為什么人工智能需要新的芯片架構(gòu)

根據(jù)聯(lián)合市場研究公司的數(shù)據(jù)，到 263 年，全球人工智能 （AI） 芯片市場預(yù)計將達(dá)到 6 億美元。AI芯片市場非常龐大，可以以各種不同的方式進行細(xì)分，包括芯片類型，加工類型，技術(shù)，應(yīng)用，垂直行業(yè)等。然而，使用AI芯片的兩個主要領(lǐng)域是邊緣（例如為手機和智能手表供電的芯片）和數(shù)據(jù)中心（用于深度學(xué)習(xí)推理和訓(xùn)練）。

然而，無論應(yīng)用如何，所有 AI 芯片都可以定義為集成電路 （IC），這些集成電路專為運行機器學(xué)習(xí)工作負(fù)載而設(shè)計，可能包括 FPGA、GPU 或定制的 ASIC AI 加速器。它們的工作方式非常類似于我們?nèi)祟惔竽X在我們復(fù)雜而快速發(fā)展的世界中運作和處理決策和任務(wù)的方式。傳統(tǒng)芯片和AI芯片的真正區(qū)別在于它可以處理多少和什么類型的數(shù)據(jù)，以及它可以同時進行多少計算。與此同時，新的軟件AI算法突破正在推動新的AI芯片架構(gòu)，以實現(xiàn)高效的深度學(xué)習(xí)計算。

請繼續(xù)閱讀，詳細(xì)了解 AI 的獨特需求、AI 芯片架構(gòu)的諸多優(yōu)勢，以及 AI 芯片架構(gòu)的應(yīng)用和未來。

AI芯片的獨特要求

人工智能工作負(fù)載如此繁重和苛刻，以至于該行業(yè)無法在 2010 年代之前高效且經(jīng)濟高效地設(shè)計人工智能芯片，因為它需要計算能力——比傳統(tǒng)工作負(fù)載高出幾個數(shù)量級。AI 需要乘法累加函數(shù)（如點積函數(shù)）的大規(guī)模并行性。傳統(tǒng)的GPU能夠以類似的方式對圖形進行并行處理，因此它們被重新用于AI應(yīng)用程序。

我們在過去十年中看到的優(yōu)化是劇烈的。人工智能需要具有正確處理器、存儲器陣列、強大的安全性和傳感器之間可靠的實時數(shù)據(jù)連接的芯片架構(gòu)。最終，最好的AI芯片架構(gòu)是將最多的計算元素和內(nèi)存壓縮到單個芯片中的架構(gòu)。今天，我們也正在進入人工智能的多芯片系統(tǒng)，因為我們正在達(dá)到一個芯片所能做的極限。

芯片設(shè)計人員在設(shè)計激活值的最大尺寸時需要考慮稱為權(quán)重和激活的參數(shù)。展望未來，能夠同時考慮AI的軟件和硬件設(shè)計對于優(yōu)化AI芯片架構(gòu)以提高效率非常重要。

AI 芯片架構(gòu)的優(yōu)勢

毫無疑問，我們正處于人工智能的復(fù)興時期。現(xiàn)在我們正在克服設(shè)計可以處理AI工作負(fù)載的芯片的障礙，有許多創(chuàng)新公司是該領(lǐng)域的專家，并設(shè)計出更好的AI芯片來做十年前似乎遙不可及的事情。

當(dāng)您向下移動工藝節(jié)點時，AI 芯片設(shè)計可以降低 15% 到 20% 的時鐘速度和 15% 到 30% 的密度，從而使設(shè)計人員能夠在芯片上安裝更多計算元素。它們還增加了內(nèi)存組件，使AI技術(shù)可以在幾分鐘而不是幾小時內(nèi)進行訓(xùn)練，從而節(jié)省大量資金。當(dāng)公司從在線數(shù)據(jù)中心租用空間來設(shè)計人工智能芯片時尤其如此，但即使是那些使用內(nèi)部資源的人也可以通過更有效地進行試錯而受益。

我們現(xiàn)在正處于人工智能本身被用于設(shè)計新的人工智能芯片架構(gòu)并計算新的優(yōu)化路徑的地步，以基于來自許多不同行業(yè)和應(yīng)用的大數(shù)據(jù)優(yōu)化功耗、性能和面積 （PPA）。

AI芯片架構(gòu)應(yīng)用與未來

從字面上看，人工智能就在我們身邊。人工智能處理器幾乎被安裝到所有類型的芯片中，從最小的物聯(lián)網(wǎng)芯片到最大的服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心和圖形加速器。需要更高性能的行業(yè)當(dāng)然會更多地使用AI芯片架構(gòu)，但隨著AI芯片的生產(chǎn)成本越來越低，我們將開始在物聯(lián)網(wǎng)等地方看到AI芯片架構(gòu)來優(yōu)化功耗和其他類型的優(yōu)化，我們甚至可能還不知道是可能的。

對于AI芯片架構(gòu)來說，這是一個激動人心的時刻。Synopsys 預(yù)測，由于性能需求，我們將繼續(xù)看到下一代工藝節(jié)點被積極采用。此外，圍繞不同類型的內(nèi)存以及不同類型的處理器技術(shù)以及與每種技術(shù)相關(guān)的軟件組件已經(jīng)進行了大量探索。

在內(nèi)存方面，芯片設(shè)計人員開始將內(nèi)存放在硬件的實際計算元件旁邊甚至內(nèi)部，以使處理時間更快。此外，軟件正在驅(qū)動硬件，這意味著軟件AI模型（如新的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）需要新的AI芯片架構(gòu)。經(jīng)過驗證的實時接口提供高速和低延遲所需的數(shù)據(jù)連接，同時安全性保護整個系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)。

最后，我們將看到光子學(xué)和多芯片系統(tǒng)在新的AI芯片架構(gòu)中發(fā)揮更大的作用，以克服一些AI芯片瓶頸。光子學(xué)提供了一種更節(jié)能的計算方式，多芯片系統(tǒng)（涉及芯片的異構(gòu)集成，通常將內(nèi)存直接堆疊在計算板頂部）也可以提高性能，因為不同處理元件之間以及處理和存儲單元之間的可能連接速度增加。

有一件事是肯定的：人工智能芯片架構(gòu)的創(chuàng)新將繼續(xù)比比皆是，Synopsys 將占據(jù)前排，幫助我們的客戶在一系列行業(yè)中設(shè)計下一代人工智能芯片。