電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）現(xiàn)在各種應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)算力的需求越來(lái)越大，為了滿足需求，各廠商不斷提升AI芯片的峰值算力，而傳統(tǒng)指令集架構(gòu)的芯片利用率卻難以提升，大多數(shù)在10-40%，這讓芯片的實(shí)測(cè)性能大打折扣，那么如何突破呢?

與指令集架構(gòu)不同，數(shù)據(jù)流架構(gòu)的顯著特點(diǎn)就是依托數(shù)據(jù)流的流動(dòng)次序控制計(jì)算執(zhí)行次序，而非指令執(zhí)行次序，因此把它用在AI上可以讓芯片利用率大幅提升，芯片利用率直至逼近100%。

數(shù)據(jù)流架構(gòu)如何提升芯片利用率

目前市場(chǎng)上的芯片主要有兩種架構(gòu)形式：一種是大家熟知的指令集架構(gòu)，主要包括X86架構(gòu)、ARM架構(gòu)、精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算RISC-V開(kāi)源架構(gòu)，以及SIMD架構(gòu)；另外一種就是數(shù)據(jù)流架構(gòu)。

指令集架構(gòu)采用馮諾依曼計(jì)算方式，通過(guò)指令執(zhí)行次序控制計(jì)算順序，并通過(guò)分離數(shù)據(jù)搬運(yùn)與數(shù)據(jù)計(jì)算提供計(jì)算通用性。數(shù)據(jù)流架構(gòu)采用數(shù)據(jù)流引擎計(jì)算，它允許編譯器同時(shí)調(diào)度多個(gè)順序循環(huán)和功能，具有更高的吞吐量和更低的延遲，顯著特點(diǎn)是能夠大幅提升芯片利用率。

如下圖左側(cè)，指令集架構(gòu)首先執(zhí)行函數(shù)A，完成之后再執(zhí)行函數(shù)B，依次類(lèi)推直至執(zhí)行完所有程序。下圖右側(cè)，在數(shù)據(jù)流架構(gòu)的情形下，編譯器可以安排每個(gè)函數(shù)在數(shù)據(jù)可用時(shí)立即執(zhí)行，這樣可以大大縮短等待和間隔的時(shí)間。

雖然數(shù)據(jù)流架構(gòu)沒(méi)有指令集架構(gòu)那么廣為人知，然而不可忽視的是，目前數(shù)據(jù)流架構(gòu)已經(jīng)在專(zhuān)用硬件中成功應(yīng)用，比如數(shù)字信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)路由、圖形處理、遙感檢測(cè)、以及數(shù)據(jù)庫(kù)處理等，在許多軟件體系結(jié)構(gòu)中，包括數(shù)據(jù)庫(kù)引擎設(shè)計(jì)和并行計(jì)算框架，它也占據(jù)重要地位。

1994年，帝國(guó)理工學(xué)院教授、英國(guó)皇家工程院院士、鯤云科技聯(lián)合創(chuàng)始人和首席科學(xué)家Wayne Luk陸永青院士率先將數(shù)據(jù)流架構(gòu)定制化并運(yùn)用到AI領(lǐng)域。如今國(guó)內(nèi)外對(duì)數(shù)據(jù)流技術(shù)的關(guān)注日益增多，包括國(guó)外的SambaNova、Groq、Wave computing，以及國(guó)內(nèi)的鯤云科技。鯤云科技已經(jīng)于去年量產(chǎn)了全球首款數(shù)據(jù)流AI芯片CAISA，脫胎于斯坦福大學(xué)的SambaNova，產(chǎn)品處于小規(guī)模試用階段，而前谷歌TPU核心團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦的Groq，現(xiàn)在還未推出產(chǎn)品。

