全球規(guī)模最大的北美消費電子產(chǎn)品展在美國拉斯維加斯拉開帷幕。本次參展的科技企業(yè)超過4000家，包括高通、英偉達(dá)、英特爾、LG、IBM、百度在內(nèi)的業(yè)界科技巨頭紛紛發(fā)布了各自最新的人工智能芯片產(chǎn)品和戰(zhàn)略，作為本屆展會的最大看點，人工智能芯片產(chǎn)品無疑受到了最為廣泛的關(guān)注。

與CPU比較，人工智能芯片有何不同？

當(dāng)AlphaGo在圍棋大戰(zhàn)中完勝柯潔后，各大媒體對人工智能的討論就不絕于耳，甚至有人擔(dān)心機器會具備自主思維，終有一天會像電影《終結(jié)者》中的場景一樣對人類造成生存威脅。不管這種危機是否存在，但必須認(rèn)識到人工智能芯片在架構(gòu)和功能特點上與傳統(tǒng)的CPU是有著非常大的區(qū)別。

傳統(tǒng)的CPU運行的所有的軟件是由程序員編寫，完成的固化的功能操作。其計算過程主要體現(xiàn)在執(zhí)行指令這個環(huán)節(jié)。但與傳統(tǒng)的計算模式不同，人工智能要模仿的是人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從最基本的單元上模擬了人類大腦的運行機制。它不需要人為的提取所需解決問題的特征或者總結(jié)規(guī)律來進(jìn)行編程。

人工智能是在大量的樣本數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓(xùn)練數(shù)據(jù)，建立了輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)之間的映射關(guān)系，其最直接的應(yīng)用是在分類識別方面。例如訓(xùn)練樣本的輸入是語音數(shù)據(jù)，訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的功能就是語音識別，如果訓(xùn)練樣本輸入是人臉圖像數(shù)據(jù)，訓(xùn)練后實現(xiàn)的功能就是人臉識別。

通常來說，人工智能包括機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，但不管是機器學(xué)習(xí)還是深度學(xué)習(xí)都需要構(gòu)建算法和模式，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)樣本的反復(fù)運算和訓(xùn)練，降低對人工理解功能原理的要求。因此，人工智能芯片需要具備高性能的并行計算能力，同時要能支持當(dāng)前的各種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。傳統(tǒng)CPU由于計算能力弱，難以支撐深度學(xué)習(xí)的海量數(shù)據(jù)并行運算，且串行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計架構(gòu)為的是以軟件編程的方式實現(xiàn)設(shè)定的功能，并不適合應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的自主迭代運算。傳統(tǒng)CPU架構(gòu)往往需要數(shù)百甚至上千條指令才能完成一個神經(jīng)元的處理，在AI芯片上可能只需要一條指令就能完成。

解讀主流的人工智能芯片

人工智能的高級階段是深度學(xué)習(xí)，而對于深度學(xué)習(xí)過程則可分為訓(xùn)練和推斷兩個環(huán)節(jié)：訓(xùn)練環(huán)節(jié)通常需要通過大量的數(shù)據(jù)輸入或采取增強學(xué)習(xí)等非監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，訓(xùn)練出一個復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。訓(xùn)練過程由于涉及海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和復(fù)雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要的計算規(guī)模非常龐大，通常需要GPU集群訓(xùn)練幾天甚至數(shù)周的時間，在訓(xùn)練環(huán)節(jié)GPU目前暫時扮演著難以輕易替代的角色。推斷環(huán)節(jié)指利用訓(xùn)練好的模型，使用新的數(shù)據(jù)去“推斷”出各種結(jié)論，如視頻監(jiān)控設(shè)備通過后臺的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，判斷一張抓拍到的人臉是否屬于黑名單。雖然推斷環(huán)節(jié)的計算量相比訓(xùn)練環(huán)節(jié)少，但仍然涉及大量的矩陣運算。

在推斷環(huán)節(jié)，除了使用CPU或GPU進(jìn)行運算外，FPGA以及ASIC均能發(fā)揮重大作用。目前，主流的人工智能芯片基本都是以GPU、FPGA、ASIC以及類腦芯片為主。

1.FPGA

即專用集成電路，一種集成大量基本門電路及存儲器的芯片，可通過燒入FPGA配置文件來來定義這些門電路及存儲器間的連線，從而實現(xiàn)特定的功能。而且燒入的內(nèi)容是可配置的，通過配置特定的文件可將FPGA轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌?a target="_blank">處理器，就如一塊可重復(fù)刷寫的白板一樣。FPGA有低延遲的特點，非常適合在推斷環(huán)節(jié)支撐海量的用戶實時計算請求，如語音識別。由于FPGA適合用于低延遲的流式計算密集型任務(wù)處理，意味著FPGA芯片做面向與海量用戶高并發(fā)的云端推斷，相比GPU具備更低計算延遲的優(yōu)勢，能夠提供更佳的消費者體驗。在這個領(lǐng)域，主流的廠商包括Intel、亞馬遜、百度、微軟和阿里云。

