碳达峰、碳中和的双碳战略是一个世界问题,也是中国的一项国家战略,中国力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。双碳战略同时也能够为世界科技和经济带来新的发展机会。2022年8月16日,在由全球知名媒体AspenCore举办的2022 IIC(国际集成电路展览会暨研讨会)上,此芯科技市场总经理徐斌先生,以“抓住CPU生态变革历史机遇,共建高能效算力解决方案”为主题分享如何如果在芯片端实现节能减排,助力双碳目标的实现。

碳达峰、碳中和的双碳战略是一个世界问题,也是中国的一项国家战略,中国力争于2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和。双碳战略同时也能够为世界科技和经济带来新的发展机会。

2022年8月16日,在由全球知名媒体AspenCore举办的2022 IIC(国际集成电路展览会暨研讨会)上,此芯科技市场总经理徐斌先生,以“抓住CPU生态变革历史机遇,共建高能效算力解决方案”为主题分享如何在芯片端实现节能减排,助力双碳目标的实现。

x86架构不适合低功耗节能减排目标

徐斌先生首先回顾和分析了x86体系的发展过程,发现在同等算力下,x86架构功耗远高于Arm架构,不利于推动节能减排,助力“碳中和”达成。

“从指令集方向我们简单回顾一下算力的发展历史,不管是手机,还是电脑领域的发展都离不开x86和Arm指令架构,这两个基本上都是上世纪70年代出现的。像我们在学生期间接触到的就是8086,到1985年全球知名的80386,以及到后面作为高性能代表的奔腾,到互联网时代的服务器,再到后来移动互联网时代, x86体系也曾努力尝试向移动互联网领域发展,Intel于2012年发布了ATOM,持续更新多代产品,但在移动终端领域一直都没有什么起色,并与2014年后逐步退出移动生态。这主要面临两个瓶颈,第一个是提供相应算力的同时功耗降不下去,第二个是移动互联网生态在x86指令集上发展并不完善。” 

▲Arm与 x86 的共存与竞争历程

Arm架构从低功耗小算力到低碳高算力

接着,徐斌又分析了Arm指令集的发展历程。

Arm指令集发展之初便是面向低功耗设计,像台灯里面的控制器或者微小控制器等领域,初期并不为消费者所熟知。到1993年的时候手机开始出现了,这个时候Arm通过授权开始在移动消费领域大放异彩。而2007年苹果手机的发布,让Arm架构再进一步,消费者发现手机不但可以作为基础的通讯工具,还可以接管日常生活管家,甚至解决部分生产力问题。这时我们发现智能手机对算力需求越来越高。2012年Arm联合微软发布了Windows RT,但是初期并不理想,主要原因是这段时间,基于Arm架构的芯片还是完全基于移动端超低功耗的需求设计的,提供的基础算力还不够优秀。2018年开始,Arm开始向服务器领域拓展,2020年Apple发布了一款全新的基于Arm指令集的PC芯片,这时Arm架构的芯片终于在PC领域、生产力市场爆发。从两个指令集的发展史可以看到,x86体系从最初的高性能高算力开始向低功耗方向拓展,而Arm本身是基于低功耗基础开始向高性能方向发展的,基于这个基础,再回过头来看Arm是怎么发展的。

“从1985年到1993年历史逐步向前演进,Arm从第一代指令集到V6指令集,主要应用领域一直是在低功耗嵌入式终端领域,算力在这个时候是无法进入大家日常生产力工具领域的,直到Arm V7、V8版本之后,我们日常开始接触越来越Arm的产品,到了2020年ArmV9指令集开始出现,集成程度逐步变高,从一开始数万到数千万到百亿规模,Arm已经可以支撑PC,智能汽车,数据中心等高性能的需求,并在逐步被各领域所接受,那么我们看一看它是怎么一步一步走过来的。”

▲Arm全面进化低碳算力更绿色

“上面说的是它的能效比算力逐步上来了,如果只是算力上来了,在整个领域还是没法发展的。而在Arm发展过程中,其高能效比也逐步被业界巨头发现,并逐步开始建设Arm生态。从微软开始,他希望生产力工具尽量做到高能效比,为终端用户提供更好的体验,从而联合高通共同打造软硬件生态,而苹果到2022年将全系列终端产品全部迁移到Arm架构。而谷歌也看到这个机会,并给予本身Android对Arm的良好支持,推出了基于Arm架构的ChromeOS。当然业界的其他具体也在这个时间开始发力Arm架构体系,亚马逊公司开始在推出一系列针对服务器的产品,英伟达、联想都开始向这个领域发力。而在软件生态领域,除了2012年Windows系列以及2020年的苹果M1系列产品支持这个体系,2021年之后国内也开始逐步完善对Arm架构体系的支持,麒麟等软件系统也发布了支持Arm架构桌面操作系统。”

“上面说到了Arm体系的软硬件生态逐步成熟起来,我们再看一个市场现象。PC领域2020-2022年出货量整体是逐步下滑的,但是2022年第二季度苹果是业界唯一实现正增长的供应商,这是为什么呢?从表面上看是苹果提供了更好的产品,但是为什么在基于Arm的M1发布之后才出现量、价同步大幅度提升呢?究其根源,还是在Arm的高能效比帮助下,可以让Apple在相同资源消耗的情况下可以为用户提供更长久的应用时间和更流畅的使用体验。”

从上面Arm指令集的发展过程可以看到,最初的Arm架构专注低功耗芯片,无法满足高算力的计算场景。但是从Arm架构逐步在PC生产力和服务器领域被广泛接受,标志着Arm已经进化到了低碳高算力时代。

