弯道超车,甚至在“无人地带”实现换道超车的芯片发展之路。

    演讲 | 邓中翰

    编辑 | 闻菲

    来源 | 新智元(IDAI_era   

    2018年,AI芯片持续火热。根据2017年底CB Insights的数据,在对AI初创公司的资助上,中国已经超越美国,成为世界第一大国。2017年,在全球人工智能启动资金中,中国占总额的48%(美国为38%),而重点就是人脸识别和芯片。

    人脸识别还好理解,但芯片作为一种因投资巨大、战线长、风险高而历来不被投资人看好或者说愿意爽快掏钱的产业,如此受人追捧,实在称得上中国独有。

    对此,中星微集团创建人、中国工程院院士邓中翰博士认为,在芯片和集成电路产业的发展过程中,中国一直处在落后和追赶的状态,这时出现一个新的应用和市场机遇,国人往往更希望能够在其中找到弯道超车的机会。新一代的人工智能技术给大家提供了这样一个想象,现在正是风险投资机构去抓住市场动向,鼓励创新创业型企业,去发掘真正有竞争力的架构和产品提供者,推动他们在这场角逐中迅速长大,实现弯道超车的好时机。

    “对于AI芯片,未来几年都是创新和创业的高潮,成熟的格局远未形成。”邓中翰院士说。

    “信息产业革命,从PC到互联网再到移动互联网,基本上都是十年的时间才能够真正淘汰和选拔出比较优质的算法、架构、产品以及核心龙头的企业。现在第一轮投下去的钱,投下去的公司,不比第二轮或者是后面的领先多少,大家都处在同一个起跑线上,在探索的过程中,需要更多地看其他人成功的经验和失败的教训。稳步地去寻求差异化和优质化的创新点,会给芯片企业带来更小的风险和更高的价值。”

    “竞争很关键,企业与企业之间的竞争不可避免,但我们同时更应该关注中国本身的场景,推动我们产业的原始创新。我们有很多优秀的公司,有不同的应用场景和各种方案,如何能够调动更多的公司和更多的人,进入到半导体和集成电路领域中去,从而实现自主创新发展,带动新一代的人工智能在中国更好地普及,我认为这是最关键的。”

    “自主创新”一直是邓中翰院士和中星微研发团队的关键核心。这是一种战略眼光,更是一种中国芯情怀。

    邓中翰院士1999年回国创办中星微,担任“星光中国芯工程”总指挥,开始研发自主知识产权芯片“星光计划”,19年来,一批高价值核心专利在他的团队中诞生。

    2001年,“星光一号”研发成功并实现了产业化,这是中国首枚具有自主知识产权的百万门级超大规模的数字多媒体芯片,结束了中国“无芯”历史,中星微也是真正拥有自主知识产权的中国芯片设计公司。

    20051115日,中星微顺利登陆纳斯达克,成为第一家凭借核心技术在纳斯达克上市的中国芯片设计公司。星光芯片被苹果、三星、飞利浦、联想等国内外知名企业大批量采用,占领全球计算机图像输入芯片市场60%以上的份额。

    2016年,经过5年多的准备和3年多的研发,中星微推出了国内首款具有深度学习功能的嵌入式CNN神经网络处理器“星光智能一号”。

    星光智能一号采用 “数据驱动并行计算”架构。数据流(Dataflow)类型的处理器极大地提升了计算能力功耗比,适合神经网络数据量大的算法特点。正是有了对行业的准确预判,才有了提前的自主研究。

    作为中星微的第一款AI芯片,目前“星光智能一号”的出货量已经有十几万颗。下一代的“星光智能二号”预计20185月左右发布。

    中星微的另一大特点,是从最开始就参与到行业标准制定当中。邓中翰院士带领“星光中国芯工程”团队,制定了具有我国自主知识产权、技术达到国际领先水平的“天网”安防监控基础信源SVAC国家标准。

    SVAC国家标准是第一个旨在解决安防监控行业独特要求的技术标准,也是全世界第一个图像采集、上传、报警、防范的国家标准。

    强国必强芯。

    邓中翰院士说,用自己的技术,保证好国家自身发展的需求,这是中国芯片和AI公司都需要思考的问题。

    下面是邓中翰院士在2018新智元产业跃迁AI技术峰会上的演讲——《中国芯二十年的自主创新之路——中国芯片产业生态环境及AI芯片的发展趋势》。

             

