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押注大模型定义芯片:这家国产芯片公司三年造芯,八个月出货20万颗!

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车东西
作者 | Janson
编辑 | 志豪

一家成立三年的国产芯片公司,首款芯片量产8个月,累计出货超过20万颗。

芯东西10月30日消息,日前, XHEART新芯航途在苏州正式亮相,并发布旗舰产品X7 Ultra,拥有700TOPS大模型算力。

与单纯提高芯片算力不同,XHEART选择了“大模型定义芯片”的前瞻技术路线,即根据大模型的计算需求设计芯片架构,让芯片更高效地运行大模型。


▲X7 Ultra核心参数一览

按照XHEART披露的数据,X7 Ultra在真实量产智驾模型实测中,芯片的计算利用率达到98.7%,在大模型性能相当的条件下,相比行业旗舰产品,内存带宽消耗下降80%。

通过优化计算架构和数据搬运效率,X7 Ultra还实现了10倍模型参数释放。

这些数据背后,是智驾芯片乃至大模型芯片面临的一项重要变化。

随着端到端大模型加速上车,芯片不仅要提供更高算力,还要解决模型运行时的数据搬运、存储带宽和功耗问题。

XHEART希望通过创新的超大核NPU架构和原生软硬件协同,提高芯片的实际计算效率。

一、智驾大模型上车 芯片不能只靠堆算力

端到端大模型正在改变智能驾驶系统的计算方式。

过去,智能驾驶主要依靠感知、预测、规划等不同模块分别处理任务,每个模块运行对应的算法模型。

如今,端到端大模型将更多任务整合进大型神经网络,模型规模和计算复杂度不断提升,对车端芯片的要求也随之改变。

芯片的算力越来越高,但模型不一定能充分利用这些算力。

大模型完成一次计算后,可能需要将结果写入外部内存,后续运算再将其读取出来。

如果数据频繁在计算单元与内存之间往返,即使芯片拥有很高的算力,也会有大量时间消耗在数据传输上。

这就是芯片设计中常说的“内存墙”问题。

与此同时,数据搬运也需要消耗电力。对于空间、功耗和散热条件有限的汽车来说,数据访问效率直接影响整个智驾计算平台的性能和成本。

因此,芯片厂商除了提高TOPS,还需要考虑如何让计算单元更快获得数据、减少内存访问,以及降低运行功耗。

另一个问题是,芯片的研发周期远长于算法的迭代周期。

一颗芯片从设计到量产通常需要数年,而算法在此期间可能已经更新多个版本。

如果只按照当前模型设计芯片,产品量产时就可能面临新的算法需求。


▲大模型定义芯片

XHEART在2023年立项时便选择了另一种思路,先研究大模型需要怎样的计算和存储能力,再据此设计芯片架构。

按照这一思路,算法团队会提前参与芯片的技术定义,研究未来模型的计算特征、数据访问方式和关键算子需求。

芯片团队则根据这些信息,确定NPU架构、存储层次、数据通路以及软件工具链的设计方案。

XHEART将其称为“大模型定义芯片”。

这条路线的核心,是将算法与硬件的协同优化提前到芯片设计阶段,让芯片架构从一开始就围绕大模型的运行需求展开。

二、超大核NPU登场 X7 Ultra怎么提高有效算力?

