"ASIC(專用集成電路,Application Specific Integrated Circuit)是不可配置的高度定制專用芯片。特點(diǎn)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(wú)更改余地,若市場(chǎng)深度學(xué)習(xí)方向一旦改變,ASIC前期投入將無(wú)法回收,意味著ASIC具有較大的市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)。目前,大多是具備AI算法又擅長(zhǎng)芯片研發(fā)的巨頭參與,如Google的TPU。ASIC在性能和功耗上都要優(yōu)于GPU和FPGA,TPU1是傳統(tǒng)GPU性能的14-16倍,NPU是GPU的118倍。寒武紀(jì)已發(fā)布對(duì)外應(yīng)用指令集,預(yù)計(jì)ASIC將是未來(lái)AI芯片的核心。"

人工智能下的芯片新需求

隨著人工智能產(chǎn)業(yè)鏈的火速延伸,GPU并不能滿足所有場(chǎng)景(如手機(jī))上的深度學(xué)習(xí)計(jì)算任務(wù), GPU并不是深度學(xué)習(xí)算力痛點(diǎn)的唯一解。目前以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能計(jì)算需求,主要采用GPU、FPGA等已有適合并行計(jì)算的通用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)加速。

在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用沒(méi)有大規(guī)模興起之時(shí),使用這類已有的通用芯片可以避免專門研發(fā)定制芯片(ASIC)的高投入和高風(fēng)險(xiǎn)。但是,由于這類通用芯片設(shè)計(jì)初衷并非專門針對(duì)深度學(xué)習(xí),因而天然存在性能、功耗等方面的瓶頸。隨著人工智能應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大,這類問(wèn)題將日益突出。

正如CPU改變了當(dāng)年龐大的計(jì)算機(jī)一樣,人工智能ASIC芯片也將大幅改變?nèi)缃馎I硬件設(shè)備的面貌。如大名鼎鼎的AlphaGo使用了約170個(gè)圖形處理器(GPU)和1200 個(gè)中央處理器(CPU),這些設(shè)備需要占用一個(gè)機(jī)房,還要配備大功率的空調(diào),以及多名專家進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)。而如果全部使用專用芯片,非常可能只需要一個(gè)盒子大小,且功耗也會(huì)大幅降低。

在芯片需求還未成規(guī)模、深度學(xué)習(xí)算法暫未穩(wěn)定需要不斷迭代改進(jìn)的情況下,利用具備可重構(gòu)特性的FPGA芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)半定制的人工智能芯片是最佳選擇。隨著人工智能算法和應(yīng)用技術(shù)的日益發(fā)展,以及人工智能專用芯片ASIC產(chǎn)業(yè)環(huán)境的逐漸成熟,人工智能下ASIC將成為人工智能計(jì)算芯片發(fā)展的必然趨勢(shì)。

ASIC芯片撬動(dòng)產(chǎn)業(yè)的支點(diǎn)

人工智能硬件應(yīng)用場(chǎng)景歸納為云端場(chǎng)景和終端場(chǎng)景兩大類。云端主要指服務(wù)器端,包括各種共有云、私有云、數(shù)據(jù)中心等業(yè)務(wù)范疇;終端主要指包括安防、車載、手機(jī)、音箱、機(jī)器人等各種應(yīng)用在內(nèi)的移動(dòng)終端。由于算法效率和底層硬件選擇密切相關(guān),“云端”(服務(wù)器端)和“終端”(產(chǎn)品端)場(chǎng)景對(duì)硬件的需求也不同。人工智能目前主流使用三種專用核心芯片,分別是GPU,FPGA,ASIC。

①GPU是最為普遍使用的一種,通過(guò)CUDA接口可以讓原本只可以用來(lái)玩游戲的GPU進(jìn)行通用計(jì)算。進(jìn)入2017年之后,原本做顯卡芯片的NVIDIA立馬搖身一變成了人工智能行業(yè)里的泰山北斗,幾乎所有做人工智能技術(shù)的公司,都會(huì)買來(lái)一大堆NVIDIA的顯卡,進(jìn)行深度學(xué)習(xí)運(yùn)算。

