曾經(jīng),喬布斯把硅谷的黃埔軍校仙童半導(dǎo)體比喻為一顆成熟的蒲公英,輕輕一吹,創(chuàng)業(yè)的種子就播散到了四方。
以仙童半導(dǎo)體和德州儀器為開端的科技發(fā)展種子,在半導(dǎo)體行業(yè)內(nèi)散播半個世紀(jì)后,最終撞上內(nèi)存墻。
臺積電創(chuàng)始人張忠謀在2014年斷言“摩爾定律只剩五六年壽命”,屆時,最賺錢的公司不會是半導(dǎo)體企業(yè),而是如Google、Amazon和華為這類能夠整合整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的公司。
從2015年開始,每年都有人工智能的相關(guān)政策出爐,人工智能逐漸上升到國家戰(zhàn)略地位,2017年進入十九大報告。過去五年,AI和風(fēng)口一詞緊緊聯(lián)系在一起,也和摩爾定律失效聯(lián)系在一起。
現(xiàn)有的半導(dǎo)體進化速度將越來越不能滿足AI時代呈指數(shù)增長的算力需求。為避免硬件被數(shù)據(jù)“吞噬”,美國2017年提出“軟件定義芯片”的概念,將科技創(chuàng)新的風(fēng)向標(biāo)扔向了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。
然而事實證明,多數(shù)把AI芯片當(dāng)成風(fēng)口的人都賭輸了。包括國資背景寒武紀(jì)在內(nèi)的初創(chuàng)企業(yè),虧損持續(xù)擴大,離盈利還差一場馬拉松。
這不是一個單純靠砸錢和砸人便能成就的行業(yè),由于有著超過許多行業(yè)的時間及試錯成本,意味著芯片必須盡早打通新的商業(yè)模式以維持研發(fā),如可落地的AI應(yīng)用。
就像英偉達追過英特爾一樣,更適宜人工智能大規(guī)模高算力需求的GPU得以被重新估值。隨著對“缺芯”劣勢的認(rèn)知加深,市場對具備軟硬件一體化優(yōu)勢的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)寄予厚望。
華為之后,小米花費三年從澎湃S1掙扎到澎湃S2,攜手聯(lián)發(fā)科想擺脫高通,OV帶數(shù)十億上場賭芯。
不過眼下真正值得細(xì)究的,是以BAT為代表紛紛宣布造芯的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。
阿里旗下半導(dǎo)體公司平頭哥自研出玄鐵910,成功適配Linux內(nèi)核與安卓系統(tǒng);騰訊成立深圳寶安灣騰訊云計算有限公司,業(yè)務(wù)涵蓋集成電路設(shè)計、研發(fā);百度帶著AI算法入場最早,2010年已使用FPGA進行AI架構(gòu)的研發(fā),2018年昆侖1出世,次年流片成功,隨后實現(xiàn)量產(chǎn),性能提升3倍的昆侖2眼見量產(chǎn)。
業(yè)內(nèi)盛傳GPU阻礙人工智能發(fā)展不是毫無道理,無論是深度學(xué)習(xí)所需的大數(shù)據(jù)還是強化學(xué)習(xí)面臨的并行方式,都可以從天然具備軟件技術(shù)和數(shù)據(jù)資源的互聯(lián)網(wǎng)公司得到解決方案。
國內(nèi)的芯片設(shè)計領(lǐng)域與國際差距并不算太遠,因此,我們可以換個思路來看芯片的未來:與其拘泥于只能針尖式突破,暫時毫無辦法的的EDA/IP和光刻機,不如看看互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)能夠為芯片帶去什么架構(gòu)創(chuàng)新。
下一個十年,或許是芯片行業(yè)的黃金十年,也是互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的新征程。
1產(chǎn)業(yè)布局,芯片生機?
