一文看懂谷歌的AI芯片布局 - 全文

谷歌   AI芯片

2018年7月Google在其云端服務年會Google Cloud Next上正式發(fā)表其邊緣(Edge)技術，與另兩家國際公有云服務大廠Amazon/AWS、Microsoft Azure相比，Google對于邊緣技術已屬較晚表態(tài)、較晚布局者，但其技術主張卻與前兩業(yè)者有所不同。

Google AI布局逐漸走向邊緣

除了同樣提倡基礎的物聯(lián)網(wǎng)閘道器(IoT Gateway)軟件Edge IoT Core、人工智能/機器學習(AI/ML)軟件Edge ML外，還針對人工智能/機器學習推出專屬的加速運算芯片，稱為Google Edge TPU，成為此次盛會一大焦點。

在Google發(fā)表Edge TPU前已發(fā)表過Cloud TPU芯片，首次發(fā)表是在Google另一個更全面、更盛大的例行年會Google I/O 2016上。Cloud TPU顧名思義用于云端機房，而TPU是TensorFlow Processing Unit的縮寫，言下之意是針對TensorFlow而設計的硬件加速運算器，TensorFlow則是Google于2015年11月提出的人工智能框架，是目前諸多人工智能框架中的一大主流，其他知名的框架如Caffe/Caffe 2、Apache MXnet等。

目前人工智能框架百花齊放，其他常見的亦有Keras、PyTorch、CNTK、DL4J、Theano、Torch7、Paddle、DSSTNE、tiny-dnn、Chainer、neon、ONNX、BigDL、DyNet、brainstorm、CoreML等。若以簡單譬喻而言，人工智能的開發(fā)撰寫如同文書撰寫，人工智能框架就如同記事本、Word等文書處理器，功效在于協(xié)助與便利開發(fā)撰寫。

Google自行開發(fā)設計的Cloud TPU僅用于自家云端機房，且已對多種Google官方云端服務帶來加速效果，例如Google街景圖服務的文字處理、Google相簿的照片分析、乃至Google搜尋引擎服務等。Google Cloud TPU也改版快速，2016年首次發(fā)表后2017年推出第二代，2018年推出第三代芯片

不過，Google之后對Cloud TPU的技術態(tài)度似有變化。2018年2月宣布可申請租用TPU運算力，如同Google Cloud Platform(GCP)的公有云服務般，依據(jù)運算芯片的使用時間計費，每小時6.5美元(至2018年9月已降至4.5美元) ，與GCP的CPU租用服務相比相當昂貴，GCP的CPU租用服務，以***彰化濱海工業(yè)區(qū)的機房(不同位置的機房費率不同)而言，標準型計價約在0.055至5.28美元間，且8種計費費率中有5種低于1美元/小時。

TPU租用費亦同樣高于GPU租用，GCP的NVIDIA GPU租用費率約在0.49至2.48美元間，視規(guī)格等級而異(Tesla K80/P100/V100)。Google Cloud TPU雖可租用，但Google是否愿意單獨銷售Cloud TPU給系統(tǒng)商，讓系統(tǒng)商制造及銷售TPU運算系統(tǒng)，仍待進一步觀察。

在Google推出云端用的Cloud TPU后，讓人未預料的是Google也針對邊緣提出專屬的TPU芯片，然在此前仍有些征兆，即2017年11月Google提出輕量版的TensorFlow Lite(某種程度取代此前的TensorFlow Mobile)，使電力有限的行動裝置也能支援TensorFlow，2018年推出的Edge TPU芯片即是以執(zhí)行TensorFlow Lite為主，而非原宗的TensorFlow。

Google Edge裝置內(nèi)的作業(yè)系統(tǒng)為Linux或Android Things，而后執(zhí)行Google Edge IoT Core基礎功能軟件、Google Edge ML人工智能軟件，并可選用配置Google Edge TPU。

Google Edge軟硬件架構概觀

圖3左側為物聯(lián)網(wǎng)感測器，右側為Google云端系統(tǒng)及服務。另外Edge TPU也支援Android Neural Networks 神經(jīng)網(wǎng)路應用程式接口(API)，簡稱NNAPI。NNAPI于在2017年12月Android 8.1釋出時一同提出，NNAPI可視為TensorFlow Lite、Caffe2等框架的基礎層。由此可知Edge TPU所支援呼應并加速的軟件，于2017年便已先行到位。

NNAPI可透過硬件抽象層與驅(qū)動程式，運用GPU、特定處理器或數(shù)位訊號處理器(DSP)等，使人工智能運算加速。資料來源：Google官網(wǎng)與Cloud TPU不同的是，Edge TPU估將由Google銷售給系統(tǒng)商，再由系統(tǒng)商配置于前端裝置內(nèi)，包含感測器節(jié)點、裝置或閘道器內(nèi)，Edge TPU不是自用或租用而是銷售。

