一文看懂清华AI芯片报告，让你对AI一目了然（4）

  目前， GPU 已经发展到较为成熟的阶段。谷歌、 FACEBOOK、微软、 TWITTER 和百度等公司都在使用 GPU 分析图片、视频和音频文件，以改进搜索和图像标签等应用功能。此外，很多汽车生产商也在使用 GPU 芯片发展无人驾驶。 不仅如此， GPU 也被应用于VR/AR 相关的产业。

 

但是 GPU也有一定的局限性。 深度学习算法分为训练和推断两部分， GPU 平台在算法训练上非常高效。但在推断中对于单项输入进行处理的时候，并行计算的优势不能完全发挥出来。

 

3、半定制化的 FPGA

FPGA 是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可编程器件基础上进一步发展的产物。用户可以通过烧入 FPGA 配置文件来定义这些门电路以及存储器之间的连线。这种烧入不是一次性的，比如用户可以把 FPGA 配置成一个微控制器 MCU，使用完毕后可以编辑配置文件把同一个FPGA 配置成一个音频编解码器。因此， 它既解决了定制电路灵活性的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

 

FPGA 可同时进行数据并行和任务并行计算，在处理特定应用时有更加明显的效率提升。对于某个特定运算，通用 CPU 可能需要多个时钟周期； 而 FPGA 可以通过编程重组电路，直接生成专用电路，仅消耗少量甚至一次时钟周期就可完成运算。

 

此外，由于 FPGA的灵活性，很多使用通用处理器或 ASIC难以实现的底层硬件控制操作技术， 利用 FPGA 可以很方便的实现。这个特性为算法的功能实现和优化留出了更大空间。同时 FPGA 一次性成本(光刻掩模制作成本)远低于 ASIC，在芯片需求还未成规模、深度学习算法暂未稳定， 需要不断迭代改进的情况下，利用 FPGA 芯片具备可重构的特性来实现半定制的人工智能芯片是最佳选择之一。

 

功耗方面，从体系结构而言， FPGA 也具有天生的优势。传统的冯氏结构中，执行单元（如 CPU 核）执行任意指令，都需要有指令存储器、译码器、各种指令的运算器及分支跳转处理逻辑参与运行， 而 FPGA 每个逻辑单元的功能在重编程（即烧入）时就已经确定，不需要指令，无需共享内存，从而可以极大的降低单位执行的功耗，提高整体的能耗比。

 

由于 FPGA 具备灵活快速的特点， 因此在众多领域都有替代 ASIC 的趋势。 FPGA 在人工智能领域的应用如图所示。

 

▲FPGA 在人工智能领域的应用

 

4、全定制化的 ASIC

目前以深度学习为代表的人工智能计算需求，主要采用 GPU、 FPGA 等已有的适合并行计算的通用芯片来实现加速。在产业应用没有大规模兴起之时，使用这类已有的通用芯片可以避免专门研发定制芯片（ASIC） 的高投入和高风险。但是，由于这类通用芯片设计初衷并非专门针对深度学习，因而天然存在性能、 功耗等方面的局限性。随着人工智能应用规模的扩大，这类问题日益突显。

 

GPU 作为图像处理器， 设计初衷是为了应对图像处理中的大规模并行计算。因此，在应用于深度学习算法时，有三个方面的局限性：第一，应用过程中无法充分发挥并行计算优势。 深度学习包含训练和推断两个计算环节， GPU 在深度学习算法训练上非常高效， 但对于单一输入进行推断的场合， 并行度的优势不能完全发挥。 第二， 无法灵活配置硬件结构。 GPU 采用 SIMT 计算模式， 硬件结构相对固定。 目前深度学习算法还未完全稳定，若深度学习算法发生大的变化， GPU 无法像 FPGA 一样可以灵活的配制硬件结构。 第三，运行深度学习算法能效低于 FPGA。

 

尽管 FPGA 倍受看好，甚至新一代百度大脑也是基于 FPGA 平台研发，但其毕竟不是专门为了适用深度学习算法而研发，实际应用中也存在诸多局限：第一，基本单元的计算能力有限。为了实现可重构特性， FPGA 内部有大量极细粒度的基本单元，但是每个单元的计算能力(主要依靠 LUT 查找表)都远远低于 CPU 和 GPU 中的 ALU 模块； 第二、 计算资源占比相对较低。 为实现可重构特性， FPGA 内部大量资源被用于可配置的片上路由与连线； 第三，速度和功耗相对专用定制芯片(ASIC)仍然存在不小差距； 第四， FPGA 价格较为昂贵，在规模放量的情况下单块 FPGA 的成本要远高于专用定制芯片。

 

因此，随着人工智能算法和应用技术的日益发展，以及人工智能专用芯片 ASIC产业环境的逐渐成熟， 全定制化人工智能 ASIC也逐步体现出自身的优势，从事此类芯片研发与应用的国内外比较有代表性的公司如图所示。

 

▲人工智能专用芯片（包括类脑芯片） 研发情况一览

 

深度学习算法稳定后， AI 芯片可采用 ASIC 设计方法进行全定制， 使性能、功耗和面积等指标面向深度学习算法做到最优。

 

5、类脑芯片

类脑芯片不采用经典的冯·诺依曼架构， 而是基于神经形态架构设计，以 IBM Truenorth为代表。 IBM 研究人员将存储单元作为突触、计算单元作为神经元、传输单元作为轴突搭建了神经芯片的原型。目前， Truenorth 用三星 28nm 功耗工艺技术，由 54 亿个晶体管组成的芯片构成的片上网络有 4096 个神经突触核心，实时作业功耗仅为 70mW。由于神经突触要求权重可变且要有记忆功能， IBM 采用与 CMOS 工艺兼容的相变非挥发存储器（PCM）的技术实验性的实现了新型突触，加快了商业化进程。

       

AI芯片产业及趋势

1、AI芯片应用领域

随着人工智能芯片的持续发展，应用领域会随时间推移而不断向多维方向发展，这里我们选择目前发展比较集中的几个行业做相关的介绍。

 

▲AI芯片目前比较集中的应用领域