目前，人工智能領(lǐng)域已成為最受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。人工智能領(lǐng)域是通過對計算機(jī)的研究與開發(fā)，使得其具備類似于人類智能的,對環(huán)境的輸入做出有意義的判斷反應(yīng)的研究應(yīng)用領(lǐng)域。決定人工智能質(zhì)量的因素往往是計算能力以及數(shù)據(jù)量的大小，而實(shí)現(xiàn)人工智能的方式則是機(jī)器學(xué)習(xí)，讓機(jī)器通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)逐漸逼近我們希望其實(shí)現(xiàn)的效果。隨著處理器能力以及數(shù)據(jù)量的飛速增長，機(jī)器學(xué)習(xí)的方式也在發(fā)生革命性的變化，深度學(xué)習(xí)的概念被引入。深度學(xué)習(xí)由于其多層次形態(tài)，從而增強(qiáng)了其非線性程度，可以帶來更強(qiáng)的擬合能力。此外，其類似于仿生學(xué)的逐層自動提取特征的過程，保證了所提取特征的質(zhì)量與豐富性，使得其性能相較于傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法有了質(zhì)的提升。

隨著模型算法的發(fā)展，模型所能實(shí)現(xiàn)的性能逐步提升， 而模型本身的深度和復(fù)雜度也大大增加。以大規(guī)模圖像識別競賽（ILSVRC）為例，2012年多倫多大學(xué)的Alex Krizhecsky 隨同其倒是Geoffrey Hinton 發(fā)布的 AlexNet 以83.0%的Top5分類準(zhǔn)確率奪得冠軍，相較于之前傳統(tǒng)模型的最佳性能提升了百分之十幾。AlexNet 本身是一個具有5層卷積層和3層全連接層的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含有6100萬個權(quán)重參數(shù)和7.24億次乘加運(yùn)算。2017年為止，最復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型層數(shù)已超過1000層，權(quán)重參數(shù)及乘加運(yùn)算次數(shù)都比AlexNet提升了幾個數(shù)量級，而所能實(shí)現(xiàn)的識別準(zhǔn)確率也已經(jīng)超越人眼。

對于最近打敗眾多人類圍棋高手的阿爾法圍棋（AlphaGo）,在其打敗李在石的第一版分布式實(shí)現(xiàn)版本中，其復(fù)雜的決策算法模型需要1300多個CPU和280個GPU來提供算力的支撐。由此可見，面對日益復(fù)雜的人工智能算法，要滿足嚴(yán)格的功耗與實(shí)時性需求，需要有強(qiáng)大的處理器作為支持；因此對處理器芯片的精細(xì)化設(shè)計，成為提升芯片計算功能,滿足應(yīng)用需求的必要條件。

通常來講，無論是對于人工智能的模型訓(xùn)練還是前向推斷應(yīng)用過程，處理器芯片的計算速度都是需要首先考慮的指標(biāo)；而在某些諸如嵌入式移動端的低功耗場景中，對于硬件計算的功耗也需要加以嚴(yán)格的控制。傳統(tǒng)的CPU由于其串行執(zhí)行的方式，在應(yīng)對數(shù)據(jù)與計算密集型的人工智能算法時顯得捉襟見肘。因此，增加處理器計算的并行度成為性能提升的一個主要方向。英偉達(dá)提出了通用計算GPU（GPGPU）的概念，將具有大量可并行計算流處理器的GPU運(yùn)用到人工智能算法的研發(fā)過程中， 并提供了成熟而穩(wěn)定的諸如CUDA和cuDNN的軟件環(huán)境支持。由于GPU強(qiáng)大的計算能力，在關(guān)注模型準(zhǔn)確度和以數(shù)據(jù)中心及服務(wù)器環(huán)境為主的模型訓(xùn)練場景中，GPU得到了廣泛的應(yīng)用。但同時我們也注意到，常見的GPU板卡功耗高達(dá)200-300W，這使得其在需要低功耗場景中的應(yīng)用受到局限。因此，針對應(yīng)用場景和算法類型，對芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行定制化的設(shè)計，從而提升芯片整體的能效比，成為人工智能芯片發(fā)展的另一主流方向。

通常而言，對于某一類型的人工智能算法，其往往具備可劃分的特性，并且劃分的子算法塊具有一定的相似性。以圖像應(yīng)用中常見的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例，運(yùn)算最密集的卷積層就可以抽象為滑窗類型的乘加操作，而滑窗的大小及步幅,計算通道數(shù)的大小等均可以被抽象為可配置的參數(shù)。在硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，往往會針對算法劃分及抽象的方式，在計算通路和存儲結(jié)構(gòu)上進(jìn)行定制化,可配置的設(shè)計。大部分研究者會采用FPGA芯片實(shí)現(xiàn)的方式，快速地迭代開發(fā)出加速硬件結(jié)構(gòu)。多家研究機(jī)構(gòu)已紛紛在頂級學(xué)術(shù)會議上發(fā)布了基于FPGA的加速結(jié)構(gòu)設(shè)計，而業(yè)界企業(yè)也都開始將常見的算法模型通過FPGA加速器實(shí)現(xiàn)的形式部署到應(yīng)用端，并且實(shí)現(xiàn)了較好的性能和較低的功耗。下一步，我們也可以將計算及存儲核心部分進(jìn)行電路固化，以專用集成電路（ASIC）的方式實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到更高的能效比。目前已知的優(yōu)秀ASIC芯片設(shè)計，已能在實(shí)現(xiàn)數(shù)百GOPS（每秒十億次運(yùn)算數(shù)）級別計算能力的情況下將功耗控制在毫瓦級別。ASIC在具備廣泛應(yīng)用市場的前提下，具有高能效比,量產(chǎn)成本低的諸多優(yōu)勢，但其一次性的工程費(fèi)用及較大的開發(fā)成本，在快速的算法演進(jìn)過程中往往會具有一定風(fēng)險。因此，針對不同的研發(fā)及市場需求，應(yīng)該選取不同的平臺予以實(shí)現(xiàn)。

近年來，針對硬件實(shí)現(xiàn)的算法優(yōu)化也在不斷發(fā)展，包括數(shù)據(jù)量化，模型稀疏化等多項技術(shù)都取得了進(jìn)展；而這些技術(shù)都有助于降低人工智能芯片的片上計算資源及存儲帶寬限制，以更低的硬件代價實(shí)現(xiàn)更高的吞吐速率。而數(shù)據(jù)位寬變化以及模型稀疏帶來的不規(guī)則性，則對硬件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)提出了挑戰(zhàn)。未來的人工智能芯片設(shè)計，將更趨向于軟硬件協(xié)同設(shè)計的模式，從軟硬件兩個方向分別進(jìn)行限制條件的考量以及優(yōu)化路徑的選取，從而實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化,更通用的解決方案。

審核編輯：劉清