以下文章來源于騰訊云 ，作者YHQ

事后想來，芯片驗證工程師Lynda進騰訊有點“草率”了。

“我們的仿真工具呢？”

“沒有，還在談。”

“驗證環(huán)境怎么說？”

“還沒有。”

“那……驗證流程呢？”

“也沒有。“

那是2019年1月。加入騰訊，Lynda正準備擼起袖子，大干一場，卻劈面遭遇“一問三沒有”。

“我們是從零開始做芯片。”

面試時，主導(dǎo)芯片設(shè)計工作的Henry給她打過心理預(yù)防針。

Lynda正好想?yún)⑴c芯片研發(fā)的全過程，倒不怕從頭開始。但她實在沒料到，連仿真工具、驗證環(huán)境、驗證流程這些必備品都能 “三無”。

眾所周知，芯片研發(fā)高門檻、高投入、高風險，而驗證工程師就是守門員。軟件開發(fā)尚可后期不斷改bug，芯片如果設(shè)計問題沒被前期驗證發(fā)現(xiàn)，一旦流片，只能淪為一塊“磚頭”。

因此，很多芯片公司對設(shè)計工程師與驗證工程師的人員配比是1：3。而在蓬萊實驗室，Lynda只有一個并肩作戰(zhàn)的驗證同事，和一行代碼都沒有的驗證條件。

這時候，Lynda才開始明白Henry口中的“從零開始”意味著什么，以及她面臨著怎樣一場艱難的戰(zhàn)役。

1

一個差點解體的團隊

在騰訊云副總裁、云架構(gòu)平臺部總經(jīng)理謝明看來，芯片這場戰(zhàn)役，騰訊“蓄謀已久、勢在必行”。

這個團隊肩負著QQ等國民級應(yīng)用的后臺架構(gòu)，站在騰訊海量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)沖刷的前線，深刻地明白底層技術(shù)創(chuàng)新對上層應(yīng)用的放大價值。

2013年，QQ相冊已經(jīng)發(fā)展成騰訊最大的一個存儲類業(yè)務(wù)。

讓用戶訪問相冊的速度更快、體驗更順滑，成了一個很急迫的需求。轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的技術(shù)問題，就是圖片能否更快地轉(zhuǎn)碼？能否在不損畫質(zhì)的情況下壓縮？能否以更低的成本存儲？

他們反復(fù)地追問。

伴隨著軟件架構(gòu)上永無止盡的自我超越，團隊敏銳地察覺到，只有在硬件上也作出創(chuàng)新，才能實現(xiàn)更深層次的突破。

一個做軟件出身的團隊，怎么去做硬件？

一圈研究之后，他們決定先拿FPGA（可編程陣列邏輯）試水。FPGA相比起芯片容錯率高，但在吞吐率、延遲、功耗和靈活性等維度上都很平衡。尤其是在處理海量數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA相比GPU具有超低延時的顯著優(yōu)勢。

事實驗證了這種判斷。2015年，團隊集中力量研發(fā)的圖片編碼FPGA，取得了比CPU編碼和軟件編碼更高的壓縮率和更低的延時，也幫助QQ相冊很大程度上降低了存儲成本。他們看到了在FPGA方向探索和深入的可能性。

2016年前后，由AlphaGo引爆的AI熱潮更把FPGA拉入了主流視野。團隊通過FPGA對深度學習模型的CNN算法進行加速后，處理性能達到通用CPU的4倍，而單位成本僅為1/3。

FPGA效果雖好，但技術(shù)門檻比較高，“如果把FPGA云化，是不是一個能夠擴大應(yīng)用的解決路徑？”

帶著這樣的期待，2017年1月20日，騰訊云推出了國內(nèi)首款FPGA云服務(wù)器，希望以云計算的方式，將FPGA能力推廣到更多企業(yè)。

從效果上來說，在FPGA云服務(wù)器上進行FPGA硬件編程的企業(yè)，確實能將性能提升至通用CPU服務(wù)器的30倍以上，而只需支付相當于通用CPU約40%的費用。以一家著名的基因檢測公司為例，傳統(tǒng)用CPU需要檢測一周的基因序列，F(xiàn)PGA可以壓縮到數(shù)小時完成。

