AI駕臨人間 四大芯片流派華山論劍

　　FPGA一幫

　　GPU美中不足的是就是太貴了，太貴了，而且有副作用，降溫是大個(gè)問(wèn)題。怎么辦?

　　賽靈思等公司改進(jìn)了FPGA許多技術(shù)，使之價(jià)格便宜功耗又很低，操練起來(lái)更有趣。于是，跟隨FPGA的越來(lái)越多，形成了一大流派。

　　FPGA是從哪里來(lái)的呢?

　　原來(lái)早在1984年賽靈思就發(fā)布世界上首款FPGA，當時(shí)的FPGA晶片尺寸很大，但成本卻不低。1992年后，FPGA因采用新工藝節點(diǎn)，第一次出現了在FPGA上實(shí)現卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。但直到2000年后，FPGA丹法結合了“易容術(shù)”后才略有小成，易容術(shù)是指FPGA 已不僅是門(mén)陣列，還是集成有可編程邏輯的復雜功能集。2008以來(lái)，FPGA不光可以越來(lái)越多地整合系統模塊，集成重要的控制功能，還可以使用更高效的系統編程語(yǔ)言，如OpenCL和C語(yǔ)言，通過(guò)類(lèi)似軟件的流程來(lái)編程，降低了硬件編程的難度。于是，自2011年開(kāi)始，出現了大規?；贔PGA的算法研究。

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，FPGA 全稱(chēng)“現場(chǎng)可編程門(mén)陣列”(Field Programmable GateArray)，其基本原理是在 FPGA 芯片內集成大量的數字電路基本門(mén)電路以及存儲器，而用戶(hù)可以通過(guò)更新FPGA 配置文件，來(lái)定義這些門(mén)電路以及存儲器之間的連線(xiàn)。

　　這里提及的“可編程”，完全就是“可變成”。這意味著(zhù)你今天可以把 FPGA 配置成一個(gè)微控制器MCU，明天就可以更新配置文件把同一個(gè) FPGA 配置成一個(gè)音頻編解碼器。你是不是想起了孫悟空七十二變，今天是個(gè)老頭明天是個(gè)少女?此乃易容術(shù)也。

　　不同于GPU的運行原理，FPGA是以門(mén)電路直接運算的，即編程中的語(yǔ)言在執行時(shí)會(huì )被翻譯成電路，優(yōu)勢是運算速度快。

　　在很多領(lǐng)域FPGA的性能表現優(yōu)異，以至于有人說(shuō)FPGA可能會(huì )取代CPU和GPU成為將來(lái)機器人研發(fā)領(lǐng)域的主要芯片。當然，這事有點(diǎn)夸張。目前來(lái)看FPGA也多作為CPU的協(xié)處理器而出現，沖擊GPU是顯而易見(jiàn)的，但要說(shuō)取代CPU，還得等等。

　　目前，國內有許多創(chuàng )業(yè)企業(yè)，自動(dòng)加入FPGA陣營(yíng)，提供基于FPGA的解決方案。比如源于清華大學(xué)的深鑒科技，專(zhuān)注于深度學(xué)習處理器與編譯器技術(shù)，深鑒科技研發(fā)了一種名為“深度壓縮”的技術(shù)，它不僅可以將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )壓縮數十倍而不影響準確度，還可以使用“片上存儲”來(lái)存儲深度學(xué)習算法模型，減少內存讀取，大幅度減少功耗。

　　FPGA流派的廠(chǎng)商有兩大兩小，兩大廠(chǎng)分別是賽靈思、Altera(英特爾于2015年以167億美元收購Altera)，兩小是Lattice和Microsemi。

　　其中，賽靈思和Altera占據了近90%的市場(chǎng)份額，兩人旗下的專(zhuān)利超過(guò)6000項。而剩下約10%的市場(chǎng)份額，由Microsemi和Lattice瓜分，這兩位的專(zhuān)利也有3000余項。由此可以看出，極高的技術(shù)門(mén)檻將其它希望進(jìn)入FPGA市場(chǎng)的廠(chǎng)商牢牢擋在門(mén)外。

