暑期产业实践| 人工智能课题组:芯发展——AI芯片的创新与制造

ON2018-08-27文章来源 8040comCATEGORY资讯

随着科技的发展,人工智能在新科技革命和产业变革中的作用越来越重要,人工智能基础研究、类脑研究、人机协同增强智能、群体集成智能等代表未来科技和产业发展方向的技术领域均实现重大突破,人工智能也越来越多的出现在大家的生活中,人工智能产业的快速发展,是由于海量激增的数据以及在摩尔定律影响下不断提升的计算能力,而无论是海量数据的获取和存储还是计算能力的体现都离不开硬件载体——芯片。因此,人工智能芯片是当前日益发展的人工智能产业中颇具战略地位的一个环节,也是近两年人工智能领域最受关注的方向。

前期调研

半导体产业链可分为上游支撑产业链、中游核心产业链以及下游需求产业链。其中,支撑产业链包括材料、设备、洁净工程等,为IC 产品的生产提供必要的工具、原料和生产环境。核心产业链包括半导体产品的设计(芯片设计)、制造(前道工序的晶圆加工)和封装测试(后道工序封装和测试)。 从全球产业链分布而言,芯片设计、晶圆制造和封装测试的收入约占产业链整体销售收入的27%、51%和22%。我国IC设计与制造水平与国外差距较大,赶超需要时间的积累。封测相对而言壁垒较低,国内发展较快。

在芯片设计环节,IC 设计处于价值链高端,毛利率高,但主要为欧美日韩企业垄断。2014-2016年间大陆IC设计企业数量翻倍,但产品较为低端。在核心领域,如智能手机AP、BP 等芯片上与台湾IC 设计企业如MTK 等的差距较大。IC 设计具有依靠经验积累的特殊性,对人才和专利的倚重程度最高,需要IC设计企业不断修炼内功,赶超需要时间的积累。

在芯片制造环节,IC 制造属于资产和技术密集型产业,企业为保持竞争力而每年用于采购设备等资本性开支比例很高。早期进入的英特尔、SAMSUNG、台积电凭借其先发优势获取市场份额,赚取高额利润,后将部分利润投入研发,取得技术上的领先,从而形成市场上强者恒强的局面。2017年国内最先进的芯片制造厂商中芯国际(SMIC)市占率仅6%,最先进的工艺为28纳米。台积电市占率则高达59%,7纳米芯片已经进行试产。在制造端,大陆目前还在落后位置。

在芯片封测——半导体制造的最后环节,其属于劳动密集型,技术含量最低,国内发展较快。在长电科技收购完星科金朋后,其全球排名已上升至第三位。

芯片是怎样制成的——初访华力微电子

8月1日下午,在邹新波老师的带领下,30名选择人工智能高性能芯片课题的同学乘车来到上海华力微电子有限企业进行参观。

在华力企业上海集成电路研发中心大楼里,市场营销部的James Yang部长以“AI Basic Theory & DesignTechnology”为主题给大家讲解了人工智能芯片的原理以及芯片制造工艺的发展现状。这次讲座可谓获益匪浅,大家了解到,人工智能芯片与普通芯片之间最大的差别在于AI芯片可以利用特有的CNN架构进行大量快速的卷积计算从而进行训练和自我学习,因此IC设计中半导体制造工艺和计算核心架构技术对于AI的发展至关重要。大家还发现,目前华力最先进的制造工艺是28nm,相对于国际最先进的7nm工艺仍有三到五年的差距,中国半导体制造行业要想达到国际水平,仍有很长的路要走。

讲座结束后,大家还参观了华虹宏力的芯片制造车间。无论是层层防护的无尘室,还是运转有序的无人生产车间,都让大家印象深刻。虽然在参观前都做过功课,对半导体制造过程有所了解,但正所谓百闻不如一见,这次参观帮大家揭开了整个制造过程的神秘面纱。

在参观结束的交流中,大家解开了心中的疑惑——为什么中国大陆的芯片产业一直得不到很好的发展?原来,在芯片行业中,芯片设计和生产是完全不同的,芯片设计只需要很小的研发团队,但芯片生产需要动辄千人的设计团队、数十亿的资金,以及很长的投资回报周期。此外生产研发团队能否做出成果还依赖于本土学问环境,仅靠购买先进设备、引进研发团队是很难做出成绩。中国芯的未来在哪里?这些等着大家来回答。

