邊緣生成人工智能推理技術面臨的挑戰(zhàn)有哪些

在不到一年的時間里，生成式人工智能通過 OpenAI 的 ChatGPT（一種基于 Transformer 的流行算法）獲得了全球聲譽和使用?；?Transformer 的算法可以學習對象不同元素（例如句子或問題）之間的復雜交互，并將其轉換為類似人類的對話。

在 Transformer 和其他大型語言模型 (LLM) 的引領下，軟件算法取得了快速進展，而負責執(zhí)行它們的處理硬件卻被拋在了后面。即使是最先進的算法處理器也不具備在一兩秒的時間范圍內(nèi)詳細闡述最新 ChatGPT 查詢所需的性能。

為了彌補性能不足，領先的半導體公司構建了由大量最好的硬件處理器組成的系統(tǒng)。在此過程中，他們權衡了功耗、帶寬/延遲和成本。該方法適用于算法訓練，但不適用于部署在邊緣設備上的推理。

01.?功耗挑戰(zhàn)

雖然訓練通?；谏纱罅繑?shù)據(jù)的 fp32 或 fp64 浮點算法，但它不需要嚴格的延遲。功耗高，成本承受能力高。 ? 相當不同的是推理過程。推理通常在 fp8 算法上執(zhí)行，該算法仍會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，但需要關鍵的延遲、低能耗和低成本。 ? 模型訓練的解決方案來自于計算場。它們運行數(shù)天，使用大量電力，產(chǎn)生大量熱量，并且獲取、安裝、操作和維護成本高昂。更糟糕的是推理過程，碰壁并阻礙了 GenAI 在邊緣設備上的擴散。

02.?邊緣生成人工智能推理的最新技術

成功的 GenAI 推理硬件加速器必須滿足五個屬性： ?

petaflops 范圍內(nèi)的高處理能力和高效率（超過 50%）

低延遲，可在幾秒鐘內(nèi)提供查詢響應

能耗限制在 50W/Petaflops 或以下

成本實惠，與邊緣應用兼容

現(xiàn)場可編程性可適應軟件更新或升級，以避免工廠進行硬件改造

大多數(shù)現(xiàn)有的硬件加速器可以滿足部分要求，但不能滿足全部要求。老牌CPU是最差的選擇，因為執(zhí)行速度令人無法接受；GPU 在高功耗和延遲不足的情況下提供相當快的速度（因此是訓練的選擇）；FPGA 在性能和延遲方面做出了妥協(xié)。 ? 完美的設備將是定制/可編程片上系統(tǒng) (SoC)，旨在執(zhí)行基于變壓器的算法以及其他類型算法的發(fā)展。它應該支持合適的內(nèi)存容量來存儲法學碩士中嵌入的大量數(shù)據(jù)，并且應該可編程以適應現(xiàn)場升級。 ? 有兩個障礙阻礙了這一目標的實現(xiàn)：內(nèi)存墻和 CMOS 器件的高能耗。

03.?內(nèi)存墻

人們在半導體發(fā)展歷史的早期就觀察到，處理器性能的進步被內(nèi)存訪問的缺乏進步所抵消。 ? 隨著時間的推移，兩者之間的差距不斷擴大，迫使處理器等待內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)的時間越來越長。結果是處理器效率從完全 100% 利用率下降（圖 1）。 ?

? 為了緩解效率的下降，業(yè)界設計了一種多級分層內(nèi)存結構，采用更快、更昂貴的內(nèi)存技術，靠近處理器進行多級緩存，從而最大限度地減少較慢主內(nèi)存甚至較慢外部內(nèi)存的流量（圖 2）。 ?

04.?CMOS IC 的能耗

與直覺相反，CMOS IC 的功耗主要由數(shù)據(jù)移動而非數(shù)據(jù)處理決定。根據(jù)馬克·霍洛維茨教授領導的斯坦福大學研究（表 1），內(nèi)存訪問的功耗比基本數(shù)字邏輯計算消耗的能量高出幾個數(shù)量級。 ?

? 加法器和乘法器的功耗從使用整數(shù)運算時的不到一皮焦耳到處理浮點運算時的幾皮焦耳。相比之下，在 DRAM 中訪問數(shù)據(jù)時，訪問高速緩存中的數(shù)據(jù)所花費的能量會躍升一個數(shù)量級，達到 20-100 皮焦耳，并且會躍升三個數(shù)量級，達到超過 1,000 皮焦耳。 ? GenAI 加速器是以數(shù)據(jù)移動為主導的設計的典型例子。