越是有想象力的市場,資本越偏好。
國內(nèi)外資本對AI芯片的偏好略有不同,這與半導(dǎo)體的發(fā)展歷史有關(guān)。以硅谷為代表的半導(dǎo)體投資行業(yè)愿意放手賭注高門檻的云端芯片公司。國內(nèi)則主要是富有積累的大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在進行云端芯片研發(fā),但偏向終端芯片的初創(chuàng)企業(yè)也通常能獲得資本青睞。
亞太地區(qū)以后很長一段時間都還會是全球最大的半導(dǎo)體消費市場,市場會倒逼科技創(chuàng)新。
2020年,可以說是AI公司的爆發(fā)之年,去年發(fā)布的2035年遠景規(guī)化中,AI是首要關(guān)鍵。AI四小龍里,除商湯外的云從、依圖和曠視先后提起IPO。
AI芯片的價值隨著AI行業(yè)的發(fā)展水漲船高。比特大陸高調(diào)進軍智慧城市,欣博電子聯(lián)合百度又布局金融、安防領(lǐng)域,地平線主攻自動駕駛和AIoT市場,清微智能和寒武紀(jì)類似,仰仗學(xué)術(shù)背景,有CGRA架構(gòu)技術(shù)加持……
不過芯片本身的特性使得市場可能還需要走過一段泡沫期,過濾大部分偏科選手。
目前國內(nèi)排名靠前的IC設(shè)計公司,放到國際行列,多處于第三梯隊,除開一些外部不可抗力因素外,市場也是一個很重要的因素。
AI芯片面對更新?lián)Q代十分迅速的消費和企業(yè)服務(wù)市場,隨著圖像識別、語音識別等智慧領(lǐng)域發(fā)展,算法對算力需求的增長已非硬件升級就可以實現(xiàn)。從2012年以后開始,算力需求幾乎是每3個月就翻倍一次。
因此,AI芯片從誕生之初就是為了彌補CPU、GPU無法實現(xiàn)的能效和通用性,進而才能真正落地到商業(yè)應(yīng)用上。
傳統(tǒng)芯片每秒瓦可以進行的操作完全不能滿足大規(guī)模深度學(xué)習(xí)的算力需求。一般而言,AI專用芯片的能效是 CPU 的萬倍,GPU 的百倍,可達到100 TOPS/W以上。
滿足了算力需求,還需要滿足通用性,通用AI芯片被稱為AI芯片皇冠上的明珠,不過短時間內(nèi)還沒有辦法出現(xiàn)像曾經(jīng)的CPU一樣的AI通用算法芯片,這便是機會。
以百度自主研發(fā)的XPU為例,該架構(gòu)專用于解決計算密集型和基于規(guī)則的多樣化計算任務(wù),既能提高能效也有助于靈活性,昆侖芯片的高性能便得益于此。
隨著AI芯片的發(fā)展,未來的計算機和各類終端很可能都需要配備AI芯片,技術(shù)正在把互聯(lián)網(wǎng)帶向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的格局。
02AI上云,終端入芯
目前市場上的AI芯片從用途來看大致分為云端和終端兩類。除了堅持云端芯片開發(fā)的寒武紀(jì)、百度等,多數(shù)企業(yè)都將重心放在了終端AI芯片的研發(fā)上。
云端芯片門檻更高,研發(fā)成本更高,一個產(chǎn)品從設(shè)計到流片成功再到量產(chǎn),耗資往往數(shù)千萬美元,并非一般的AI芯片初創(chuàng)企業(yè)所能拿下。以小米澎湃S2為例,連續(xù)五次流片失敗就已耗光2500萬美元。
當(dāng)云計算無法承載IoT設(shè)備碎片化趨勢下的算力需求,終端設(shè)備就需要分擔(dān)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。簡而言之,無論是云端還是終端的AI芯片,都需要具備相應(yīng)的算力。