Edge TPU技術輪廓

雖然Google對Cloud TPU、Edge TPU的技術資訊揭露均不多，但仍有若干資訊可推測其背后意向與考量。

首先是Google很明白Edge定位的系統(tǒng)運算力有限，所以Edge TPU的運算任務僅在于執(zhí)行已訓練完成的人工智能模型，即推測運算、推算工作(Inference，今日多譯成“推論”)，真正要大量耗費運算力的模型訓練(Training)，依然由充沛運算力的系統(tǒng)事先進行，如工作站、服務器、云端等，透過CPU/GPU/TPU進行訓練。
　　

其次，Edge TPU強調(diào)可同時執(zhí)行處理多組每秒30張高清晰度畫質(zhì)的人工智能判別運算，顯示Edge TPU將用于視訊影像類的人工智能應用，且為即時判別(30FPS)。
　　

更進一步的說明，Edge TPU只負責人工智能的加速判別、加速推算，僅為加速器、輔助處理器的角色。因此，必須與系統(tǒng)的主控芯片溝通聯(lián)系，這方面Edge TPU提供了兩種介接的方式，一是PCI Express接口，另一是USB接口。兩種接口均適合嵌入式設計，然PCI Express傳輸率較高，可避免傳輸瓶頸，而USB接口較可能定位在后裝型運用，即前端裝置已經(jīng)存在，但仍可透過USB連接Edge TPU，帶來加速效果。
　　

也由于須與Edge裝置整合，因此Edge TPU設計之初已盡可能減少功耗，雖然Google官方并未正式揭露，但已表態(tài)將與Google合作的***工控系統(tǒng)商也表示，其典型功耗(Thermal Design Power, TDP)僅在1.8瓦，很明顯只要現(xiàn)成芯片封裝即可散熱，幾乎可不加散熱片，更不需要馬達風扇，便可讓Edge TPU正常運作。
　　

至于Edge TPU支援的運算格式則為int8、int16，即8位元整數(shù)、16位元整數(shù)的人工智能模型推算，但無法進行更高位元數(shù)的整數(shù)，或者是浮點數(shù)的運算，如16位元浮點數(shù)(FP16)。
　　

Google一發(fā)表Edge TPU即有合作伙伴與應用的揭露，如南韓樂金(LG)將用于產(chǎn)線制造上；另外紐西蘭、澳洲、英國的Smart Parking公司(顧名思義是與智慧停車相關的方案商)也表態(tài)采用，Smart Parking不單采用Edge TPU，其后端系統(tǒng)也大量采用GCP服務；還有Xee公司將Edge TPU用于汽車駕駛輔助上，對影像與雷達資料進行研判，而后給予駕駛潛在危險警告，如路況變差、輪胎過度磨損等。目前所知Google將Edge TPU訴求于三個目標，即制造、零售、汽車。
　　

Movidius與Edge TPU的瑜亮情結

在Google尚未推出Edge TPU芯片前，其實Google已有使用前端的人工智能加速芯片，2011年Google購并Motorola Mobility，而后于2014年將Motorola Mobility售給Lenovo，但Google仍保留下2個原屬于Motorola Mobility的研究專案，而未移轉(zhuǎn)給Lenovo，一是模組化手機專案Ara，另一是擴增實境技術專案Tango(此專案于2018年3月結束，改由ARCore技術接手)。

Google在2014年對外揭露Tango研究，此專案所發(fā)展的平板、手機等行動裝置，即配置了Movidius公司的VPU芯片，VPU即Vision Processing Unit之意，更具體而言是視訊類型的人工智能運算、推算加速芯片。
　　

Movidius自身發(fā)展第一代VPU，而后在與Google合作Tango計畫時則為第二代VPU，稱為Myriad 2(芯片編號MA2150/MA2450，差別在于MA2150最高連接1Gbit記憶體，MA2450可至4Gbit)。不僅Google采用，包含多軸無人機大廠大疆亦用于無人機上。之后2016年英特爾(Intel)購并Movidius，接手后發(fā)展出第三代VPU，稱為Myriad X(芯片編號MA2085/MA2485，MA2085封裝內(nèi)無記憶體，MA2485內(nèi)含4Gbit記憶體)。

Movidius在被英特爾收購后，Google依然鐘愛Movidius技術。2017年底Google推出AIY Vision Kit的開發(fā)套件，該套件內(nèi)仍可見MA2450芯片的蹤影。AIY Vision Kit是Google用來推行其影像人工智能技術的評估套件，以樹莓派電腦(Raspberry Pi, RPi)為基礎提供擴充延伸的硬件配件，即可摸索與評估Google的影像人工智能技術。

