近日，由中國信息通信研究院、四川省經(jīng)濟和信息化廳、達州市人民政府主辦的“首屆全國先進計算技術(shù)創(chuàng)新大賽總決賽暨先進計算產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會”在四川達州舉辦。為把握新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革機遇，推進先進計算技術(shù)創(chuàng)新，中國信息通信研究院在會上發(fā)布了《先進計算技術(shù)發(fā)展白皮書（2023 年）》，中國信息通信研究院、聯(lián)想、長城科技、浪潮信息、鯤云科技等多家單位參編。

白皮書系統(tǒng)介紹了當前全球及我國先進計算技術(shù)發(fā)展背景與總體發(fā)展態(tài)勢，并從計算芯片、系統(tǒng)架構(gòu)、計算模式、綠色和安全技術(shù)四方面研究了產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新進展，同時介紹了量子計算、類腦計算、光電計算、生物計算等前沿計算技術(shù)研究進展，并結(jié)合當前我國先進計算技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀提出了先進計算技術(shù)發(fā)展推進建議。

▲ 《2023先進計算技術(shù)發(fā)展白皮書》封面

先進計算技術(shù)成為新一輪科技革命的關(guān)鍵突破點

當前，在以大模型為代表的人工智能技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用驅(qū)動下，社會對計算能力的需求空前高漲，但隨著“摩爾定律”演進趨勢放緩，計算技術(shù)的傳統(tǒng)演進路徑面臨挑戰(zhàn)，先進計算技術(shù)創(chuàng)新成為破局關(guān)鍵，驅(qū)動著芯片演進、架構(gòu)創(chuàng)新，推動計算產(chǎn)品向綠色安全方向發(fā)展，探索前沿計算技術(shù)落地應(yīng)用。

白皮書指出，先進計算并非特指某項具體技術(shù)，而是指面向未來，相較于傳統(tǒng)計算技術(shù)在理論、硬件、系統(tǒng)以及應(yīng)用等方面進行的創(chuàng)新與優(yōu)化，旨在提高算力、能效、靈活性，實現(xiàn)人、機、物更高效互通的計算技術(shù)的統(tǒng)稱。先進計算是涵蓋理論、材料、工藝、器件、系統(tǒng)、算法、架構(gòu)、應(yīng)用等在內(nèi)的系統(tǒng)工程，具備先進性、泛在性和多樣性的特點，是解決計算技術(shù)發(fā)展問題的集合。

當前，全球先進計算技術(shù)正處于密集創(chuàng)新階段，國內(nèi)外政府、龍頭企業(yè)高度重視先進計算技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，計算芯片、整機系統(tǒng)、前沿技術(shù)創(chuàng)新突破不斷。白皮書分享到，傳統(tǒng)計算硬件不斷演進，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算、異構(gòu)計算、存算一體等多種創(chuàng)新架構(gòu)涌現(xiàn)，以及量子計算、類腦計算、光計算等前沿計算技術(shù)的持續(xù)探索，為先進計算產(chǎn)業(yè)提供了更多可能性。

可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算—從底層創(chuàng)新的計算架構(gòu)

作為行業(yè)內(nèi)有代表性的創(chuàng)新架構(gòu)之一，白皮書梳理了“可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算”的原理、優(yōu)勢、發(fā)展路徑及應(yīng)用現(xiàn)狀。據(jù)白皮書定義，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流架構(gòu)是一種基于可重構(gòu)的空間連接關(guān)系定義計算次序的計算架構(gòu)方式。

如下圖所示，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算單元之間有可重構(gòu)的計算連線，根據(jù)計算次序定義計算單元之間的連接關(guān)系，從而定義一個依次計算乘法、累加、激活、池化的案例，無需指令實現(xiàn)對應(yīng)的計算次序，節(jié)省由于數(shù)據(jù)讀寫帶來的計算單元閑置。

▲ 可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算示意圖

在這種計算方式下，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流架構(gòu)解決指令集架構(gòu)的幾大核心問題：

（1） 數(shù)據(jù)流架構(gòu)中數(shù)據(jù)流動次序即計算執(zhí)行次序，沒有指令概念，移除了由于指令帶來的控制冗余以及等待指令讀取譯碼帶來的計算單元閑置；

（2） 數(shù)據(jù)流架構(gòu)支持時鐘級的精確計算，每個數(shù)據(jù)流動及計算在每個時鐘都可精確預(yù)計，從而支持將數(shù)據(jù)流動與計算深度重疊，大幅降低計算單元閑置；

（3） 數(shù)據(jù)流架構(gòu)中一個數(shù)據(jù)流流水線中可深度整合大量計算單元，從而打破指令集架構(gòu)中峰值算力提升與芯片利用率的沖突問題：通過不斷加深數(shù)據(jù)流流水線，可以在提升峰值算力同時，不降低流水線中計算單元閑置時間。

2020 年，鯤云科技推出全球首款可重構(gòu)數(shù)據(jù)流 AI 芯片 CAISA，CAISA 芯片利用率最高可達 95.4%，在芯片成本為國際同類產(chǎn)品 1/3 的情況下，最高可提供 4.12 倍以上的實測性能。目前，CAISA 芯片已與飛騰、麒麟、浪潮、open 歐拉等完成產(chǎn)品兼容，在算力性價比、芯片利用率、實測性能和處理延時等指標實現(xiàn)了業(yè)界領(lǐng)先，為底層的 AI 算力支撐提供了新的選擇。

▲ 全球首款可重構(gòu)數(shù)據(jù)流AI芯片CAISA

除鯤云科技外，全球研發(fā)數(shù)據(jù)流 AI 芯片的團隊還有脫胎于斯坦福大學的 SambaNova、前谷歌 TPU 核心團隊創(chuàng)辦的 Groq，目前仍處于小規(guī)模應(yīng)用階段。同時，部分指令集架構(gòu)芯片也在局部采用了數(shù)據(jù)流架構(gòu)，比如 TPU 的 Systolic Array，GPU 里的 Tensor Core 等，以提升芯片利用率。由此可見，可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算作為一種新的技術(shù)路線獲得市場充分認可。

放眼先進計算產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展，白皮書強調(diào)，應(yīng)加強產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方協(xié)同，加強核心關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，以技術(shù)驅(qū)動標準制定，推進示范應(yīng)用，助力產(chǎn)業(yè)加快成熟。作為行業(yè)“排頭兵”，鯤云科技將基于“可重構(gòu)數(shù)據(jù)流計算”持續(xù)加強產(chǎn)品、解決方案的研發(fā)迭代，為社會提供下一代計算平臺，加速人工智能在各行業(yè)應(yīng)用場景落地。

*關(guān)注公眾號“鯤云科技”，后臺回復(fù)關(guān)鍵詞「先進計算白皮書」，可獲取白皮書全文。