數(shù)據(jù)流架構(gòu)如何提升芯片利用率？我們通過(guò)全球唯一量產(chǎn)數(shù)據(jù)流AI芯片的公司鯤云科技來(lái)看一下，鯤云的核心技術(shù)就是他們的定制數(shù)據(jù)流CAISA架構(gòu)，這是一款為深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定制的高性能AI計(jì)算架構(gòu)。CAISA架構(gòu)通過(guò)數(shù)據(jù)流流動(dòng)次序來(lái)控制計(jì)算順序，消除指令操作導(dǎo)致的額外時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，讓CNN網(wǎng)絡(luò)的算子級(jí)數(shù)據(jù)流圖可以實(shí)現(xiàn)高效流水線運(yùn)算。同時(shí)CAISA可并行執(zhí)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)計(jì)算，進(jìn)一步減少計(jì)算單元的空閑時(shí)間，最大化地利用芯片的計(jì)算資源，從而提供更高的實(shí)測(cè)算力。

圖片來(lái)自鯤云科技官網(wǎng)

鯤云科技合伙人、首席運(yùn)營(yíng)官王少軍博士在接受電子發(fā)燒友網(wǎng)采訪時(shí)表示，之所以投身于定制數(shù)據(jù)流架構(gòu)芯片的研發(fā)，首先是鯤云科技有數(shù)據(jù)流架構(gòu)技術(shù)研發(fā)基礎(chǔ)，公司創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)來(lái)自數(shù)據(jù)流技術(shù)的源頭實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是全球三大定制計(jì)算實(shí)驗(yàn)室之一，從90年代開(kāi)始就深耕數(shù)據(jù)流架構(gòu)與不同領(lǐng)域的領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)研發(fā)，具備深厚的研發(fā)和迭代積累。

其次更為重要的是底層芯片技術(shù)存在算力瓶頸，隨著摩爾定律發(fā)展，依靠摩爾定律提升芯片性能的成本越來(lái)越高，比如一款5nm芯片的研發(fā)成本就高達(dá)數(shù)億美元，針對(duì)特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)領(lǐng)域?qū)Ｓ眉軜?gòu)的性能獲益會(huì)越來(lái)越高，直到大幅領(lǐng)先通用計(jì)算芯片，鯤云科技認(rèn)為在算力猛增的時(shí)代，行業(yè)需要一顆高算力性?xún)r(jià)比的人工智能專(zhuān)用芯片，數(shù)據(jù)流架構(gòu)的重大意義在于它突破了傳統(tǒng)芯片架構(gòu)對(duì)芯片利用率的約束，最大化發(fā)揮芯片本身的峰值性能。

因此鯤云科技在早期數(shù)據(jù)流架構(gòu)技術(shù)的積累下，針對(duì)人工智能領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出CAISA架構(gòu)，并最終實(shí)現(xiàn)從0到1完成首顆數(shù)據(jù)流AI芯片量產(chǎn)。

鯤云CAISA芯片利用率高達(dá)95.4%

鯤云科技于去年6月正式量產(chǎn)了全球首款數(shù)據(jù)流AI芯片CAISA，芯片利用率達(dá)到95.4%，面向數(shù)據(jù)中心和邊緣端AI推斷應(yīng)用，該芯片采用28nm工藝，這個(gè)制程并不高，不過(guò)因?yàn)樾酒寐矢?，即使在比較低的制程情況下，CAISA芯片也可以帶來(lái)很高的實(shí)測(cè)性能。

同時(shí)鯤云科技還基于CAISA芯片推出三款高性能計(jì)算平臺(tái)，包括面向邊緣端的星空X3加速卡、面向數(shù)據(jù)中心的星空X9加速卡、面向邊緣AI應(yīng)用的星空X6A邊緣小站。星空X3加速卡面向8-16路視頻實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)化分析，星空X6A邊緣小站面向8路視頻處理應(yīng)用。

目前CAISA芯片及加速卡產(chǎn)品已在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，包括智慧安監(jiān)、智能制造、智慧電力、智慧城市等。王少軍博士認(rèn)為，對(duì)于這些場(chǎng)景，特別是國(guó)民生產(chǎn)支柱行業(yè)而言，“降本增效”是剛需，比如在油田的應(yīng)用場(chǎng)景，傳統(tǒng)的安防監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)比較成熟，端側(cè)的攝像頭監(jiān)控系統(tǒng)基本部署完成，但視頻結(jié)構(gòu)化利用率低，單純依靠人工巡檢，作業(yè)區(qū)域廣，環(huán)境復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)采集維度單一，人工識(shí)別難度大，而且預(yù)警不及時(shí)，漏報(bào)概率高，事后取證難。