而所謂的AIY是Google自創(chuàng)的復合字，是以人工智能(AI)與DIY(Do-It-Yourself自己動手做)二字疊合而成。事實上Google在推出Vision Kit的同時也有推出Voice Kit，可供摸索評估Google的語音人工智能技術，但語音的人工智能運算其運算負荷并不吃重，不需要專屬加速芯片。

從2014年的Tango到2017年底的AIY Vision Kit，Google均以第二代Movidius芯片為主，因此理論上順其發(fā)展，Google即便在Edge環(huán)節(jié)有其技術主張，認為可配置人工智能硬件加速芯片，應也會屬意Movidius，而非自行研發(fā)Edge TPU。

不過，最終Google提出了Edge TPU，因此不得不推測，英特爾購并Movidius后，Google可能認為后續(xù)新發(fā)展并不完全合乎期待，過往Movidius為小型獨立企業(yè)時，可能提供Google高度支援，然英特爾可能對Movidius技術資產(chǎn)的后續(xù)延伸與新走向有不同的想法。

對此可若干比較第三代Movidius Myriad X與Edge TPU，前者支援FP16的16位元浮點數(shù)推測運算及8位元整數(shù)推算，而Edge TPU如前述僅支援8位元整數(shù)及16位元整數(shù)推算；Movidius Myriad系列仍可能顧及潛在市場機會最大化，雖未廣泛支援多種AI框架，但至少支援兩種現(xiàn)階段主流框架，即TensorFlow與Caffe

Google可能對TensorFlow Lite寄予厚望，因而有專屬設計的加速芯片Edge TPU，Edge TPU可能一直維持比Movidius Myriad系列更低規(guī)(無浮點數(shù))、更專精(只支援TensorFlow Lite )的技術發(fā)展定位，更高階的需求仍會選用Movidius Myriad系列，兩者高低并用并行。

或者Google未來只屬意自家Edge TPU，只在云端外推行Edge TPU，并一直維持低階定位，不往更高階發(fā)展，或Edge TPU僅是首發(fā)，未來將持續(xù)發(fā)展更高階的Edge TPU，如此將與英特爾Movidius競爭，甚在效能規(guī)格大幅強化后而與NVIDIA Xavier競爭。

認為Edge TPU將與Movidius競爭的另一支持，在于Edge TPU也將推出USB隨身碟型態(tài)的開發(fā)/運用套件，并同樣使用AIY之名推展。早于Movidius未被英特爾收購前，Movidius即有提供USB隨身碟型態(tài)的人工智能評估/運用套件(圖6)，英特爾收購Movidius套件產(chǎn)品仍持續(xù)，套件稱為NCS(Neural Compute Stick)。

另一需考量的是，雖然Google在技術布局上已逐漸同時注重軟硬件的均衡與呼應，自身對于硬件發(fā)展的主導與涉入也日深，但就過往經(jīng)驗而言Google的硬件技術策略仍經(jīng)常搖擺，甚在短期內(nèi)放棄，因此Edge TPU仍可能不是長期技術策略中的一環(huán)，而是一個技術嘗試，特別是Cloud TPU、Edge TPU均為加速作用的輔助處理器，為選擇性使用，必要時仍可由其他芯片實現(xiàn)相同運算效果，或在英特爾、NVIDIA等芯片商給予更多技術發(fā)展承諾后，仍可能停止自有芯片發(fā)展路線。

其他產(chǎn)業(yè)推測也包含，Google Edge TPU的技術授權來自于Movidius，有可能初始使用Movidius技術與架構之后獨立發(fā)展，也可能持續(xù)向英特爾Movidius取得授權，而始終與英特爾Movidius主力銷售芯片保持區(qū)隔與技術落差時間。

Edge TPU后續(xù)策略、動向推測

展望未來，Edge TPU由于將提供給系統(tǒng)商，估計日后揭露的技術資訊將較Cloud TPU為多，Cloud TPU由于目前只在Google機房端配置，至多提供遠端租用，因此可以不揭露更多技術資訊，事實上Google對于第三代Cloud TPU所揭露的資訊，已明顯少于前二代。

倘若Edge TPU推展順遂，支持的系統(tǒng)伙伴日增，則可激勵Google更快速發(fā)展新版Edge TPU。若推展不如預期，則Google也可能自行推出官方版的Edge閘道器、Edge裝置，作為產(chǎn)業(yè)示范，或自始至終不投入官方版示范，直接停止Edge TPU后續(xù)發(fā)展。