深度學(xué)習(xí)或?qū)⒁I(lǐng)半導(dǎo)體行業(yè)變革

機(jī)器學(xué)習(xí)就是在巨量數(shù)據(jù)上執(zhí)行某類復(fù)雜運(yùn)算，并且效率越來(lái)越來(lái)高，成功的案例也越來(lái)越多?，F(xiàn)在，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)從一個(gè)相對(duì)晦澀的計(jì)算機(jī)科學(xué)概念快速發(fā)展成了一種可靠的方法，并且已經(jīng)被應(yīng)用在了從人臉識(shí)別技術(shù)到自動(dòng)駕駛汽車等各種應(yīng)用中。

機(jī)器學(xué)習(xí)可以應(yīng)用于每一種企業(yè)職能，并且會(huì)影響到經(jīng)濟(jì)體中每個(gè)部分的公司。所以無(wú)怪乎資金正在大量涌入這一行業(yè)。麥肯錫公司的一項(xiàng)調(diào)查表明：在 2013 年到 2016 年之間，對(duì)人工智能（AI）開發(fā)的總投資額增長(zhǎng)了 2 倍，達(dá)到了 200 億到 300 億美元。其中大多數(shù)都來(lái)自科技巨頭。這些公司預(yù)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)及其衍生的其它 AI 模型將成為它們未來(lái)客戶發(fā)展的關(guān)鍵，就像現(xiàn)在的移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)化一樣。

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)為何如此吸引人？因?yàn)闄C(jī)器學(xué)習(xí)和其它形式的 AI 技術(shù)可以在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時(shí)仍然還能產(chǎn)出顯著的利益。Gartner 預(yù)計(jì)到 2020 年，AI 技術(shù)將會(huì)在新的業(yè)務(wù)軟件中實(shí)現(xiàn)普及，并且將成為 30% 的 CIO 的前五大投資優(yōu)先選擇之一。

事實(shí)上，這一市場(chǎng)的主要發(fā)展推動(dòng)力來(lái)自那些已經(jīng)站穩(wěn)腳跟的公司，它們可以將它們的進(jìn)展應(yīng)用到其它領(lǐng)域，比如：

• 英偉達(dá)已經(jīng)成為了 GPU 領(lǐng)域的主導(dǎo)者，而 GPU 正是機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練階段的最主要平臺(tái)。到目前為止，大多數(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)成果都基于 GPU。

• 英特爾已經(jīng)推出的 Nervana 神經(jīng)處理器（Neural Processor），這是一種低延遲、高內(nèi)存帶寬的芯片，據(jù)說(shuō)是專為深度學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)打造的。（英特爾在 2016 年收購(gòu)了 Nervana。）

• 谷歌的張量處理單元（TPU/Tensor Processing Unit）已經(jīng)占據(jù)了機(jī)器學(xué)習(xí)加速器的部分市場(chǎng)。其第二個(gè)版本是 Cloud TPU，這是一種更加高性能的 TPU 集群。Cloud TPU 是為機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練階段設(shè)計(jì)的，可與英偉達(dá)的 GPU 平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)；而谷歌第一個(gè)版本的 TPU 則是該公司為了在自己的服務(wù)器上加速語(yǔ)音轉(zhuǎn)文本應(yīng)用的推理而開發(fā)的一款 ASIC。

機(jī)器學(xué)習(xí)分為兩個(gè)階段：訓(xùn)練階段和推理階段。其中大部分開發(fā)工作都集中在第一個(gè)階段：訓(xùn)練階段。這篇文章主要限于數(shù)據(jù)中心和云計(jì)算方面，而且這本身就是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。Linley Group 的首席分析師 Linley Gwennap 預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)中心方向的 AI 加速器市場(chǎng)將在 2022 年達(dá)到 120 億美元。

Gwennap 說(shuō)：“在接下來(lái)的一兩年時(shí)間里，我們將開始看到將會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)更多針對(duì)數(shù)據(jù)中心和其它設(shè)備的選擇。所以世界各地的谷歌和 Facebook 這樣的公司所面臨的問(wèn)題是：‘我應(yīng)該繼續(xù)設(shè)計(jì)自己的芯片嗎？或者，如果我能從公開市場(chǎng)獲得同樣好的芯片，我還應(yīng)該自己設(shè)計(jì)嗎？’”

