中國(guó)首款嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器誕生

6月20日，張韻東所在的中星微 “數(shù)字多媒體芯片技術(shù)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室舉行新聞發(fā)布會(huì)稱，其發(fā)明的中國(guó)首款嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（NPU）芯片誕生，并已于今年3月6日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

這款被命名為“星光智能一號(hào)”的芯片，蘊(yùn)含了當(dāng)前計(jì)算機(jī)領(lǐng)域最前沿的生物人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿生學(xué)創(chuàng)新技術(shù)，且對(duì)嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)來說，也是實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的一次踴躍嘗試。它標(biāo)志著我國(guó)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器領(lǐng)域的研究和開發(fā)上取得了重大突破；使我國(guó)視頻監(jiān)控行業(yè)發(fā)展由模擬時(shí)代、數(shù)字時(shí)代跨入智能時(shí)代，在全球確立領(lǐng)先地位。

“原來的視頻處理芯片只是相當(dāng)于一只‘眼睛’。要把采集到的海量音視頻數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)進(jìn)行識(shí)別，再把結(jié)果通知給人，沒辦法做到實(shí)時(shí)分析。”擔(dān)任該國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任的張韻東比喻說。而“星光智能一號(hào)”可以讓“眼睛”具備人腦的功能，將后臺(tái)的智能判斷提到了前端，可實(shí)時(shí)地識(shí)別更高級(jí)的智慧信息，如身份證號(hào)碼、車牌號(hào)、一個(gè)人是誰(shuí)。

為了了解其對(duì)人臉的識(shí)別能力，一名男記者現(xiàn)場(chǎng)邀請(qǐng)長(zhǎng)相跟他相像的一名工作人員一起“刷臉”。果然，在讀取身份證之后，攝像頭在不到1秒鐘的時(shí)間內(nèi)就判斷出工作人員才是本人。

“星光智能一號(hào)”之所以能“看懂”這些信息，該實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)委員會(huì)主任楊曉東介紹說，是因?yàn)樗闪薔PU處理器內(nèi)核以及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)音視頻編解碼器（SVAC Codec），是全球首顆具備深度學(xué)習(xí)人工智能的嵌入式視頻采集壓縮編碼系統(tǒng)級(jí)芯片。該實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的嵌入式NPU，徹底顛覆了采用傳統(tǒng)馮諾依曼架構(gòu)的CPU（中央處理器），賦予其“大腦”一樣的分析功能。

當(dāng)前，人工智能的好戲剛剛揭幕。“卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）算法已成為智能機(jī)器視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?！痹搶?shí)驗(yàn)室嵌入式人工智能項(xiàng)目組組長(zhǎng)昝勁文在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說，該算法通過仿生人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可降低網(wǎng)絡(luò)模型的復(fù)雜程度，在處理海量輸入數(shù)據(jù)、大規(guī)模乘累加運(yùn)算、稀疏權(quán)值矩陣等方面具有優(yōu)勢(shì)。

然而，傳統(tǒng)CPU運(yùn)行CNN算法效率不高。中星微NPU采用“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)并行計(jì)算”架構(gòu)，使算機(jī)的能耗比“至少提高了兩三個(gè)數(shù)量級(jí)”，特別擅長(zhǎng)處理視頻、圖像類的海量多媒體數(shù)據(jù)，使得人工智能在嵌入式機(jī)器視覺應(yīng)用中可以大顯身手。

據(jù)介紹，中星微每個(gè)NPU處理器有4個(gè)內(nèi)核，每個(gè)內(nèi)核有兩個(gè)數(shù)據(jù)流處理器，每個(gè)數(shù)據(jù)流處理器有8個(gè)長(zhǎng)位寬或16個(gè)短位寬的SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）運(yùn)算單元?！斑@樣每個(gè)NPU處理器就包含了128個(gè)并行處理單元，相當(dāng)于高速公路上有128個(gè)車道并行，讓海量數(shù)據(jù)通過?！睆堩崠|比喻說。這使得每個(gè)NPU處理器具有每秒38G Ops（標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字標(biāo)牌接口規(guī)范）的長(zhǎng)位寬處理能力或76G Ops的短位寬處理能力。