然而，殘酷的現(xiàn)實給團隊從頭到腳澆了盆冷水，云化后的FPGA，沒能如預(yù)期般迅速席卷整個行業(yè)。

一方面，許多企業(yè)還是無法獨立勝任FPGA開發(fā)，需要更加上層的服務(wù)；另一方面，GPU成本的迅速下降，也給FPGA造成了巨大的沖擊。

云端商業(yè)化的受挫，把團隊的熱情從巔峰一下子打到了谷底，同時也把一個問題赤裸裸地拋到整個團隊的眼前：FPGA對業(yè)務(wù)的價值究竟有多大？FPGA還能繼續(xù)做嗎？

受此打擊，團隊在2018年也近乎分崩離析，人員開始集中式地離開。

2

柳暗花明，“蓬萊”問世

時間進入2019年。那是人工智能規(guī)模化應(yīng)用的元年，內(nèi)外部業(yè)務(wù)都提出了對AI芯片的強烈訴求。

在FPGA云服務(wù)器受挫后，騰訊需要重新思考硬件之路要怎么走下去。

AI芯片，要不要做？

這個問題被提出來的時候，管理層有過反對的聲音，擔心技術(shù)人員只是頭腦發(fā)熱，只是為了追逐熱點，只是看似自信的盲目自負，但也沒有明令禁止小團隊的探索。

以小規(guī)模、低成本、特定應(yīng)用場景的方式先行試水，成了大家的共識。

云架構(gòu)平臺部將第一款芯片敲定AI推理方向，取名“蓬萊”，希望這款芯片能像中國古代神話里的海外仙山一樣，穩(wěn)固地立于洶涌波濤之上。

這支硬件突圍小分隊，也被正式命名為“蓬萊實驗室”。

經(jīng)歷過FPGA，蓬萊實驗室對硬件編程語言已經(jīng)相當熟練，也在標準接口、總線等方面積累了一些平臺化的設(shè)計。然而，兩者的研發(fā)要求，不可同日而語。

如果說做FPGA是搭現(xiàn)成的積木，那么做芯片就是直接從原木著手來制造積木。FPGA出了問題可以重新編程，而芯片只有一次流片機會，一旦出錯，付諸東流。

此外， FPGA的資源是現(xiàn)成固定的，芯片的資源卻是由自己定義的。

一個字，就是要“摳”：用最小的資源做最大的事。

芯片架構(gòu)工程師Rick用“裝修”改“重建”來形容整個蓬萊項目。

一開始，團隊以為能把之前FPGA的技術(shù)較為簡單地轉(zhuǎn)成芯片。做著做著發(fā)現(xiàn)，以為終歸只是以為——FPGA架構(gòu)在芯片中能直接復(fù)用的并不多，團隊只能把原來的架構(gòu)整個拆掉，重寫的代碼量高達85%。

