俗語說得好：海水退潮之后，才知道誰沒穿褲子。但歷史的教訓(xùn)往往證明殘酷的事實(shí)：結(jié)果站在浪里的所有人，全部都沒有穿褲子。
處理器業(yè)界的年度盛事第32屆IEEE HotChips，剛剛在今年8月以全部線上活動(dòng)型式結(jié)束了，連擠4年牙膏的IBM與英特爾總算換了一管全新牙膏，真是可喜可賀。
但另一方面，分別在云端服務(wù)和終端硬件執(zhí)人工智能牛耳的Google與nVidia，卻也學(xué)到了“擠牙膏”的精髓，前者讓2018年就問世的第三代TPU，從2018年Google I/O講到2020 HotChips，后者在HotChips發(fā)表的內(nèi)容，完全承襲GTC 2000的簡(jiǎn)報(bào)，唯一差別只有把華為Ascend 910人工智能處理器和英特爾支援BF16格式的“新型Xeon”Cooper Lake-P拖出來狠狠打一頓。
總之，我們來瞧瞧HotChips 32 的Google 第三代TPU 與nVidiaA100。
講了三年總算勉強(qiáng)講完的Google TPU v3
Google 這家公司最令人稱許之處，在于恐怖的“前瞻執(zhí)行力”，每當(dāng)眾人還在清談“技術(shù)趨勢(shì)”之際，就突然石破天驚的昭示天下：你們還在嘴炮的東西，我們?cè)缇蛻?yīng)用到實(shí)際產(chǎn)品。諸多豐功偉業(yè)的最知名案例，莫過于2013 年底，Google 爆炸性公開“規(guī)劃部署已達(dá)3 年”的B4 數(shù)據(jù)中心廣域網(wǎng)絡(luò)，開大規(guī)模商業(yè)化軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）之先河。
早在2015年就投入內(nèi)部應(yīng)用的Google TPU，更是近年來的經(jīng)典案例，接著Google也很迅速推陳出新，2017年推出深度學(xué)習(xí)第二代TPU，第三代TPU更早在2018 Google I/O就亮相了。
但Google 也隨即“擠牙膏之神”上身，2019 年HotChips 31 教程僅提到部分資訊，到2020 年才公開細(xì)節(jié)全貌。
我們都有充分的理由相信，第四甚至第五代TPU，不是早就上線服役也該早在路上了。
2019 年比較對(duì)手是nVidia V100，結(jié)果2020 年看不到第四代TPU 較量V100，讓人感覺有點(diǎn)奇怪。
TPU v3 概觀可視為TPU v2 的雙倍放大版，散熱系統(tǒng)從氣冷改為液冷，也是主機(jī)板最顯眼的特色。
TPU v3 仍舊著重持續(xù)提升存儲(chǔ)器帶寬（+30%）與容量（加倍），拜液冷之賜，時(shí)鐘頻率也有成長(zhǎng)（+30%）。
TPU v3 的指令集架構(gòu)是332 位元長(zhǎng)的超長(zhǎng)指令集（VLIW），VLIW 指令包內(nèi)總計(jì)有2 個(gè)純量指令、4 個(gè)向量指令（其中2 個(gè)是存儲(chǔ)器載入／回存）、 2 個(gè)矩陣（Matrix）指令、6 個(gè)立即值（Immediate）與一個(gè)雜項(xiàng)（Misc）應(yīng)用。
強(qiáng)化多芯片互連總線，打造更大規(guī)模的“人工智能超級(jí)電腦”，更是TPU v3 的重頭戲，也就是上圖那個(gè)“4x Nodes”。
同樣一片系統(tǒng)主機(jī)板裝4 顆TPU，TPU v3 組成的“人工智能超級(jí)電腦”，擁有前代8 倍以上效能、8 倍存儲(chǔ)器容量、4 倍芯片數(shù)量與4 倍的最大裝置設(shè)定數(shù)，可切割成256 個(gè)獨(dú)立運(yùn)算平臺(tái)分租給客戶。
