淺析人工智能芯片的架構(gòu)創(chuàng)新

在2018全球CEO峰會上，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會IC設(shè)計分會理事長、清華大學(xué)微納電子系魏少軍教授帶來“智能時代中國半導(dǎo)體市場需求”的主題演講。內(nèi)容涵蓋人工智能正向我們走來、架構(gòu)創(chuàng)新是人工智能芯片的必由之路、軟件定義芯片及芯片智能化、理性看待中國芯片產(chǎn)業(yè)走向智能化以及結(jié)束語五個部分。

魏少軍教授指出，這些年人工智能非常熱，原因是一些重要事件的出現(xiàn)。最重要的是AlphaGo戰(zhàn)勝了韓國棋手李世石和中國棋手柯潔。這件事告訴我們，機器和人在很多時候比賽競爭，機器可能會贏人。為什么？李世石要吃飯、要睡覺，AlphaGo則可以在他吃飯睡覺的時候不吃不睡地下一萬盤，第二天早上就已經(jīng)不是第一天的AlphaGo了。過了半年再和柯潔下棋的時候，AlphaGo可能又已經(jīng)不是和李世石下棋時的AlphaGo了。因此，凡是規(guī)則清晰的情況下，機器一定贏過人。人工智能的發(fā)展非?？?，最重要的原因是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。

現(xiàn)在無行業(yè)不AI、無應(yīng)用不AI、無芯片不AI。現(xiàn)在大家想申請國家項目、申請地方的資助，不提AI都不好意思拿出東西。

魏教授認為，有些人對人工智能的發(fā)展充滿恐懼，不是他們對這件事產(chǎn)生恐懼，而是對人工智能無節(jié)制的發(fā)展會怎么樣產(chǎn)生恐懼?！叭绻覀儗θ斯ぶ悄苡懈鞣N各樣不切實際的想法，有可能人工智能是人類最后一個發(fā)明。我們不需要發(fā)明什么東西，人工智能就可以自己發(fā)明。”他認為，在人工智能的發(fā)展過程中，架構(gòu)創(chuàng)新很重要。

架構(gòu)創(chuàng)新是人工智能芯片的必由之路

圖靈獎的獲得者John L. Hennessy和David A. Patterson在討論AI時，把架構(gòu)問題放得非常高。他們特別講明，今天我們處在架構(gòu)創(chuàng)新的黃金年代。人工智能的崛起有三個基本要素：算法、數(shù)據(jù)和算力。

魏教授說，這三點之間有些已經(jīng)存在，有些還在不斷發(fā)展，有些我們可以介入，有些我們沒法介入。芯片更多是考慮算力的問題。算法研究不是做芯片的人應(yīng)該做，而是搞算法研究的人做的事情。即便是今天做算法的人，也解決不了以下兩個問題。

將人類大腦與人工邏輯（天河-II超級計算機）作對比，大腦中有140億個神經(jīng)元，工作頻率200Hz，大腦皮層很大，可以完成大概1016CPS運轉(zhuǎn)，重量1.2-1.6kg。電的傳導(dǎo)速度是300,000km/s，天河-II工作頻率4.2GHz，把芯片堆積起來可以實現(xiàn)比人腦快得多的運算能力，但是占地面積720m2，重5噸，耗電42MW（需要一個發(fā)電站那么大的功耗）。

我們一直追求算力，但擁有超過人腦的算力不是我們的終極目標(biāo)——把做人工智能芯片歸結(jié)到追求算力就錯了?！昂芏鄷r候算力不是我們的目標(biāo)，太容易達到。包括前面講到的超級計算機，我們已經(jīng)達到了?！彼赋?，“我們更多需要智能的計算引擎，也就是說本身的計算需要有智能化?！钡沁@個智能化有很多的內(nèi)容，只舉三點，如下。

