AI的三種專用芯片 GPU和FPGA以及ASIC

人工智能的三大支撐是硬件、算法和數(shù)據(jù)，其中硬件指的是運(yùn)行 AI 算法的芯片與相對(duì)應(yīng)的計(jì)算平臺(tái)。在硬件方面，目前主要是使用 GPU 并行計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)，還有 FPGA 和 ASIC 也具有未來(lái)異軍突起的潛能。GPU （Graphics Processing Unit）稱為圖形處理器，它是顯卡的“心臟”，與 CPU 類似，只不過(guò)是一種專門進(jìn)行圖像運(yùn)算工作的微處理器。

GPU 是專為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算而設(shè)計(jì)的，這些計(jì)算是圖形渲染所必需的。GPU 在浮點(diǎn)運(yùn)算、并行計(jì)算等部分計(jì)算方面可以提供數(shù)十倍乃至于上百倍于 CPU 的性能。英偉達(dá)公司從 2006 年下半年已經(jīng)開(kāi)始陸續(xù)推出相關(guān)的硬件產(chǎn)品以及軟件開(kāi)發(fā)工具，目前是人工智能硬件市場(chǎng)的主導(dǎo)。

GPU 對(duì)海量數(shù)據(jù)并行運(yùn)算的能力與深度學(xué)習(xí)需求不謀而合，因此，被最先引入深度學(xué)習(xí)。2011 年吳恩達(dá)教授率先將其應(yīng)用于谷歌大腦中便取得驚人效果，結(jié)果表明，12 顆英偉達(dá)的 GPU 可以提供相當(dāng)于 2000顆 CPU 的深度學(xué)習(xí)性能。

GPU 作為圖像處理器，設(shè)計(jì)初衷是為了應(yīng)對(duì)圖像處理中需要大規(guī)模并行計(jì)算。因此，其在應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)算法時(shí)，有三個(gè)方面的局限性：1.應(yīng)用過(guò)程中無(wú)法充分發(fā)揮并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)。2.硬件結(jié)構(gòu)固定不具備可編程性。3.運(yùn)行深度學(xué)習(xí)算法能效遠(yuǎn)低于 ASIC 及 FPGA。

FPGA（Field－Programmable Gate Array）稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，用戶可以根據(jù)自身的需求進(jìn)行重復(fù)編程。與 GPU、CPU 相比，具有性能高、能耗低、可硬件編程的特點(diǎn)。

FPGA 比GPU 具有更低的功耗，比 ASIC 具有更短的開(kāi)發(fā)時(shí)間和更低的成本。自 Xilinx 在 1984 年創(chuàng)造出 FPGA 以來(lái)，在通信、醫(yī)療、工控和安防等領(lǐng)域占有一席之地，在過(guò)去幾年也有極高的增長(zhǎng)率。而進(jìn)入了最近兩年，由于云計(jì)算、高性能計(jì)算和人工智能的繁榮，擁有先天優(yōu)勢(shì)的 FPGA 的關(guān)注度更是到達(dá)了前所未有的高度。

就目前市場(chǎng)而言，英特爾、IBM、德州儀器、摩托羅拉、飛利浦、東芝、三星等巨頭紛紛涉足 FPGA，但最成功的是 Xilinx 與 Altera。這兩家公司共占有近 90%的市場(chǎng)份額，專利達(dá)到 6000 余項(xiàng)。Intel 在 2015 年以 161 億美元收購(gòu)了 Altera，也是看中 FPGA 專用計(jì)算能力在人工智能領(lǐng)域的發(fā)展。從行業(yè)巨頭巨頭的動(dòng)作可以看出，由于 FPGA 在計(jì)算能力和靈活性上大大彌補(bǔ)了 CPU 的短板，未來(lái)在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，CPU+FPGA 的組合將成為重要的發(fā)展方向。

FPGA也有三類局限：1、基本單元的計(jì)算能力有限；2、速度和功耗有待提升；3、FPGA 價(jià)格較為昂貴。ASIC（Application Specific Integrated Circuit）是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。無(wú)法重新編程，效能高功耗低，但價(jià)格昂貴。

近年來(lái)涌現(xiàn)出的類似TPU、NPU、VPU、BPU等令人眼花繚亂的各種芯片，本質(zhì)上都屬于ASIC。ASIC不同于 GPU 和 FPGA 的靈活性，定制化的 ASIC 一旦制造完成將不能更改，所以初期成本高、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)的使得進(jìn)入門檻高。目前，大多是具備 AI 算法又擅長(zhǎng)芯片研發(fā)的巨頭參與，如 Google 的 TPU。由于完美適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)算法，ASIC 在性能和功耗上都要優(yōu)于 GPU 和 FPGA，TPU1 是傳統(tǒng) GPU 性能的 14-16 倍，NPU 是 GPU 的 118 倍。寒武紀(jì)已發(fā)布對(duì)外應(yīng)用指令集，預(yù)計(jì) ASIC 將是未來(lái) AI 芯片的核心。

ASIC 的另一個(gè)未來(lái)發(fā)展是類腦芯片。類腦芯片是基于神經(jīng)形態(tài)工程、借鑒人腦信息處理方式，適于實(shí)時(shí)處理非結(jié)構(gòu)化信息、具有學(xué)習(xí)能力的超低功耗芯片，更接近人工智能目標(biāo)，力圖在基本架構(gòu)上模仿人腦的原理，用神經(jīng)元和突觸的方式替代傳統(tǒng)“馮諾依曼”架構(gòu)體系，使芯片能進(jìn)行異步、并行、低速和分布式處理的能力，同時(shí)具備自主感知、識(shí)別和學(xué)習(xí)能力。IBM 的 NorthTrue 即屬于類腦芯片。目前類腦芯片尚處于初期，距離商業(yè)化還存在一段距離，這也是各國(guó)正在積極布局的地方。