2.ASIC

即專用集成電路，不可配置的高度定制專用芯片。特點是需要大量的研發(fā)投入，如果不能保證出貨量其單顆成本難以下降，而且芯片的功能一旦流片后則無更改余地，若市場深度學(xué)習(xí)方向一旦改變，ASIC前期投入將無法回收，意味著ASIC具有較大的市場風(fēng)險。但ASIC作為專用芯片性能高于FPGA，如能實現(xiàn)高出貨量，其單顆成本可做到遠(yuǎn)低于FPGA。

谷歌推出的TPU就是一款針對深度學(xué)習(xí)加速的ASIC芯片，而且TPU被安裝到AlphaGo系統(tǒng)中。但谷歌推出的第一代TPU僅能用于推斷，不可用于訓(xùn)練模型，但隨著TPU 2.0的發(fā)布，新一代TPU除了可以支持推斷以外，還能高效支持訓(xùn)練環(huán)節(jié)的深度網(wǎng)絡(luò)加速。根據(jù)谷歌披露的測試數(shù)據(jù)，谷歌在自身的深度學(xué)習(xí)翻譯模型的實踐中，如果在32塊頂級GPU上并行訓(xùn)練，需要一整天的訓(xùn)練時間，而在TPU2.0上，八分之一個TPU Pod（TPU集群，每64個TPU組成一個Pod）就能在6個小時內(nèi)完成同樣的訓(xùn)練任務(wù)。

3.GPU

即圖形處理器。最初是用在個人電腦、工作站、游戲機和一些移動設(shè)備上運行繪圖運算工作的微處理器，可以快速地處理圖像上的每一個像素點。后來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，其海量數(shù)據(jù)并行運算的能力與深度學(xué)習(xí)需求不謀而合，因此，被最先引入深度學(xué)習(xí)。2011年吳恩達(dá)教授率先將其應(yīng)用于谷歌大腦中便取得驚人效果，結(jié)果表明，12顆英偉達(dá)的GPU可以提供相當(dāng)于2000顆CPU的深度學(xué)習(xí)性能，之后紐約大學(xué)、多倫多大學(xué)以及瑞士人工智能實驗室的研究人員紛紛在GPU上加速其深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

GPU之所以會被選為超算的硬件，是因為目前要求最高的計算問題正好非常適合并行執(zhí)行。一個主要的例子就是深度學(xué)習(xí)，這是人工智能（AI）最先進(jìn)的領(lǐng)域。深度學(xué)習(xí)以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是巨大的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其中的節(jié)點連接非常復(fù)雜。訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，很像我們大腦在學(xué)習(xí)時，建立和增強神經(jīng)元之間的聯(lián)系。從計算的角度說，這個學(xué)習(xí)過程可以是并行的，因此它可以用GPU硬件來加速。這種機器學(xué)習(xí)需要的例子數(shù)量很多，同樣也可以用并行計算來加速。在GPU上進(jìn)行的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練能比CPU系統(tǒng)快許多倍。目前，全球70%的GPU芯片市場都被NVIDIA占據(jù)，包括谷歌、微軟、亞馬遜等巨頭也通過購買NVIDIA的GPU產(chǎn)品擴(kuò)大自己數(shù)據(jù)中心的AI計算能力。

4.類人腦芯片

類人腦芯片架構(gòu)是一款模擬人腦的新型芯片編程架構(gòu)，這種芯片的功能類似于大腦的神經(jīng)突觸，處理器類似于神經(jīng)元，而其通訊系統(tǒng)類似于神經(jīng)纖維，可以允許開發(fā)者為類人腦芯片設(shè)計應(yīng)用程序。通過這種神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，計算機可以感知、記憶和處理大量不同的情況。

IBM的 True North芯片就是其中一個。2014年，IBM首次推出了True North類人腦芯片，這款芯片集合了54億個晶體管，構(gòu)成了一個有100萬個模擬神經(jīng)元的網(wǎng)絡(luò)，這些神經(jīng)元由數(shù)量龐大的模擬神經(jīng)突觸動相連接。True North處理能力相當(dāng)于1600萬個神經(jīng)元和40億個神經(jīng)突觸，在執(zhí)行圖象識別與綜合感官處理等復(fù)雜認(rèn)知任務(wù)時，效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)芯片。
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