05.?內(nèi)存墻和能耗對延遲和效率的影響

生成式人工智能處理中的內(nèi)存墻和能耗的影響正變得難以控制。 ? 幾年之內(nèi)，為 ChatGPT 提供支持的基礎模型 GPT 從 2019 年的 GPT-2 發(fā)展到 2020 年的 GPT-3，再到 2022 年的 GPT-3.5，再到目前的 GPT-4。每一代模型的大小和參數(shù)（weights, tokens和states）的數(shù)量都增加了幾個數(shù)量級。 ? GPT-2 包含 15 億個參數(shù)，GPT-3 模型包含 1750 億個參數(shù)，最新的 GPT-4 模型將參數(shù)規(guī)模推至約 1.7 萬億個參數(shù)（尚未發(fā)布官方數(shù)字）。 ? 這些參數(shù)的龐大數(shù)量不僅迫使內(nèi)存容量達到 TB 范圍，而且在訓練/推理過程中同時高速訪問它們也會將內(nèi)存帶寬推至數(shù)百 GB/秒（如果不是 TB/秒）。為了進一步加劇這種情況，移動它們會消耗大量的能量。

06.?昂貴的硬件閑置

內(nèi)存和處理器之間令人畏懼的數(shù)據(jù)傳輸帶寬以及顯著的功耗壓倒了處理器的效率。最近的分析表明，在尖端硬件上運行 GPT-4 的效率下降至 3% 左右。為運行這些算法而設計的昂貴硬件在 97% 的時間內(nèi)處于閑置狀態(tài)。 ? 執(zhí)行效率越低，執(zhí)行相同任務所需的硬件就越多。例如，假設 1 Petaflops（1,000 Teraflops）的要求可以由兩個供應商滿足。供應商（A 和 B）提供不同的處理效率，分別為 5% 和 50%（表 2）。 ? 那么供應商 A 只能提供 50 Teraflops 的有效處理能力，而不是理論處理能力。供應商 B 將提供 500 Teraflops。為了提供 1 petaflop 的有效計算能力，供應商 A 需要 20 個處理器，但供應商 B 只需 2 個。 ?

? 例如，一家硅谷初創(chuàng)公司計劃在其超級計算機數(shù)據(jù)中心使用 22,000 個 Nvidia H100 GPU。粗略計算，22,000 個 H100 GPU 的售價為 8 億美元——這是其最新融資的大部分。該數(shù)字不包括其余基礎設施的成本、房地產(chǎn)、能源成本以及本地硬件總擁有成本 (TCO) 中的所有其他因素。

07.?系統(tǒng)復雜性對延遲和效率的影響

另一個例子，基于當前最先進的 GenAI 訓練加速器，將有助于說明這種擔憂。硅谷初創(chuàng)公司的 GPT-4 配置將需要 22,000 個 Nvidia H100 GPU 副本以八位字節(jié)的形式部署在HGX H100 或 DGX H100 系統(tǒng)，總共產(chǎn)生 2,750 個系統(tǒng)。 ? 考慮到 GPT-4 包括 96 個解碼器，將它們映射到多個芯片上可能會減輕對延遲的影響。由于 GPT 結構允許順序處理，因此為總共 96 個芯片為每個芯片分配一個解碼器可能是一種合理的設置。 ? 該配置可轉換為 12 個 HGX/DGX H100 系統(tǒng)，不僅對單芯片之間、電路板之間和系統(tǒng)之間移動數(shù)據(jù)帶來的延遲提出挑戰(zhàn)。使用增量變壓器可以顯著降低處理復雜性，但它需要狀態(tài)的處理和存儲，這反過來又增加了要處理的數(shù)據(jù)量。 ? 底線是，前面提到的 3% 的實施效率是不現(xiàn)實的。當加上系統(tǒng)實現(xiàn)的影響以及相關的較長延遲時，實際應用程序中的實際效率將顯著下降。 ? 綜合來看，GPT-3.5所需的數(shù)據(jù)量遠不及GPT-4。從商業(yè)角度來看，使用類似 GPT-3 的復雜性比 GPT-4 更具吸引力。另一方面是 GPT-4 更準確，如果可以解決硬件挑戰(zhàn)，它會成為首選。

08.?最佳猜測成本分析

讓我們重點關注能夠處理大量查詢的系統(tǒng)的實施成本，例如類似 Google 的每秒 100,000 個查詢的量。 ? 使用當前最先進的硬件，可以合理地假設總擁有成本（包括購置成本、系統(tǒng)運營和維護成本）約為 1 萬億美元。據(jù)記錄，這大約相當于世界第八大經(jīng)濟體意大利 2021 年國內(nèi)生產(chǎn)總值 (GDP) 的一半。 ? ChatGPT 對每次查詢成本的影響使其在商業(yè)上具有挑戰(zhàn)性。摩根士丹利估計，2022 年 Google 搜索查詢（3.3 萬億次查詢）的每次查詢成本為 0.2 英鎊（被視為基準）。同一分析表明，ChatGPT-3 上的每次查詢成本在 3 到 14 歐元之間，比基準高 15-70 倍。 ? 半導體行業(yè)正在積極尋找應對成本/查詢挑戰(zhàn)的解決方案。盡管所有嘗試都受到歡迎，但解決方案必須來自新穎的芯片架構，該架構將打破內(nèi)存墻并大幅降低功耗。

編輯：黃飛

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