通过业界长期发展分析可以发现,算力大幅度提升,往往依赖更佳平台优化和工艺制程进步。前几十年,算力的进步很大程度是依赖于制程进步,从90纳米到5纳米、3纳米,每一代工艺制程的发布,都会推动算力的进一步提升。但是现在业内也面临一个共同的难题,半导体发展将进入后摩尔时代,工艺制程的进步不能再像以前一样保证晶体管集成数目每18个月或24个翻一番。现在制程的每一次更新,成本和投入的精力远超以往,但是带来的能效比和集成度提升却很有限,这时候设计优化就成了大家重点关注的方向,比如CPU内核微架构,SoC架构,更加精细化的PPA管控等等。

异构计算需求凸显

随着应用场景和市场需求的功能越来越复杂,为了应对多元化计算的需求,异构计算将成为未来发展的方向。异构计算可以分为多个级别,SoC芯片级异构、系统级异构及平台级机构。这些类型可以满足各种各样的市场需求,AI人工智能,数据中心、互联网、通信、金融、交通、云游戏、5G等等领域。但是随之也带来了诸多挑战,比如说芯片级架构和工艺如何协同研制,系统级和平台级涉及到服务器管道多方协调打通异构计算,挑战意味新的发展机遇,随着端边云协同等计算需求的出现,异构计算也逐步走向前台。

“对于日常生活来讲,主要接触到的端侧SoC异构计算架构。在集成电路发展初期,如何满足生产力需求是考虑的主要方向,这个阶段单一通用的CPU可以满足很多领域的需求,比如说用Word等文本工作,这对算力需求并不大。随着集成电路的逐步发展,大家已经不仅仅满足于基础的生产力需求,逐步延伸出了影音、游戏等娱乐需求,这时,单一的通用CPU开始出现了效率和算力瓶颈,专用GPU就出现了,这也是初步的异构计算。随着时代与科技的进步,车载计算、元宇宙、智慧行业、AIoT、云计算等领域的发展,需求和场景逐步多样化。这个时候异构计算要考虑CPU、GPU、NPU,通过融合去计算,让通用计算芯片高效满足各个使用场景的需求。” 徐斌表示。

异构计算面临着端边云各个领域,针对嵌入式领域更多是汽车、白色家电、穿戴和工业控制器等领域,据预测到2029年会有比较大的发展,市场占比比较高。

从端侧到移动端可以看到手机、笔记本电脑,预测到2029年会达到890亿美金,网络及服务器端Arm体系2029年会达到670亿美金,可以看到,随着生态的成熟,Arm架构有机会成为统一的算力基础。

从业内专业研究机构的报告中不难发现,Arm架构从2020年起在PC领域开始出现小的爆发,2024年PC领域会进入爆发期, Arm在诸多领域会逐步取代x86,如服务器和PC领域,同时作为工业集大成者--智能汽车的出现,将进一步构建Arm架构体系在整个生态领域的主导地位。

为什么会有这个预期?

徐斌分析道,“针对通用计算领域,当终端消费品逐步切入到Arm以后,服务器领域需要逐步适配,采用x86架构的服务器,在端边云统一协调的时候效率并不能达到最优,可以看到Arm在高算力领域空间是因为生态逐步发展起来之后相互推动和相互协调的结果,而并不是单一领域的发展。” 

接着,作为此芯科技的市场总经理,徐斌介绍了基于此分析和趋势下此芯科技研发的产品,并结合当下双碳战略进行了能耗分析。

此芯科技:专注通用智能CPU,智能化节能减排

“此芯科技成立于2021年10月,专注于设计和研发通用智能CPU芯片,提供高能效的端边云混合智能算力平台。我们发现这个机会并不是偶然的,其实我们在CPU设计、SoC、全栈软件开发设计领域都有深厚的技术积累,我们的CTO来自于苹果资深架构师。” 徐斌介绍道。

此芯科技第一代产品CIX SoC,可以覆盖从6-15瓦功耗区间,譬如针对PC和智能出行领域更多是要求提供比较好的算力支持,使得在工作的时候不会因算力而产生影响,这时SoC会基于15W功耗提供尽可能好的性能;对于平板和VR,既要求便携,又要求长时间使用,这个时候对功耗要求极高,此时,CIX通过优化后可以降低到9W功耗,提供长时间使用的体验。这些不同场景下的功耗自动调节,智能化节能减排都是基于同一款芯片实现的。

要实现一款芯片覆盖这么多复杂场景,这里面就涉及到多核异构的架构。

此芯科技第一代产品CIX Gen1 SoC性能与功耗及应用场景

此芯科技的第一代产品集成了多核CPU、GPU,还有VPU,安全模块,Sensor Hub等等,通过先进架构的CPU设计提供更高效的通用计算能力,针对不同应用场景需求,通过专用模块,进一步提升SoC系统能效和适配场景。通过异构高集成,整体能效比高,从这个角度来说可以助力碳中和的达成。

此芯科技CIX Gen1 SoC节能减排:节省电力40%,减碳10Kg/片/年

多核异构设计的目的是在相同设计情况下尽可能去降低SoC功耗。通过初步测算,对比市场上的主流芯片,使用此芯科技第一代通用智能芯片可节省约40%的电力;据中国燃煤系统碳排放强度得出,每使用一片CIX SoC,每年将减少约达10kg的二氧化碳排放。当然从单颗芯片大家的感受并不深刻,但联想到通用计算市场通常是亿颗的规模时,通过提供更优秀的能效比,带来的价值就非常可观了。

在后续产品的研发设计中,此芯科技将始终注重能效比的提升,希望通过进一步提升能效更好地节约社会资源,为实现双碳目标提供绿色高效算力。

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