像DDR存儲器這樣的重中之重，芯片廠商通常會有專門的驗證人員負責，而剛起步的蓬萊實驗室沒這個條件，只能靠搶時間把功課補回來。

2020年1月，蓬萊芯片流片完成，被合作方快遞到深圳。新冠疫情剛剛在全國范圍內(nèi)暴發(fā)，公司已經(jīng)開啟集體遠程辦公。

● 流片完成的蓬萊芯片被快遞回深圳

Henry戴著手套取到快遞，用酒精仔細消毒后，帶到空空蕩蕩的辦公樓，大開著窗戶和風扇，和幾個同事一起開始點亮操作。

所謂點亮，就是給芯片上電，首先看有沒有短路冒煙，接著就是測試一些基本功能。

是芯片還是“磚頭”，成敗在此一舉。

● 調(diào)試蓬萊芯片的時鐘

結(jié)果，芯片的時鐘頻率一直沒出來。要知道，時鐘頻率是芯片的“節(jié)拍器”，沒有時鐘頻率，芯片的不同模塊等于沒對好表，就無法協(xié)同工作。

是不是這塊芯片的問題？實驗人員換了一塊芯片，依然沒有信號輸出。

再換一塊，還是沒有。

現(xiàn)場鴉雀無聲。實驗人員已經(jīng)不敢動手了。

有人忍不住開玩笑，是不是該回家改簡歷了？但大家心里更多的是疑惑：

雖然人少、資源少、白手起家，但蓬萊實驗室從設(shè)計人員到驗證人員，都有信心說，每一步都做好了。到底是哪里不對呢？

在無比凝重的氣氛中，放板、上電、讀取信號……

第四塊芯片，亮了。剩下的所有芯片，也都沒問題。

真相就是這么簡單。28納米工藝的芯片，不良率只有3%，偏偏隨機測試的前三片就全趕上了，讓他們把“生一胎”的緊張情緒體驗到十足。

經(jīng)歷這名副其實的一波三折，騰訊第一款芯片，宣告問世。

3

更上一層，“紫霄”凌云

蓬萊芯片的實戰(zhàn)表現(xiàn)也不負眾望，助力騰訊推出中國第一臺獲準進入醫(yī)院臨床應(yīng)用的智能顯微鏡，實現(xiàn)自動識別醫(yī)學圖像、統(tǒng)計細胞數(shù)目并直接顯示在視野上，性能表現(xiàn)完全符合設(shè)計要求。

● 蓬萊芯片在智能顯微鏡上調(diào)試

高效地造出直面應(yīng)用、性能卓越的芯片，這條路，騰訊走得通。

終端芯片蓬萊的問世，只是完成了從0到1的任務(wù)。團隊已經(jīng)迫不及待的要從1到N，向著大規(guī)模云端芯片進軍。

蓬萊實驗室負責人Alex將大芯片申請立項戲稱為“A輪融資”。

初試鋒芒之后，團隊需要向公司說明，為什么需要用更大的投入去做大規(guī)模芯片？在短期和長期能否保持領(lǐng)先性？如何與內(nèi)外部業(yè)務(wù)結(jié)合創(chuàng)造價值？

騰訊這次面臨的決策，要容易做得多。

蓬萊的成功給了足夠的信心和底氣。蓬萊實驗室邊走路邊成長，完成了一次次蛻變，建立起完整、嚴謹、規(guī)范的芯片研發(fā)體系和流程。

這已經(jīng)是一支“正規(guī)軍”。

更重要的是，團隊證明了騰訊做芯片的優(yōu)勢和站位。

謝明解釋說，從行業(yè)來看，做芯片除了要考慮技術(shù)和工藝，最大的難點在于對芯片的“定義”。傳統(tǒng)芯片廠商的優(yōu)勢在于前者，但芯片做出來之后再去匹配需求，在很多場景下真實性能是損失的。Google、騰訊這類科技企業(yè)的優(yōu)勢在于自身就是需求方，對需求的理解和洞察最深刻、最透徹。

方向沒有問題，技術(shù)和工藝也沒問題，騰訊高級執(zhí)行副總裁、TEG（技術(shù)工程事業(yè)部）總裁盧山給予了全面支持，并通過總辦爭取到了更多的headcount和資金。

有了公司戰(zhàn)略的支持，團隊志氣昂揚奔赴更大的戰(zhàn)場。蓬萊實驗室副總監(jiān)Austin決定兵分兩路，在AI推理和視頻編解碼上并行推進。

AI小分隊繼續(xù)做蓬萊的2.0版“紫霄”。這是《封神演義》里鴻鈞老祖所居宮殿的名字。在穩(wěn)固的仙山上牢筑“紫霄”，代表了新的野心：

這次，他們將目標直接定為業(yè)界第一。

紫霄所有的架構(gòu)都圍繞著有效算力去做。團隊優(yōu)化片上緩存設(shè)計，并摒棄競品常用的GDDR6內(nèi)存，采用先進的2.5D封裝技術(shù)，把HBM2e內(nèi)存與AI芯片合封在一起，從而把內(nèi)存帶寬提升了近40%。

