曾經(jīng)，摩爾定律是推動芯片設計飛速變革的隱形推手，但如今隨著物理和經(jīng)濟極限的逼近，它已漸漸不再適用。

尤其是隨著AI計算浪潮的崛起，芯片設計面臨著諸多挑戰(zhàn)，迫切需要一場全新的深度變革，從多個層次重構，才能滿足當下、適應未來。

憑借35年來在SoC芯片設計領域的豐富經(jīng)驗與深厚積累，Arm一直走在芯片技術革命的前沿，從移動芯片到再到定制芯片莫不如此。

近日，Arm解決方案工程部執(zhí)行副總裁 Kevork Kechichian分享了Arm對于AI時代芯片設計變革的深度思考，并從多個角度提出了下一步的走向。

摩爾定律早在1965年就誕生了，尤其是在20世紀八九十年代，它持續(xù)且精準地指導著芯片和半導體行業(yè)的快速迭代，推動了芯片和其他組件的小型化、移動化，行業(yè)呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象，這也為Arm的發(fā)展提供了廣闊空間，使其開始大展拳腳。

從20世紀90年代中期的移動芯片組崛起，到21世紀初期SoC系統(tǒng)級芯片的繁榮，技術的演進歷程推動了整個移動行業(yè)的繁榮發(fā)展，SoC也逐漸滲透至更多領域，甚至包括對性能、擴展性要求極高的數(shù)據(jù)中心。

AI時代來臨，隨著計算負載規(guī)模、復雜性的持續(xù)攀升，能源消耗、成本劇增的壓力越來越大，這顯然并非可持續(xù)發(fā)展之路，計算能效、定制化、平臺化等正受到越來越高的重視。

能效無疑是其中最為核心的關鍵點。從芯片設計的角度來看，最主要的能耗來源有兩個：計算和數(shù)據(jù)傳輸。此外，還需要對過程中所產(chǎn)生的熱量進行冷卻處理。

AI對于算力的渴求，導致芯片功耗呈現(xiàn)爆炸式增長趨勢，比如NVIDIA最新的Blackwell B200 AI芯片，其功耗可能將達到1千瓦。

權威機構高盛也預測，AI將推動數(shù)據(jù)中心的電力消耗快速增長160％，為一座大型數(shù)據(jù)中心配備一座專門的發(fā)電廠并不是開玩笑。

更不要提這對于環(huán)境的破壞……

為此，整個行業(yè)都在進行各種新的探索嘗試，從多角度解決能耗問題，包括但不限于：更高效的芯片設計、更深層次的架構與指令集創(chuàng)新、更小尺寸和更高效率的AI模型、云邊端結合的AI執(zhí)行，等等。

AI 驅動的網(wǎng)絡威脅 - 來源：DarkTrace—2024 年 AI 網(wǎng)絡安全狀況報告

與此同時，安全威脅也在AI時代日益突出。

DarkTrace 2024年公布的一項調(diào)查報告，接近74％的受訪者表示AI驅動的網(wǎng)絡威脅已帶來顯著沖擊，60％的受訪者擔心尚未做好充分準備應對這類威脅與攻擊。

311研究所甚至提出，“我們已經(jīng)到達了這樣一個階段：完全自主的智能體 AI 網(wǎng)絡攻擊能夠自我進化、識別系統(tǒng)漏洞，并發(fā)動復雜攻擊?！笨苹弥械膱鼍耙呀?jīng)開始成為現(xiàn)實。

在一個實際案例中，一種AI攻擊不到2分鐘就通過串聯(lián)零日漏洞，攻破了軍用級系統(tǒng)。

這意味著，如今的安全防御已不再僅僅是對抗傳統(tǒng)惡意軟件的問題，而是要為一個AI本身就是攻擊者的未來做好準備。

為此，Arm和其他芯片企業(yè)在現(xiàn)代SoC中集成了越來越多層次的安全機制，協(xié)同工作抵御各種威脅，包括但不限于：嵌入式加密保護、機密計算架構(CCA)、硬件信任根(RoT)、安全飛地、可信賴執(zhí)行環(huán)境(TEE)、安全內(nèi)存管理單元(MMU)、內(nèi)存擴展標記(MTE)、PSA認證、定制芯片安全標準，等等。

同時，行業(yè)正在不斷加大對硬件級安全的投入，通過構建具備信任根和標準化安全機制的系統(tǒng)，抵御AI驅動型攻擊。

可以說，AI正在深刻影響著芯片設計。由于AI負載的興起，尤其是它的多樣化、復雜化，正在從根本上改變芯片的設計方式，特別需要針對大規(guī)模并行處理、內(nèi)存帶寬優(yōu)化的差異化架構。

具體來說，AI時代的芯片設計，迫切需要新型的專用加速器架構、內(nèi)存子系統(tǒng)的創(chuàng)新與突破、能效的高度聚焦、封裝與集成方式的演進。

Arm在報告中提出，未來的芯片，將具備幾個鮮明的特點：不同技術與路徑的深度集成、更成熟的電源管理技術、更緊密的生態(tài)系統(tǒng)協(xié)作、內(nèi)存架構與集成方式的創(chuàng)新、面向AI及其他高性能計算需求的專用解決方案。

同時不容忽視的是，除了設計芯片服務AI，AI也在服務芯片設計，AI正成為芯片設計流程中不可或缺的一部分，比如機器學習(ML)技術正廣泛應用于布局布線、能耗優(yōu)化等各個設計環(huán)節(jié)。

由此，形成了一個有意思的反饋回路——AI正在協(xié)助設計用于運行AI工作負載的芯片本身。

基于此，Arm提出了五個清晰可辨的芯片設計大趨勢.

