導(dǎo)讀:2000年初的山寨市場催生了我國集成電路的創(chuàng)新與發(fā)展,而如今山寨紅利耗盡,廉價替代的時代已經(jīng)過去,集成電路從業(yè)者需要面向的客戶也變?yōu)槿A為、小米等世界頂級水平客戶,性能及性價比成為取勝的要素。未來,中國半導(dǎo)體必然由創(chuàng)新帶動,引領(lǐng)市場。
上世紀(jì)六七十年代,半導(dǎo)體成就了美國硅谷,然而現(xiàn)在提及硅谷,第一時間想到的并不是硅,不是半導(dǎo)體,硅谷的代言也逐漸從半導(dǎo)體企業(yè),變?yōu)楣雀?、蘋果等科技企業(yè)。
與此同時,硅谷半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的增長逐步放緩。盡管美國等處于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“老大”地位的領(lǐng)導(dǎo)國家,產(chǎn)業(yè)增長速度在逐漸放緩,但鑒于它們掌握著絕對的技術(shù)優(yōu)勢,因此未來還要依靠它們的技術(shù)創(chuàng)新,引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展;占據(jù)“老二”地位的國家,將緊緊跟隨“老大”的腳步,擴(kuò)充自己的市場。
對于大力推動集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的我國來講,恰處于市場、人才、政府、金融四大因素相融合的特殊時代。專家認(rèn)為,我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從業(yè)者以及創(chuàng)業(yè)者若能抓住這次機(jī)會,成功的機(jī)率就很大。
在AI的推動下,巨頭們在變革,同時也催生了一批新生代IC企業(yè),比如本土IC企業(yè)深鑒科技、寒武紀(jì)、地平線、比特大陸等。
研究人類的科技發(fā)展史,發(fā)現(xiàn)科技的進(jìn)步速度呈現(xiàn)指數(shù)型加速態(tài)勢。尤其在1950年以后進(jìn)入芯片時代,摩爾定律推動下的每18個月“芯片晶體管同比例縮小一半”帶來的性能提升以倍數(shù)計。
每一次加速的過程推動,都引發(fā)了產(chǎn)業(yè)的深層次變革,帶動從底層到系統(tǒng)的階躍。我們本篇報告將著重從底層芯片角度出發(fā),探討人工智能芯片帶來的深層次變革。
然而時至今日,人類精密制造領(lǐng)域(半導(dǎo)體制造是目前為止人類制造領(lǐng)域的最巔峰)遇到硅基極限的挑戰(zhàn),摩爾定律的放緩似乎預(yù)示著底層架構(gòu)上的芯片性能的再提升已經(jīng)出現(xiàn)瓶頸,而數(shù)據(jù)量的增長卻呈現(xiàn)指數(shù)型的爆發(fā),兩者之間的不匹配勢必會帶來技術(shù)和產(chǎn)業(yè)上的變革升級。
變革從底層架構(gòu)開始
計算芯片的架構(gòu)50多年來都沒有發(fā)生過本質(zhì)上的變化,請注意計算架構(gòu)的決定是資源的組織形式。而傳統(tǒng)的馮諾伊曼是采取控制流架構(gòu),采用的是線性的記憶體和布爾函數(shù)作為基線計算操作。
處理器的架構(gòu)基于流水線串行處理的機(jī)制建立,存儲器和處理器分離,流水線的計算過程可以分解為取指令,執(zhí)行,取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)存儲,依次循環(huán)。
深度學(xué)習(xí)以神經(jīng)元為架構(gòu)。從單一的神經(jīng)元,再到簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),到一個用于語音識別的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。層次間的復(fù)雜度呈幾何倍數(shù)的遞增。數(shù)據(jù)量的激增要求的就是芯片計算能力的提升。
計算的體系處于碎片化引發(fā)架構(gòu)變革。數(shù)據(jù)的擴(kuò)張遠(yuǎn)大于處理器性能的擴(kuò)張,依靠處理器性能在摩爾定律推動下的提升的單極世界已經(jīng)崩潰,處理器性能提升的速度并不足以滿足AI所需的應(yīng)用程序的需求。大量數(shù)據(jù)消耗的數(shù)字運(yùn)算能力比幾年前所有數(shù)據(jù)中心加起來還要多。
人工智能芯片——新架構(gòu)的異軍突起
觀察人工智能系統(tǒng)的搭建,以目前的架構(gòu)而言,主要是以各種加速器來實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法。本章討論各種加速器的形式和實現(xiàn),并探討加速器變革下引發(fā)的行業(yè)深層次轉(zhuǎn)變,并從2個維度給出詳細(xì)的測算人工智能芯片的潛在空間
首先我們必須描述人工智能對芯片的訴求,深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)是模仿人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)感知外部世界的方法。深度學(xué)習(xí)算法的實現(xiàn)是人工智能芯片需要完成的任務(wù)。在算法沒有發(fā)生質(zhì)變的前提下,追根溯源,所有的加速器芯片都是為了實現(xiàn)算法而設(shè)計。
我們整理了人工智能芯片相關(guān)的類型和產(chǎn)業(yè)鏈公司,傳統(tǒng)的芯片廠商/生態(tài)的建立者/新進(jìn)入者。
傳統(tǒng)的芯片制造廠商:Intel,Nvidia和AMD。他們的優(yōu)勢在于在已有架構(gòu)上對人工智能的延伸,對于硬件的理解會優(yōu)于競爭對手,但也會困頓于架構(gòu)的囹圄;新進(jìn)入者,某些全新的架構(gòu)比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的寒武紀(jì),因為是全新的市場開拓,具有后發(fā)先至的可能。新進(jìn)入者的機(jī)會,因為是個全新的架構(gòu)機(jī)會,將有機(jī)會誕生獨(dú)角獸。
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原文標(biāo)題:為什么說人工智能芯片帶來了深層次變革?
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