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      科技資訊

      Arm新架構推出“私人訂制”,定制化芯片風口正式開啟,按需構建再度成為“潮流”

      2022-11-02 17:18:47  信息編號:K225774  瀏覽次數:65

      眾所周知,2000年手機移動時代的發展帶動了Arm架構的繁榮。隨著行業進入由5G、工業互聯網、物聯網、人工智能等驅動的數字化時代,Arm似乎又再次迎來了“風口”。短短4年內亞馬遜云科技(AWS)的定制芯片Graviton系列CPU已經發展到第三代;Ampere宣布每年推出基于Arm架構高核心數服務器CPU;英偉達發布了面向AI及高性能計算 (HPC) 的Grace CPU;VMware運用DPU開展Monterey項目;包括AWS、微軟、谷歌、阿里巴巴、甲骨文等主流的公有云廠商都在使用DPU來支撐云工作負載。所有這些都可謂是按需構建的定制化芯片。




      一個定制化芯片的時代正在開啟。




      Arm Neoverse:一個或將顛覆現代計算的架構




      當前,全社會數據總量爆發式增長,數據存儲、計算、傳輸、應用的需求大幅提升,對算力的需求也越來越高。CPU不僅需要處理通用計算類任務,還需要承擔網絡、存儲、安全等任務,有效算力在總體算力中的占比逐漸下降,行業亟需在特定領域更高算力的芯片的支撐。而隨著Arm Neoverse架構的發布,整個行業迎來了巨變。




      2018年Arm首次發布了Arm Neoverse平臺。目前,Neoverse平臺主要包括三個IP系列:分別是V系列、N系列和E系列。據Arm官網介紹,Neoverse V系列主打極致性能,適合執行高計算需求和存儲器密集型應用的系統,主要應用場景包括高性能計算 (HPC)、云計算和AI/ML加速型工作負載;Neoverse N系列主打可高擴展的性能表現,提供均衡的最佳化CPU設計、出色的性能功耗比和性能成本比,應用場景包括可高擴展的云計算、企業連網、智能網卡/DPU以及客制化ASIC加速器、5G基礎設施以及電力和空間受限的邊緣場景;Neoverse E系列主打高效率吞吐量,在支持高資料吞吐量的同時,大幅降低功耗,主要應用場景包括網絡資料層處理器、低功耗網關的5G部署。




      可以看出,這三種內核分別針對三種不同的性能和功耗權衡,這就為各行業實現定制化芯片帶來了充分且靈活的施展空間。但光有硬件還遠遠不夠,要打造成功的基礎架構解決方案,還需要一個強大的軟件生態系統。




      在軟件生態系統方面,Arm不僅在開源社區有著長期且持續的投入,并在Arm Neoverse平臺的設計原則中納入了構建獨一無二的開發者生態系統,目的是賦能開發者順暢地進行創建、測試以及優化在基于Arm架構上的項目開發,如今,Arm架構得到了所有領先編程語言和運行庫的支持,例如Linux操作系統、云原生軟件、CI/CD流水線等都已經運行在Arm架構上。從架構、IP到技術庫、運行環境和編譯器,Arm已啟用了主流的基礎設施軟件。




      軟硬件充分加持下,Arm Neoverse架構正在吸引一眾云服務廠商、CPU廠商、GPU廠商、DPU玩家的青睞。




      定制芯片重返潮流




      曾幾何時,芯片公司都專注于設計一種芯片:英特爾制造 CPU、高通制造調制解調器、英偉達制造 GPU、博通(Avago 之前)制造網絡芯片。那個時代已經過去了。半導體的未來將是為更具體的用途設計更具體的芯片。這種變化需要很多年才能體現出來,但過渡已經開始。這將顛覆半導體行業,其程度與過去 20 年的整合程度相同。