機(jī)器學(xué)習(xí)的第二個(gè)階段是推理，基本上就是將學(xué)習(xí)階段應(yīng)用于特定應(yīng)用和細(xì)分市場(chǎng)。也就是算法被投入實(shí)際應(yīng)用的階段，而人們預(yù)計(jì)這方面的發(fā)展機(jī)會(huì)甚至還更大。因此，VC 支持的創(chuàng)業(yè)公司正在大量涌現(xiàn)，但其中只有很少一些已經(jīng)推出了或演示過(guò)任何產(chǎn)品；當(dāng)然，已有的公司也在這一領(lǐng)域大力推進(jìn)。

ARM 的研究員 Jem Davies 說(shuō)：“推理和訓(xùn)練是相當(dāng)不同的。推理是做各種古怪的事情（比如分揀黃瓜）或有用的事情的階段。這個(gè)階段離用戶更近，所以你能看到各種‘有趣的’用例。但也有在手機(jī)中執(zhí)行文本預(yù)測(cè)（這始于 25 年前）以及人臉檢測(cè)和識(shí)別的應(yīng)用?！?/p>

推理也是輔助駕駛和自動(dòng)駕駛的重要組成部分，其中傳感器收集到的數(shù)據(jù)需要基于機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行預(yù)處理。

Cadence 的 Tensilica DSP 組的產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān) Pulin Desai 說(shuō)：“推理需要在邊緣進(jìn)行。在汽車中，你可能會(huì)有 20 個(gè)圖像傳感器，另外還有雷達(dá)和激光雷達(dá)（LiDAR），以便提供 360 度的視野。但如果你將一個(gè)圖像傳感器放在汽車上，它可能就有 180 度的視野了。那就會(huì)需要畸變校正，這是一種圖像處理。”

訓(xùn)練和推理之間的一個(gè)關(guān)鍵差異是訓(xùn)練是以浮點(diǎn)形式完成的，而推理則使用定點(diǎn)形式。DSP 和 FPGA 都是定點(diǎn)形式。

Flex Logix 的 CEO Geoffrey Tate 說(shuō)：“我們不再只使用 x86 處理器解算所有任務(wù)或?yàn)樘囟ǖ呢?fù)載對(duì)硬件進(jìn)行優(yōu)化。大多數(shù)計(jì)算都要在數(shù)據(jù)中心外完成，所以 FPGA 等器件的作用將不得不改變——盡管隨著音頻和視頻的支持需求擴(kuò)大，你可能仍將看到傳統(tǒng)架構(gòu)與新架構(gòu)的混合使用。我將這全部都看作是加速器。”

在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 和 eFPGA 玩家正爭(zhēng)先恐后要在推理市場(chǎng)分一杯羹。Linley 估計(jì)，在 2022 年總共將會(huì)有 17 億臺(tái)機(jī)器學(xué)習(xí)客戶端設(shè)備。

Achronix 總裁兼 CEO Robert Blake 說(shuō)：“GPU 在機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)階段已經(jīng)得到了很大的重視。但推理方面的市場(chǎng)會(huì)更大，而這些產(chǎn)品的關(guān)鍵因素將會(huì)是成本和功耗。因此，嵌入式解決方案將會(huì)成為這些領(lǐng)域的矚目焦點(diǎn)。”

ARM 的 Davies 同意這個(gè)觀點(diǎn)。他說(shuō)功率預(yù)算保持在 2W 到 3W的范圍內(nèi)，而電池技術(shù)的發(fā)展一直以來(lái)都相對(duì)平穩(wěn)。鋰電池的改進(jìn)幅度一直都在每年 4% 到 6% 的范圍內(nèi)。考慮到所有這些情況，計(jì)算性能將會(huì)需要幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增長(zhǎng)。