技術(shù)迭代一日千里。紫霄立項后，業(yè)內(nèi)最高性能表現(xiàn)又被競品刷新。雖然紫霄的設(shè)計性能相比這個最高表現(xiàn)還足夠“安全”，但團隊還打算繼續(xù)加碼。

經(jīng)過研究，他們在芯片內(nèi)部增加了計算機視覺CV加速器以及視頻編解碼加速器，可創(chuàng)新性地大幅減小AI芯片和x86 CPU之間的交互和等待。

即便因此而增加了兩個復(fù)雜的自研模塊，團隊仍然在計劃的6個月時間里完成了從架構(gòu)確定到驗證以及流片的全部流程。

2021年9月10日，紫霄順利點亮。

在圖片和視頻處理、自然語言處理、搜索推薦等應(yīng)用場景下，這款芯片打破了制約算力發(fā)揮的瓶頸點，最終在實際業(yè)務(wù)場景性能表現(xiàn)達到了業(yè)界標品的2倍。

4

獨立自研，“滄海”一笑

2022年3月5日，Derick和他帶領(lǐng)的視頻編解碼小分隊收到流片回來的芯片“滄海”，又正逢深圳因疫情而全面遠程辦公。

他們申請?zhí)嘏M入空空蕩蕩的辦公樓。這情景，和兩年前點亮蓬萊時何其相似。

不曾想到，點亮蓬萊時的一波三折，同樣重現(xiàn)。克服了一些調(diào)試中的意外，在一片歡呼中，騰訊的第三款芯片、同時也是完全自主研發(fā)的第一款芯片滄海成功點亮。

從蓬萊到紫霄再到滄海，從28納米工藝到12納米工藝，從8個人發(fā)展到100多人，從仿真工具一無所有到“天箭驗證平臺”正式落成，從努力跟上合作伙伴的節(jié)奏到獨立做完全SOC。

蓬萊實驗室，完成了一場“芯”路進化。

此外，在應(yīng)用方向上不同于蓬萊和紫霄主打AI，滄海是一款視頻轉(zhuǎn)碼芯片。

如果說QQ相冊圖片的轉(zhuǎn)碼問題是蓬萊實驗室做硬件的最早契機，那滄海問世，正是完成了一次對初心的呼應(yīng)。

多媒體業(yè)務(wù)從圖片時代進化到音視頻直播時代，4K/8K超高清的數(shù)字內(nèi)容如潮水一般持續(xù)沖擊著云計算基礎(chǔ)設(shè)施。每增加一個比特的數(shù)據(jù)，都會帶來相應(yīng)的轉(zhuǎn)碼算力和CDN帶寬成本。這是一道直觀而嚴峻的數(shù)學題。

滄海小分隊的目標非常清晰，那就是要做一款業(yè)界最強的視頻轉(zhuǎn)碼芯片，把壓縮率發(fā)揮到極致。

好在，騰訊豐富的多媒體應(yīng)用場景，以及騰訊云覆蓋的眾多直播互動頭部客戶，為滄海的研發(fā)提供了得天獨厚的分析和驗證條件。

團隊先是推出了滄海的核心自研模塊——硬件視頻編碼器“瑤池”，并決定在滄海完成研發(fā)之前給瑤池一次大考。

這個大考就是2020年的MSU世界編解碼大賽，由莫斯科國立大學（MSU）主辦，十多年來一直是全球視頻壓縮領(lǐng)域最具影響力的頂級賽事之一，吸引了包括英特爾、英偉達、谷歌、華為、阿里和騰訊在內(nèi)的國內(nèi)外知名科技企業(yè)參與。