一是協(xié)作深化：

現(xiàn)代芯片設計日益增加的復雜性，要求IP提供商、晶圓代工廠、封裝廠、系統(tǒng)集成商之間，建立更加緊密的合作關系，因為沒有一家公司能夠獨立完成所有工作。

二是聚焦系統(tǒng)：

芯片成功的關鍵，不再是單一組件的優(yōu)化，而是對系統(tǒng)進行整體優(yōu)化，包括計算、內(nèi)存、電源管理、散熱管理等各個方面。

三是標準化：

為了實現(xiàn)真正模塊化的芯片設計，靈活、高效匹配不同的負載和場景，業(yè)界必須制定新的標準，包括芯粒接口、電源管理、散熱管理等。

四是能耗感知設計：

從架構設計到具體落地，芯片設計的每一個環(huán)節(jié)，都必須以高能效為核心進行考量，不能單純追求性能而無視能耗問題。

五是專用化：

差異化的工作負載，將催生更多專用架構，推動芯片設計走向多元化。

尤其是在架構設計方面，正因為它決定了一款芯片幾乎所有方面的表現(xiàn)，包括性能、能效、安全、靈活性、發(fā)展?jié)摿Φ鹊?，所以更加至關重要，AI時代的芯片架構設計自然需要及時轉變。

AI負載對計算的需求與以往截然不同。Arm堅信，只有通過異構計算，也就是CPU、GPU、加速器及網(wǎng)絡等技術的共生協(xié)作，才能最大程度地滿足AI驅動的算力增長需求，而Arm計算平臺就是這樣的一個行業(yè)優(yōu)解。

異構計算方面，基于Arm架構的CPU，正在成為GPU、NPU、TPU等AI加速器的理想搭檔，既能高效管理數(shù)據(jù)流和計算任務，又不會遇到瓶頸。

推理效率方面，大型AI模型的訓練通常依賴高性能GPU，而對于端側和數(shù)據(jù)中心的推理任務，Arm的高能效處理器就非常適合。

可擴展性方面，Arm架構支持CPU、GPU與專用加速器的無縫集成，可以組成優(yōu)化到位的AI系統(tǒng)。

可以說，芯片架構如今已經(jīng)成為決定AI系統(tǒng)能效、性能的關鍵要素。Arm正是憑借創(chuàng)新、定制、高能效的獨特優(yōu)勢，成為行業(yè)的核心力量。

創(chuàng)新方面，Arm定期發(fā)布新CPU架構及支持功能，專注于推動定制芯片發(fā)展，確保與不斷演進的AI工作負載需求保持同步。

定制化潛力方面，隨著AI模型在復雜度和規(guī)模上的不斷增長，Arm架構的靈活性使其能夠針對特定AI任務打造專用解決方案。

能效方面，基于Arm架構處理器的高能效特性，使其在管理大規(guī)模AI部署的總擁有成本方面，展現(xiàn)出更高的價值。

當然，單純的硬件是不能解決任何問題的，軟件的協(xié)同至關重要，可以說AI發(fā)展的未來就在于軟件與硬件的深度融合與協(xié)同發(fā)展。

比如AI框架之間的互操作性、AI模型向定制硬件的移植、AI開發(fā)中的標準化、各種新的數(shù)據(jù)類型的處理，以及各種開發(fā)工具的適配，都給行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)。

Arm致力于支持能與所有主流AI框架廣泛兼容的芯片解決方案，從而確保Arm計算平臺能夠與多樣化的AI工具無縫集成，使開發(fā)者在擁有軟件靈活性選擇的同時，還能充分利用Arm架構芯片卓越的性能和能效。

對于AI軟件的開發(fā)，Kevork也提出了四點關鍵建議：

一是善用廣泛的通用工具，有助于簡化開發(fā)流程，減少開發(fā)碎片化，從而加速結果落地、降低成本。

二是提供預構建的后端支持，為定制芯片提供“開箱即用”的兼容性，從而加快其落地。

三是保持對上游的貢獻，積極開發(fā)開源框架，從而確保兼容性，避免技術發(fā)展停滯不

前。

四是緊跟框架演進步伐，隨著AI框架的快速演進，保持與最新技術同步對于維持競爭力至關重要。

當下，半導體行業(yè)正處于一個重要的轉變時刻。傳統(tǒng)的摩爾定律和制造工藝縮放技術已經(jīng)陷入瓶頸，定制芯片、芯粒等創(chuàng)新方案正煥發(fā)全新活力。

AI時代的到來，更是對整個芯片行業(yè)提出了全新的考驗，需要上下游企業(yè)摒棄以往的傳統(tǒng)觀念，針對AI負載的突出特點，重新思考芯片的架構、性能、能效、安全、軟件工具等各方面如何協(xié)同設計才能達到最佳成果。

正如Kevork所總結，計算的未來，尤其是AI的未來，取決于我們能否持續(xù)突破芯片技術的極限。

未來幾年，半導體行業(yè)如何持續(xù)創(chuàng)新以適應AI需求，將變得至關重要。只有通過整個生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)作，才有可能達成最理想的境界，既能釋放AI的變革潛力，又能有效控制復雜度、能耗和成本，從而通過AI讓我們的世界變得更加美好。