微型處理器變得越來越小、越來越快、效率更高。但隨著它們達(dá)到物理極限,芯片構(gòu)造開始驅(qū)動(dòng)性能增長(zhǎng)。1月4日,英偉達(dá)(Nvidia)創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官黃仁勛(Jen-Hsun Huang),在拉斯維加斯舉行的國(guó)際消費(fèi)類電子產(chǎn)品展覽會(huì)(CES)上發(fā)表主題演講,同時(shí)也帶來了Nvidia Xavie:一款用于人工智能汽車的超級(jí)計(jì)算機(jī)。
請(qǐng)點(diǎn)擊此處(黃仁勛(Jen-Hsun Huang)在CES上的演講)
最近,兩家最大的半導(dǎo)體公司相繼發(fā)表聲明,看似毫無聯(lián)系,實(shí)則息息相關(guān)。英特爾(Intel)宣布收購Mobileye——一家專為無人駕駛汽車制造芯片和軟件的以色列創(chuàng)業(yè)公司。Nvidia則公開了對(duì)于人工智能至關(guān)重要的、新一代用于加速機(jī)器自身學(xué)習(xí)的系統(tǒng)。
兩大公司的舉動(dòng)其實(shí)都是基于“專業(yè)計(jì)算”,也就是把特定的軟件任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粡垖?shí)體的硅芯片,而不是依賴于一個(gè)速度更快的CPU(中央處理器)。這種技術(shù)雖然以種種形式存在了數(shù)十年,但直到最近才成為諸多酷炫科技背后的動(dòng)力(從人工智能到無人駕駛汽車)。為什么?因?yàn)镃PU的更新速度早已大不如前。摩爾定律正在走向滅亡。
摩爾定律是指,每隔兩年左右的時(shí)間,芯片上晶體管的數(shù)量就會(huì)翻倍。用大眾的觀點(diǎn)來看就是電腦運(yùn)行速度持續(xù)加快,體型變小,效率更高。然而現(xiàn)在并沒有按過去的方式發(fā)展?!斑@不是說摩爾定律撞上了南墻——某種意義上它將要壽終正寢了”,愛荷華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與生物信息學(xué)教授丹尼爾·里德(Daniel Reed)說道。
(摩爾定律 )
當(dāng)Intel和其他芯片鑄造廠還在花費(fèi)資金維持老本生意時(shí),行業(yè)內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)師們已經(jīng)在尋找創(chuàng)新型的方法與摩爾定律的增長(zhǎng)速度保持一致,并且在多數(shù)情況下提高設(shè)備性能,速度更快。
“我們今天取得的大部分成就都源于(芯片)設(shè)計(jì)和軟件”,Nvidia首席科學(xué)家威廉·達(dá)利(William Dally)稱,“對(duì)我們來說這一直是個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)槊恳淮a(chǎn)品更新都要使其擁有原先兩倍的性能,這讓我們倍感壓力”,他補(bǔ)充道。迄今為止,Nvidia一直保持著這個(gè)節(jié)奏,即使芯片上面的元件尺寸并不改變,他們唯一做的就是芯片設(shè)計(jì),或者說“構(gòu)造”。
盡管不能一一羅列,但專業(yè)計(jì)算原則已經(jīng)應(yīng)用于諸多程序:人工智能、圖像識(shí)別、無人駕駛汽車、虛擬現(xiàn)實(shí)、比特幣礦業(yè)、無人機(jī)、數(shù)據(jù)中心、甚至是攝影。幾乎每家制造或提供硬件設(shè)備的技術(shù)公司——包括蘋果、三星、亞馬遜、高通、英偉達(dá)、博通、英特爾、華為和小米——都在利用這一現(xiàn)象謀利。即使是只生產(chǎn)自用芯片的公司——比如微軟、谷歌和臉書,也同樣如此。
(蘋果公司A11芯片 )
許多年前,幾乎所有的計(jì)算功能都靠CPU完成,一個(gè)接著一個(gè)依次完成,高通公司高級(jí)副總裁基思·克里辛(Keith Kressin)說道。漸漸地,那些很常用但需要許多處理器才能完成的任務(wù)會(huì)被轉(zhuǎn)移到專門的芯片中。這些任務(wù)可以同時(shí)進(jìn)行,而CPU只能執(zhí)行絕對(duì)必要的指令。
這些任務(wù)型的芯片品種紛繁復(fù)雜,一方面也正體現(xiàn)了它們的用途廣泛,不同芯片之間區(qū)分的界限也很模糊。其中一種是圖形處理器——想想Nvidia和游戲玩家們——為那些原本完美匹配的任務(wù)找到了更多的用途,其中也包括人工智能。在這之后,智能手機(jī)的興起創(chuàng)造了人們對(duì)于另一種數(shù)字信號(hào)處理芯片的大量需求,比如用以提高攝影水平。