結(jié)果是，瑤池實現(xiàn)1080P@60Hz的視頻實時編碼，力壓群雄獲得了SSIM (結(jié)構(gòu)相似性)、PSNR(峰值信噪比)和VMAF(視頻多方法評估融合)等各項客觀指標評測第一名，以及人眼主觀評價第一的好成績，相比起第二名領(lǐng)先了一個身位。

經(jīng)此硬仗，滄海在技術(shù)上得到了充分檢閱。

化滄海為一粟。滄海最終實現(xiàn)以更小的數(shù)據(jù)量、更小的帶寬提供相同質(zhì)量的視頻，壓縮率相比行業(yè)最佳表現(xiàn)還提高了30%以上。

5

“100G”時代，雙木參天

在多媒體、AI處理積極求變的同時，底層的云服務(wù)器也面臨著相似的問題：

當軟件優(yōu)化帶來的性能提升無法讓產(chǎn)品擁有區(qū)別于競品的明顯競爭力時，如何讓性能突破現(xiàn)有天花板？

騰訊的另一個部門，將目光投向了軟硬協(xié)同與硬件加速。

2019年，騰訊迎來云計算業(yè)務(wù)上的里程碑——云服務(wù)器規(guī)模突破了100萬。

騰訊云副總裁、騰訊網(wǎng)絡(luò)平臺部總經(jīng)理鄒賢能敏銳地觀察到，隨著服務(wù)器接入帶寬不斷提升，服務(wù)器用于網(wǎng)絡(luò)處理的CPU資源也越來越多。

能否以更低成本的方式來實現(xiàn)服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)處理，同時還提供更高的網(wǎng)絡(luò)性能？

面對這樣“既要、又要”的挑戰(zhàn)，鄒賢能決定給服務(wù)器做個減法：“把網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理的負擔從CPU卸載出來。”

“智能網(wǎng)卡”的想法就這樣誕生了。

● 騰訊智能網(wǎng)卡“銀杉”

所謂智能網(wǎng)卡，一方面像普通網(wǎng)卡一樣肩負起服務(wù)器的對外網(wǎng)絡(luò)訪問，實現(xiàn)不同服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。另一方面，它額外帶有CPU/FPGA/內(nèi)存等智能單元，能分擔一部分服務(wù)器的虛擬化計算任務(wù)，實現(xiàn)服務(wù)器整體網(wǎng)絡(luò)和存儲性能的加速。

換句話說，網(wǎng)絡(luò)平臺部要做的事，是要在網(wǎng)卡里新裝一個服務(wù)器。

一開始，團隊希望找到一款現(xiàn)成的商用板卡來減少工作量。

網(wǎng)卡硬件負責人Hayden牽頭開展方案論證和調(diào)研，但商用芯片的加速引擎不支持私有協(xié)議成為當時直面的第一大挑戰(zhàn)，也是最大的障礙。一些著名的網(wǎng)卡設(shè)備商聽了騰訊的要求就搖頭：

“現(xiàn)在網(wǎng)卡的功能很簡單，你們這個要求太復(fù)雜了，很難實現(xiàn)的。”

還有些直白地質(zhì)疑：“網(wǎng)卡數(shù)量這么多，可靠性要求高，你們自己搞得定嗎？”

難道智能網(wǎng)卡項目剛起步就要流產(chǎn)？

鄒賢能給團隊指明了方向：“既然智能網(wǎng)卡是云數(shù)據(jù)中心追求極致性能與成本的關(guān)鍵部件，如果市面上沒有滿足騰訊需求的產(chǎn)品，那我們就自己造一個。”

方向明確之后，路線也很快清晰起來：先從基于FPGA自研智能網(wǎng)卡起步，再開展智能網(wǎng)卡芯片研發(fā)。

2020年9月，騰訊第一代基于FPGA的自研智能網(wǎng)卡正式上線，命名為“水杉”，寄寓著團隊希望產(chǎn)品可以像這種珍稀喬木一樣適應(yīng)性強、快速生長。

