"ASIC(專用集成電路,Application Specific Integrated Circuit)是不可配置的高度定制專用芯片。特點是需要大量的研發投入,如果不能保證出貨量其單顆成本難以下降,而且芯片的功能一旦流片后則無更改余地,若市場深度學習方向一旦改變,ASIC前期投入將無法回收,意味著ASIC具有較大的市場風險。目前,大多是具備AI算法又擅長芯片研發的巨頭參與,如Google的TPU。ASIC在性能和功耗上都要優于GPU和FPGA,TPU1是傳統GPU性能的14-16倍,NPU是GPU的118倍。寒武紀已發布對外應用指令集,預計ASIC將是未來AI芯片的核心。"
人工智能下的芯片新需求
隨著人工智能產業鏈的火速延伸,GPU并不能滿足所有場景(如手機)上的深度學習計算任務, GPU并不是深度學習算力痛點的唯一解。目前以深度學習為代表的人工智能計算需求,主要采用GPU、FPGA等已有適合并行計算的通用芯片來實現加速。
在產業應用沒有大規模興起之時,使用這類已有的通用芯片可以避免專門研發定制芯片(ASIC)的高投入和高風險。但是,由于這類通用芯片設計初衷并非專門針對深度學習,因而天然存在性能、功耗等方面的瓶頸。隨著人工智能應用規模的擴大,這類問題將日益突出。
正如CPU改變了當年龐大的計算機一樣,人工智能ASIC芯片也將大幅改變如今AI硬件設備的面貌。如大名鼎鼎的AlphaGo使用了約170個圖形處理器(GPU)和1200 個中央處理器(CPU),這些設備需要占用一個機房,還要配備大功率的空調,以及多名專家進行系統維護。而如果全部使用專用芯片,非常可能只需要一個盒子大小,且功耗也會大幅降低。
在芯片需求還未成規模、深度學習算法暫未穩定需要不斷迭代改進的情況下,利用具備可重構特性的FPGA芯片來實現半定制的人工智能芯片是最佳選擇。隨著人工智能算法和應用技術的日益發展,以及人工智能專用芯片ASIC產業環境的逐漸成熟,人工智能下ASIC將成為人工智能計算芯片發展的必然趨勢。
ASIC芯片撬動產業的支點
人工智能硬件應用場景歸納為云端場景和終端場景兩大類。云端主要指服務器端,包括各種共有云、私有云、數據中心等業務范疇;終端主要指包括安防、車載、手機、音箱、機器人等各種應用在內的移動終端。由于算法效率和底層硬件選擇密切相關,“云端”(服務器端)和“終端”(產品端)場景對硬件的需求也不同。人工智能目前主流使用三種專用核心芯片,分別是GPU,FPGA,ASIC。
①GPU是最為普遍使用的一種,通過CUDA接口可以讓原本只可以用來玩游戲的GPU進行通用計算。進入2017年之后,原本做顯卡芯片的NVIDIA立馬搖身一變成了人工智能行業里的泰山北斗,幾乎所有做人工智能技術的公司,都會買來一大堆NVIDIA的顯卡,進行深度學習運算。
②FPGA芯片,其使用門檻比GPU要高一些,但效率要高很多,賽靈思公司稱其產品在特定情況下比GPU高數十倍。FPGA是一種可編程的電路,所以可以根據需求重新刷寫,可以根據變成模擬成聲卡、顯卡或者其他不同類型的芯片,在以往主要用于芯片研發的模擬階段。由于其“可變”的特性,FPGA也可以刷寫成人工智能芯片進行深度學習的計算。不過深度學習有很多種,語音和視覺的算法都不一樣,在進行不同運算時就需要重新刷一下FPGA芯片。
③ASIC是一種全定制的芯片,比特幣礦機所用的就是AISC。其效率極高,而單芯片成本很低,例如2013年的時候一顆功耗只有幾瓦的阿瓦隆ASIC,挖比特幣的算力相當于好幾塊功耗上百瓦的顯卡之和。
ASIC的市占率可望隨著邊緣運算的需求增加而明顯攀升,從2018年的11%增加至2025年的52%。ASIC之所以受到青睞,原因在于新興的深度學習處理器架構多以圖形(Graph)或Tensorflow為基礎架構;且上述提到AI邊緣運算受限于功耗和運算效能,因此多以推論為主,而非訓練。
若假設到2021年時,終端設備將導入大量AI芯片,所需要的便是能在同一個芯片上進行推理和訓練,可因應分散式運算且又具低功耗的IC,因此ASIC需求將持續上揚,實現更多AI邊緣應用案例。
ASIC是國內芯片的新機遇
人工智能芯片向ASIC轉移將在全球開辟一塊新戰場,這也是中國芯片的機會。中國芯片在設計、制造、封測三大產業鏈環節均落后于世界先進水平,部分領域甚至跟發達國家有10年-20年的差距。這讓中國的芯片領域過分依賴進口貿易。全球調研機構IC Insights在2016年公布了全球半導體20強,前20位中沒有中國公司上榜。
由于專利積累、軟件生態配套不足等原因,中國在已經落后的傳統芯片領域想要追趕領先者頗為困難。而在沒有太多歷史包袱、有新技術突破的芯片領域,中國跟其他國家站在同一起跑線上,有機會占據領先位置。現階段,中國彎道超車的最大希望存在于人工智能(AI)芯片領域。
谷歌和英偉達公司是人工智能處理領域的兩大巨頭,但英偉達主要專注于GPU。人工智能領域的ASIC專用芯片仍是一片藍海,尚未出現足以壟斷市場的巨頭公司。
在AI領域專用芯片,除了谷歌,研發者大多為充滿活力的新興公司,其中活躍著不少中國公司,如寒武紀、地平線等。AI芯片上可以說是美國第一,中國第二。目前人工智能芯片正在重演礦機芯片的演化路徑——從CPU/GPU/FPGA到ASIC專用芯片。而國內企業也有機會將成熟的ASIC芯片技術拓展到人工智能領域。
結尾
ASIC無論是從性能、面積、功耗等各方面都優于GPU和FPGA,長期來看無論在云端和終端,ASIC都代表AI芯片的未來,目前包括微軟、谷歌、英特爾等巨頭都重金投到ASIC領域,不過由于目前AI算法快速迭代,且ASIC開發周期較長、需要底層硬件編程、占據芯片成本等,因此雖然前景利好,但也需要芯片公司對其進行提前布局,搶占這未來芯片的潛在流量池。