芯片的概念：（半導體元件產(chǎn)品的統(tǒng)稱）集成電路，縮寫作 IC；或稱微電路、微芯片、晶片/芯片，在電子學中是一種把電路（主要包括半導體設備，也包括被動組件等）小型化的方式，并時常制造在半導體晶圓表面上。

專業(yè)地講就是：將電路制造在半導體芯片表面上的集成電路又稱薄膜（thin-film）集成電路。另有一種厚膜（thick-film）集成電路（hybrid integrated circuit）是由獨立半導體設備和被動組件，集成到襯底或線路板所構(gòu)成的小型化電路。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）芯片的定義：從廣義上講只要能夠運行人工智能算法的芯片都叫作 AI 芯片。但是通常意義上的 AI 芯片指的是針對人工智能算法做了特殊加速設計的芯片，現(xiàn)階段，這些人工智能算法一般以深度學習算法為主，也可以包括其它機器學習算法。

AI芯片也被稱為AI加速器或計算卡，即專門用于處理人工智能應用中的大量計算任務的模塊（其他非計算任務仍由CPU負責）。當前，AI芯片主要分為GPU、FPGA、ASIC。

1、通用芯片（GPU）
GPU是單指令、多數(shù)據(jù)處理，采用數(shù)量眾多的計算單元和超長的流水線，主要處理圖像領域的運算加速。
GPU是不能單獨使用的，它只是處理大數(shù)據(jù)計算時的能手，必須由CPU進行調(diào)用，下達指令才能工作。
但CPU可單獨作用，處理復雜的邏輯運算和不同的數(shù)據(jù)類型，但當需要處理大數(shù)據(jù)計算時，則可調(diào)用GPU進行并行計算。
2、半定制化芯片（FPGA）
FPGA適用于多指令，單數(shù)據(jù)流的分析，與GPU相反，因此常用于預測階段，如云端。FPGA是用硬件實現(xiàn)軟件算法,因此在實現(xiàn)復雜算法方面有一定的難度，缺點是價格比較高。與 GPU 不同，F(xiàn)PGA 同時擁有硬件流水線并行和數(shù)據(jù)并行處理能力,適用于以硬件流水線方式處理一條數(shù)據(jù)，且整數(shù)運算性能更高，因此常用于深度學習算法中的推斷階段。不過FPGA 通過硬件的配置實現(xiàn)軟件算法，因此在實現(xiàn)復雜算法方面有一定的難度。將FPGA 和 CPU 對比可以發(fā)現(xiàn)兩個特點,一是 FPGA 沒有內(nèi)存和控制所帶來的存儲和讀取部 分速度更快,二是 FPGA 沒有讀取指令操作,所以功耗更低。劣勢是價格比較高、編程復雜、整體運算能力不是很高。目前國內(nèi)的AI 芯片公司如深鑒科技就提供基于 FPGA 的解決方案。
3、全定制化芯片（ASIC）
ASIC是為實現(xiàn)特定場景應用要求時，而定制的專用AI芯片。除了不能擴展以外,在功耗、可靠性、體積方面都有優(yōu)勢，尤其在高性能、低功耗的移動設備端。
定制的特性有助于提高 ASIC 的性能功耗比，缺點是電路設計需要定制，相對開發(fā)周期長，功能難以擴展。但在功耗、可靠性、集成度等方面都有優(yōu)勢，尤其在要求高性能、低功耗的移動應用端體現(xiàn)明顯。谷歌的 TPU、 寒武紀的 GPU，地平線的 BPU都屬于 ASIC芯片。谷歌的 TPU比 CPU和 GPU的方案快 30 至 80 倍，與 CPU和 GPU相比，TPU把控制電路進行了簡化，因此減少了芯片的面積，降低了功耗。
4、類腦芯片
類腦芯片架構(gòu)是一款模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡模型的新型芯片編程架構(gòu)，這一系統(tǒng)可以模擬人腦功能進行感知方式、行為方式和思維方式。
有人說，ASIC是人工智能芯片的一個主要發(fā)展方向，但真正的人工智能芯片未來發(fā)展的方向是類腦芯片。
類腦芯片研究是非常艱難的，IBM、高通、英特爾等公司的芯片策略都是用硬件來模仿人腦的神經(jīng)突觸。