疫情期間各種突發(fā)需求砸來，初生的水杉沒有被挑戰(zhàn)壓彎。

Hayden回憶道，一個大客戶本身采用了UDP音視頻協(xié)議，在屬性上是“不可靠”、允許丟包的，極大地依賴網(wǎng)絡(luò)吞吐和穩(wěn)定性，卻要求高并發(fā)、高質(zhì)量的音視頻傳輸效果。

水杉智能網(wǎng)卡迎難而上，通過大幅提升服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)性能，幫助該客戶完成了24小時零丟包的極限壓力測試，穩(wěn)定上線運行，交出了一份漂亮的答卷。

水杉投入應(yīng)用后，第二代智能網(wǎng)卡“銀杉”的研發(fā)工作也緊鑼密鼓地啟動，并于2021年10月正式上線。這一代智能網(wǎng)卡的網(wǎng)絡(luò)端口翻了一番，達到了2*100G。

在又一棵參天大樹的支撐下，騰訊云對外推出了業(yè)界首款自研第六代100G云服務(wù)器。

它的計算性能提升最大220%、存儲性能最大提升100%。單節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)帶寬相比上一代最大提升4倍，延時下降50%。

● “銀杉”搭載在自研100G云服務(wù)器上

“兩棵樹”在網(wǎng)絡(luò)硬件卸載上取得的巨大收益，令團隊興奮不已。

當FPGA路線逐漸逼近性能和功耗的瓶頸，網(wǎng)絡(luò)平臺部決定再一次把主動權(quán)掌握在自己手里。

6

“玄靈”乍現(xiàn)，芯事未完

騰訊的第四款芯片，也是首款智能網(wǎng)卡芯片應(yīng)運而生。

它也有一個 “仙氣十足”的名字——“玄靈”， 按照計劃，這款7納米工藝的芯片將在2022年底流片。

Hayden受命快速組建起了玄靈芯片研發(fā)團隊，不斷挑戰(zhàn)多個“mission impossible”。

從性能指標來看，玄靈支持設(shè)備數(shù)量將提升到10K以上，相對商業(yè)芯片提升6倍。同時，它的性能相對商業(yè)芯片也可提升4倍，通過將原來運行在主機CPU上的虛擬化、網(wǎng)絡(luò)/存儲IO等功能卸載到芯片，可實現(xiàn)主機CPU的0占用。

這顆短小精悍的芯片，充分詮釋了面向未來極致性能的“玄”，與面向各類業(yè)務(wù)需求靈活加速的“靈”。

目前，玄靈項目正在緊鑼密鼓地進行智能網(wǎng)卡流片前的驗證和測試，打造騰訊云下一代高性能網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；

蓬萊實驗室的AI推理芯片紫霄和視頻轉(zhuǎn)碼芯片滄海則將量產(chǎn)，與騰訊業(yè)務(wù)深度融合應(yīng)用；

還有一些新的芯片項目也在醞釀成長，繼續(xù)探索有需要的技術(shù)方向，豐富這一本“山海經(jīng)”。

騰訊海量業(yè)務(wù)面臨的全新挑戰(zhàn)，以及云計算高速發(fā)展的必然要求，“倒逼”騰訊走上了這條造芯之路。這些從業(yè)務(wù)需求出發(fā)的芯片，必定會深入現(xiàn)實應(yīng)用來證明自身的價值。

“我們不是無中生有、拍腦袋要去做芯片。我們一開始就知道，騰訊的需求足夠大，足夠我們?nèi)プ鲞@件事。”盧山說道。

從2010年起，騰訊就開始以云服務(wù)的方式對外開放自身的數(shù)字技術(shù)與連接能力，奔赴這場產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的時代大潮。躬身入局，騰訊看到深度的數(shù)實融合正在引領(lǐng)全真互聯(lián)的技術(shù)趨勢。

騰訊的芯事，最終將在數(shù)實融合的星辰大海中得到回響。

審核編輯：符乾江