“我們的目標(biāo)是最小化CPU處理的軟件數(shù)量”,克里辛(Kressin)說道。因此,現(xiàn)代的微型芯片,比如由高通公司開發(fā),用于安卓智能手機(jī)的Snapdragon不僅能搭載CPU,還能安裝24塊或更多的獨(dú)立數(shù)字信號(hào)處理芯片和圖像處理器。每個(gè)元件都被優(yōu)化以操作不同的任務(wù),從處理圖片到傾聽手機(jī)的“喚醒指令”。
把類似圖像增強(qiáng)的雜事交給數(shù)字信號(hào)處理器來做能將速度提升至原來的25倍,克里辛(Kressin)表示。這就是為什么智能手機(jī)能夠完成許多你的臺(tái)式電腦無法完成的事情,即使手機(jī)的CPU沒有那么強(qiáng)大。
在手機(jī)行業(yè),蘋果公司證明了設(shè)計(jì)自身芯片的實(shí)用性,對(duì)納米晶硅的每一單位進(jìn)行優(yōu)化從而準(zhǔn)確運(yùn)行它將要處理的任務(wù),一位市場(chǎng)研究公司創(chuàng)意戰(zhàn)略(Creative Strategies)的分析師本·巴賈林(Ben Bajarin)說。蘋果對(duì)自用芯片的巨額投資是保證其設(shè)備操作流暢的關(guān)鍵,以及新特性的使用,例如指紋識(shí)別感應(yīng)器(Touch ID)。
Nividia首席科學(xué)家達(dá)利(Dally)還補(bǔ)充道,對(duì)涉及人工智能的任務(wù),改用圖形處理器而不是CPU的話會(huì)使速度提升10倍至100倍不等。
如今半自動(dòng)駕駛汽車已經(jīng)能在美國(guó)公路上行駛,這要?dú)w功于人工智能性能增長(zhǎng)背后的無人駕駛技術(shù),也正是Intel收購Mobileye的原因。Intel拒絕對(duì)此發(fā)表評(píng)論,但是把Mobileye的硅片和軟件融入Intel自身的芯片技術(shù)會(huì)成為專業(yè)計(jì)算的一個(gè)經(jīng)典例子。
而Nvidia向人工智能和無人駕駛技術(shù)領(lǐng)域的進(jìn)軍也與之類似,雖然他們的圖形處理器相比于那種專門用于加速程序的超專業(yè)硅片來說已經(jīng)是能力超群的計(jì)算機(jī)了。達(dá)利(Dally)先生還表示,自2010年開始公司就致力于協(xié)調(diào)圖形處理器以適應(yīng)各種不同的人工智能技術(shù)。
然而,近代航空史的發(fā)展則表明,把重心放在專業(yè)化上取得的優(yōu)勢(shì)也會(huì)有極限?!耙患苄碌牟ㄒ?77飛機(jī)并不比1960年代初的707飛得快”,愛荷華大學(xué)里德(Reed)教授說。但創(chuàng)新發(fā)生在各個(gè)領(lǐng)域,從輕型材料到計(jì)算機(jī)控制,并確實(shí)取得了實(shí)實(shí)在在的利益——飛機(jī)更安全,燃油效率越高。從這個(gè)類比的邏輯來看,雖然芯片的原始性能可能不會(huì)提高,但總的來說,處理多項(xiàng)特定任務(wù)的能力使其更優(yōu)越。
同樣產(chǎn)生的還有規(guī)模問題。以無人機(jī)制造商為例的某些購買芯片的客戶,必須將就著使用已購買的多用途微型處理器,直到他們確信(新型芯片)已經(jīng)有足夠的市場(chǎng)需求,克里辛(Kressin)稱。高通公司正在制造專為無人機(jī)設(shè)計(jì)的Snapdragon芯片:它們必須快速處理從傳感器收集到的信息,以防那架自動(dòng)化的小直升飛機(jī)從天上墜毀。
(Snapdragon迷你飛行無人機(jī),世界上最小的4K無人機(jī))
里德(Reed)教授還認(rèn)為,專業(yè)化的優(yōu)點(diǎn)就在于,如今制造速度更快的芯片主要依賴于芯片設(shè)計(jì)師的才智,而不是制造商在硅片上蝕刻微小電路的能力。所以,微型芯片比以往任何時(shí)候都成功地證明了史蒂夫·喬布斯(Steve Jobs)的名言,同時(shí)也是他對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)家艾倫·凱(Alan Kay)的理解,“真正關(guān)心軟件的人應(yīng)該自己做硬件?!?/p>
更正與補(bǔ)充
Nvidia首席科學(xué)家威廉·達(dá)利(William Dally)表示,Nvidia已經(jīng)在調(diào)整它們的圖形處理器以更好的適配人工智能。在早期的版本中,這一說法被誤認(rèn)為是高通公司執(zhí)行官基思·克里辛(Keith Kressin)的言論。