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異構(gòu)集成與異構(gòu)計(jì)算

時(shí)間：2021-09-23 15:50:43

關(guān)鍵字：集成

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[導(dǎo)讀]導(dǎo)讀這篇文章主要為了搞清楚以下幾個(gè)問(wèn)題：1）什么是異構(gòu)集成？2）什么是異構(gòu)計(jì)算？3）什么是算力？4）異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算、算力的關(guān)系？5）什么是異構(gòu)時(shí)代？1）異構(gòu)?集成異構(gòu)集成（HeterogeneousIntegration）異構(gòu)集成通常和單片集成電路（monolithic）相對(duì)...

導(dǎo) 讀

這篇文章主要為了搞清楚以下幾個(gè)問(wèn)題：1）什么是異構(gòu)集成？2）什么是異構(gòu)計(jì)算？3）什么是算力？4）異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算、算力的關(guān)系？
5）什么是異構(gòu)時(shí)代？

1）異構(gòu) 集成
異構(gòu)集成（Heterogeneous Integration）

異構(gòu)集成通常和單片集成電路（monolithic）相對(duì)應(yīng)，我們常見(jiàn)的芯片都是單片集成電路，它們屬于同構(gòu)集成（homogeneous Integration)，意味著在同一種材料上制作出所有元件。這曾經(jīng)是杰克?基爾比（Jack Kilby）的偉大夢(mèng)想，并最終成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而推動(dòng)了信息技術(shù)的巨大進(jìn)步，對(duì)人類文明的進(jìn)步也產(chǎn)生重大影響。

異構(gòu)集成和同構(gòu)集成二者并不相互排斥，所有異構(gòu)集成的單元都是同構(gòu)集成。

異構(gòu)集成（Heterogeneous Integration）準(zhǔn)確來(lái)講，全稱為異構(gòu)異質(zhì)集成，異構(gòu)集成可看作是其漢語(yǔ)的簡(jiǎn)稱，這里，我們將其分為異構(gòu)(HeteroStructure)集成和異質(zhì)(HeteroMaterial)集成兩大類。

HeteroStructure Integration

HeteroStructure Integration（異構(gòu)集成）主要指將多個(gè)不同工藝節(jié)點(diǎn)單獨(dú)制造的芯片封裝到一個(gè)封裝內(nèi)部，以增強(qiáng)功能性和提高性能，可以對(duì)采用不同工藝、不同功能、不同制造商制造的組件進(jìn)行封裝。例如將不同廠商的7nm、10nm、28nm、45nm的小芯片通過(guò)異構(gòu)集成技術(shù)封裝在一起。

這里主要以硅材質(zhì)的芯片為主，工程師可以像搭積木一樣，在芯片庫(kù)里將不同工藝節(jié)點(diǎn)的Chiplet小芯片通過(guò)異構(gòu)集成技術(shù)組裝在一起。

HeteroMaterial Integration

HeteroMaterial Integration（異質(zhì)集成）是指將不同材料的半導(dǎo)體器件集成到一個(gè)封裝內(nèi)，可產(chǎn)生尺寸小、經(jīng)濟(jì)性好、靈活性高、系統(tǒng)性能更佳的產(chǎn)品。

如將Si、GaN、SiC、InP生產(chǎn)加工的芯片通過(guò)異質(zhì)集成技術(shù)封裝到一起，形成不同材料的半導(dǎo)體在同一款封裝內(nèi)協(xié)同工作的場(chǎng)景。

過(guò)去，出于功耗、性能、成本等因素的考慮，集成首先在單片上實(shí)施，例如SoC。近些年，由于摩爾定律日益趨緩，單片集成的發(fā)展受到了一些影響。得益于先進(jìn)封裝與芯片堆疊技術(shù)的創(chuàng)新，設(shè)計(jì)人員可以將系統(tǒng)集成至單個(gè)封裝內(nèi)形成SiP，這就推進(jìn)了異構(gòu)異質(zhì)集成的發(fā)展。

下圖所示 Intel 的Co-EMIB技術(shù)就屬于典型的異構(gòu)集成技術(shù)。異構(gòu)集成與異構(gòu)計(jì)算

今天，Heterogeneous Integration 異構(gòu)異質(zhì)集成主要是指封裝層面（Package Level）的集成，其概念出現(xiàn)的歷史并不長(zhǎng)，是在近十年間隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的興起而日益受到業(yè)界的重視，并逐漸發(fā)展為電子系統(tǒng)集成中最受關(guān)注的環(huán)節(jié)。

2）異構(gòu) 計(jì) 算
異構(gòu)計(jì)算（Heterogeneous Computing）

異構(gòu)計(jì)算是指將CPU、GPU、FPGA、DSP等不同架構(gòu)的運(yùn)算單元整合到一起進(jìn)行并行計(jì)算。

例如，CPU擅長(zhǎng)管理和調(diào)度，比如讀取數(shù)據(jù)，管理文件，人機(jī)交互等；GPU管理弱，運(yùn)算強(qiáng)，更適合整塊數(shù)據(jù)進(jìn)行流處理的算法；FPGA實(shí)時(shí)性高，能管理能運(yùn)算，但是開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，復(fù)雜算法開(kāi)發(fā)難度大；DSP適合特定算法的計(jì)算等。

當(dāng)人工智能等海量計(jì)算訴求到來(lái)之后，GPU、FPGA、DSP去配合CPU進(jìn)行計(jì)算的使命就自然而然的產(chǎn)生了，這就是異構(gòu)計(jì)算。

異構(gòu)計(jì)算技術(shù)從上世紀(jì)80年代中期產(chǎn)生，由于能有效獲取高計(jì)算能力、可擴(kuò)展性好、資源利用率高、發(fā)展?jié)摿Υ?，已成為并行?jì)算領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)。異構(gòu)集成與異構(gòu)計(jì)算