    邓中翰:各位嘉宾,非常高兴今天来到新智元AI技术峰会,与各位分享我们在AI时代对于芯片的设想,特别是中星微这些年来在AI芯片技术领域里所做的一些工作。

    根据世界半导体有关组织的统计,全球半导体行业的规模在1994年突破了1000亿美元,到2000年突破了2000亿美元,到2010年突破3000亿美元,并在2015年达到3363亿美元。全球半导体行业如此大的规模,从1976年到2000年,20多年来复合增长率是17%,到2000年以后速度放缓,2001年到2008年的复合增长率为9%2010年到2017年复合增速2.37%

             

    在摩尔定律作用下,芯片产业不断翻新,推出很多新产品,这期间手机在变多,平板、各种家庭智能音箱,大量的云服务器,使用半导体的量越来越大。同时,这些产品的价格基本保持稳定,半导体促进了技术增长,而成本并没有大幅度上升,半导体产业对于整个信息时代做出了巨大贡献。

    从互联网、移动互联网到AI时代,在行业很多人的努力下创造出来今天的世界,是基于众多半导体和计算能力之上形成的互联互通的世界,如今我们又迎来了新的增长。刚才新智元的CEO杨静女士谈到了“智极”,人工智能未来将进一步为芯片产业开辟新的领域,同时我们也需要积蓄更多好的AI芯片来支撑这样的发展。

    中国集成电路产业:势头正好,如何把握机遇?

             

    2017年全球半导体的销售额达到3970亿美元,比2016年增加了17.1%,是增加比较大的一个年份。从2016年下半年起,对市场有利的条件开始出现,标准的存储器方面,随着这些有利条件的持续发酵,2017年、2018年前景也是非常看好,我们国家也借助这段时间市场的扩张,在产能方面做了很多的努力和布局,希望借着这轮新的增长,能够进入到世界的先进行列。

             

    我们看2016年半导体产业结构的分布图,集成电路占82%。半导体里包括分立器件、光电子、传感器等产品。而集成电路里包括今天主要谈到的像数字逻辑电路、微处理器、存储器、模拟电路等等,加在一起是一个很大的产业。

    大家知道,现在中国每年进口最大的物资不是石油、天然气,也不是粮食,而是芯片。去年我们国家进口了2600亿美元的芯片,最近关于中美贸易大战的讨论,如果将芯片从代工厂进口转为从美国直接进口,就可以有效平衡这些贸易的逆差。集成电路不仅仅在技术上非常重要,在我们的经济发展、社会发展方面也是举足轻重。

             

    中国的集成电路,这些年来在全球的半导体产业中也扮演着越来越重要的角色,我们的销售额也是稳定增长,中国在较长的时间里,都是集成电路消费的大国。在稳定的增长之中,2016年全球实现的销售额3389亿,中国也在里面占有比较大的份额。2017年进口3770亿块芯片,同比增加10%,而进口额达到2601.4亿美元,同比增长14.6%。中国在2017年出口了2000亿块芯片,出口额达到668.8亿美元,同比增加了9.8%

    从这里面应该看到,中国的半导体制造、出口呈现出上升的趋势,得益于这些年来在半导体领域集成电路国家的政策、投资环境的变好,也是国内企业非常努力的结果。

    大的势头是非常好的,我们如何能够抓住之这个势头,将集成电路半导体推向更大的产业,减少我们的贸易逆差,同时真正打造出中国自主的芯片,包括自主的AI芯片,从而推动我们的半导体产业发展,同时为我们未来信息化走向智能化提供更好的技术支持?

    星光中国芯:两获国家科技进步一等奖,国内首个深度学习嵌入式神经网络处理器

             

    我很荣幸跟大家介绍一下,我们带领的团队从事的“星光中国芯工程”。1999年,在工信部的直接投资下,在国家的财政部、科技部、发改委、商务部和北京市政府的支持下,我和其他几位从硅谷回国的博士,在中关村创建了中星微电子,启动并承担了中国芯工程。2001年,在团队的共同努力下,我们推出了“星光一号”作为计算机上图像处理的芯片,打入到国际的主流市场。

    2003年,我们又推出了星光多媒体和星光移动系列芯片,进入到手机的多媒体领域里面,并且开始与国际的一些巨头参与MIPI国际标准,围绕多媒体在手机和电脑包括平板电脑上一系列的标准工作,让我们的芯片逐渐成为领域里的国际标准配置产品,大规模占领国际市场,一度超过70%的市场份额,进入到像苹果、惠普、三星、索尼等众多知名品牌的电脑和手机中去,并且于2005年荣获国家科技进步一等奖,这也是我们半导体领域集成电路第一次获得国家科技进步一等奖。

    2005年,中星微电子作为中国第一个将集成电路芯片设计作为企业核心技术的企业,在美国纳斯达克上市,开启了中国众多集成电路公司创新创业的高潮。这之后,陆陆续续又有很多家企业在美国纳斯达克上市。2008年国内创业板推出之后,国内的一些芯片设计企业也在国内的市场上市。在国际的产业变迁中,中国开始形成在集成电路里上升的态势。