②FPGA芯片,其使用門檻比GPU要高一些,但效率要高很多,賽靈思公司稱其產(chǎn)品在特定情況下比GPU高數(shù)十倍。FPGA是一種可編程的電路,所以可以根據(jù)需求重新刷寫,可以根據(jù)變成模擬成聲卡、顯卡或者其他不同類型的芯片,在以往主要用于芯片研發(fā)的模擬階段。由于其“可變”的特性,FPGA也可以刷寫成人工智能芯片進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的計(jì)算。不過(guò)深度學(xué)習(xí)有很多種,語(yǔ)音和視覺(jué)的算法都不一樣,在進(jìn)行不同運(yùn)算時(shí)就需要重新刷一下FPGA芯片。

③ASIC是一種全定制的芯片,比特幣礦機(jī)所用的就是AISC。其效率極高,而單芯片成本很低,例如2013年的時(shí)候一顆功耗只有幾瓦的阿瓦隆ASIC,挖比特幣的算力相當(dāng)于好幾塊功耗上百瓦的顯卡之和。

ASIC的市占率可望隨著邊緣運(yùn)算的需求增加而明顯攀升,從2018年的11%增加至2025年的52%。ASIC之所以受到青睞,原因在于新興的深度學(xué)習(xí)處理器架構(gòu)多以圖形(Graph)或Tensorflow為基礎(chǔ)架構(gòu);且上述提到AI邊緣運(yùn)算受限于功耗和運(yùn)算效能,因此多以推論為主,而非訓(xùn)練。

若假設(shè)到2021年時(shí),終端設(shè)備將導(dǎo)入大量AI芯片,所需要的便是能在同一個(gè)芯片上進(jìn)行推理和訓(xùn)練,可因應(yīng)分散式運(yùn)算且又具低功耗的IC,因此ASIC需求將持續(xù)上揚(yáng),實(shí)現(xiàn)更多AI邊緣應(yīng)用案例。

ASIC是國(guó)內(nèi)芯片的新機(jī)遇

人工智能芯片向ASIC轉(zhuǎn)移將在全球開(kāi)辟一塊新戰(zhàn)場(chǎng),這也是中國(guó)芯片的機(jī)會(huì)。中國(guó)芯片在設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三大產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)均落后于世界先進(jìn)水平,部分領(lǐng)域甚至跟發(fā)達(dá)國(guó)家有10年-20年的差距。這讓中國(guó)的芯片領(lǐng)域過(guò)分依賴進(jìn)口貿(mào)易。全球調(diào)研機(jī)構(gòu)IC Insights在2016年公布了全球半導(dǎo)體20強(qiáng),前20位中沒(méi)有中國(guó)公司上榜。

由于專利積累、軟件生態(tài)配套不足等原因,中國(guó)在已經(jīng)落后的傳統(tǒng)芯片領(lǐng)域想要追趕領(lǐng)先者頗為困難。而在沒(méi)有太多歷史包袱、有新技術(shù)突破的芯片領(lǐng)域,中國(guó)跟其他國(guó)家站在同一起跑線上,有機(jī)會(huì)占據(jù)領(lǐng)先位置?，F(xiàn)階段,中國(guó)彎道超車的最大希望存在于人工智能(AI)芯片領(lǐng)域。

谷歌和英偉達(dá)公司是人工智能處理領(lǐng)域的兩大巨頭,但英偉達(dá)主要專注于GPU。人工智能領(lǐng)域的ASIC專用芯片仍是一片藍(lán)海,尚未出現(xiàn)足以壟斷市場(chǎng)的巨頭公司。

在AI領(lǐng)域?qū)Ｓ眯酒?除了谷歌,研發(fā)者大多為充滿活力的新興公司,其中活躍著不少中國(guó)公司,如寒武紀(jì)、地平線等。AI芯片上可以說(shuō)是美國(guó)第一,中國(guó)第二。目前人工智能芯片正在重演礦機(jī)芯片的演化路徑——從CPU/GPU/FPGA到ASIC專用芯片。而國(guó)內(nèi)企業(yè)也有機(jī)會(huì)將成熟的ASIC芯片技術(shù)拓展到人工智能領(lǐng)域。

結(jié)尾

ASIC無(wú)論是從性能、面積、功耗等各方面都優(yōu)于GPU和FPGA,長(zhǎng)期來(lái)看無(wú)論在云端和終端,ASIC都代表AI芯片的未來(lái),目前包括微軟、谷歌、英特爾等巨頭都重金投到ASIC領(lǐng)域,不過(guò)由于目前AI算法快速迭代,且ASIC開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)、需要底層硬件編程、占據(jù)芯片成本等,因此雖然前景利好,但也需要芯片公司對(duì)其進(jìn)行提前布局,搶占這未來(lái)芯片的潛在流量池。