      造成這種情況的原因有很多。最簡單的就是說摩爾定律正在放緩,所以每個人都需要尋找新的商業模式。在 2010 年之前的迷霧中,摩爾定律意味著芯片每兩年左右就會變得“更快”或“更好”。如果某些客戶有他們需要的專用芯片,他們可以出去設計自己的芯片。但是當他們將自己設計的芯片投入生產時,會發現市場上的新CPU正在投入生產,而這些通用CPU通常比自研的專業芯片效果更好。




      然后摩爾定律放緩了,我們沒有足夠的證據說它已經結束,但它肯定已經放緩了。因此,現在每個人都必須更加努力地從他們的硅設計中努力提升性能。最明顯的是,這為所有來自硬件和超大規模公司的定制芯片打開了大門。




      半導體的全部意義在于運行某種形式的軟件。正如我們所說,在過去,我們可以從更密集的芯片中獲得該軟件的性能提升,但現在公司將不得不更仔細地看待問題的軟件方面。谷歌推出 TPU是因為他們想要更好地運行他們的 AI 算法的東西。他們出于同樣的原因推出了VCU,而該芯片實際上是由軟件工程師設計的。Apple及其 M 系列和 A 系列處理器也是如此。在所有這些中,重點是優化軟件的芯片。




      不是每個人都想要或能夠推出自己的芯片,因此我們開始看到大量的中間芯片,它們不是單一類型的通用計算,也不是完全定制的。AMD 最近收購的 Pensando DPU 就是這個中間步驟的一個很好的例子。




      曾幾何時,數據中心本質上是裝滿 CPU 的倉庫?,F在他們還必須容納 GPU、AI 加速器、網絡負載和一堆 FPGA。這通常被稱為異構計算,它與過去的 CPU 統一性相反。




      這些變化也不僅僅發生在數據中心?!斑吘売嬎恪钡恼麄€概念看起來越來越像是一種定制和半定制硅的結合,出現在各種地方——汽車、工廠和智慧城市等。




      最終,主要的芯片公司將不得不決定如何應對這些變化。構建定制芯片不是一項偉大的業務,但設計半定制芯片充滿風險,尤其是選擇正確的設計、支持它們并希望它們達到目標。




      老牌公司已經開始為此做好準備,十年來,初創企業的大門第一次開始打開裂縫。




      元宇宙也離不開定制




      在元宇宙大背景下,AR頭顯設備重新回到人們的視野中央。在2022年的CES上,三星展示了AR如何被納入汽車的擋風玻璃,以顯示天氣、輪胎壓力水平、地圖等信息。微軟則繼續打磨HoloLens,目前HoloLens 2工業版已被推出。谷歌正在開發下一代AR頭顯設備,項目代號“Project Iris”,產品預計最快會于2024年上市。至于蘋果AR眼鏡的爆料信息,更是頻頻見諸網絡之中。




      然而元宇宙浪潮下的重新回暖,并未讓AR設備中存在的一些問題得到徹底解決。有專家指出,設備太過笨重,周邊應用環境不夠成熟,傳輸數據不夠完善,產品使用限制過大等,依然制約著用戶特別是消費電子用戶使用AR設備的熱情。數據顯示,AR 設備因為沒有達到消費級水平,目前出貨量比較少,2021 年全球市場AR頭顯出貨量28萬臺。如何讓AR能夠盡快貼近用戶使用需求,是AR設備廠商的當務之急。




      針對目前市場上大多數AR設備依然采用通用芯片的情況,芯原股份業務運營高級副總裁汪洋指出:“AR是近年來才開始發展出的一種新型產品,市面上現有的很多通用計算芯片,一般主要針對如手機、平板電腦、PC等應用而深度優化和綁定。在被應用到AR設備中時,常常會出現部分功能冗余、部分特定功能無法滿足,以及顯示性能或是功耗不理想等問題,這極大限制了AR設備端的發揮。這些設備的使用體驗欠佳,不利于市場的打開,也阻礙了AR技術和設備的進一步迭代?!?




