可重构数据流计算引领架构创新

近日，由中国信息通信研究院、四川省经济和信息化厅、达州市人民政府主办的“首届全国先进计算技术创新大赛总决赛暨先进计算产业发展大会”在四川达州举办。为把握新一轮科技革命和产业变革机遇，推进先进计算技术创新，中国信息通信研究院在会上发布了《先进计算技术发展白皮书（2023 年）》，中国信息通信研究院、联想、长城科技、浪潮信息、鲲云科技等多家单位参编。

白皮书系统介绍了当前全球及我国先进计算技术发展背景与总体发展态势，并从计算芯片、系统架构、计算模式、绿色和安全技术四方面研究了产业技术创新进展，同时介绍了量子计算、类脑计算、光电计算、生物计算等前沿计算技术研究进展，并结合当前我国先进计算技术发展现状提出了先进计算技术发展推进建议。

先进计算技术成为新一轮科技革命的关键突破点

当前，在以大模型为代表的人工智能技术创新与应用驱动下，社会对计算能力的需求空前高涨，但随着“摩尔定律”演进趋势放缓，计算技术的传统演进路径面临挑战，先进计算技术创新成为破局关键，驱动着芯片演进、架构创新，推动计算产品向绿色安全方向发展，探索前沿计算技术落地应用。

白皮书指出，先进计算并非特指某项具体技术，而是指面向未来，相较于传统计算技术在理论、硬件、系统以及应用等方面进行的创新与优化，旨在提高算力、能效、灵活性，实现人、机、物更高效互通的计算技术的统称。先进计算是涵盖理论、材料、工艺、器件、系统、算法、架构、应用等在内的系统工程，具备先进性、泛在性和多样性的特点，是解决计算技术发展问题的集合。

当前，全球先进计算技术正处于密集创新阶段，国内外政府、龙头企业高度重视先进计算技术创新发展，计算芯片、整机系统、前沿技术创新突破不断。白皮书分享到，传统计算硬件不断演进，可重构数据流计算、异构计算、存算一体等多种创新架构涌现，以及量子计算、类脑计算、光计算等前沿计算技术的持续探索，为先进计算产业提供了更多可能性。

可重构数据流计算—从底层创新的计算架构

作为行业内有代表性的创新架构之一，白皮书梳理了“可重构数据流计算”的原理、优势、发展路径及应用现状。据白皮书定义，可重构数据流架构是一种基于可重构的空间连接关系定义计算次序的计算架构方式。

如下图所示，可重构数据流计算单元之间有可重构的计算连线，根据计算次序定义计算单元之间的连接关系，从而定义一个依次计算乘法、累加、激活、池化的案例，无需指令实现对应的计算次序，节省由于数据读写带来的计算单元闲置。

▲ 可重构数据流计算示意图

在这种计算方式下，可重构数据流架构解决指令集架构的几大核心问题：

（1） 数据流架构中数据流动次序即计算执行次序，没有指令概念，移除了由于指令带来的控制冗余以及等待指令读取译码带来的计算单元闲置；

（2） 数据流架构支持时钟级的精确计算，每个数据流动及计算在每个时钟都可精确预计，从而支持将数据流动与计算深度重叠，大幅降低计算单元闲置；

（3） 数据流架构中一个数据流流水线中可深度整合大量计算单元，从而打破指令集架构中峰值算力提升与芯片利用率的冲突问题：通过不断加深数据流流水线，可以在提升峰值算力同时，不降低流水线中计算单元闲置时间。

2020 年，鲲云科技推出全球首款可重构数据流 AI 芯片 CAISA，CAISA 芯片利用率最高可达 95.4%，在芯片成本为国际同类产品 1/3 的情况下，最高可提供 4.12 倍以上的实测性能。目前，CAISA 芯片已与飞腾、麒麟、浪潮、open 欧拉等完成产品兼容，在算力性价比、芯片利用率、实测性能和处理延时等指标实现了业界领先，为底层的 AI 算力支撑提供了新的选择。

除鲲云科技外，全球研发数据流 AI 芯片的团队还有脱胎于斯坦福大学的 SambaNova、前谷歌 TPU 核心团队创办的 Groq，目前仍处于小规模应用阶段。同时，部分指令集架构芯片也在局部采用了数据流架构，比如 TPU 的 Systolic Array，GPU 里的 Tensor Core 等，以提升芯片利用率。由此可见，可重构数据流计算作为一种新的技术路线获得市场充分认可。

放眼先进计算产业未来发展，白皮书强调，应加强产业链上下游各方协同，加强核心关键技术研发，以技术驱动标准制定，推进示范应用，助力产业加快成熟。作为行业“排头兵”，鲲云科技将基于“可重构数据流计算”持续加强产品、解决方案的研发迭代，为社会提供下一代计算平台，加速人工智能在各行业应用场景落地。

审核编辑：汤梓红