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　　【安防展覽網(wǎng) 視點(diǎn)跟蹤】8月23日，華為宣布其自研的AI 芯片——Ascend 910(昇騰910)正式上市商用，與之一同發(fā)布的還有的新一代AI開(kāi)源計(jì)算框架 MindSpore ，全面對(duì)標(biāo)谷歌TensorFlow和FaceBook的PyTorch，并計(jì)劃2020年季度全面開(kāi)源開(kāi)放。
 

8月23日，華為公司輪值董事長(zhǎng)徐直軍出席AI處理器Ascend 910及全場(chǎng)景AI計(jì)算框架MindSpore發(fā)布會(huì)

 

　　據(jù)華為副董事長(zhǎng)、輪值董事長(zhǎng)徐直軍介紹，昇騰910與MindSpore配合，相比現(xiàn)有主流訓(xùn)練單卡配合TensorFlow的組合顯示出接近2倍的性能提升。在去年十月，公布技術(shù)參數(shù)時(shí)，徐直軍就曾表示昇騰910是業(yè)界算力高的AI處理器，相同功耗情況下，它的算力是業(yè)界強(qiáng)AI芯片的2倍，強(qiáng)CPU的50倍?？梢钥闯?，Ascend910的實(shí)力強(qiáng)勁，傲視業(yè)界AI芯片的同時(shí)竟然高出同期CPU計(jì)算能力數(shù)十倍。那么常規(guī)印象中被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)的“大腦”的CPU，性能強(qiáng)的核心單元，現(xiàn)在只能用來(lái)襯托AI芯片的性能了嗎？
 

　　其實(shí)不然，就目前情況，通用大規(guī)模集成電路的類型主要有CPU、DSP、GPU、FPGA幾種：
 

　　CPU
 

　　一般來(lái)說(shuō)CPU運(yùn)算能力弱，雖然主頻高，但是單顆核心數(shù)量也有8核、16核，按單核3.5G主頻計(jì)算，16核即就是56G的主頻；再考慮指令周期，每秒多執(zhí)行30G次乘法。
 

　　DSP
 

　　DSP雖然主頻不如CPU, 但是勝在乘法器多，動(dòng)輒附帶16個(gè)乘法器，而且是浮點(diǎn)的。再者，不論4核、8核，它還具有特定的算法硬件加速，所以雖然主頻只有1-2G，但是運(yùn)算能力還是比CPU強(qiáng)。當(dāng)然現(xiàn)在出現(xiàn)了帶專用乘法器的CPU，DSP也集成了ARM核，這兩者的界限開(kāi)始變得模糊。DSP所有計(jì)算均使用浮點(diǎn)算法，目前還沒(méi)有位或整數(shù)運(yùn)算指令。
 

　　GPU
 

　　GPU專為圖像處理設(shè)計(jì)，主頻一般在500MHz左右，但是核芯數(shù)量多，比如英偉達(dá)Titan, 有380多個(gè)流處理單元，主頻和單元數(shù)相乘起來(lái)：500*400就是200G的計(jì)算量，這個(gè)量級(jí)，遠(yuǎn)大與于前面二者。
 

　　FPGA
 

　　FPGA的運(yùn)算能力的，拿的來(lái)說(shuō)：3000多個(gè)固定乘法器，用片上資源靠數(shù)字邏輯還能再搭建3000個(gè)，主頻快能到接近300MHz, 則總計(jì)算性能可達(dá)(3000+3000)*300M = 1800G這個(gè)量級(jí)。
 

　　因此不難理解，這幾個(gè)類型的芯片適合的應(yīng)用場(chǎng)合不同：
 

　　1.CPU雖然運(yùn)算不強(qiáng)，但是擅長(zhǎng)進(jìn)行管理和調(diào)度，比如讀取數(shù)據(jù)、管理文件、處理人機(jī)交互等。
 

　　2.DSP相較CPU而言管理變?nèi)趿?，運(yùn)算加強(qiáng)了。這兩者都是靠高主頻來(lái)解決運(yùn)算量的問(wèn)題，適合有大量遞歸操作以及不便拆分的算法。
 

　　3.GPU管理方面更弱，運(yùn)算更強(qiáng)，由于是多進(jìn)程并發(fā)，更適合整塊數(shù)據(jù)進(jìn)行流處理的算法。
 

　　4.FPGA能進(jìn)行管理也能運(yùn)算，但是開(kāi)發(fā)周期很長(zhǎng)，復(fù)雜算法開(kāi)發(fā)難度大。適合流處理算法，不管是整塊數(shù)據(jù)進(jìn)還是一個(gè)一個(gè)進(jìn)。還有就實(shí)時(shí)性來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA是高的。前三種處理器為了避免將運(yùn)算能力浪費(fèi)在數(shù)據(jù)搬運(yùn)上，一般要求累計(jì)一定量數(shù)據(jù)后才開(kāi)始計(jì)算，因此產(chǎn)生群延時(shí)，而FPGA所有操作都并行，因此群延時(shí)可以很小。
 