訓(xùn)練算力涉及大量數(shù)據(jù),這對國內(nèi)外的大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)來說都較為容易。加之云端芯片研發(fā)面臨的技術(shù)、費用門檻,不難理解,為何現(xiàn)下只有華為、百度和寒武紀(jì)三家能夠真的將產(chǎn)品做出來。
不過,終端市場一直是國內(nèi)優(yōu)勢。終端AI芯片需要在現(xiàn)有計算機架構(gòu)上,模擬人體神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)元和突觸,這就需要研發(fā)相對CPU和GPU更具靈活性的AI芯片。
根據(jù)定制化程度,AI芯片可以分為GPU、FPGA和ASIC三大類型。其中ASIC的定制化程度最高,靈活性最差,寒武紀(jì)MLU100和1M兩款芯片,技術(shù)路線都是ASIC。
GPU和FPGA的靈活性較佳,前者專用多重任務(wù)處理,主打云端訓(xùn)練和推理,后者長于單數(shù)據(jù)流分析,主打云、終端推理。
從成本、功耗及平均算力來考慮,半定制的FPGA是性價比更高的選擇。
以百度的通用芯片昆侖為例,這款芯片基于FPGA研發(fā)AI架構(gòu),既可應(yīng)對云端的高密度計算,也可以穩(wěn)定邊緣端的基礎(chǔ)計算。
FPGA高性能、低成本、自主可控和易編程等特點對應(yīng)的是廣闊的市場前景和生命周期?;贔PGA靈活的優(yōu)勢,產(chǎn)品更新?lián)Q代、市場變化越迅速的行業(yè)更適用昆侖一類的AI芯片。
當(dāng)然,F(xiàn)PGA的技術(shù)路線也有其弱點,在實現(xiàn)龐大復(fù)雜的算法時,需要增加DSP等高級模塊。
長遠看來,AI芯片企業(yè)只會越來越多,智能終端還具有許多尚未開墾的領(lǐng)地,也面臨向手機外其他形態(tài)遷徙的可能。
盡管資本市場對芯片投資進入冷靜期,但AIoT趨勢并不會放緩,并且還會加速造芯企業(yè)優(yōu)勝劣汰。
Gartner相關(guān)報告顯示,2019年到2023年,AI芯片的市場規(guī)模增速為每年50%,預(yù)計2023年將超過320億美元。
我們必須要清楚的一點是,芯片制造行業(yè)類似軍備賽,被寄托了更多歷史使命和科技振興的希望,AI芯片的設(shè)計則天然攜帶商業(yè)屬性,不能脫離實際應(yīng)用場景和可持續(xù)的商業(yè)模式。
實際應(yīng)用方面,造車和造芯幾乎是孿生兄弟,此外還有以小米、小度、小愛等一系列智能音箱的落地設(shè)備。
AI芯片成為獨立產(chǎn)業(yè)的潛力巨大。前段時間傳出百度將成立獨立的AI芯片企業(yè),從百度近兩年在AI領(lǐng)域的動作來看,可能性較大。隨著Apollo智能駕駛商業(yè)化落地,智能音箱的市場拓寬,AI芯片應(yīng)用市場的成熟已入開局。
商業(yè)模式上,自產(chǎn)自銷并非長久之計,也支撐不起高耗的研發(fā)成本。科技成果賦能于己只是初級關(guān)卡,賦能于彼才是長久生態(tài)。
入場早不代表最終勝利,開源才能將一切機會無限放大。百度2010年上場AI架構(gòu)賽道,芯片設(shè)計之初主要是為了支撐自己的機器學(xué)習(xí)平臺BML。
隨著行業(yè)發(fā)展,昆侖芯片已經(jīng)實現(xiàn)對全球主流操作系統(tǒng)CPU,深度學(xué)習(xí)框架Pytorch和 TensorFlow等的支持。其實,這種開放性,在百度開啟開源深度學(xué)習(xí)框架飛槳(PaddlePaddle)對0基礎(chǔ)用戶的友好模式時就已見端倪。
類似去年百度在資本市場的逆勢上漲,我們也需要重新審視AI算法加持下的軟件創(chuàng)新,能為局促的硬件世界帶去什么。
03軟硬一體,應(yīng)用先行
全球AI芯片市場,英偉達依然占據(jù)著一半以上的市場份額,英特爾積極轉(zhuǎn)型,Google的TPU從誕生以來備受矚目。