从FPGA到ACAP-----赛灵思之旅

8月2日上午,大家来到了位于张江高科技园区浦软大厦的赛灵思进行参观。赛灵思是全球最大的可编程逻辑器件生产商,也是可编程逻辑完整解决方案的供应商。赛灵思由FPGA起家,之后又发明了可编程SoC和ACAP,在汽车、5G无线、数据中心等方面处于核心地位。赛灵思在上海的企业只有一层楼,却承担着重要的研发任务。通过讲座,大家对赛灵思有了更深入的认识,同时也了解到一些与FPGA相关的常识与应用。FPGA的出现解决了定制电路和可编程器件门电路数有限的问题,相较于CPU、GPU 等处理器更加快速高效,相较于ASIC开发难度更小,开发周期更短。在门电路规模足够大的情况下,FPGA可以通过编程实现任意芯片的逻辑功能。赛灵思企业的员工还展示了通过FPGA实现的人脸识别、交通标志识别装置等,让大家对FPGA产生了浓厚的兴趣。

通过这次参访,大家发现主要从事芯片设计和相应程序研发的企业占地面积很小,产生的价值却非常巨大,发展前景十分光明。在寸土寸金的上海,这一类企业与从事芯片生产行业的企业相比,未来继续发展的优势很大。

集成电路在上海——参观紫光展锐展馆

8月6日上午,大家乘车前往紫光展锐,参观了位于亚心科技园的上海集成电路科技馆。在展馆里,大家首先学习了芯片的生产过程,也见到了硅晶圆、刻蚀机等的实物,了解了中国尤其是上海集成电路的发展情况,还体验了一些先进的智能设备。

在展览中大家了解到,上海是我国集成电路综合技术相对先进、产业链比较完整的基地,上海的集成电路企业主要集中在张江高科技园区、外高桥保税区和金桥出口加工区等,其中张江高科技园区拥有最多的集成电路企业,包括紫光展锐、中芯国际、华虹宏力等。张江高科技园区拥有一大批芯片设计、制造、封装、测试以及设备材料等上下游企业,形成了较为完整的产业链,是上海集成电路发展的重中之重。大家还了解到,集成电路设计方面缺乏高科技人才,同时由于一些客观原因,越来越多的人才向外流失,弥补这部分人才的缺口也是大家这代人未来的使命。

AMD:探秘AI的前世今生

8月9日下午,顶着炙热的阳光,大家一行人来到了位于张江集电港的上海AMD研发中心。上海AMD建立于2006年,从最开始一栋建筑和30名员工发展到如今拥有17000平方米办公场地和近1700名员工的大型研发中心。开发工作涉猎了AMD的CPU、APU、GPU所有主力产品线,为总部提供End-to-End服务,全面覆盖研究、设计、实验开发三大领域。

企业技术人员Gary Fu向大家先容了深度学习的历史和发展。让大家认识到,热门亮眼的新技术背后,总有着漫长艰险的探索之路,需要大家不断地去为之奋进。HR还为大家先容了AMD对于工程师的要求,除了基本的技术要求外,更重要的是对行业的热爱,做到“work hard,playharder”。

实践感悟

产业实践在8月10日上午的答辩中落下帷幕,通过近10天的参观和调查,大家对上海半导体行业有了更加深入的了解,明白了现今半导体行业在全国的基本布局,了解了半导体产业如何将一粒沙子变成一颗完整的芯片的生产过程,以及中国在半导体行业的不足等情况。虽然这几年有一些重要的成就,但总体而言还与国外先进的水平相去甚远。

除了大家了解到的技术问题,在半导体芯片行业普遍存在的问题就是缺乏人才,一是由于这个行业的高门槛,工艺制造的每个过程都需要充备的常识,这是需要数年,甚至数十年的日积月累。二是枯燥繁重,每一次工艺的提升都需要无数次的失败,需要科研人员付出大量的精力,这让很多人望而却步。三是工资待遇竞争力不大,这些都让半导体行业人才缺乏的现象更加明显。通过这次产业实践大家知道大家是如何“被需要”,中兴事件也让大家了解到国家在芯片领域是如何被国外所遏制,中兴之痛,中国之痛,大家作为这个时代的大学生,要树立“报国、裕民”的理念,努力学好专业常识,到中国需要大家的地方去,为“中国芯发展”献出大家的一份力!

引导老师:邹新波

撰稿:赵蓝希、职正航、李昊燕、李琳 章嘉乐

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参访华力微电子

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参观紫光展锐展馆

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参访AMD企业

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参访赛灵思企业

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引导老师聆听学生答辩