那將需要不同的架構(gòu)，還要理解應(yīng)該在哪里完成哪些處理。

Rambus 的杰出發(fā)明家 Steven Woo 說(shuō)：“我們看到有各種各樣的 AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片和內(nèi)核。在更高層面上看，它們是將信息融合在一起。這方面有很多探索正在進(jìn)行。你可以看到，現(xiàn)在有很多公司在尋找主要市場(chǎng)，以便圍繞其構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施。你可以看到手機(jī)的數(shù)量達(dá)到了數(shù)十億。這些都在驅(qū)動(dòng)新的封裝基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展。你可以看到汽車領(lǐng)域背后有很多資金支持。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的潛力也很明顯，但難在尋找共同點(diǎn)。而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器學(xué)習(xí)方面，似乎每周都有新算法出現(xiàn)，這使得我們難以開發(fā)出單個(gè)一個(gè)架構(gòu)。這就是人們對(duì) FPGA 和 DSP 的興趣如此之大的原因?！?/p> 定義機(jī)器學(xué)習(xí)

公司交替地使用機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這些術(shù)語(yǔ)并沒有什么幫助。盡管這些術(shù)語(yǔ)的差別很微妙，但共有的思想是：使用足夠多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)可以給多種不同的場(chǎng)景加權(quán)，并根據(jù)這些預(yù)定義的權(quán)重響應(yīng)給出最好的選擇。這個(gè)加權(quán)過(guò)程是訓(xùn)練和推理過(guò)程的一部分，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)而言至關(guān)重要。

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一種——具有更多的層，這些層執(zhí)行著不同類型的分析，并最終能得到更加完整的解決方案，但完成深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練也需要更多計(jì)算資源。這兩者往往都涉及到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即圍繞信息節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)狀的連接，這種連接有一點(diǎn)類似于人腦中細(xì)胞之間的網(wǎng)狀連接。人工智能則是一個(gè)涵蓋性術(shù)語(yǔ)，很多人對(duì)此都有不同的看法：從 IBM 的 Watson 到電影《2001 太空漫游》中的 HAL。但主要是指無(wú)需明確編程就能自己學(xué)習(xí)不同行為的設(shè)備或程序。

在以客戶為中心的應(yīng)用中，機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)非常常見，其中包括預(yù)測(cè)銷量、尋找客戶流失的跡象、通過(guò)交互式語(yǔ)音響應(yīng)或聊天機(jī)器人提供客戶服務(wù)、谷歌翻譯那樣的消費(fèi)者應(yīng)用等等。

Facebook 使用了三種深度學(xué)習(xí)應(yīng)用來(lái)過(guò)濾上傳的內(nèi)容，比如：一種用于識(shí)別上傳的圖片中的人臉并進(jìn)行標(biāo)注，一種用于檢查帖子中的仇恨言論或其它客觀內(nèi)容，一種用于定向廣告。

英偉達(dá)首席科學(xué)家兼研究部門高級(jí)副總裁 Bill Dally 說(shuō)：“讓我驚訝的是深度學(xué)習(xí)革命的速度是如此之快。在過(guò)去三年中，各種應(yīng)用幾乎在一夜之間就完成了從傳統(tǒng)方法向深度學(xué)習(xí)方法的轉(zhuǎn)變。這不需要在軟件上進(jìn)行大量投入；你找到應(yīng)用，再訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，然后就完成了。這在一些領(lǐng)域里已經(jīng)得到了普及，但對(duì)于每一個(gè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，還可能還會(huì)有多次轉(zhuǎn)變。”

據(jù)麥肯錫的研究：盡管科技行業(yè)內(nèi)已經(jīng)采用 AI 實(shí)現(xiàn)或改進(jìn)了其它服務(wù)或增加了新服務(wù)給客戶，但在科技行業(yè)之外，對(duì) AI 技術(shù)的采用還大都是實(shí)驗(yàn)性的。在受調(diào)查的 3000 家公司中，僅有 20% 表示它們?cè)跇I(yè)務(wù)中的重要部分使用了與 AI 相關(guān)的技術(shù)。麥肯錫調(diào)查了 160 種 AI 用例，發(fā)現(xiàn)其中僅有 12% 實(shí)現(xiàn)了 AI 的商業(yè)部署。

