AI芯片的技術(shù)原理與架構(gòu)

這兩年，圖形處理和AI（人工智能）加速計(jì)算需求的不斷涌現(xiàn)，國(guó)內(nèi)AI芯片市場(chǎng)已呈現(xiàn)出百花齊放的發(fā)展態(tài)勢(shì)，衍生出多種類型的AI加速產(chǎn)品。近期的全國(guó)政協(xié)會(huì)議也談到了這個(gè)---“人工智能已經(jīng)成為國(guó)家間科技競(jìng)爭(zhēng)的必爭(zhēng)之地。要深入挖掘國(guó)產(chǎn)AI芯片算力潛力，加速推動(dòng)國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)發(fā)展，夯實(shí)人工智能發(fā)展算力底座，助推新質(zhì)生產(chǎn)力跑出加速度”。所以我們談下AI芯片。

作為專為AI計(jì)算需求而設(shè)計(jì)制造的集成電路，AI芯片不僅革新了計(jì)算機(jī)處理信息的方式，更在圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、自動(dòng)駕駛等多個(gè)前沿領(lǐng)域發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

AI芯片的基本概念

AI芯片，也稱作AI加速器或智能芯片，是一種特制的微處理器，專門為高效運(yùn)行人工智能算法而設(shè)計(jì)。不同于傳統(tǒng)的CPU、GPU等通用處理器，AI芯片致力于解決AI應(yīng)用中的大規(guī)模并行計(jì)算問(wèn)題，尤其是針對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的密集型數(shù)學(xué)運(yùn)算，如矩陣乘法、卷積操作和激活函數(shù)計(jì)算等。這種高度定制化的設(shè)計(jì)極大地提升了計(jì)算效率，降低了能耗，并實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)響應(yīng)和高性能推理能力。

AI芯片的技術(shù)原理與架構(gòu)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 AI芯片的核心原理基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中芯片內(nèi)部的處理單元模擬了生物神經(jīng)元的工作機(jī)制。每一個(gè)處理單元能夠獨(dú)立進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，例如權(quán)重乘以輸入信號(hào)并累加，形成神經(jīng)元的激活輸出。激活函數(shù)則決定了信號(hào)如何轉(zhuǎn)化為有意義的結(jié)果，它是AI芯片中不可或缺的一部分。

硬件架構(gòu) AI芯片的硬件架構(gòu)多種多樣，根據(jù)其設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景，可分為以下幾類：

GPU（圖形處理器）: GPU原本主要用于圖形渲染，但因其并行計(jì)算能力強(qiáng)，被廣泛用于訓(xùn)練大型深度學(xué)習(xí)模型，尤其擅長(zhǎng)處理浮點(diǎn)數(shù)密集型計(jì)算任務(wù)。

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）: FPGA具有高度靈活的可編程性，能夠在硬件層面快速重新配置以適應(yīng)不同的AI算法，適用于早期開(kāi)發(fā)階段和動(dòng)態(tài)工作負(fù)載的場(chǎng)景。

ASIC（專用集成電路）: ASIC是為特定AI任務(wù)定制的芯片，相較于GPU和FPGA，它在特定應(yīng)用中的計(jì)算效率更高，能耗更低，但缺乏通用性。

TPU（張量處理單元）: Google推出的TPU是專門針對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)的ASIC實(shí)例，專注于高效的矩陣運(yùn)算，尤其適合TensorFlow框架下的深度學(xué)習(xí)模型。

AI芯片的分類與市場(chǎng)應(yīng)用

AI芯片廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：

1、自動(dòng)駕駛：AI芯片能夠?qū)崟r(shí)處理車輛傳感器收集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確的導(dǎo)航和決策，提高自動(dòng)駕駛的安全性和可靠性。

2、智能安防：AI芯片可用于視頻監(jiān)控、人臉識(shí)別等安防領(lǐng)域，提高安全監(jiān)控的效率和準(zhǔn)確性。

3、智能家居：AI芯片能夠支持智能家居設(shè)備的智能化控制和管理，提升居住體驗(yàn)。

4、醫(yī)療健康：AI芯片可用于醫(yī)療影像分析、疾病診斷等領(lǐng)域，輔助醫(yī)生進(jìn)行精準(zhǔn)治療。

國(guó)內(nèi)AI芯片現(xiàn)狀以及未來(lái)挑戰(zhàn)

國(guó)內(nèi)AI芯片市場(chǎng)近年來(lái)發(fā)展迅猛，涌現(xiàn)出了一批具有創(chuàng)新能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，其中一些知名的包括華為、寒武紀(jì)、地平線、百度等，國(guó)外有英偉達(dá)等，下面分別列舉了每個(gè)公司的一款芯片的介紹：

華為海思的昇騰910

達(dá)芬奇架構(gòu)

架構(gòu)：基于達(dá)芬奇架構(gòu)設(shè)計(jì)

