清華發(fā)布《AI芯片技術(shù)白皮書(shū)》：新計算范式，挑戰馮諾依曼、CMOS瓶頸

　　馮·諾依曼的技術(shù)挑戰

　　AI芯片需要滿(mǎn)足高效的數據訪(fǎng)問(wèn)，以及深度學(xué)習下的新的計算范式，AI芯片在發(fā)展上，也遇到了一些瓶頸問(wèn)題，特別是馮·諾依曼瓶頸。

　　在傳統“馮·諾依曼架構”中，計算模塊和存儲單元互相分離，數據從處理單元外的存儲器提取，處理完之后再寫(xiě)回存儲器。每一項任務(wù)，如果有十個(gè)步驟，那么CPU會(huì )依次進(jìn)行十次讀取、執行，再讀取、再執行，這就造成了延時(shí)，以及大量功耗花費在了數據讀取上。

　　大部分針對AI，特別是加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )處理而提出的硬件架構創(chuàng )新都是在和這個(gè)問(wèn)題做斗爭。概括來(lái)說(shuō)，目前的解決思路包括減少訪(fǎng)問(wèn)存儲器的數量，降低訪(fǎng)問(wèn)存儲器的代價(jià)。

　　AI芯片中的新興計算技術(shù)

　　新興計算技術(shù)包括近內存計算、存內計算，以及基于新型存儲器的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )。

　　對于馮·諾依曼、CMOS工藝和器件瓶頸形成的AI芯片存儲、計算間的問(wèn)題，神經(jīng)形態(tài)計算是一種新的路徑。近些年，神經(jīng)形態(tài)計算也用來(lái)指采用模擬、數字、數?；旌蟅LSI以及軟件系統實(shí)現的神經(jīng)系統模型。其將數字處理器當作神經(jīng)元，把內存作為突觸，內存、CPU和通信部件完全集成在一起，采用模擬人腦神經(jīng)元結構來(lái)提升計算能力。

　　而針對CMOS工藝瓶頸的解決思路，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)提供大量存儲空間的片上存儲器技術(shù)，并探索利用片上存儲器去構建未來(lái)的智能芯片架構。

　　神經(jīng)形態(tài)芯片的最終方向

　　借鑒生物腦的互聯(lián)結構，神經(jīng)形態(tài)芯片可以實(shí)現任意神經(jīng)元間的互聯(lián)。即在指定規模的仿生神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )下，任意一個(gè)神經(jīng)元都可以把信息傳遞給指定的另一個(gè)或多個(gè)神經(jīng)元。如此強大的細粒度互聯(lián)能力是其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )/深度學(xué)習芯片目前還無(wú)法做到的。

　　神經(jīng)形態(tài)芯片在智能城市、自動(dòng)駕駛的實(shí)時(shí)信息處理、人臉深度識別等領(lǐng)域都有出色的應用。如IBMTrueNorth芯片可以用于檢測圖像中的行人、車(chē)輛等物體，且功耗極低(65mW)。它也可被用于語(yǔ)音、圖像數據集識別等任務(wù)，準確性不遜于CNN加速器芯片。此外，在線(xiàn)學(xué)習能力也是神經(jīng)形態(tài)芯片的一大亮點(diǎn)。

　　AI芯片的存儲技術(shù)將被顛覆

　　近期，面向數字神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的加速器(GPU、FPGA和ASIC)迫切需要AI友好型存儲器。

　　中期，基于存內計算的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )可以為規避馮·諾依曼瓶頸問(wèn)題提供有效的解決方案。

　　后期，基于憶阻器的神經(jīng)形態(tài)計算可以模擬人類(lèi)的大腦，是AI芯片遠期解決方案的候選之一。

　　人工智能芯片如果能有統一的終極算法出現，那么我們很可能會(huì )看到一個(gè)終極芯片出現。AI芯片是整個(gè)人工智能技術(shù)發(fā)展的基礎，也將是推動(dòng)整個(gè)半導體領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的最重要的力量之一。

　　隨著(zhù)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的持續快速發(fā)展，越來(lái)越多的應用需求和應用場(chǎng)景將不斷涌現。需求驅動(dòng)的AI芯片技術(shù)創(chuàng )新將促進(jìn)創(chuàng )新鏈與產(chǎn)業(yè)鏈更加緊密結合，推動(dòng)開(kāi)放合作、共享共贏(yíng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài)形成。

　　CMOS技術(shù)與新興信息技術(shù)的交叉融合，開(kāi)源軟件到開(kāi)源硬件的潮流漸顯，預示著(zhù)我們將迎來(lái)一個(gè)前所未有的協(xié)同創(chuàng )新機遇期。

　　國內國外的AI芯片將成大趨勢

　　今年，國際、國內已經(jīng)有多家芯片巨頭公布AI芯片計劃，也有多家AI芯片的研發(fā)公司獲得融資。

　　由寒武紀科技公司領(lǐng)頭，已經(jīng)完成1億美元A輪融資，并由國投創(chuàng )業(yè)(A輪領(lǐng)投方)，阿里巴巴創(chuàng )投、聯(lián)想創(chuàng )投、國科投資、中科圖靈、元禾原點(diǎn)(天使輪領(lǐng)投方)、涌鏵投資(天使輪投資方)聯(lián)合投資，這輪融資之后，寒武紀科技已經(jīng)成為全球AI芯片領(lǐng)域第一家獨角獸公司。

　　英特爾、英偉達和三星，Facebook、微軟、Google、IBM、蘋(píng)果、華為等科技公司都在積極布局AI芯片。芯片巨頭英特爾收購Nervana、Altera。其中，收購Nervana一舉被認為是要與英偉達開(kāi)戰。英偉達在芯片領(lǐng)域的表現越來(lái)越好，為了研發(fā)AI芯片，還聘請了專(zhuān)門(mén)研究AI芯片的Clément Farabet?？梢?jiàn)專(zhuān)業(yè)的AI芯片將是未來(lái)很長(cháng)時(shí)間的大趨勢。