幾乎所有人都想超過英偉達,但所有人都需要跨越硬件、軟件兩條大河。
比較有代表性的是英國AI芯片制造商Graphcore研發(fā)的IPU,由于兼具CPU與GPU的工作能力,ARM創(chuàng)始人赫曼·豪瑟將其稱為計算機史上的第三次革命。
赫曼的上述評價帶有相當(dāng)?shù)闹饔^情緒,IPU最終是否能夠挑戰(zhàn)英偉達,成為一方霸主,暫時還很難說。尤其是在芯片制造已從2D轉(zhuǎn)3D的今天,軟件領(lǐng)域的顛覆性創(chuàng)新顯得越來越重要,這也是為什么說互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)可以在AI芯片領(lǐng)域大有可為的理由之一。
就國內(nèi)的AI造芯行業(yè)而言,資金首先就會刷掉一大批競爭者,再剩下一群或偏硬件或偏軟件的玩家。
唯有軟硬件結(jié)合到位得玩家才可能真正存活下來,這類似于寒武紀(jì)創(chuàng)始人陳天石所謂“端云一體”思路。商業(yè)落地是寒武紀(jì)的弱勢,它不得不與各大具備成熟商業(yè)體系的廠商如OV、聯(lián)想、美的等保持深度合作。
再好的AI芯片都需要藉由AI應(yīng)用實現(xiàn)商業(yè)落地,對于普通用戶來說,云計算不容易直接感受,能直接感受到的商品是如智能音箱這一類的AI終端。
終端芯片要求比云端更低的功耗,最常見用于智能家居語音交互、智能車載語音交互等場景。
智研咨詢數(shù)據(jù)顯示,2020年國內(nèi)AI語音市場規(guī)模達155億元,接下來還會保持高速增長的態(tài)勢。
云知聲、思必馳和百度等是著力語音芯片領(lǐng)域的代表企業(yè)。其中,思必馳與海信、長虹、阿里、北汽等達成了深度合作,而云知聲在2019年發(fā)布雪燕、海豚等產(chǎn)品后開始沖擊IPO。百度的鴻鵠語音芯片則是對傳統(tǒng)語音交互技術(shù)進行了革新。
值得一提的是,百度最新發(fā)布的小度智能音箱2紅外版得益于這種技術(shù)革新,平均功耗僅100mw,低于3C產(chǎn)品通行的待機標(biāo)準(zhǔn)。
傳統(tǒng)智能音箱走的是將語音交互分割為先增強后識別的路子,增強和識別模塊優(yōu)化目標(biāo)不一致,拾音嚴(yán)重依賴聲源定位,在真實使用環(huán)境中性能會大打折扣。
鴻鵠語音芯片打破了這種傳統(tǒng)方案,它分擔(dān)了語音交互中復(fù)雜地計算,將語音增強和識別地建模進行端到端一體化,統(tǒng)一二者的優(yōu)化目標(biāo)。這種“基于復(fù)數(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的技術(shù)將語音識別的錯誤率降低了30%,高噪音環(huán)境下的喚醒率也提升了10%。
上述壓縮能耗,分擔(dān)算力,互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)做芯片的思維,其實是在為AI終端應(yīng)用的市場普及開路。
不同于寒武紀(jì)一類科研出身的AI初創(chuàng)公司,阿里、微軟、亞馬遜、百度等互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)開始扎根半導(dǎo)體行業(yè),追逐異構(gòu)計算。表面上看是在販賣硬件,實際上圖的是硬核技術(shù)背后的增值服務(wù)。
唯有走出販賣商品的階段,AI才會真正成為新基建。因為說到底,AI、AI芯片以及背后的軟硬件一體化,都是作為服務(wù)存在的。顯然,服務(wù)是一個更具有想象空間的世界。
責(zé)任編輯:tzh
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