CPU、GPU、FPGA和DSP开启AI芯片时代

发布于:2017/6/29 11:34:02 | 621 次阅读

人工智能(AI)市场持续升温,但产业对于这些系统应如何建构仍十分分歧,大型科技公司动辄投入数十亿美元购并新创公司或支持研发,各国政府也提供大学和研究机构大笔研究经费,希望在这波AI竞赛中脱颖而出。

据Semiconductor Engineering报导,研究机构Tractica的数据显示,AI市场规模将在2025年成长至368亿美元,只不过目前对于AI的定义或是需要分析的数据类型都还没有共识,OneSpin Solutions总裁暨执行长Raik Brinkmann指出,眼下有三个问题需要解决,是大量待处理的数据,其次是并行处理和互连技术,第三则是移动大量数据导致的耗能问题。

目前市场首批AI芯片几乎都是以现成的CPU、GPU、FPGA和DSP加以组合而成,尽管英特尔(Intel)、Google、NVIDIA、高通(Qualcomm)和IBM等公司正研发新的设计,谁能胜出仍不明朗。无论如何,这些系统仍需有至少一个CPU负责控制,但可能需要不同类型的协同处理器。

AI处理多牵涉到矩阵乘法和加法,使用并行运作的GPU成本较低,但缺点是耗能较高。内建DSP区块和本地存储器的FPGA可获得较佳的能源效率,但价格比较昂贵。Mentor Graphics董事长暨执行长Wally Rhines表示,有些人使用标准GPU执行,同时也有许多人采用CPU,为了达到使类神经网路行为更像人脑的目标,刺激了新的一波设计浪潮。

视觉处理是目前最受关注的AI区块,目前大部分的AI研究与自动驾驶使用的视觉处理有关,这项技术在和机器人方面的应用也与日俱增。Achronix公司总裁暨执行长Robert Blake指出,影像处理的运算复杂度很高,市场需要5~10年时间沉淀,不过因为变数(variable precision arithmetic)运算需要,可程式逻辑元件的角色会更吃重。

FPGA非常适合矩阵乘法,可程式化特性增加了设计上的弹性,用来做决策的数据部分会在本地处理,部分则由数据中心进行,但两者的比例会因应用的不同而改变,并影响AI芯片和软件设计。

目前汽车使用的AI技术主要是侦测和避免物体,这和真正的人工智能还有段差距。真正的AI应该具有一定程度的推理,例如判断如何闪避正在穿越马路的人群。前者的推论为根据传感器输入的大量数据处理和预编程行为得来,后者则能够作出价值判断,思考各种可能后果以找出选择。

这样的系统需要极高的频宽并内建安全机制,此外还必须能保护数据安全,许多根据现成零件开发的设计很难兼顾运算和编程效率。Google试图以专为开发的TPU特殊应用芯片改变这样的方程式,并开放TensorFlow平台以加快AI发展速度。

代AI芯片将重点放在运算能力和异质性,但这就像早期的IoT装置,在不确定市场如何演变的情况下,业者只好把所有东西都加进去,之后再找出瓶颈,针对特定功能设计,取得功率和性能上的平衡。

随着自驾车使用案例的增加,AI应用范围也会逐渐扩大,这也是为何英特尔在2016年8月收购Nervana的原因。Nervana开发的2.5D深度学习芯片利用高性能处理器将数据从载板移到高频宽存储器,希望比GPU解决方案缩短100倍的深度学习模型训练时间。

量子运算则是AI系统的另一个选择。IBM研究部门副总裁Dario Gil解释,如果4张卡片中有3张蓝卡1张红卡,使用传统运算猜中红卡的机率为4分之1,使用量子电脑及叠加量子位元的纠缠(entanglement),系统每次都可以提供正确答案。

AI并没有所谓最适合的单一系统,也没有一种应用可以吃遍各种市场,这些进一步的细分市场都需要再精致化、再扩大寻找可用工具,并需要生态系统来支持,但低功率、高吞吐量及低延迟则是AI系统的通用需求。半导体产业经过多年仰赖制程微缩元件以改善功率,性能和成本,如今则需要重新思考进入新市场的方法。

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