在人工智能大模型飛速發(fā)展、算力需求呈指數(shù)級增長的當(dāng)下，中國芯片產(chǎn)業(yè)正面臨三個核心痛點(diǎn)。芯片先進(jìn)工藝技術(shù)封鎖疊加傳統(tǒng)架構(gòu)的固有局限，讓算力密度、軟硬件生態(tài)、數(shù)據(jù)帶寬成為制約產(chǎn)業(yè)升級的“三座大山”。
36氪獲悉，微納核芯在RISC-V存算一體產(chǎn)業(yè)論壇暨應(yīng)用組啟動大會上介紹的3D-CIM（三維存算一體）技術(shù)，與開源靈活的RISC-V架構(gòu)深度融合，正成為突破困境、推動國產(chǎn)芯片迭代的核心路徑。
1.國產(chǎn)芯片產(chǎn)業(yè)的“三座大山”
1）先進(jìn)工藝缺失下，算力密度瓶頸
當(dāng)前國產(chǎn)3nm/5nm先進(jìn)工藝仍處于研發(fā)階段，短期內(nèi)難以量產(chǎn)，傳統(tǒng)工藝的芯片若沿用馮?諾依曼架構(gòu)，算力密度較低，遠(yuǎn)無法滿足千億參數(shù)大模型的運(yùn)行需求。
2）開發(fā)生態(tài)寄生下，軟硬件生態(tài)瓶頸
國內(nèi)AI芯片產(chǎn)業(yè)長期依賴美西方閉源生態(tài)，尤其是CUDA生態(tài)幾乎壟斷了AI模型訓(xùn)練與推理的軟件鏈路。一旦外部生態(tài)受限，即使企業(yè)擁有高性能芯片，也會面臨有硬件無軟件的困境。
3）傳統(tǒng)馮氏架構(gòu)下，軟硬件帶寬瓶頸
傳統(tǒng)馮?諾依曼架構(gòu)下，計(jì)算與存儲單元分離，數(shù)據(jù)需通過總線頻繁搬運(yùn)，形成“存儲墻”瓶頸。當(dāng)大模型參數(shù)規(guī)模達(dá)千億級時，數(shù)據(jù)搬運(yùn)量呈指數(shù)級增長，帶寬不足會導(dǎo)致推理效率驟降。
2.三維存算一體技術(shù)可破局
作為對上述芯片行業(yè)痛點(diǎn)的回應(yīng)，9月9日，杭州微納核芯首席科學(xué)家葉樂教授在RISC-V存算一體產(chǎn)業(yè)論壇暨應(yīng)用組啟動大會上，作了關(guān)于《三維存算一體3D-CIM：賦能RISC-V AI生態(tài)》的報(bào)告。
他表示，三維存算一體技術(shù)可以理解為在儲存器中嵌入計(jì)算能力，是在人工智能大模型對算力需求呈指數(shù)級增長的背景下應(yīng)運(yùn)而生的創(chuàng)新芯片技術(shù)。該技術(shù)可以通過SRAM存算一體+DRAM三維堆疊在存儲器內(nèi)完成計(jì)算，可以從根本上消除數(shù)據(jù)搬運(yùn)開銷，被視為后摩爾時代延續(xù)算力增長的核心路徑。
三維存算一體技術(shù)的核心突破在于SRAM存算一體設(shè)計(jì)，通過將計(jì)算單元與存儲單元融合，在存儲器內(nèi)原位完成張量計(jì)算（AI場景中占比99%的計(jì)算任務(wù)），能大幅提升算力密度。經(jīng)中芯國際多次流片驗(yàn)證，可以在22nm工藝下實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)NPU/GPU在7nm下相當(dāng)?shù)乃懔γ芏?，?jì)算能效提升5-10倍。在成本方面，基于全國產(chǎn)供應(yīng)鏈，該22nm SRAM存算一體芯片相較于7nm芯片成本降低4倍。
該三維存算一體技術(shù)的核心研發(fā)團(tuán)隊(duì)，由微納核芯首席科學(xué)家葉樂領(lǐng)銜，匯聚芯片設(shè)計(jì)、架構(gòu)創(chuàng)新領(lǐng)域頂尖人才。團(tuán)隊(duì)深耕存算一體領(lǐng)域十余年，在“集成電路設(shè)計(jì)國際奧林匹克會議”ISSCC上近六年持續(xù)發(fā)表14篇突破當(dāng)前世界紀(jì)錄的AloT芯片實(shí)測成果，其成果入選“2021年度ISSCC最佳芯片展示獎”（為國內(nèi)首次斬獲，與美國Intel公司芯片等一起獲獎）和“2024年度ISSCC最佳論文獎”（也為國內(nèi)首次斬獲）。
3.三維存算一體技術(shù)的生態(tài)與應(yīng)用前景
此外，開源、靈活的RISC-V架構(gòu)可以與三維存算一體技術(shù)形成天然互補(bǔ)。二者融合，既能精準(zhǔn)滿足AI大模型對高并行、低功耗計(jì)算的需求，也能有效緩解外部工藝封鎖壓力，為國產(chǎn)芯片技術(shù)迭代與性能提升構(gòu)建良性循環(huán)。
RISC-V是源于加州大學(xué)伯克利分校的開源指令集架構(gòu)，其核心優(yōu)勢在于“開放、靈活、可擴(kuò)展”——不同于X86（閉源壟斷）、ARM（授權(quán)收費(fèi)），RISC-V允許全球開發(fā)者自由修改、擴(kuò)展指令集，且無需支付高昂授權(quán)費(fèi)用。
作為RISC-V存算一體應(yīng)用組組長單位，微納核芯正聯(lián)合產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)，推動三維存算一體技術(shù)與RISC-V架構(gòu)的生態(tài)化落地。
微納核芯把三維存算一體技術(shù)的應(yīng)用前景分為短期、中期和長期。短期先進(jìn)入端側(cè)大模型應(yīng)用，賦能大模型AI手機(jī)、大模型AIPC等終端設(shè)備。中期則向云端大模型應(yīng)用拓展，3D-CIM芯片與國產(chǎn)CPU/GPU結(jié)合，有機(jī)會繞過甚至超越英偉達(dá)標(biāo)桿方案，為云端大模型訓(xùn)練與推理提供更具競爭力的算力支撐。遠(yuǎn)期將進(jìn)軍新型的具身智能（AI機(jī)器人）應(yīng)用領(lǐng)域。
在應(yīng)用端，微納核芯已與多家手機(jī)龍頭企業(yè)、PC龍頭企業(yè)、服務(wù)器龍頭企業(yè)開展合作；在供給端，聯(lián)合國產(chǎn)工藝龍頭企業(yè)、RISC-V合作方、國內(nèi)存儲器龍頭企業(yè)等，整合產(chǎn)業(yè)鏈資源，加速三維存算一體技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場。
（作者：馮亞玲）