順便一提，現(xiàn)今已知關(guān)于Google TPU 的專利多達(dá)50 份，亦不乏詳細(xì)描述第三代TPU 的內(nèi)部架構(gòu)細(xì)節(jié)，也是眾多有志進(jìn)軍人工智能芯片的冒險(xiǎn)者，抽絲剝繭的研究對(duì)象。
但這對(duì)使用Google Cloud AI 的用戶，甚至大多數(shù)Google 部門來說，其實(shí)并不重要，他們只要用得爽快、不需要“為了喝牛奶自己蓋一座牧場(chǎng)”就夠了。
靠GPU 基本盤穩(wěn)扎穩(wěn)打的nVidia A100
nVidia以通用GPU為基礎(chǔ)，站穩(wěn)高效能運(yùn)算市場(chǎng)，并將觸角逐漸延伸到人工智能和自駕車輛等新興應(yīng)用領(lǐng)域，使2020年夏天市值連續(xù)超越英特爾和三星，證實(shí)外界多么看好“皮衣教主”昭示天下的“美好未來”。無論個(gè)人電腦與高效能運(yùn)算領(lǐng)域，從“電競(jìng)筆電非有Max-Q不可”現(xiàn)象到超級(jí)電腦Top500清單滿滿的nVidia GPU，優(yōu)勢(shì)地位看似牢不可破。
nVidia 旗艦GPU 也隨著制程演進(jìn)而持續(xù)“恐龍化”，Ampere 世代之首A100 是一顆臺(tái)積電7 納米制程、540 億晶體管的巨獸，像更多執(zhí)行單元、更大存儲(chǔ)器子系統(tǒng)帶寬、一直更新的DGX 超級(jí)電腦等，是各位也都耳熟能詳，甚至早就令人哈欠連連的“標(biāo)準(zhǔn)劇情”了。
關(guān)于人工智能應(yīng)用，nVidia A100 最重要的特色，莫過于自行定義的TF32（Tensor Float 32）浮點(diǎn)數(shù)格式。講白了就是“取長(zhǎng)補(bǔ)短”，既然Google BF16 犧牲掉FP32 的精度，維持動(dòng)態(tài)范圍不變，那就讓精度和FP16 一樣吧，神奇的19 位元長(zhǎng)度TF32就這樣誕生了，兼具FP32的動(dòng)態(tài)范圍和FP16 的精度。nVidia 之所以這樣大費(fèi)周章創(chuàng)造新格式，根本目的不外乎要降低存儲(chǔ)器帶寬和容量需求，和Google發(fā)明BF16 如出一轍。
理所當(dāng)然的，TF32 在A100 一定跑得很快，因所需帶寬僅為前代V100 一半或三分之一，更能喂飽嗷嗷待哺的龐大Tensor Core。
但這件事的背后，隱隱約約透露nVidia長(zhǎng)期領(lǐng)先AMD（ATI）的根本原因與基本思維：存儲(chǔ)器帶寬，這件事早從2004年NV40（GeForce 6系列）存儲(chǔ)器控制器內(nèi)建壓縮傳輸機(jī)能，相關(guān)技術(shù)持續(xù)演進(jìn)并陸續(xù)申請(qǐng)專利，就已埋下了種子。過去十幾年來，AMD或ATI的GPU，需要更多存儲(chǔ)器帶寬，才能實(shí)現(xiàn)同等級(jí)的效能水準(zhǔn)，絕對(duì)不是偶然。
大概整批帶槍投靠英特爾的前AMD 團(tuán)隊(duì)過去吃了不少悶虧，這次替英特爾重新打造Xe 繪圖架構(gòu)時(shí)，也很刻意提到“End-To-End Compression”，只是不知道會(huì)不會(huì)不小心踩到nVidia 的專利地雷。
當(dāng)GPU 踏入高效能運(yùn)算和人工智能，“每筆運(yùn)算可平均分配到的存儲(chǔ)器帶寬，持續(xù)穩(wěn)定的下滑中”，更讓提高運(yùn)算效能這件事，絕非區(qū)區(qū)增加幾個(gè)特化指令與擴(kuò)張執(zhí)行單元，即可迎刃而解，更需搞定帶寬這件事，一旦帶寬不足，就發(fā)揮不出完整的運(yùn)算效能。
