微软自研芯片背后

随着世界各地的公司开始看到定制芯片解决方案所带来的优势，微软最近宣布了其第一批定制芯片，据称这些芯片将为未来的人工智能系统及其 Azure 云基础设施提供动力。为什么定制芯片变得越来越流行，微软的新设备拥有哪些规格，这对定制芯片的未来意味着什么？

过去十年中，一个拥有巨大前景的趋势是定制芯片的兴起。虽然定制硅器件已经存在了几十年（非专用逻辑阵列在 80 年代的家庭计算机系统中非常流行），但其中大多数要么是为极其利基的应用小批量制造的专用器件，要么是基于降低程度的布局，它们设计自由。

此外，许多工程公司多年来一直在设计自己的定制集成电路，台积电等代工厂提供制造服务。然而，这些设备与我们所认为的真正定制 IC 的区别在于，它们被出售给其他工程公司，然后由这些公司将这些设备整合到他们的产品中。

简单地说，如果一个 IC 是在公开市场上制造并出售给任何人使用的，那么它就不是定制 IC。然而，公司制造的设备（ 例如 Apple 的 M 系列）是定制 IC 的完美示例，因为它们仅用于芯片设计人员销售的产品中。

将微软的定制芯片方法与行业同行进行比较，很明显，微软的重点是优化其云和人工智能工作负载。与专为广泛设备设计的苹果 M 系列芯片不同，微软的 Maia 100 AI 加速器和 Cobalt 100 CPU 专为 Azure 基础设施量身定制，体现了对专业化高性能计算的承诺。

在笔者看来，定制 IC 受欢迎的原因在于它们能为设计人员提供了最高的自由度，能够准确决定芯片中集成了多少晶体管、使用的封装以及集成的功能。就移动设备而言，这使工程师能够专注于降低能耗，同时确保每瓦性能最大化，而在高性能应用中，它允许集成众多内核、加速器和外设。

此外，完全在晶体管级别定制的 IC 可以被软件充分利用。虽然使用现成处理器的工程师当然可以充分利用集成功能，但拥有真正的定制 IC 意味着可以从定制 IC 中完全删除大部分通常不需要的臃肿硬件，从而为更多处理器、内存和加速器。

这也意味着为定制 IC 编写的软件与硬件的耦合程度更高。此类代码可以变得超高效、超快速且可靠，而当针对各种不同处理器的软件时，这有时会很困难。

跟随其他科技公司的趋势， 微软 最近宣布 成功开发出两款新的 IC  ，将用于加速其未来的人工智能和云服务器能力。

第一个设备 Maia 100 是一款 AI 加速器，集成了约 1050 亿个晶体管，比其竞争对手 AMD 的 MI300X AI GPU 减少了约 30%。Maia 100 采用台积电 5nm 工艺制造，微软希望 Maia 100 能够为其未来的生成式 AI 系统提供动力。此外，据说新设备支持 sub-8-bit 数据类型，但除此之外，除了一些图像之外，还没有发布太多其他细节，目前正在 ChatGPT 3.5 上进行测试决定其性能。

Maia 100 AI 加速器的技术实力尤其值得关注。它是从头开始设计的，旨在满足人工智能任务的需求，特别是那些涉及大型语言模型的任务，例如 OpenAI 服务中使用的语言模型。这种芯片架构的专业化水平可能预示着人工智能优化硬件的新时代，树立了行业基准。

第二个设备 Cobolt 100 是一款基于 ARM 的 64 位 CPU，包含 128 个内核。凭借如此高的核心数量，Cobolt 100 非常适合微软的 Azure 云服务，特别是考虑到与 Azure 服务目前使用的 ARM 设备相比，新设备能够提供约 40% 的性能提升。截至目前，新设备正在使用 Azure 服务进行测试，包括 SQL 和 Microsoft Teams。

Azure 硬件系统和基础设施公司副总裁 Rani Borkar 强调了微软对硬件和软件集成的承诺，他强调：“软件是我们的核心优势，但坦率地说，我们是一家系统公司。在微软，我们正在共同设计硬件和软件共同优化，让一加一大于二”。该声明强调了微软在定制芯片方面的战略方向。

微软芯片设计（尤其是 Cobalt 100 CPU）的可持续性方面值得注意。它基于以能效而闻名的 Arm 架构构建，符合 Microsoft 更广泛的可持续发展目标。这种对“每瓦性能”的关注体现了对环保技术解决方案的承诺，为科技行业环保硬件开发树立了先例。随着 Microsoft 强调优化整个数据中心的能效，Cobalt 100 CPU 代表着在减少高性能计算对环境影响方面向前迈出了一步。

虽然微软开发自己的定制 IC 解决方案并不奇怪，但这确实表明，随着技术的进步， 定制 IC 将为工程师带来重大好处。尽管定制 IC 并不适合所有设计（因为现成的组件可以做得非常好，同时提供极高的成本节省），但那些希望设计需要降低能耗的极高性能设备的人肯定会受益于定制IC。

微软定制芯片的开发不仅是一项技术成就，而且对用户也具有重大影响。由这些芯片提供支持的云服务效率和性能的提高可能会带来更强大、响应更灵敏的基于云的应用程序，从而使依赖 Azure 云生态系统的最终用户和企业直接受益。

我们不太可能在现成的个人电脑和笔记本电脑中看到定制 IC 解决方案，因为它们将继续使用 AMD 和英特尔制造的设备，但苹果产品无疑将转向完全定制的解决方案。

然而，如果半导体代工厂开始为小批量定制芯片开放经济服务，那么日常家用设备就有可能采用此类技术。例如，由于能耗降低以及仅集成绝对需要的硬件功能的能力，物联网设备可能会看到定制 IC 的显着优势。

定制 IC 服务是否会变得足够便宜以供个人使用？不太可能。然而，未来的制造服务甚至可能允许个人将芯片芯片组合到定制封装中，以在灵活性和价格之间提供良好的平衡。

微软定制芯片的出现标志着该行业的一个关键时刻，展示了硬件和软件进一步集成的趋势。微软等公司开发出精确适合其软件和服务的芯片的这种方法可能会激励其他科技巨头效仿，从而有可能重塑云计算和人工智能领域的格局。

展望未来，微软进军定制芯片领域仅仅是一个开始。随着第二代 Azure Maia AI 加速器和 Azure Cobalt CPU 系列的计划已经启动，人工智能和云计算技术进一步进步的前景似乎一片光明。这种持续的创新重申了微软致力于优化从芯片到服务的每一层技术堆栈的承诺。