異構集成 與 異構計算

導 讀

這篇文章主要為了搞清楚以下幾個問題：1）什么是異構集成？2）什么是異構計算？3）什么是算力？4）異構集成、異構計算、算力的關系？5）什么是異構時代？

1）異 構 集 成

異構集成（Heterogeneous Integration）

異構集成通常和單片集成電路（monolithic）相對應，我們常見的芯片都是單片集成電路，它們屬于同構集成（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）的偉大夢想，并最終成為現(xiàn)實，進而推動了信息技術的巨大進步，對人類文明的進步也產(chǎn)生重大影響。

異構集成和同構集成二者并不相互排斥，所有異構集成的單元都是同構集成。

異構集成（Heterogeneous Integration）準確來講，全稱為異構異質(zhì)集成，異構集成可看作是其漢語的簡稱，這里，我們將其分為異構(HeteroStructure)集成和異質(zhì)(HeteroMaterial)集成兩大類。

 HeteroStructure  Integration 

HeteroStructure Integration（異構集成）主要指將多個不同工藝節(jié)點單獨制造的芯片封裝到一個封裝內(nèi)部，以增強功能性和提高性能，可以對采用不同工藝、不同功能、不同制造商制造的組件進行封裝。例如將不同廠商的7nm、10nm、28nm、45nm的小芯片通過異構集成技術封裝在一起。

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，在芯片庫里將不同工藝節(jié)點的Chiplet小芯片通過異構集成技術組裝在一起。

 HeteroMaterial  Integration 

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

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

過去，出于功耗、性能、成本等因素的考慮，集成首先在單片上實施，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。得益于先進封裝與芯片堆疊技術的創(chuàng)新，設計人員可以將系統(tǒng)集成至單個封裝內(nèi)形成SiP，這就推進了異構異質(zhì)集成的發(fā)展。

下圖所示 Intel 的Co-EMIB技術就屬于典型的異構集成技術。

今天，Heterogeneous Integration 異構異質(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，是在近十年間隨著先進封裝技術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)集成中最受關注的環(huán)節(jié)。

2）異 構 計 算

異構計算（Heterogeneous Computing）

異構計算是指將CPU、GPU、FPGA、DSP等不同架構的運算單元整合到一起進行并行計算。

例如，CPU擅長管理和調(diào)度，比如讀取數(shù)據(jù)，管理文件，人機交互等；GPU管理弱，運算強，更適合整塊數(shù)據(jù)進行流處理的算法；FPGA實時性高，能管理能運算，但是開發(fā)周期長，復雜算法開發(fā)難度大；DSP適合特定算法的計算等。

當人工智能等海量計算訴求到來之后，GPU、FPGA、DSP去配合CPU進行計算的使命就自然而然的產(chǎn)生了，這就是異構計算。

異構計算技術從上世紀80年代中期產(chǎn)生，由于能有效獲取高計算能力、可擴展性好、資源利用率高、發(fā)展?jié)摿Υ螅殉蔀椴⑿杏嬎泐I域中的研究熱點。

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

3）算 力

算力（Computing Power）算力，顧名思義就是計算能力。算力原本是比特幣處理能力的度量單位，即為CPU計算哈希函數(shù)輸出的速度?，F(xiàn)在已經(jīng)成為一個描述計算能力的通用名詞。算力存在于各種硬件設備中，沒有算力就沒有軟硬件的正常應用。高配置的電腦算力更高，可以運行復雜大型的軟件，低配置的電腦算力不夠，適合運行一般的辦公軟件。算力受處理器的運行速度、存儲、網(wǎng)絡等因素的影響，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)展提供基礎保障，算力是人工智能發(fā)展的動力和引擎。

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

4）異構集成、異構計算、算力的關系

The relationship between them

關于異構集成、異構計算、算力三者之間的關系，我想了想，畫了下面一張圖，大致可以來描述三者之間的關系。

異構集成主要在封裝層面，通過先進封裝技術將不同工藝節(jié)點、不同材質(zhì)的芯片集成在一起，異構計算通過整合不同架構的運算單元來進行并行計算，二者的目的都是為了提升算力。

異構計算充分利用各種計算資源的并行和分布計算技術，能夠?qū)⒉煌瞥毯图軜?、不同指令集、不同功能的硬件進行組合，已經(jīng)成為解決算力瓶頸的重要方式。

而要實現(xiàn)異構計算，異構集成和先進封裝技術在其中扮演了關鍵的角色。異構集成與先進封裝技術的進步使在單個封裝內(nèi)構建復雜系統(tǒng)成為了可能，能夠快速達到異構計算系統(tǒng)內(nèi)的芯片所需要的功耗、體積、性能的要求，是目前技術能夠?qū)崿F(xiàn)的最佳解決方案。

異構集成和異構計算追求的目標是使計算任務的執(zhí)行具有最短時間，也就是擁有最強的算力。

 5）異 構 時 代

異構時代（Heterogeneous Era）

異構技術逐漸成為主流的時代，被業(yè)界稱為異構時代，這里的異構既包括異構計算也包括異構集成。

異構計算概念興起于上世紀80年代，其熱起來也是近十年間的事情，異構集成概念出現(xiàn)的時間不到十年，是隨著先進封裝技術的興起而逐漸為業(yè)界所認可。

異構計算和異構集成兩者的目的都為了提升算力。當今這個時代，異構逐漸成為一個熱門詞匯，因此被稱為異構時代。

異構集成、異構計算都因為時代而生，這個時代，就是異構時代。