    2006年,我们的星光系列芯片突破了1亿枚销量,荣获全球半导体行业协会的年度大奖。这之后,在国家公安部、工信部要求下,中星微又参与中国天网工程和今天的雪亮工程标准的制订和芯片研制,从而让我们的核心技术不仅应用于电脑、手机的广大国际市场,同时也为国家的一些重要公共安全设施提供核心的技术保障。

    之后,我们又开拓了安防芯片系列,之后随着安防的发展,又进入到图像和模式识别的智能领域,也就是今天称为“新一代人工智能技术”的领域。2013年,中星微团队又一次参与国家工程,获得国家科技进步一等奖,并且我们在公共安全视频监控SVAC国家标准,2010年以后进入市场,用于数字安防、边境管理和很多城市管理应用中,更好地支持未来人工智能大数据以及云计算,更好地推动城市的智能化发展。

    SVAC全称是“安全防范监控数字视音频编解码技术标准”,是一个基础性的编解码标准,在这个标准之下的芯片经过设计研发,也装备在很多的城市摄像头和公共安全、智慧城市、智慧交通等应用和服务里面。

    2016年,经过5年多的准备和3年多的研发,中星微推出了国内首款具有深度学习功能的嵌入式CNN神经网络处理器,并且连续多年当选中国十大集成电路设计企业和国家规划的集成电路设计企业。

             

    从1999年以来到现在,我们一直在集成电路领域里面坚持自主创新,也突破了15个核心技术,在国际上处于先进和领先的行列,形成了完整的星光多媒体系列、星光移动系列、星光安防系列和星光智能系列的芯片技术体系,构建了比较大的国内设计团队,也申请了3000多项国内外专利,其中90%多为发明专利,并且在国家的支持下,建立了数字多媒体芯片技术国家重点实验室,制订和参与了包括PC端和手机的MIPI国际标准,以及中国围绕城市安全的SVAC国家标准。

    除了在美国纳斯达克上市,中星微还在国际上建立了16个地区的分支机构和产业服务支持体系,将我们的芯片大规模打入到国际市场中去。

    我们非常光荣地获得过两次国家科技进步一等奖,并且使集成电路在众多的科技成果中,再次获得国家的高度重视。

             

    AI芯时代:7大挑战3大关键,在后摩尔定律时代继续提升能耗比    

    刚才谈到,集成电路经历了年复合率17%以上的增长之后,这些年来正在趋向于稳定。但是,摩尔定律还在高速发展,大家一直觉得摩尔定律几乎要失效的时候,对于中国的芯片产业来说,非常好的弯道超车的机遇来了。 

    长期以来,我们国家的集成电路相对受到西方很多先进制造的设备、材料和工艺引进方面的限制,刚才谈到2600亿美元的进口额,就是由于这样一种限制产生的。我们比国际上最先进的、能够买到的设备和制造工艺要晚两代,我们的高端芯片还需要更多的努力,现在这个努力的机会已经到来。

    人工智能新一代技术被视为新一轮产业革命的主要推动力,这时候我们又迎来了一次换道超车的机遇。人工智能产品是面向未来很多重要的信息化革命的关键部件。两会期间政府工作报告专门提出,将集成电路产业作为重点产业来推动中国制造强国的发展。其中,最为关键的就是大力发展芯片、集成电路以及人工智能。

    中国具有广大的市场,我们的互联网用户众多,移动互联网在世界上也是最发达,手机以及通信等各个方面都需要大量的芯片,其中产生的海量的数据也为中国发展人工智能提供了非常大的优势。

    现在风景中国这边非常好,新智元开过几次会,我也关注到,很多AI芯片的公司以及算法、软件和应用的公司,在国内创新创业的环境下大量涌现,在这当中弯道超车的机会也就非常之多。我们有望在这轮人工智能的时代实现弯道超车或者换道超车,从而为我们产业的发展打造出更多的中国芯,这是难得的一个好机遇。

             

    2017514日,在“一带一路”会议上,国家领导人特别指出,要加强在数字经济、人工智能、纳米技术、量子计算机等前沿领域的合作。20173月,在两会上总理也专门指出,集成电路这些领域的研发和转化是国家战略国策的一部分。国务院于20177月份印发《新一代人工智能发展规划》,战略目标到2020年——新智元再开几次会我们就到了2020年了——人工智能总体技术和应用与世界先进水平同步;2025年人工智能基础理论实现重大突破,部分技术与应用达到世界领先水平;2030年人工智能理论技术与应用总体达到世界领先水平。