換個(gè)角度看，也就是說(shuō)有 88% 的公司仍然還沒有實(shí)現(xiàn) AI 的商業(yè)部署，所以其中還有巨大的機(jī)會(huì)。谷歌和百度等科技巨頭則相反，它們?cè)?2016 年中投入了 200 億到 300 億美元，其中 90% 投入了研發(fā)，10% 用于收購(gòu)。

據(jù)西門子旗下 Mentor 的傳感器融合部門首席工程師 Nizar Sallem 說(shuō)，深度學(xué)習(xí)可能不僅在客戶服務(wù)和分析上表現(xiàn)優(yōu)良，而且也是用于自動(dòng)駕駛汽車所需的即時(shí)感知、決策和控制的主要候選系統(tǒng)。

Sallem 說(shuō)：“機(jī)器學(xué)習(xí)最重要的應(yīng)用是基于交通規(guī)則和汽車當(dāng)時(shí)所在位置的預(yù)期理解汽車周圍的環(huán)境、道路上不同的行為者和背景。它必須確定你的行為應(yīng)該會(huì)怎樣，還要確定什么時(shí)候允許你打破規(guī)則以避開危險(xiǎn)或保護(hù)汽車中的人類。”

不管 AI 技術(shù)可能將會(huì)有多么能干，它目前仍還處于起步發(fā)展階段。據(jù) Tractica 的一份報(bào)告，主要的服務(wù)提供商還仍然是已有的科技公司，最賺錢的還仍然是面向消費(fèi)者的服務(wù)。其中包括谷歌的語(yǔ)音轉(zhuǎn)文本和翻譯服務(wù)以及來(lái)自亞馬遜、Facebook、百度等公司的消費(fèi)者交互/客戶服務(wù)應(yīng)用。這份報(bào)告估計(jì) 2016 年 AI 驅(qū)動(dòng)的消費(fèi)者服務(wù)價(jià)值 19 億美元，并將在 2017 年年底增長(zhǎng)至 27 億美元。

圖 1：不同 AI 技術(shù)的收入情況，來(lái)自 Tractica

Tractica 估計(jì) AI 的整個(gè)市場(chǎng)（包括硬件、軟件和服務(wù)）將會(huì)在 2025 年增長(zhǎng)至 421 億美元。

圖 2：AI 在不同方面（軟件、服務(wù)、硬件）的收入情況，來(lái)自 Tractica

機(jī)器學(xué)習(xí)即服務(wù)（MLaaS）是一個(gè)不同的類別——亞馬遜、IBM 和微軟占據(jù)了其中 73%。據(jù) Transparency Market Research（TMR）在今年 4 月份的一份報(bào)告稱，這個(gè)市場(chǎng)將從 2016 年的 10.7 億美元增長(zhǎng)至 2025 年的 199 億美元。

據(jù) Tractica 稱，目前大多數(shù)使用了機(jī)器學(xué)習(xí)的服務(wù)都是面向消費(fèi)者的——這個(gè)類別中包括谷歌的翻譯和語(yǔ)音轉(zhuǎn)文本應(yīng)用，這些應(yīng)用為其客戶級(jí) TPU 提供了概念證明。

深度學(xué)習(xí)的出現(xiàn)也凸顯出了半導(dǎo)體行業(yè)與其最大的客戶之間的日益復(fù)雜的關(guān)系——尤其是谷歌等超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的所有者，這些公司的規(guī)模非常大，足以開發(fā)設(shè)計(jì)它們自己的服務(wù)器和芯片。

多年以來(lái)，芯片公司一直都在開發(fā)或定制滿足特定的云客戶的需求的芯片。以英特爾為例，它為微軟開發(fā)了 FPGA 深度學(xué)習(xí)加速器，還為阿里巴巴的云客戶開發(fā)了基于 FPGA 的應(yīng)用加速器。英特爾還邀請(qǐng)了 Facebook 來(lái)幫助設(shè)計(jì)英特爾推出的 Nervana 神經(jīng)處理器的封裝以及即將到來(lái)的用于深度學(xué)習(xí)的 “Lake Crest” ASIC。

