李国杰院士：呼吁计算机与微电子学科相结合

11月15日，在深圳举办的第25届高新技术成果交易会上，举行了高性能芯片设计与制造高峰论坛。会上，中国工程院院士、中国科学院计算技术研究所研究员李国杰做了主旨报告：《有关人工智能算力芯片的几点看法》。他指出，随着人工智能技术的进一步发展，解决算力需求“剪刀差”难题的微电子新器件的突破迫在眉睫。同时，他呼吁推动计算机与微电子学科相结合，提升我国芯片人才培养质量。

高算力是发展人工智能的阶段性需求

芯片是信息社会的基石。随着人工智能领域的迅速发展，主流的人工智能离不开算力，算力的基础是芯片，没有芯片，人工智能也就无法实现。有数据显示，我国AI算力规模在2026年将达到1271 EFLOPS；2021年全球GPU市场规模为 335亿美元，预计2030年将达到4774亿美元。

“有人开玩笑说，目前信息领域的形势是,软件在吞噬世界,人工智能在吞噬软件,深度学习在吞噬人工智能,GPU在吞噬深度学习。这是片面的观点，但在一定程度上反映了芯片的重要性。”李国杰说道。

近年来，算力和芯片受到人们的特别关注，因为人工智能进入了一个重大转折期，以生成式AI为代表的新技术将人工智能推向了一个新的高度。人们如同在黑暗的森林中看到了一线曙光，有一批学者、企业家和投资者坚信：人类可能发现了一条通往智能时代的羊肠小道，而拓宽这条小道最基本的投入就是提高算力，因此能提高算力的芯片必然受到人们的青睐。

李国杰指出，尽管人类已经在向智能时代迈进，但至今还没有弄明白智能和计算之间的关系。现在被当作计算机圣经的图灵机模型，实际上只是历史上提出的多种计算模型之一。计算的复杂性与计算模型密切相关。最近推出的大语言模型能够有效处理自然语言生成、模式识别等图灵模型中的NP困难问题，说明神经网络模型在某些类型的问题上已超越了传统图灵机模型的局限。近两年人工智能的红火，表面上是大算力出奇迹，本质上是计算模型的重大转变。

他说：“人脑的算力并不高，人工智能未必需要非常高的算力，目前的算力出奇迹可能是人工智能技术发展过程中的一幕。为了在这一阶段不掉队，我们必须大力发展算力，要特别重视支持算力的芯片，但同时要关注发展人工智能的其他因素。这两年训练大语言模型的算力增加了265倍，每三个月翻一番，一年增加16倍。如果这种发展速度延续10年，算力就要增加一万亿倍，必然耗尽全世界的资源和能源，这是绝对不可能发生的事！”

实际上，人工智能的发展取决于数据、模型（算法）和算力三个因素，三者都起到了至关重要的作用，缺一不可。算力的提高主要依赖于芯片和系统结构的改进。过去半个多世纪以来，计算机系统性能的提升大约有一半归功于微电子技术的进步（即摩尔定律），而另一半则源于系统结构与软件的优化。李国杰说道，“在未来20年内，系统结构创新的贡献可能会超过芯片本身。”

如果算力能够以比摩尔定律更快的速度提高，那么大模型所需的大算力就不成问题。然而，摩尔定律已经接近其物理极限，半导体器件的进步和超级计算机每十年提高一千倍的发展速度，远远无法满足日益增长的算力需求，这是当前信息科技面临的主要挑战。

“因此，要么需要改变人工智能的模型和算法，要么需要改变微电子器件和计算机的原理和结构。研发能够满足算力需求的微电子新器件迫在眉睫。”李国杰说道。

微电子器件的功能不限于提高算力，微电子构成的复杂系统可能涌现出想象 不到的功能，微电子提供的存储、记忆、联想及控制功能与算力一样重要。 智能可以“算”出来，“猜”出来，也可以通过复杂系统“联”出来。

如何提高芯片的算力？李国杰指出，提高芯片的算力不仅仅是通过增加乘加运算器这一条路来实现，存算一体技术、减少数据搬运、消除存储墙等途径可能更为有效。此外，模拟计算、量子计算、光学计算和生物计算等前沿技术也提供了新的思路。“过早地锁定技术路线可能失去更有前途的机会。”

计算机和微电子学科应紧密结合

谈及芯片人才培养问题，李国杰在接受采访时指出，人才短缺是制约芯片发展的重要因素。集成电路产业不仅缺乏领军人才和骨干人才，甚至还缺乏一般的工程技术人才，也反映了集成电路人才培养体系不适应产业的发展。

据统计，目前国内芯片行业从业人员约有63万人，预测到2024年这一规模将达到79万人左右，人才缺口在26万人左右。

“缺乏芯片人才的原因，主要是历史的欠账。”李国杰表示，长期以来，我国信息领域头重脚轻，基础不牢，大部分人才都走向互联网应用企业。在我国的高校中，与微电子有关的大部分院系，师资力量薄弱，人才供应不足。另一方面，人才培养方式上，没有按照芯片人才的需求来进行培养，高校比较偏向基础理论教育，学生的实践能力和动手能力较为欠缺。

对此，李国杰指出，培养芯片人才，需要紧密结合计算机和微电子两个学科。“世界上顶尖大学的计算机学科和微电子学科大多是在同一个学院或系中。相比之下，长期以来，我国的微电子学科与计算机学科脱钩，不利于集成电路产业的发展。”

他以微电子中的EDA软件工具为例，说道，“如果说集成电路是皇冠，那么微电子中的EDA工具就是集成电路皇冠上的宝石，EDA软件工具在逻辑设计、物理设计、到加工生产的过程中，凝结了人类对物理世界和信息空间的认识。集成电路的发展水平基本上取决于EDA软件的发展水平。没有计算机领域的人才参与，仅凭微电子领域的人才无法完成EDA工具的开发。”

李国杰提到，仅靠器件层面的创新，无法解决既降低能耗又提高性能的问题，必须从跨层设计入手，才能达到相关优化目标。只有将新型器件特性和电路、结构、应用特性结合，将新型器件和计算算法相结合，才能走出现在的困境。在逆全球化盛行的新环境下，我国要更加重视芯片的设计，重视系统结构和软件的创新，争取在低世代工艺的条件下，研制生产出与国外高世代工艺水平相当的芯片。