      而面向AR設備開發定制化芯片或將為AR的發展提供有利契機。安謀科技智能物聯網事業群聯合負責人商德明表示,AR產品具有全新的應用場景,既要滿足日常佩戴對重量的要求,又要打造極致的交互體驗。這就使得定制化芯片在實現應用中顯示更加重要。




      Rokid創始人暨CEO祝銘明則指出,AR眼鏡的進化,依賴于核心部件和生態系統的支撐,其中核心部件包括光學與芯片等。區別于電腦、手機芯片,AR芯片對算力和低功耗有著更高要求,涉及到高昂的開發成本和技術門檻?!白匝行酒?自主OS”的緊耦合是AR芯片未來的演進方向。芯片不能孤立進化,軟硬一體的高度協同才能夠使計算性能最大化。




      國產CPU和DPU初創企業嗅到商機




      近年來正值中國基礎設施的計算升級新浪潮,因此,國內服務器芯片賽道也迎來了蓬勃興起。國內一眾初創企業如鴻鈞微、遇賢微等將Arm Neoverse作為其服務器芯片的創新基礎,甚至新興的DPU企業也開始率先踏上探索之路。




      鴻鈞微電子是服務器芯片領域新興的一員。在鴻鈞微電子首席執行官沈榮看來:“數據中心的規模越來越大,其占地與體積隨之將變得更大,這意味著要花費更多的資金投入,所以性能密度、功耗效率這些指標便顯得尤為重要,而Arm Neoverse符合云計算所需的多核解決方案,具有優異的總擁有成本 (TCO) 優勢,讓我們找到能真正為客戶提供具成本效益的整體解決方案?!睋欌x微電子基于Neoverse N2的服務器CPU產品預計將在明年年底面世。




      遇賢微電子是一家正在面向中國云計算市場打造彈性云原生服務器CPU的初創公司,采用的也是Neoverse N2平臺。遇賢微電子首席執行官羅勇博士表示:“云計算的巨大增長是新一波科技浪潮的趨勢,它將會是全球范圍內最大的增量市場之一。而且,云計算生態系統已經是個相對成熟的環境,能讓像Arm Neoverse這類的新架構來取代x86,最終用戶能夠從一致性的Arm Neoverse CPU上獲益,也可以加速遇賢微電子產品的部署?!?




      不止是CPU和GPU這兩類芯片,DPU芯片廠商也看中了Arm Neoverse的潛力。DPU (Data Processing Unit) 是最近幾年新發展起來的一種專用處理器,被稱之為數據中心繼CPU和GPU之后的“第三顆主力芯片”。目前DPU主流方案亦開始以Arm Neoverse平臺為設計基礎。Arm基礎設施事業部全球副總裁鄒挺表示,“我們認為ASIC系統級芯片是普遍的最后DPU目標產品形態,而從能耗和性能的要求上來看,Arm Neoverse平臺將是DPU中ASIC系統級芯片方案的最佳選擇?!?




      國內DPU芯片頭部企業云豹智能最新的DPU SoC產品上就采用了大量的Arm CPU,尤其是Neoverse CPU與其高性能互連技術。云豹智能首席芯片架構師及聯合創始人莫志城指出:“現階段數據中心正在快速地從以CPU為中心轉變為以DPU為中心。云豹DPU不僅要能處理網絡控制面和數據面的卸載,具備高度靈活和可編程能力;同時必須非常高效地處理運維和業務管理。因此我們的可編程DPU必須依賴非常高性能且低功耗的CPU,例如新一代的Neoverse?!睋?,云豹這款DPU產品預計于2023年初流片。




      可以看出,由于高性能、低能耗、優異的性能比以及總擁有成本等特點,尤其是完善的自身生態,Arm架構正在吸引廣大中國初創芯片企業的涌入,生態“朋友圈”逐漸擴大。另一方面,如Arm Neoverse這樣的平臺也為這些初創企業提供了很好的發展機會,并在加速芯片進入市場的時間窗口,如上文所述,國內幾家初創企業基于Arm Neoverse的產品大多將于明年問世。


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