聽說nVidia 下一代GPU“Hopper”將改弦易轍，改走多芯片Chiplet“包水餃”路線，也許nVidia 在多芯片連結(jié)架構(gòu)部分，將帶來讓人感到驚奇的技術(shù)突破也說不定，讓人對(duì)明年HotChips 33 多抱持一分期待。
人工智能熱潮的消退：先講求不要餓死再求發(fā)展
話說回來，我們就不得不探究一個(gè)大哉問：為何越來越多芯片廠商開始“擠牙膏”？要么不是受摩爾第二定律詛咒，產(chǎn)品技術(shù)難以短期內(nèi)飛躍性提升，要么就是講再多對(duì)我也沒任何實(shí)質(zhì)好處，還不如少講一點(diǎn)悶聲發(fā)大財(cái)。
不過這幾年，難道人工智能芯片不是很火的話題嗎？2017年HotChips 29，不就是從主題演講到議程，從泛用處理器、GPU、ASIC到FGPA，統(tǒng)統(tǒng)“人工智能滿天下”？如此沉默，對(duì)公司的未來妥當(dāng)嗎？
很遺憾的，人工智能芯片從2018 年起，以中國(guó)相關(guān)領(lǐng)域新創(chuàng)公司為首，熱潮急速退燒，像中國(guó)DEEPHi（深鑒科技）被FPGA 巨頭賽靈思收購，已經(jīng)算是最好的退場(chǎng)。
即使美國(guó)企業(yè)亦不可免俗，就算公司不會(huì)倒，也不保證產(chǎn)品線不會(huì)收掉。像這些年來癡迷自駕車和人工智能，耗費(fèi)數(shù)百億美元“生氣亂買公司”的英特爾，2018年宣布中止XeonPhi產(chǎn)品線，決定整個(gè)砍掉重練，由2017年底來自AMD的Raja Koduri重建貨真價(jià)實(shí)的GPU。2019年底以20億美元購并以色列HabanaLabs并在隔年2月停止NNP-T1000（代號(hào)Spring Crest，還宣稱跟百度合作），也意味著2016年用3.5億美元買下的Nervana形同棄兒，英特爾人工智能平臺(tái)事業(yè)群負(fù)責(zé)人、Nervana聯(lián)合創(chuàng)辦人Naveen Rao隨即離職，一點(diǎn)都不讓人意外。
英特爾連續(xù)公開栽了兩次（實(shí)際上應(yīng)該更多），事后諸葛的后見之明與背后補(bǔ)刀的內(nèi)幕爆料，均朝向“做出來的東西根本不能用，也無法符合軟件開發(fā)者和潛在客戶的需求”。
所以這也是當(dāng)人工智能漸漸在HotChips 退燒后，為何Google 和nVidia 可站在臺(tái)上活好好的主因：Google 很清楚自身需要，快速演進(jìn)三代（應(yīng)該更多）的TPU 就是為了自家Google Cloud AI 和其他服務(wù)量身訂做（蘋果塞在自己芯片內(nèi)的NPU 也是一樣狀況）。nVidia 則是擁有龐大GPU 市占率、累積十多年的CUDA 與高效能運(yùn)算的“基本盤”足以先養(yǎng)活自己，日后再慢慢發(fā)展。
反觀之前那票一窩蜂狂沖“人工智能新大陸”的勇者，又有幾家有本錢和能耐，先不求餓死，再講求和客戶攜手并進(jìn)的共同勝利？講更白一點(diǎn)，你會(huì)相信中國(guó)那些開發(fā)數(shù)字貨幣挖礦芯片的廠商，被迫轉(zhuǎn)型做出來的人工智能芯片，可以迅速得到指標(biāo)性客戶的青睞？
天下任何一家求生存的企業(yè)，無不企求有所謂的“現(xiàn)金母牛”和忠實(shí)客戶，才為穩(wěn)定營(yíng)運(yùn)的基礎(chǔ)。我們可以猜猜看，明年HotChips 33 還剩下哪些幸存者？