“智能計算”芯片應(yīng)該具備以下一些基本要素：

這樣的芯片現(xiàn)在還不存在。如下圖所示，我們今天用的芯片基本在第二、三、四象限。第二象限有ASIC和SoC等，有很強的軟件可編程性，硬件不太可編程。專用集成電路基本在第三象限，它的最大好處是能量效率、計算效率都很高。第三類是FPGA和EPLD等，是硬件可編程，軟件不需要。第一象限不知道是什么，我們就有了一些想象空間（見后）。

軟件定義芯片與芯片智能化的關(guān)系

軟件定義芯片的概念很有意思。首先我們得了解，“規(guī)格”定義不出芯片產(chǎn)品的差異化，如下。

回到“軟件定義芯片”話題，它指的是軟件和硬件均可以編程，而且是混合顆粒度?！拔覠o法擺脫作為硬件工程師的心態(tài)，但是它給我們打開另外一扇窗，這扇窗存在的話，很可能走出全新的道路?！蔽航淌谡f。

軟件定義芯片是怎么工作呢？“我們知道，今天的應(yīng)用都用軟件實現(xiàn)。不考慮代碼復(fù)雜性的情況，假如有一個軟件和硬件完全一致的結(jié)構(gòu)，這種實現(xiàn)方式是最直接的。再設(shè)想一下，我的應(yīng)用是C或者C++寫出來的。每次變換C和C++，我的硬件自動跟著變換，而且永遠是一樣的結(jié)構(gòu)，這樣的效率是最高的?！蔽航淌诮忉屨f，“這是美好的想法，但并不是如此，軟件可以很復(fù)雜，硬件可以有邊界。直接的是我把軟件分塊，一塊一塊做。按照所謂的任務(wù)依賴關(guān)系，那就要求硬件一定要能夠動態(tài)地按照軟件實時地改變它的架構(gòu)，這就是軟件定義芯片最原始的想法。當(dāng)然不那么簡單，當(dāng)你有硬件以后要改變它，改變什么？有很多內(nèi)容要研究。這個想法是不是可以通過這種方式打通從應(yīng)用到芯片之間的通道呢？我們有一個軟件，通過某種東西實現(xiàn)一個硬件，讓硬件隨時跟著軟件變。只要我能夠讓軟件實現(xiàn)智能化的功能，硬件就可以實現(xiàn)智能化，這個直接推理很清晰?！?/p>

是不是我們一家獨自在做這件事？并不盡然。美國去年啟動電子復(fù)興計劃，6個計劃中有1個是軟件定義硬件。其中的內(nèi)容基本上和上述所談軟件定義芯片一致?！八岢鲆粋€指標(biāo)，要變換的是300-1000ns，只要這個時間變換都屬于他們的要求。我們做的遠好于它。我們只要花1/10的時間，而且早10年做完了。”魏教授說。

“我們用軟件定義芯片的架構(gòu)實現(xiàn)AI芯片的方式，全世界都沒有用這種方式做，只有我們用這種方式做。我們做了以后，今年年初專門對我們的芯片進行報道。報道告訴我們，這是中國取得所謂的Crowning Achievement，給我們很高的評價?！蔽航淌谘a充說，你在架構(gòu)上如果不按照傳統(tǒng)的方式走，去找新的途徑，很可能會起到事半功倍的效果，但是沒有太多的規(guī)則。

我們需要理性看待中國芯片產(chǎn)業(yè)走向智能化。

總結(jié)

魏教授總結(jié)說，現(xiàn)在很麻煩的是太多人吹牛，所以我們會看到“嚇尿體”盛行。實際上，無論是嚇尿體還是被嚇尿體，都沒有冷靜看到目前實際的情況。實際情況遠沒有想象那么好。雖然我們有些地方做得不錯，但是總體來看既不像有些人說得那么差，也沒有像有些人說得那么好，還是需要努力。什么是我們真正要關(guān)注的？這個行業(yè)最重要的是關(guān)注應(yīng)用。應(yīng)用是王；能不能找到應(yīng)用的發(fā)展方向，特別是具體的技術(shù)發(fā)展方向，這是我們的關(guān)鍵。