X7 Ultra采用的超大核NPU,是实现“大模型定义芯片”这一技术思路的关键。

对于大型Transformer模型,如果采用多个小型计算核心共同运行,模型可能需要拆分成不同部分,在多个核心之间分配计算任务。

这样虽然可以利用多个计算核心,但不同核心之间需要交换数据,还可能涉及额外的任务调度和中间结果存储。

XHEART选择将更多计算任务集中在超大核内部,尽量让完整的端到端大模型在一个大核中运行,减少跨核心的数据交换。

根据XHEART公布的技术方案,X7 Ultra将传统小核之间百GB/s级的数据交互,整合至超大核内部TB/s级的高速互联,让数据能够在芯片内部更快地流动。


▲超大核NPU设计

不过,把计算核心做大只是第一步,如何减少不必要的数据搬运同样重要。

大模型运行时,会频繁执行Layer Norm(层归一化)、Transpose(转置)、Summation(求和)等运算。

这些运算本身未必需要特别高的算力,但如果每次都需要读取外部内存中的数据,再将计算结果写回,就会占用大量存储带宽。

为此,XHEART针对这些高频算子优化了片内数据处理路径,并配置专用加速单元。

部分计算可以直接在芯片内部完成,甚至无需离开寄存器,从而减少对外部DDR内存的访问。

这样做有两个好处,一是缩短数据传输时间,让计算单元减少等待,二是降低数据读写产生的功耗,减轻整个计算平台的散热压力。

除了数据访问,X7 Ultra还对NPU内部的计算方式进行了优化。

在大模型推理过程中,计算单元需要不断加载模型权重。如果必须等权重全部加载完成后才能进行下一步计算,就会出现计算资源闲置。

X7 Ultra通过软硬件协同优化任务调度,让计算与权重加载并行进行,使更多计算单元能够同时工作。

按照XHEART公布的量产智驾大模型实测结果,X7 Ultra的计算利用率达到98.7%。


▲X7 Ultra硬件效率

硬件之外,XHEART还重新设计了AI工具链。

大模型并不能直接放到芯片上运行,还需要通过工具链完成模型转换、量化、编译和部署。

如果工具链无法合理安排计算任务,即使硬件本身性能很强,也可能出现计算单元等待、数据反复读写等问题。

X7 Ultra采用整网级融合技术,对整个模型的计算任务进行统一编排,将可以合并的操作集中处理,减少中间结果反复写入外部内存。

这一设计也有助于适应持续升级的算法模型。未来模型发生变化时,可以通过工具链调整计算任务的部署方式,而不必每次都修改芯片硬件。

在计算精度方面,XHEART以量化模型输出与FP32浮点模型的相似度达到99.99%以上为约束,避免性能优化影响模型精度。

基于上述架构和工具链优化,X7 Ultra最终实现了700TOPS大模型算力。


▲大模型算力达到700TOPS

在大模型性能相当的条件下,对比结果显示,X7 Ultra内存带宽消耗较行业旗舰产品下降80%,能效提升100%。

更低的内存带宽消耗,意味着运行同等规模的模型时,芯片对外部存储资源的需求更少。这部分节省下来的资源,也为部署更大的模型创造了条件。

据XHEART介绍,X7 Ultra实现了10倍模型参数释放。

除了NPU,X7 Ultra还是率先采用并首发量产搭载Armv9车规级CPU的车规级芯片,它负责复杂控制和系统调度,并通过专用计算单元处理不同类型的任务。


▲芯片采用Armv9车规级IP

在激光雷达处理加速器方面,芯片支持最高2000万点/秒处理带宽的数据处理能力,可在专用计算单元内完成相关预处理工作,减少对其它计算资源的占用。

从超大核NPU、专用算子加速到AI工具链优化,X7 Ultra并非单纯增加计算单元,而是同时优化计算和数据处理方式,让700TOPS算力能够更充分地用于大模型推理。