此次，中星微率先在全球?qū)崿F(xiàn)對(duì)該芯片的量產(chǎn)應(yīng)用，可謂是中國(guó)企業(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)國(guó)外集成電路產(chǎn)業(yè)“彎道超車”的一次成功嘗試。在信息時(shí)代，集成電路產(chǎn)業(yè)已成為全球各國(guó)必爭(zhēng)的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。但當(dāng)前中國(guó)該產(chǎn)業(yè)形勢(shì)卻相當(dāng)嚴(yán)峻。工信部數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)十余年來集成電路進(jìn)口額長(zhǎng)期處于各類商品之首，每年達(dá)2000億元左右。

這種依賴性隨時(shí)可將中國(guó)通信產(chǎn)業(yè)置于難以預(yù)料的風(fēng)險(xiǎn)之中。例如今年3月7日，中興通訊因被美國(guó)商務(wù)部實(shí)施出口限制措施而停牌。因該公司對(duì)美國(guó)零部件和軟件供應(yīng)商的依賴，嚴(yán)重?fù)p害了其手機(jī)終端和電信設(shè)備業(yè)務(wù)，造成的損失額估計(jì)達(dá)1000億元以上。

堅(jiān)持自主創(chuàng)新原則，重點(diǎn)投入核心技術(shù)研發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)的制定，這是中星微多年來形成的科研模式。成立于1999年的中星微，在2001年開發(fā)出第一塊具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的圖像處理芯片“星光一號(hào)”，結(jié)束了中國(guó)無“芯”的歷史；在2010年與公安部第一研究所牽頭制定了SVAC國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，是全球第一個(gè)針對(duì)視頻監(jiān)控的音視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)。這兩項(xiàng)成果使其兩次獲得國(guó)家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。

“數(shù)字多媒體芯片技術(shù)”國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成立于2010年，圍繞數(shù)字多媒體芯片的應(yīng)用基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)開展研究。此次中星微推出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器和嵌入式視頻監(jiān)控芯片，正是對(duì)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展”的實(shí)踐。據(jù)悉該芯片現(xiàn)已申請(qǐng)16項(xiàng)專利。“今天，我們敢說我們的芯片誕生了，是進(jìn)行了3年多的開發(fā)，每一顆芯片都經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試?！睆堩崠|說。

根據(jù)摩爾定律，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，約每隔兩年便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。這一發(fā)展曲線在超過半個(gè)世紀(jì)里一直與預(yù)測(cè)的一樣“完美”。然而從2010年開始，這一增長(zhǎng)節(jié)奏逐漸放緩。

“現(xiàn)在，半導(dǎo)體工藝已經(jīng)逼近量子尺度，摩爾定律的盡頭近在眼前。而傳統(tǒng)CPU受限于散熱問題，其時(shí)鐘頻率更早趨于上限?！睆堩崠|說?！袄碚撋希瑯O限時(shí)鐘頻率是1000G，但傳統(tǒng)CPU受限于散熱，達(dá)不到10G。否則，芯片過燙、溫度過高就沒辦法正常工作?！?/p>

如此一來，人們?cè)O(shè)想的嵌入式高級(jí)機(jī)器人還能否實(shí)現(xiàn)呢？對(duì)此，張韻東表示，后摩爾定律時(shí)代有幾條不同的路徑，一種觀點(diǎn)是繼續(xù)推進(jìn)摩爾定律，即繼續(xù)在新型材料、工藝制程和器件結(jié)構(gòu)上努力，將摩爾定律再推進(jìn)一步，在單位面積上可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度；另一種觀點(diǎn)是超越摩爾定律，即通過系統(tǒng)集成單顆芯片或是多芯片堆疊的方式，實(shí)現(xiàn)更多的功能。