根據(jù)機器學習算法步驟，可分為訓練（training）和推斷（inference）兩個環(huán)節(jié)：
訓練環(huán)節(jié)通常需要通過大量的數(shù)據(jù)輸入，訓練出一個復雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型。訓練過程由于涉及海量的訓練數(shù)據(jù)和復雜的深度神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，運算量巨大，需要龐大的計算規(guī)模，對于處理器的計算能力、精度、可擴展性等性能要求很高。目前市場上通常使用英偉達的GPU集群來完成，Google的 TPU2.0/3.0也支持訓練環(huán)節(jié)的深度網(wǎng)絡加速。
推斷環(huán)節(jié)是指利用訓練好的模型，使用新的數(shù)據(jù)去“推斷”出各種結(jié)論。這個環(huán)節(jié)的
計算量相對訓練環(huán)節(jié)少很多，但仍然會涉及到大量的矩陣運算。
在推斷環(huán)節(jié)中，除了使用CPU或 GPU進行運算外，F(xiàn)PGA以及 ASIC均能發(fā)揮重大作用。

AI芯片的比較：

GPU未來的應用方向是高級復雜算法和通用性人工智能平臺，買來就能使用。

FPGA更適用于各種具體的行業(yè)，人工智能會應用到各個具體領域。

ASIC芯片是全定制芯片。因為算法復雜度越強，越需要一套專用的芯片架構(gòu)與其進行對應。定制就是當客戶處在某一特殊場景時，可以為其獨立設計一套專業(yè)智能算法軟件。

而ASIC基于人工智能算法進行獨立定制，其發(fā)展前景看好。

類腦芯片是人工智能最終的發(fā)展模式，但是離產(chǎn)業(yè)化還很遙遠。

深度學習芯片使用情況比較：

• CPU通用性最強，但延遲嚴重，散熱高，效率最低。

• GPU 通用性強、速度快、效率高，特別適合用在深度學習訓練方面，但是性能功耗比較低。

• FPGA具有低能耗、高性能以及可編程等特性，相對于 CPU與 GPU有明顯的性能或者能耗優(yōu)勢，但對使用者要求高。

• ASIC 可以更有針對性地進行硬件層次的優(yōu)化，從而獲得更好的性能、功耗比。但是 ASIC 芯片的設計和制造需要大量的資金、較長的研發(fā)周期和工程周期，而且深度學習算法仍在快速發(fā)展，若深度學習算法發(fā)生大的變化，F(xiàn)PGA 能很快改變架構(gòu)，適應最新的變化，ASIC類芯片一旦定制則難于進行修改。

當前階段，GPU 配合 CPU 仍然是 AI 芯片的主流，而后隨著視覺、語音、深度學習的 算法在FPGA以及ASIC芯片上的不斷優(yōu)化，此兩者也將逐步占有更多的市場份額，從而與 GPU達成長期共存的局面。從長遠看，人工智能類腦神經(jīng)芯片是發(fā)展的路徑和方向。

一種是延續(xù)傳統(tǒng)計算架構(gòu)，加速硬件計算能力，主要以 3 種類型的芯片為代表，即 GPU、FPGA、ASIC， 但CPU依舊發(fā)揮著不可替代的作用；另一種是顛覆經(jīng)典的馮·諾依曼計算架構(gòu)，采用類腦神 經(jīng)結(jié)構(gòu)來提升計算能力，以 IBM TrueNorth 芯片為代表。