針對(duì)這些行業(yè)痛點(diǎn)，鯤云科技提供算法算力平臺(tái)一體化方案，基于數(shù)據(jù)流AI芯片的底層算力優(yōu)勢(shì)，以及算力和算法聯(lián)合優(yōu)化的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)接入的500路視頻進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，對(duì)漏油、安全帽、工服、抽煙、打電話、人員闖入和采油設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別，可以做到從視頻流獲取到輸出報(bào)警時(shí)間為1s，為油區(qū)的生產(chǎn)情況提供更可靠的安全保障。在油田智能化升級(jí)過(guò)程中，數(shù)據(jù)流AI芯片就凸顯出了其市場(chǎng)價(jià)值，可以充分利舊、快速部署、控制成本。

未來(lái)解決算力需求的主流方法

數(shù)據(jù)流AI芯片的商用落地，證實(shí)了數(shù)據(jù)流和深度學(xué)習(xí)融合的價(jià)值，王少軍博士認(rèn)為數(shù)據(jù)流架構(gòu)具備成為下一代計(jì)算平臺(tái)的潛力。他談到，在計(jì)算平臺(tái)的演進(jìn)過(guò)程中，十倍核心性能指標(biāo)的提升，是計(jì)算架構(gòu)代際更替的主要指標(biāo)，比如，從X86到RISC計(jì)算平臺(tái)，能效比提升了10倍以上；從X86到CUDA計(jì)算平臺(tái)，峰值算力也提升了超過(guò)10倍。

從歷史脈絡(luò)來(lái)看，相對(duì)上一代主流算力平臺(tái)，新的算力平臺(tái)在某個(gè)指標(biāo)上需要高出10倍，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)測(cè)性能的大幅提升，隨著摩爾定律的放緩，業(yè)界越來(lái)越關(guān)注下一代芯片應(yīng)該如何發(fā)展，而底層架構(gòu)創(chuàng)新是這幾年業(yè)界的共識(shí)，行業(yè)需要新的技術(shù)路線來(lái)實(shí)現(xiàn)底層算力的突破。

王少軍博士認(rèn)為，下一代有望帶來(lái)10倍以上突破的指標(biāo)就是芯片利用率，這可能是未來(lái)解決算力需求的主流方法，而數(shù)據(jù)流架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，鯤云科技認(rèn)為未來(lái)會(huì)有更多新興AI芯片廠商加入到數(shù)據(jù)流AI技術(shù)路線中。對(duì)于現(xiàn)有芯片廠商來(lái)說(shuō)，技術(shù)路線的選擇是公司的一大核心戰(zhàn)略，而其已有的開(kāi)發(fā)生態(tài)和技術(shù)積累使其很難轉(zhuǎn)換賽道，但有些玩家也看到了數(shù)據(jù)流技術(shù)的價(jià)值，比如英偉達(dá)就推出了TensorCore，在指令集架構(gòu)的基礎(chǔ)上，該模塊采用了數(shù)據(jù)流技術(shù)的原理，來(lái)提升其在特定領(lǐng)域的芯片利用效率。

總結(jié)

整體來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)流架構(gòu)可以大幅提升芯片利用率，鯤云定制數(shù)據(jù)流CAISA新芯片的量產(chǎn)商用，也證實(shí)了數(shù)據(jù)流與深度學(xué)習(xí)融合的價(jià)值，給AI帶來(lái)了一個(gè)新的技術(shù)研究方向，相信未來(lái)會(huì)有更多AI芯片廠商加入到數(shù)據(jù)流架構(gòu)技術(shù)的研究中。

現(xiàn)在AI芯片在很多場(chǎng)景都有落地剛需，尤其在邊緣端，很多場(chǎng)景還存在“碎片化”需求，因此廠商除了考慮提升芯片利用率，做到更高算力性?xún)r(jià)比之外，還需要思考如何提升更通用、軟件易用性等，全面提升芯片性能，促進(jìn)專(zhuān)用AI芯片規(guī)模化量產(chǎn)，賦能各產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)。