制程工藝：7nm

核心數(shù)量：配備有大量AICore（人工智能內(nèi)核），例如提到的256個(gè)AICore

性能指標(biāo)：半精度（FP16）算力：高達(dá)256TeraFLOPS（每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算）

整數(shù)精度（INT8）算力：可達(dá)512 TeraOPS（每秒萬(wàn)億次整數(shù)運(yùn)算）

支持高速內(nèi)存接口和通道，比如128通道全高清視頻編解碼能力

最大功耗：約為350瓦

寒武紀(jì)的思元370

MLU架構(gòu)

架構(gòu)：MLUarch03

算力：最高256 TOPS（INT8），64 TOPS（FP16）

制程工藝：7nm

性能指標(biāo)：最大算力高達(dá)256TOPS（INT8精度）

集成的晶體管數(shù)量：390億個(gè)

內(nèi)存支持：支持LPDDR5內(nèi)存

應(yīng)用場(chǎng)景：適用于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心

最大功耗： 250W

地平線的征程5

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地平線架構(gòu)

征程5：

架構(gòu)：雙核BPU：地平線自研的第二代貝葉斯架構(gòu)，專為AI計(jì)算優(yōu)化。

算力：?jiǎn)晤w芯片AI算力最高可達(dá)128TOPS，能夠處理大量的并行計(jì)算任務(wù)。

功耗：30W

工藝：16nm

應(yīng)用場(chǎng)景：自動(dòng)駕駛、智能座艙、智能監(jiān)控等車載AI

百度昆侖芯片

昆侖架構(gòu)

架構(gòu)：百度昆侖2芯片采用自研的第二代XPU架構(gòu)，這是一種針對(duì)AI計(jì)算進(jìn)行了深度優(yōu)化的架構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠高效執(zhí)行大規(guī)模并行計(jì)算任務(wù)，特別適合深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的處理。

算力：INT8整數(shù)精度算力達(dá)到256TeraOPS（每秒萬(wàn)億次整數(shù)運(yùn)算）。

半精度（FP16）算力為128 TeraFLOPS（每秒萬(wàn)億次浮點(diǎn)運(yùn)算）。

功耗：最大120W

工藝： 7nm。

應(yīng)用場(chǎng)景：百度昆侖2芯片適用于云、端、邊等多場(chǎng)景的AI計(jì)算需求。

英偉達(dá)H100

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Nvidia H100SM

架構(gòu)：Hopper架構(gòu)

算力：FP64為67TFLOPS；

FP32為989TFLOPS；

FP16為1979TFLOPS；

BF16為1979TFLOPS；

INT8為3958TFLOPS

功耗：700W

工藝：4nm

應(yīng)用場(chǎng)景：機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練和推理、科學(xué)計(jì)算模擬、數(shù)據(jù)分析、自然語(yǔ)言處理等

可以看出，盡管國(guó)內(nèi)AI芯片在設(shè)計(jì)和應(yīng)用上取得了一定的成就，但與英偉達(dá)等國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)相比，仍存在一定的性能差距。國(guó)內(nèi)AI芯片還面臨著一系列關(guān)鍵的挑戰(zhàn)：

1、技術(shù)壁壘與核心專利：在高端芯片設(shè)計(jì)、EDA工具、IP核以及先進(jìn)制造工藝等方面，我國(guó)企業(yè)與國(guó)際領(lǐng)先水平相比存在差距，尤其是在7nm及以下的先進(jìn)制程上，對(duì)外國(guó)先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的依賴度較高，還面臨被制裁的風(fēng)險(xiǎn)。

2、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)與品牌認(rèn)知：雖然國(guó)內(nèi)市場(chǎng)華為等廠商影響力較大，但在國(guó)際市場(chǎng)上，英偉達(dá)、英特爾、AMD等公司在AI芯片領(lǐng)域還是占據(jù)了主導(dǎo)地位，中國(guó)企業(yè)要在全球范圍內(nèi)建立品牌影響力和客戶信任度尚需時(shí)日。

3、人才儲(chǔ)備與培養(yǎng)：高端AI芯片研發(fā)和設(shè)計(jì)需要大量專業(yè)人才，涉及的專業(yè)技術(shù)覆蓋廣泛，包括集成電路設(shè)計(jì)、算法優(yōu)化、材料科學(xué)等，而中國(guó)在人才培養(yǎng)和引進(jìn)方面還需進(jìn)一步加強(qiáng)，以支撐產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

隨著國(guó)內(nèi)企業(yè)的不斷努力和創(chuàng)新，相信未來(lái)這一差距會(huì)逐漸縮小。同時(shí)，國(guó)家也應(yīng)加大對(duì)AI芯片產(chǎn)業(yè)的支持力度，推動(dòng)國(guó)內(nèi)AI芯片產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

審核編輯：黃飛

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