　　了解了以上類型的芯片之后，就不難分析AI芯片如何得以超越CPU計(jì)算性能如此多倍。所謂AI芯片，一般是指為了進(jìn)行人工智能相關(guān)的運(yùn)算而進(jìn)行有針對(duì)的優(yōu)化過(guò)的專用芯片(ASIC芯片)。
 

　　例如，人工智能領(lǐng)域發(fā)展火熱的自動(dòng)駕駛，需要識(shí)別道路、行人、交通燈等狀況, 如果使用CPU去進(jìn)行計(jì)算，那么極有可能出交通事故。前面已經(jīng)提到過(guò)，CPU擅長(zhǎng)控制，并且其設(shè)計(jì)決定了在工作時(shí)為了減小數(shù)據(jù)傳輸對(duì)運(yùn)算力的浪費(fèi)，需要累積到一定數(shù)據(jù)量才進(jìn)行計(jì)算，而這根本無(wú)法滿足自動(dòng)駕駛情景所需要的強(qiáng)實(shí)時(shí)性。而如果使用GPU計(jì)算，在承擔(dān)高功耗的同時(shí)只能利用起其中部分的計(jì)算資源，不論是在云端還是終端，都不是一個(gè)具有良好能耗比的選擇。而且，GPU不但能耗比低，其價(jià)格也一直高居不下，且供應(yīng)不穩(wěn)定；所以通用型芯片在進(jìn)行人工智能相關(guān)計(jì)算時(shí)的功耗、效率、價(jià)格等因素一起促成了人工智能專用芯片的開(kāi)發(fā)和商用。
 

　　目前，AI的應(yīng)用并未在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域過(guò)多展開(kāi)，主要還是集中在圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域內(nèi)的算法本質(zhì)上來(lái)說(shuō)都是矩陣或向量的加、乘運(yùn)算。目前先進(jìn)的服務(wù)器CPU之一，IBM POWER8(目前該系列已有POWER9，性能提升1.5倍)，擁有4G主頻，128位位寬。假設(shè)處理8個(gè)16位的數(shù)據(jù)，一個(gè)周期多執(zhí)行8個(gè)乘/加計(jì)算。理論上一次多執(zhí)行16個(gè)操作，那么此CPU理論每秒計(jì)算次數(shù)是：16*64Gops=64Gops。
 

　　再看谷歌的人工智能專用張量計(jì)算芯片TPU1.0(目前已到TPU3.0)，主頻只有700MHz，然而擁有64，000個(gè)乘/加單元，單詞多執(zhí)行64，000*2=128K次計(jì)算，因此其理論計(jì)算次數(shù)位：128K*700M=89，600Gops，約90Tops，非常高數(shù)量級(jí)的計(jì)算量。目前我們所看到的端側(cè)人工智能芯片算力多在10T內(nèi)，是因?yàn)槎藗?cè)人臉識(shí)別等人工智能應(yīng)用要求算力的同時(shí)也需要保持低功耗，所以不會(huì)出現(xiàn)如此夸張的數(shù)值。但通過(guò)計(jì)算對(duì)比，足以看出在人工智能計(jì)算方面專用芯片和通用芯片的效率差距。
 

谷歌TPU內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
 

　　總結(jié)而言，CPU與GPU并不是AI專用芯片，為了實(shí)現(xiàn)其他功能，內(nèi)部有大量其他邏輯，而這些邏輯對(duì)于目前的AI算法來(lái)說(shuō)是無(wú)用武之地的，所以，導(dǎo)致CPU與GPU不能成為優(yōu)的性價(jià)比之選；而FPGA更是因?yàn)閮r(jià)格高，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，而多被用于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的前期驗(yàn)證步驟。因此，隨著人工智能需求發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)加深，更加有效率的專用芯片對(duì)于布局人工智能的科技企業(yè)將會(huì)愈發(fā)重要。華為此次發(fā)布的昇騰910芯片屬于Ascend-max系列，其技術(shù)規(guī)格在HC2018大會(huì)上已經(jīng)公布：半精度(FP16)算力達(dá)256T-Flops，整數(shù)精度(INT8)算力達(dá)到512T-ops，功耗310W?，F(xiàn)在，昇騰910已經(jīng)被用于實(shí)際的AI訓(xùn)練任務(wù)，比如ResNet50神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。同時(shí)，華為表示將繼續(xù)投入，推出更多AI處理器，面向全場(chǎng)景持續(xù)提供更充裕、更經(jīng)濟(jì)、更適配的AI算力。雖然人工智能目前還處于初級(jí)發(fā)展階段，但隨著其發(fā)展領(lǐng)域橫軸的拓寬，縱向應(yīng)用的加深，相信在不久的將來(lái)，我們會(huì)看到更多、專注的人工智能專用芯片的出現(xiàn)。(原標(biāo)題：為什么要做AI芯片)