北大何进：5G+AIoT时代，三种创新芯片和新型存储器发展方向
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（电子发烧友网报道 文/章鹰）12月15日，中国信息通信研究院副院长余晓晖发布ICT深度观察十大趋势，其中特别提到了5G通信带动芯片、设备全产业链规模增长 。2023年，全球5G手机出货量超7亿部，占全球智能手机市场的50%；2023年，全球5G基站累计超过500万个，平均增速超过50%，主要动力来自中国 。新基建带来海量芯片的需求，5G+AIoT不断推进，到底哪些类型的芯片是起到核心关键作用？近日，北京大学深圳芯片重点实验室主任何进教授在5G&半导体峰会上带来的最新的市场前瞻和分析 。
新基建带来芯片行业广阔的发展空间 北京大学深圳芯片重点实验室主任何进教授指出，预计2025年，中国5G基站建设将达到500万座，带来5G基站芯片与高频组件的庞大市场需求 。2025年，预计中国人工智能芯片的市场规模将达到500亿 。工业互联网投资规模达到6500亿元，带动相关投资万亿元；新能源汽车换电站估计到2025年预计建成3.6万座，全国车桩比例达到1：1 。
新基建给芯片应用带来很好的发展机会 。数字经济就是5G基础上的“ABCD“——人工智能、大数据、云计算、区块链，以前1G、2G、3G和4G阶段同样的人工智能、大数据、云计算、区块链、由于带宽、速度、时延、能耗，可靠性达不到产业互联网的要求，只是消费互联网的功能，现在到了5G之后，五个指标性能达到了要求，可以应用到生产系统、工业系统、应用到全社会的各类运行场景，包括各行各业，数字经济改变整个世界 。
何进教授分析说，2019年全球芯片产业5000亿美元，中国进口芯片3500亿美元，占据全球四分之三的消费，支撑电子信息产业1.5万亿美元，芯片业成为基础性、先导性和战略性产业 。
在何进教授看来，5G+AIoT时代，万物智联的场景要得以实现，需要在芯片领域解决四大技术基础：算力、存储、网络和传感 。他的观点如下:
1、计算能力成为新型生产力，来自国际货币基金组织、华为及中金公司研究部的数据显示，国家的人均GDP与人均算力有高度的相关性，算力已经成为数字经济发展的核心动力，人类即将进入一个依靠算力的人工智能时代 。
2、AI芯片，市场规模未来5年增长有望达10倍 。无论边缘、终端还是云计算，年增长率都达到50% 。何进教授指出，目前通用的CPU、GPU、FPGA等都能执行AI算法，只是执行效率差异较大 。
3、存储芯片在全球半导体市场的芯片类型中占据30%的市场份额 。新型存储芯片将解决目前数据中心和大规模计算中心的存储难题 。
4、光电芯片主要是传输、传感和赋能 。以光电传感芯片-CMOS图像传感器为例，CMOS传感器的技术发展，从前照式（FSI）到背照式（BSI），再到堆叠背照式和队曾堆叠背照式 。
创新芯片：AI芯片、新型存储芯片和光电芯片 北大何进教授认为，国家投入千亿的存储公司长江存储、合肥长鑫已经陆续量产 。他指出，根据5G新基建的推进计划，数据中心等超大规模计算中心需要更高性能的存储器，业界探索了三种新型的存储器方向：
可变电阻式存储器（RRAM）、相变存储器和自旋转移力矩磁随机存储器 。首先，可变电阻式存储器，由于ReRAM的操作电压较低，消耗的电力较少，且ReRAM的写入信息速度比同样是非易失性存储器的NAND闪存快1万倍，因此在这个即将面临而来的挑战，可变电阻式存储器绝对是一个不可或缺的存在 。
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【北大何进：5G+AIoT时代，三种创新芯片和新型存储器发展方向】 第二、STT-MRAM，自旋转移力矩磁随机存储器，中科院半导体研究所正在推进的，这种存储器比较传统的磁盘主要优点是：密度大，容量大，无漏电流，静态能耗低 。在未来的数据中心，可能会采用这种类型的成熟芯片 。第三、相变存储器（PCM），主要优点是高读写速度，寿命长、存储稳定 。多态存储和多层存储 。相变存储器是中科院微系统所跟中芯国际合作，已经实现了工业用的量产的成熟性，它的最大优点是工艺比较简单，而且寿命也足够的长 。
现在存储芯片最先进的技术还没有达到14纳米，存储芯片和算力芯片之间有巨大的技术差别 。何进教授认为存储与算力面临三大挑战：一、存储墙挑战：存储器带宽在很大程度上限制了CPU和GPU处理器性能发挥；二、功耗墙挑战：数据频繁迁移带来严重传输功耗问题；三、速度墙挑战：空间距离之间的传输必然导致低速度 。
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存算一体化芯片成为未来的方向 。这类架构不是简单把传统存储芯片和设计芯片分开的，非冯诺依曼计算架构，这类芯片最大的优点是不仅速度快，而且根据不同的结构不同功耗有10倍或者更多倍的缩小，这是类脑芯片主要的发展方向 。NPU，在存储当中完成计算，在计算当中完成产品 。例如，采用28nm工艺的IBM TrueNorth芯片的目标是网络边缘和大数据解决方案，这些应用里有海量实时数据需要采用超低功耗设备进行处理，Truenorth芯片里含54亿个低成本晶体管神经突触芯片，但消耗的功率仅为700毫瓦，最适合处理此类应用 。目前GPU的功耗是几十瓦甚至更多 。
何进教授分析说，对于商业存储器，新兴的NVM因为速度较为匹配，可以用作存储级内存（SCM）来弥补工作内存何存储之间的访问时间差别，因为可以高密度集成，相变存储器（PCM）和阻变存储器（ReRAM）是SCM的主要候选者，自旋力矩传输存储器（STT-MRAM）由于其高耐久性和高速度被认为是DRAM的替代品 。
对于嵌入式应用，基于新兴NVM的片上存储器也可以提供比传统NVM更好的存取速度和低功耗，可在非常有限的功率下工作，对于物联网边缘设备上的AI芯片颇具吸引力 。
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何进教授认为，存算一体化的芯片可能是未来大数据时代、万物智能时代的终极解决方案 。他总结说，5G+AIoT领域，芯片看重时延、功耗、成本和安全性；芯片创新主要在AI芯片、新型存储芯片、光电芯片 。创新架构主要体现在软硬件协同设计，存算一体化结构和光电集成化芯片 。
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