　　FPGA也有兩大局限性。

　　第一，FPGA的峰值性能不如GPU。即便使用高端的服務(wù)器做FPGA編譯都會(huì )需要數分鐘的時(shí)間，放到移動(dòng)端速度還會(huì )更慢。但FPGA的功耗低于GPU，若FPGA的架構和配置合理，從能耗比的角度上來(lái)看，則能超過(guò)GPU。

　　第二，FPGA的編程難度較高。編程人員需要同時(shí)精通軟件和硬件兩種編程語(yǔ)言，更適合于高段位的的資深技術(shù)玩家。FPGA芯片主要面向企業(yè)客戶(hù)，如百度、微軟、IBM 等公司都有專(zhuān)門(mén)做FPGA的團隊為服務(wù)器加速。

　　就未來(lái)發(fā)展來(lái)看，FPGA的崛起指日可待。理由有三個(gè)：

　　首先，在人工智能起步階段，算法大致每三個(gè)月迭代一次，單憑這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，FPGA可以靈活調整電路配置以適應新的算法，具有一定優(yōu)勢;

　　其次，相比于GPU，FPGA更適用于深度學(xué)習的應用階段;

　　最后，為了降低FPGA的編程難度，FPGA廠(chǎng)商賽靈思專(zhuān)門(mén)研發(fā)了可重配置加速棧堆，提供基于FPGA的硬件加速方案，這類(lèi)似于一個(gè)App Store，賽靈思是一個(gè)平臺，用戶(hù)使用時(shí)直接從商店里挑選方案，不需要再自己設計布局布線(xiàn)了。

　　ASIC：由吸星大法突破

　　雖然GPU在并行計算方面有不少優(yōu)勢，但畢竟不是為機器學(xué)習專(zhuān)門(mén)設計的，FPGA則是需要用戶(hù)自主編程，主要面向專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)用戶(hù)，門(mén)檻太高。

　　大眾消費領(lǐng)域怎辦?如應用到無(wú)人駕駛汽車(chē)上或是智能家居終端，這款芯片還要同時(shí)滿(mǎn)足高性能和低功耗的要求，甚至不需要將數據傳回服務(wù)器端，不必連入互聯(lián)網(wǎng)，本地即時(shí)計算即可。

　　ASIC挺身而出。

　　ASIC的全稱(chēng)是專(zhuān)用集成電路 (Application-Specific Integrated Circuit)。

　　玩過(guò)比特幣的都知道著(zhù)名的挖礦大戰。ASIC在比特幣挖礦領(lǐng)域，展現出了得天獨厚的優(yōu)勢。2013年1月Avalon項目團隊交付了世界上第一臺商用比特幣ASIC礦機，轟動(dòng)了挖礦世界。CPU、GPU礦機幾乎在一夜之間消失的無(wú)影無(wú)蹤，引發(fā)了比特幣挖礦行業(yè)第二次重大升級，比特幣網(wǎng)絡(luò )核心開(kāi)發(fā)者Jeff Garzik有幸成為了第一個(gè)商業(yè)ASIC礦機的擁有者，據說(shuō)當時(shí)收到Avalon礦機的用戶(hù)在一兩天內就回了本。而傳說(shuō)中隱藏在農村的土豪，能動(dòng)用的ASIC礦機達到了數千臺。

　　人工智能深度學(xué)習和比特幣挖礦有類(lèi)似之處，都是依賴(lài)于底層的芯片進(jìn)行大規模的并行計算。

　　ASIC分為全定制和半定制。全定制設計需要設計者完成所有電路的設計，因此需要大量人力物力，靈活性好但開(kāi)發(fā)周期長(cháng)，上市速度慢。專(zhuān)為機器學(xué)習設計的ASIC芯片，從設計到制造，對資金和技術(shù)的要求都更高。一般來(lái)說(shuō)，基于FPGA的開(kāi)發(fā)周期大約為六個(gè)月，而相同規格的ASIC則需要一年左右，需要經(jīng)過(guò)多步驗證，可想而知，在這樣精細的打磨下，其性能自然也更為出色。