GPU芯片發(fā)展歷程

手機AI芯片對于各種AI算子能夠以30倍到50倍左右的速度處理。以拍照場景為例，AI芯片能夠做更好的一個圖像檢測，圖像分割和圖像語義理解。另外，對聲音可以聽清、聽懂，并根據(jù)所了解的客戶意圖提供客戶真正想要的服務。比如，內(nèi)置獨立神經(jīng)網(wǎng)絡單元NPU的麒麟970的圖片處理速度可達到約2005張每分鐘，而在沒有NPU的情況下每分鐘只能處理97張圖像。當然，其他應用場景在AI的加持下同樣變得高能。

計算機工業(yè)從 1960 年代早期開始使用 CPU 這個術(shù)語。迄今為止，CPU 從形態(tài)、設計到實現(xiàn)都已發(fā)生了巨大的變化，但是其基本工作原理卻一直沒有大的改變。通常 CPU 由控制器和運算器這兩個主要部件組成。實質(zhì)上僅單獨的 ALU模塊（邏輯運算單元）是用來完成數(shù)據(jù)計算的，其他各個模塊的存在都是為了保證指令能夠一條接一條的有序執(zhí)行。這種通用性結(jié)構(gòu)對于傳統(tǒng)的編程計算模式非常適合，同時可以通過提升 CPU 主頻（提升單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的條數(shù)）來提升計算速度。但對于深度學習中的并不需要太多的程序指令、卻需要海量數(shù)據(jù)運算的計算需求，這種結(jié)構(gòu)就顯得有些力不從心。尤其是在功耗限制下，無法通過無限制的提升CPU 和內(nèi)存的工作頻率來加快指令執(zhí)行速度，這種情況導致CPU系統(tǒng)的發(fā)展遇到不可逾越的瓶頸。

并行加速計算的 GPU ：

GPU作為最早從事并行加速計算的處理器，相比 CPU速度快，同時比其他加速器芯片編程靈活簡單。

傳統(tǒng)的CPU之所以不適合人工智能算法的執(zhí)行，主要原因在于其計算指令遵循串行執(zhí)行的方式，沒能發(fā)揮出芯片的全部潛力。與之不同的是，GPU 具有高并行結(jié)構(gòu)，在處理圖形數(shù)據(jù)和復雜算法方面擁有比 CPU 更高的效率。對比 GPU 和 CPU 在結(jié)構(gòu)上的差異，CPU 大部分面積為控制器和寄存器，而 GPU擁有更多的 ALU(ARITHMETIC LOGIC UNIT，邏輯運算單元)用于數(shù)據(jù)處理，這樣的結(jié)構(gòu)適合對密集型數(shù)據(jù)進行并行處理。程序在GPU系統(tǒng)上的運行速度相較于單核 CPU往往提升幾十倍乃至上千倍。隨著英偉達、AMD 等公司不斷推進其對 GPU 大規(guī)模并行架構(gòu)的支持，面向通用計算的 GPU(即 GPGPU，GENERAL PURPOSE GPU，通用計算圖形處理器)已成為加速可并行應用程序的重要手段。

目前，我國的人工智能芯片行業(yè)發(fā)展尚處于起步階段。
長期以來，中國在 CPU、GPU、DSP 處理器設計上一直處于追趕地位，絕大部分芯片設計企業(yè)依靠國外的 IP 核設計芯片，在自主創(chuàng)新上受到了極大的限制。然而，人工智能的興起，無疑為中國在處理器領域?qū)崿F(xiàn)彎道超車提供了絕佳的機遇。人工智能領域的應用目前還處于面向行業(yè)應用階段，生態(tài)上尚未形成壟斷，國產(chǎn)處理器廠商與國外競爭對手在人工智能這一全新賽場上處在同一起跑線上，因此，基于新興技術(shù)和應用市場，中國在建立人工智能生態(tài)圈方面將大有可為。
由于我國特殊的環(huán)境和市場，國內(nèi) AI 芯片的發(fā)展目前呈現(xiàn)出百花齊放、百家爭鳴的態(tài)勢，AI 芯片的應用領域也遍布股票交易、金融、商品推薦、安防、早教機器人以及無人駕駛等眾多領域，催生了大量的人工智能芯片創(chuàng)業(yè)公司，如地平線、深鑒科技、中科寒武紀等。盡管如此，國內(nèi)公司卻并未如國外大公司一樣形成市場規(guī)模，反而出現(xiàn)各自為政的散裂發(fā)展現(xiàn)狀。除了新興創(chuàng)業(yè)公司，國內(nèi)研究機構(gòu)如北京大學、清華大學、中國科學院等在AI芯片領域都有深入研究；而其他公司如百度和比特大陸等，2017年也有一些成果發(fā)布?？梢灶A見，未來誰先在人工智能領域掌握了生態(tài)系統(tǒng)，誰就掌握住了這個產(chǎn)業(yè)的主動權(quán)。