不过,有了优秀的设计还远远不够,工程量产能力也是不可或缺的一部分。

三、从架构仿真到20万颗出货 大模型芯片走向量产

对于芯片公司来说,设计出一颗芯片只是第一步,能否顺利流片、完成车规验证并实现量产交付,同样重要。

对于XHEART来说,其从2023年成立到X7系列芯片量产,用了约两年时间。

在芯片研发初期,XHEART便对多种架构方案进行了评估。

XHEART CEO李宗霖曾公开表示,不同芯片架构会采用不同的数据流设计,团队需要提前建立性能模型,通过仿真比较各方案的计算效率,再决定最终的架构路线。

在完成架构设计后,XHEART还与Momenta合作,使用真实量产智驾大模型进行全芯片仿真验证。

这一环节被放在芯片流片之前完成,可以提前检查算法与硬件的适配情况,减少芯片回片后才发现问题的风险。

与此同时,XHEART还与主机厂提前开展域控制器设计,将芯片与其它器件的集成、验证工作同步推进,而不是等到芯片制造完成后才开始。

这些前期工作明显缩短了芯片回片后的软硬件集成时间。

根据XHEART披露的信息,首颗X7系列芯片回片后,不到24小时便完成点亮,主要数据通路全部打通。

回片第17天,X7系列芯片、底层软件和智驾大模型实现整车闭环,并开始在真实道路上进行白天、夜间和暴雨等场景测试。

随后,XHEART与主机厂合作推进量产项目,提供域控参考设计,并开展域控级PreDV验证,帮助客户完成芯片和整车系统的集成。

目前,X7系列已经取得了实际量产成果。


▲X7系列量产成绩单

截至10月29日发布会,X7系列芯片量产8个月,累计出货超过20万颗,搭载10款量产车型,并获得超过40款车型订单。

从芯片回片、算法适配到整车量产,XHEART已经完成了首代产品的商业化交付,并开始通过多个车型项目扩大出货规模。

在合作生态方面,Momenta是XHEART重要的战略合作伙伴,双方从芯片设计阶段便开展算法与硬件协同。

不过,XHEART是一家独立运营的芯片企业,与Momenta不存在排他性绑定关系。

其芯片面向主机厂及所有算法厂商开放,其它算法方案商也可以基于XHEART芯片进行适配和开发。

此次发布会上,Momenta CEO曹旭东也介绍了双方联合研发的最新进展。

据其披露,基于X7 Ultra的支持,即将发布的R7 Ultra模型参数规模将扩大5至10倍,安全性能提升5至10倍以上。


▲用户体验发展时间表

这也体现了算法与芯片联合设计的实际应用方向:通过优化底层计算平台,让车端能够运行参数更多、计算任务更复杂的智驾大模型。

除了当前的辅助驾驶市场,XHEART也开始向L3、L4自动驾驶拓展。

相比L2辅助驾驶,更高等级自动驾驶对计算平台的可靠性、功能安全和冗余能力提出了更高要求。

在芯片安全设计方面,X7 Ultra满足ISO 26262 ASIL-B功能安全要求,内部集成的安全MCU通过ASIL-D认证。

针对L3、L4应用,XHEART还推出了基于双X7芯片的计算平台,通过两颗芯片互联,在计算和安全能力方面提供冗余。

根据发布会公布的信息,双X7计算平台已经获得多个车型项目定点。

下一代产品方面,XHEART公布了X9芯片的研发目标。

按照规划,X9的大模型算力达到3000TOPS(仅用于智驾等物理AI场景),单芯片内存带宽达到700GB/s,面向L4自动驾驶、下一代世界模型以及具身智能等场景。


▲X9的大模型算力

随着模型参数规模继续扩大,车端不仅需要更多计算资源,还需要更高的存储带宽,以及更稳定、可靠的系统运行能力。

从X7系列芯片量产,到X7 Ultra提升大模型运行效率,再到X9提高计算与存储规格,XHEART正在沿着“大模型定义芯片”的路线推进产品迭代。

结语:大模型芯片进入系统效率竞争阶段

X7系列芯片实现规模化量产,说明XHEART已经具备车规级大模型芯片的交付能力。X7 Ultra则进一步将竞争重点放在模型运行效率上。

随着自动驾驶向L3、L4演进,模型对计算、存储和功能安全的要求还将继续提高。对于芯片厂商而言,未来不仅要提高算力规格,还要让新增算力在真实模型中发挥作用。

从这一角度看,软硬件协同能力正在成为智驾芯片的重要竞争因素,而XHEART正在为行业提供一个极具参考价值的范本。

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