ASIC芯片的发展趋势是怎样的？

什么是ASIC芯片？

ASIC，全称为 Application Specific Integrated Circuit，中文名为专用集成电路芯片，顾名思义，是一种为了专门目的或者算法而设计的芯片。ASIC 芯片的架构并不固定，既有较为简单的网卡芯片，用于控制网络流量，满足防火墙需求等等，也有类似谷歌 TPU，昇腾 910B 一类的顶尖 AI 芯片。ASIC 并不代表简单，而是代表面向的需求，只要是为了某一类算法，或者是某一类用户需求而去专门设计的芯片，都可以称之为 ASIC。当下，ASIC 芯片的主要根据运算类型分为了 TPU、DPU 和 NPU 芯片，分别对应了不同的基础计算功能。TPU 即为谷歌发明的 AI 处理器，主要支持张量计算，DPU 则是用于数据中心内部的加速计算，NPU 则是对应了上一轮 AI 热潮中的 CNN 神经卷积算法，后来被大量 SoC 进了边缘设备的处理芯片中。从芯片大类来看，目前人类的芯片可以被分为 CPU、GPU、FPGA、ASIC 四种大类：

其中 CPU 是人类芯片之母，拥有最强的通用性，适合复杂的指令与任务，GPU 则是人类历史上的第一大类“ASIC”芯片，通过大量部署并行计算核，实现了对于异构计算需求的优化。FPGA 芯片则更加强调可编程性，可以通过编程重新配置芯片内部的逻辑门和存储器，但是运算性能较低。ASIC 则完全为某类功能或者算法专门设计，通用性较低的同时，拥有对某一类算法最好的性能。

芯片大势，通久必专，专久必通

从最早的 CPU 独霸天下，到并行计算时代 GPU 的崛起，挖矿时代专用 ASIC 的大放异彩，我们不难发现，新芯片的出现，往往是因为某一类需求的爆发，从而使得过往通用型芯片中的特定功能被分割出来，形成了新的芯片类目。通用芯片发现需求、探索需求，专用芯片满足需求，这就是半导体行业面对人类需求时的解决之道，归根结底，需求决定一切，芯片的架构能否满足契合客户的需求，是决定一个芯片公司能否成功的重要因素。大模型时代，风来的如此之快，2023 年春节之前，业界还在努力优化复杂的 CNN 算法，追求模型的小而美，之后随着 GPT 和 OPENAI 的横空出世，将业界热点算法迅速从 CNN转变为 Transformer，底层运算也变为矩阵乘法。同时由于大模型“大力出奇迹”的特性，对于算力的需求极速释放，2023 年来看，唯一能够满足用户这一新需求的依然只有较为通用的英伟达芯片，因此，也在这一年多内造就了英伟达 2w 亿美金的传奇市值。但天下芯片，通久必专，专久必通，当矩阵乘法这一固定运算占据了大部分的大模型运算需求时，通用芯片中的小核心，甚至是向量计算核心，逐渐成为了功耗、成本和延迟的负担，客户终究不会因为单一的矩阵乘法需求，而为通用性去额外买单。因此，从海外大厂到无数业界大佬的创业公司，纷纷加入了“矩阵乘法”ASIC，又或者是大模型 ASIC的创业浪潮中，在下文中，我们将列举两个较为有代表性的 ASIC 芯片，去看看业界的设计思路与演化方向。

大模型 ASIC 的发展路线

从历史来看，我们通过剖析 GPU 的结构和其与 CPU 的区别，不难发现，GPU 也是某种意义上的 ASIC，过去的数据处理任务，通常是单条复杂指令或逻辑运算，但随着图像处理需求的出现，计算过程中往往开始包含大量并行的简单计算，而 CPU 由于核心数量有限，虽然单核能够处理较为复杂的指令，但面对大量简单计算时，运算时间长的缺点逐渐暴露。所以正如前文所说，CPU 作为人类最通用的芯片，带领人类进入并探索了图像时代，紧接着，面对海量释放的 AI 需求，GPU 作为“图像 ASIC”横空出世，满足了海量的图像处理需求。

进一步探究 GPU 的发展历程，我们会发现芯片趋势的第二部分，如果说 CPU 到 GPU 是我们提到的“通久必专”，那么 GPU 本身的发展历史则是“专久必通”的最好诠释。在并行计算早期，算法大多数是由简单的加减乘除构成，因此通过在 GPU 芯片内部署大量的小核来并行计算这些简单算法。但后来，随着并行计算，或者说图像处理需求慢慢衍生出图像识别、光线追踪、机器视觉等等新功能和与之对应的以“卷积计算”为代表的新算法，GPU 本身也从专用芯片，变成了面向并行计算模式或者海量图像需求的“通用芯片”。

主要技术趋势总结

往后来看，ASIC 的发展也将聚焦于两个方向：

第一个方向为“Wafer-Scaling”，以 SamAltman 投资的 cerebras 为例，即扩大单个芯片面积，实现在单个芯片内装在更多的 MXU，也即是矩阵计算核心。这样单次运算能够处理的数据量就更大，是最简单和直接的升级路线。第二个方向即为“近存计算”，Groq 给我们具体展示了这一路线，MXU 将数据运算后直接转移给相邻的 sRAM，由于传输距离短，叠加 sRAM 天生的高带宽，从而实现了绕过 HBM 的流水线式加工，我们认为这种通过近计算单元的高速存储，来实现计算单元之间高速沟通的模式，将会是大模型 ASIC 发展的另一主要方向。