谷歌已經(jīng)宣布了其它芯片，比如新聞報(bào)道的該公司為其 Pixel 2 手機(jī)開發(fā)了一款機(jī)器學(xué)習(xí)協(xié)處理器，這也是其第一款移動(dòng)芯片。谷歌也已經(jīng)開發(fā)出了 Titan，這是一款連接到服務(wù)器的微控制器，可以確保服務(wù)器在板上出現(xiàn)故障、損壞或感染了惡意軟件時(shí)不會(huì)啟動(dòng)。

谷歌在解釋其對(duì)第一款 TPU 的投資時(shí)說(shuō) TPU 可以“為機(jī)器學(xué)習(xí)在單位功耗下的性能帶來(lái)一個(gè)數(shù)量級(jí)的優(yōu)化”并能將谷歌的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用向前推進(jìn)大概七年時(shí)間。第一款 TPU 的設(shè)計(jì)目的只是加速運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)模型的推理的普通服務(wù)器，而不是為了一開始的模型訓(xùn)練。因此，它們不會(huì)與英偉達(dá)或英特爾的機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練產(chǎn)品直接競(jìng)爭(zhēng)。

當(dāng)谷歌在 5 月份宣布了 Cloud TPU 時(shí)，聽起來(lái)似乎就將與英特爾和英偉達(dá)的產(chǎn)品進(jìn)行更加直接的競(jìng)爭(zhēng)了。

谷歌描述說(shuō)，每個(gè) Cloud TPU 都有 180 teraflops 的浮點(diǎn)運(yùn)算性能，將 4 個(gè) TPU 封裝成一個(gè) TPU Pod 可以實(shí)現(xiàn)總共 11.5 petaflops 的性能。這種配置似乎是為了與英偉達(dá)備受關(guān)注的 DGX-1 “超級(jí)計(jì)算機(jī)”競(jìng)爭(zhēng)而設(shè)計(jì)的。DGX-1 包含 8 個(gè)頂級(jí)的 Tesla V100 芯片，并聲稱總體最高吞吐量達(dá) 1 petaFLOP。

Dally 說(shuō)：“谷歌和其它一些公司沒使用加速或只使用 TPU 取得了一些早期的成功，但有些網(wǎng)絡(luò)是很容易訓(xùn)練的；標(biāo)準(zhǔn)的圖像搜索就很簡(jiǎn)單。但對(duì)于需要處理越來(lái)越多信號(hào)的訓(xùn)練（處理圖像和視頻流）以及對(duì)于每周都要重新訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的人或重點(diǎn)關(guān)注訓(xùn)練過(guò)程的人，GPU 要高效得多?！?/p>

據(jù) Cadence 的 IP 組的前 CTO Chris Rowen 說(shuō)，問(wèn)題是來(lái)自谷歌的一款新處理器是否足以?shī)Z走其它公司的客戶，答案可能是“不能”。任何云提供商都必須支持不止一種架構(gòu)，所以使用了深度學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)中心將會(huì)是 CPU、GPU、ASIC、FPGA 和各種技術(shù)的 IP 的混合。Rowen 現(xiàn)已創(chuàng)立了 Cognite Ventures 公司，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和自主式嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司提供資金和建議。

Rowen 說(shuō)，某些訓(xùn)練負(fù)載也可以轉(zhuǎn)移，從而讓客戶端設(shè)備也能具備數(shù)十億個(gè)推理引擎。在這一領(lǐng)域，很多公司肯定都有機(jī)會(huì)；但是對(duì)于在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器上進(jìn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，新進(jìn)入的公司很難取代已經(jīng)站穩(wěn)腳跟的玩家。

圖 3：認(rèn)知計(jì)算的演進(jìn)，來(lái)自 Cognite Ventures

Rowen 說(shuō)：“我們希望有所選擇，理由很充分，但選擇也非常多，而且英特爾、高通和其它公司也都在關(guān)注。不能因?yàn)槟阌幸粋€(gè)用于智能手機(jī)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就假設(shè)你的生產(chǎn)制造能超越三星，這種假設(shè)可不好?！?/p>