近年來(lái)，人工智能持續(xù)爆發(fā)，對(duì)算力提出了更高的要求。異構(gòu)計(jì)算作為大計(jì)算時(shí)代的解決方案，打破傳統(tǒng)通用計(jì)算的限制，融合不同指令集和體系架構(gòu)的計(jì)算單元，完美支持大計(jì)算場(chǎng)景。異構(gòu)計(jì)算的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)通常是CPU GPU/FPGA/DSP，主要由CPU完成不可加速部分的計(jì)算以及整個(gè)系統(tǒng)的控制調(diào)度，由GPU/FPGA/DSP完成特定的任務(wù)和加速。異構(gòu)計(jì)算是一種特殊形式的并行和分布式計(jì)算，區(qū)別于CPU計(jì)算的通用架構(gòu)，整合多種計(jì)算架構(gòu)如CPU、GPU、FPGA、DSP、ASIC等，可簡(jiǎn)單理解為：專人干專事，人多力量大。

3）算力
算力（Computing Power）算力，顧名思義就是計(jì)算能力。算力原本是比特幣處理能力的度量單位，即為CPU計(jì)算哈希函數(shù)輸出的速度。現(xiàn)在已經(jīng)成為一個(gè)描述計(jì)算能力的通用名詞。算力存在于各種硬件設(shè)備中，沒(méi)有算力就沒(méi)有軟硬件的正常應(yīng)用。高配置的電腦算力更高，可以運(yùn)行復(fù)雜大型的軟件，低配置的電腦算力不夠，適合運(yùn)行一般的辦公軟件。算力受處理器的運(yùn)行速度、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等因素的影響，而算力的核心在芯片。算力為大數(shù)據(jù)和人工智能的發(fā)展提供基礎(chǔ)保障，算力是人工智能發(fā)展的動(dòng)力和引擎。異構(gòu)集成與異構(gòu)計(jì)算

算力、大數(shù)據(jù)、人工智能，三者已經(jīng)有機(jī)結(jié)合成了一個(gè)智能化的整體。目前，算力的發(fā)展迫在眉睫，否則會(huì)束縛人工智能的發(fā)展。

4）異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算、算力的關(guān)系
The relationship between them

關(guān)于異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算、算力三者之間的關(guān)系，我想了想，畫了下面一張圖，大致可以來(lái)描述三者之間的關(guān)系。

異構(gòu)集成主要在封裝層面，通過(guò)先進(jìn)封裝技術(shù)將不同工藝節(jié)點(diǎn)、不同材質(zhì)的芯片集成在一起，異構(gòu)計(jì)算通過(guò)整合不同架構(gòu)的運(yùn)算單元來(lái)進(jìn)行并行計(jì)算，二者的目的都是為了提升算力。

異構(gòu)計(jì)算充分利用各種計(jì)算資源的并行和分布計(jì)算技術(shù)，能夠?qū)⒉?/span>同制程和架構(gòu)、不同指令集、不同功能的硬件進(jìn)行組合，已經(jīng)成為解決算力瓶頸的重要方式。

而要實(shí)現(xiàn)異構(gòu)計(jì)算，異構(gòu)集成和先進(jìn)封裝技術(shù)在其中扮演了關(guān)鍵的角色。異構(gòu)集成與先進(jìn)封裝技術(shù)的進(jìn)步使在單個(gè)封裝內(nèi)構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)成為了可能，能夠快速達(dá)到異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)內(nèi)的芯片所需要的功耗、體積、性能的要求，是目前技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳解決方案。

異構(gòu)集成和異構(gòu)計(jì)算追求的目標(biāo)是使計(jì)算任務(wù)的執(zhí)行具有最短時(shí)間，也就是擁有最強(qiáng)的算力。

5）異構(gòu) 時(shí) 代
異構(gòu)時(shí)代（Heterogeneous Era）

異構(gòu)技術(shù)逐漸成為主流的時(shí)代，被業(yè)界稱為異構(gòu)時(shí)代，這里的異構(gòu)既包括異構(gòu)計(jì)算也包括異構(gòu)集成。

異構(gòu)計(jì)算概念興起于上世紀(jì)80年代，其熱起來(lái)也是近十年間的事情，異構(gòu)集成概念出現(xiàn)的時(shí)間不到十年，是隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的興起而逐漸為業(yè)界所認(rèn)可。

異構(gòu)計(jì)算和異構(gòu)集成兩者的目的都為了提升算力。當(dāng)今這個(gè)時(shí)代，異構(gòu)逐漸成為一個(gè)熱門詞匯，因此被稱為異構(gòu)時(shí)代。

異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算都因?yàn)闀r(shí)代而生，這個(gè)時(shí)代，就是異構(gòu)時(shí)代。

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總結(jié)

這篇文章主要搞清楚了以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）異構(gòu)集成全稱為異構(gòu)異質(zhì)集成，主要是指封裝層面的集成，其概念是在近十年間隨著先進(jìn)封裝技術(shù)的興起而日益受到業(yè)界的重視。

2）異構(gòu)計(jì)算是指將CPU、GPU、FPGA、DSP等不同架構(gòu)的運(yùn)算單元整合到一起進(jìn)行并行計(jì)算，以提高算力。

3）算力就是計(jì)算、數(shù)據(jù)處理的能力。

4）異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算其主要目的都是為了提升系統(tǒng)的算力。

5）異構(gòu)集成、異構(gòu)計(jì)算都因?yàn)闀r(shí)代而生，這個(gè)時(shí)代，就是異構(gòu)時(shí)代。

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