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李国杰院士:计算机和微电子学科应紧密结合

2023-11-21   中国科学报   阅读量:293

    文 | 《中国科学报》 记者 刁雯蕙

    近日,在深圳召开的第25届高新技术成果交易会高性能芯片设计与制造高峰论坛上,中国工程院院士、中国科学院计算技术研究所研究员李国杰指出,随着人工智能(AI)技术的进一步发展,解决算力需求“剪刀差”难题、实现微电子新器件突破迫在眉睫。同时,他还呼吁推动计算机与微电子学科相结合,为我国培养更高质量的芯片人才。

数据、模型和算力缺一不可

    芯片是信息社会的基石。随着AI技术的迅速发展,算力成为主流AI不可或缺的一环。而算力的基础是芯片,没有芯片,AI也就无法实现。有数据显示,我国AI算力规模在2026年将达到1271 EFLOPS;2021年全球图形处理器(GPU)市场规模为 335亿美元,预计2030年将达到4774亿美元。

    “有人开玩笑说,目前信息领域的形势是——软件在吞噬世界,AI在吞噬软件,深度学习在吞噬AI,GPU在吞噬深度学习。这是片面的观点,但在一定程度上反映了芯片的重要性。”李国杰说。

    近年来,算力和芯片备受关注,因为AI已进入重大转折期,以生成式AI为代表的新技术将AI推向了一个新高度。人们如同在黑暗的森林中看到了一线曙光,有一批学者、企业家和投资者坚信,人类可能发现了一条通往智能时代的羊肠小道,而拓宽这条小道最基本的投入就是提高算力,因此能提高算力的芯片必然受到青睐。

    李国杰指出,尽管人类已经在向智能时代迈进,但至今还没有弄明白智能和计算之间的关系。即使是图灵机模型,也只是历史上提出的多种计算模型之一。

    他表示,计算的复杂性与计算模型密切相关。最近推出的大语言模型能够有效处理自然语言生成、模式识别等图灵模型中的非确定性多项式难题,说明神经网络模型在某些类型问题上已突破了传统图灵机模型的局限。近两年AI的红火,表面上是“算力出奇迹”,本质上是计算模型的重大转变。

    “人脑的算力并不高,AI未必需要非常高的算力。目前的‘算力出奇迹’可能是AI技术发展过程中的一幕。为了在这一阶段不掉队,我们必须大力发展算力,要特别重视支持算力的芯片,但同时要关注发展AI的其他方面。”李国杰说,“这两年训练大语言模型的算力增加了265倍,每3个月翻一番。如果这种发展速度延续10年,算力就要增加一万亿倍,必然耗尽全世界的资源和能源,这是绝对不可能发生的事。”

    实际上,AI的发展取决于数据、模型和算力三大因素,这三者都至关重要,缺一不可。算力的提高主要依赖于芯片和系统结构的改进。过去半个多世纪以来,计算机系统性能的提升大约有一半归功于微电子技术的进步,即摩尔定律。而另一半则源于系统结构与软件的优化。“在未来20年内,系统结构创新的贡献可能会超过芯片本身。”李国杰说。

    如果算力能够以比摩尔定律更快的速度提高,那么大模型所需的大算力就不成问题。然而,摩尔定律已经接近物理极限,半导体器件的进步和超级计算机每10年提高1000倍的发展速度,远远无法满足日益增长的算力需求,这是当前信息科技面临的主要挑战。

    对此,李国杰说:“要么改变AI的模型和算法,要么改变微电子器件和计算机的原理与结构。因此,研发能够满足算力需求的微电子新器件迫在眉睫。”

    微电子器件的功能不限于提高算力,微电子构成的复杂系统可能涌现出想象不到的功能,微电子提供的存储、记忆、联想及控制功能与算力一样重要。

    智能可以“算”出来、“猜”出来,也可以通过复杂系统“联”出来。

    如何提高芯片的算力?李国杰指出,这不仅可通过增加乘加运算器一条路来实现,存算一体技术、减少数据搬运、消除存储墙等途径可能更为有效。此外,模拟计算、量子计算、光学计算和生物计算等前沿技术也提供了新思路。“过早锁定技术路线可能失去更好的机会。”

人才短缺制约芯片发展

    谈及芯片人才培养问题,李国杰在接受《中国科学报》采访时指出,人才短缺是制约芯片发展的重要因素。集成电路产业不仅缺乏领军人才和骨干人才,还缺乏一般的工程技术人才,这也反映了集成电路人才培养体系已不适应产业的发展。

    据统计,目前国内芯片行业从业人员约有63万人,人才缺口在26万人左右。

    “缺乏芯片人才的原因主要是历史欠账太多。”李国杰表示,长期以来,我国信息领域头重脚轻、基础不牢,大部分人才都走向互联网应用企业。在我国高校中,一方面,与微电子有关的大部分院系,师资力量薄弱、人才供应不足。另一方面,在人才培养方式上,没有按照芯片人才的需求进行培养,高校比较偏向基础理论教育,学生的实践能力和动手能力较为欠缺。

    对此,李国杰指出,培养芯片人才需要紧密结合计算机和微电子两个学科。“世界顶尖大学的计算机学科和微电子学科大多是在同一个院系。相比之下,我国这两个学科长期脱钩,不利于集成电路产业的发展。”

    他以微电子中的电子设计自动化(EDA)软件工具为例说:“如果说集成电路是皇冠,那么微电子中的EDA工具就是皇冠上的宝石。EDA软件工具在逻辑设计、物理设计、加工生产的过程中,凝结了人类对物理世界和信息空间的认识。集成电路的发展水平基本上取决于EDA软件的发展水平。没有计算机领域的人才参与,仅凭微电子领域的人才无法完成EDA工具的开发。”

    李国杰提到,仅靠器件层面的创新,无法既降低能耗又提高性能,必须从跨层设计入手,才能达到相关优化目标。只有将新型器件特性与电路、结构、应用特性结合,将新型器件与计算算法结合,才能走出困境。在逆全球化盛行的新环境下,我国要更加重视芯片的设计以及系统结构和软件的创新,争取在低世代工艺的条件下,研制生产出与国外高世代工艺水平相当的芯片。

    《中国科学报》 (2023-11-21 第1版 要闻)