    中国工程院于2017年率先提出了新一代人工智能大时代的到来,在大数据时代、泛在网时代的新一代人工智能技术,是数据驱动与知识驱动相结合的人工智能技术,分为大数据智能、群体智能、跨媒体智能、混合增强智能和自主智能五个方向。

             

    人工智能的发展趋势也从过去大量存在于云端,逐渐走向前端,包括公共安全领域的视频监控摄像头,智能感知逐渐走向智能认知,监督学习走向AlphaZero这样的自主学习,未来从弱人工智能到强人工智能,未来希望能出现超人工智能。

             

    行业的热点包括四个环节:算法、细分应用、芯片、数据。基于数据驱动的以深度学习为代表的新一代人工智能神经网络技术成为主流,在数据流的方向上,过去CNN,现在RNN等等还有其他一些算法,网络的拓扑结构趋于更加复杂和灵活。

    基于知识驱动的传统人工智能技术同时并存,在某些应用领域这些算法效果是非常好的,从融合的角度来说,如何跟神经形态芯片融合还处在探索阶段。

             

    目前需要解决的问题,一方面是如何结合AI算法上的最新进展,比如对抗生成网络,另外一部分则是将AI2.0和传统的人工智能AI1.0技术快速融合。

    人工智能技术目前面临的难点,包括如何跨越认知鸿沟,如何让机器不依靠人类的帮助自主学习,如何像人类一样做计划,设立目标去完成一系列的事情,如何模拟环境,如何对处境及行动能力进行反思。

             

 

     芯片面临的难点,包括如何同时处理规则驱动的传统人工智能以及数据驱动的新一代人工智能,如何提高运算性能,如何降低功耗,如何增加集成度,如何减少芯片的尺寸,如何节省软件开发的时间和如何在后摩尔时代继续提升性能功耗比。

    智能摩尔之路

    后摩尔定律时代,技术发展怎么走?虽然在物理层面和信号层面都受到物理规律的制约,但在信息层面的技术创新还远没有达到极限,下一次信息革命的关键,我认为是如何进一步借鉴人脑智慧的机制,研究新型人工智能的计算方法,进一步提升信息处理的性能功耗价格比。

             

    中星微提出来智能摩尔之路,三维坐标。摩尔定律进一步走向“More摩尔”,现在的10纳米、7纳米、5纳米的技术正在成熟,再进一步走到3纳米甚至更低。芯片的其他混频信号和存储等其他一些模块,集成到More than Moore芯片的同时,智能摩尔进一步将新一代人工智能技术,将更好的信息处理办法引入到这里面来,才能够根本解决我们在摩尔定律走向极限的时候,如何进一步处理更多的数据,减少功耗,降低成本,实现更高的效能。

             

    2016620日,中星微基于这样的研究思考,推出国内首款基于深度学习功能的嵌入式神经网络处理器,中央电视台新闻频道新闻联播做了专题的报道,围绕着我们的SVAC标准,支撑包括识别以及大数据的处理加速。我们的星光智能芯片采用数据驱动并行计算的架构,支持CaffeTensorFlow,在软件开发架构上将深度学习的算法应用于嵌入式产品。

             

    目前,我们正在开拓研究星光智能二号,在功耗上进一步降低,而在运算速度上达到星光智能一号的16倍。中星微的人工智能技术平台,采用数据驱动并行计算的架构提高性能功耗比,通过高效的卷积复用,轮流复用输入和参数,达到更高效的数据分解,拥有更低的计算和存储位宽。这方面还有很多新的技术,需要进一步引入突破,也要申请大量的专利来推动这个领域的发展。

             

    不仅如此,我们已经开始进一步推动在星光智能系列里面增加类人脑处理器,新一代事件驱动架构的研发。

    在这里给朋友们展望未来,人工智能在芯片的领域里面存在着重大突破的同时,非常需要包括投资创业行业的机构能够重视芯片这样一个领域,芯片对于人工智能发展起着重要的支撑作用和引领作用。

    国内互联网领域大数据推动了更新更高的要求,在这上面一定会诞生出具有中国本土优势的一些技术企业和团队。未来是属于大家的,未来属于我们人工智能领域的新星。在这里,呼吁在国家、在社会、在产业、在投资、在创业的领域里面,大家一起努力,将中国的新一代人工智能的时代进一步推进加速到来。

    (原标题:邓中翰:AI芯片迎来10年创新创业窗口,智能摩尔提升功耗价格比 )
    (邓中翰,曾在中国科学技术大学学习,中星微集团创建人,“星光中国芯工程”总指挥,中国工程院院士,中国科协副主席,政协第十三届全国委员会教科卫体委员会委员。
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