目前主流 AI芯片的核心主要是利用 MAC（Multiplier and Accumulation，乘加計算）加速陣列來實現(xiàn)對 CNN（卷積神經(jīng)網(wǎng)絡）中最主要的卷積運算的加速。這一代 AI 芯片主要有如下 3個方面的問題。

（1）深度學習計算所需數(shù)據(jù)量巨大，造成內(nèi)存帶寬成為整個系統(tǒng)的瓶頸，即所謂的“memory wall”問題。
（2）與第一個問題相關(guān)，內(nèi)存大量訪問和MAC陣列的大量運算，造成AI芯片整體功耗的增加。
（3）深度學習對算力要求很高，要提升算力，最好的方法是做硬件加速，但是同時深度學習算法的發(fā)展也是日新月異，新的算法可能在已經(jīng)固化的硬件加速器上無法得到很好的支持，即性能和靈活度之間的平衡問題。

因此，我們可以預見，下一代 AI芯片將有如下的幾個發(fā)展趨勢：

趨勢一：更高效的大卷積解構(gòu)/復用
在標準 SIMD 的基礎上，CNN 由于其特殊的復用機制，可以進一步減少總線上的數(shù)據(jù)通信。而復用這一概念，在超大型神經(jīng)網(wǎng)絡中就顯得格外重要。如何合理地分解、映射這些超大卷積到有效的硬件上成為了一個值得研究的方向。
趨勢二：更低的 Inference計算/存儲位寬
AI 芯片最大的演進方向之一可能就是神經(jīng)網(wǎng)絡參數(shù)/計算位寬的迅速減少——從 32 位浮點到 16 位浮點/定點、8 位定點，甚至是 4 位定點。在理論計算領域，2 位甚至 1 位參數(shù)位寬，都已經(jīng)逐漸進入實踐領域。
趨勢三：更多樣的存儲器定制設計
當計算部件不再成為神經(jīng)網(wǎng)絡加速器的設計瓶頸時，如何減少存儲器的訪問延時將會成為下一個研究方向。通常，離計算越近的存儲器速度越快，每字節(jié)的成本也越高，同時容量也越受限，因此新型的存儲結(jié)構(gòu)也將應運而生。
趨勢四：更稀疏的大規(guī)模向量實現(xiàn)
神經(jīng)網(wǎng)絡雖然大，但是，實際上有很多以零為輸入的情況，此時稀疏計算可以高效的減少無用能效。來自哈佛大學的團隊就該問題提出了優(yōu)化的五級流水線結(jié)構(gòu)， 在最后一級輸出了觸發(fā)信號。在Activation層后對下一次計算的必要性進行預先判斷，如果發(fā)現(xiàn)這是一個稀疏節(jié)點，則觸發(fā) SKIP信號，避免乘法運算的功耗，以達到減少無用功耗的目的。
趨勢五：計算和存儲一體化
計算和存儲一體化（process-in-memory）技術(shù)，其要點是通過使用新型非易失性存儲 （如ReRAM）器件，在存儲陣列里面加上神經(jīng)網(wǎng)絡計算功能，從而省去數(shù)據(jù)搬移操作，即實現(xiàn)了計算存儲一體化的神經(jīng)網(wǎng)絡處理，在功耗性能方面可以獲得顯著提升。

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