人工智能芯片技術發展問題研究

何金峰

摘 要：人工智能芯片已經開始逐步走進我們的生產生活中，在方方面面都展示出巨大的發展潛力，超越人的想象。雖然中國在近代科技發展的浪潮中落在了后面，但是隨著我國對科學技術的重視，科技人才的培育和科研經費的投入，科技的進步又提供了彎道超車的時機，以華為公司為代表的我國新型高科技企業在科技發展浪潮中不斷發展，很多技術已經走到了世界的前沿。具有自主知識產權的人工智能芯片將為國家科技強國、信息化強國提供強大的技術基礎。

關鍵詞：人工智能;芯片技術;智能算法

一、概述

芯片的本質是集成電路，主要制作工藝是將這種集成電路制造在半導體晶圓上，當前集成電路已經發展到極大規模型，在每mm2 可以達到一百萬個晶體管的數量級。而所謂人工智能芯片，是指那些對人工智能算法具有高效運算能力，且耗能相對較低的專用芯片。人工智能芯片具有的這種復雜算法處理能力主要取決于其內部的特定結構設計和簡單的指令集，如類腦芯片就是一種當下流行的智能芯片，通過智能芯片的應用進一步促進人工智能技術的應用發展。普通芯片基于已有的程序對輸入數據進行處理，然后再將運算結果進行輸出，也就是說這個過程需要程序員提前按照指令體系進行編程。

二、人工智能芯片的分類

人工智能芯片的分類角度很多，但一般都是從芯片技術架構、功能和應用領域等角度進行劃分，通常從人工智能芯片的技術架構角度將其劃分為通用性人工智能芯片（GPU）、半定制化人工智能芯片（FPGA）、全定制化人工智能芯片（ASIC）和類腦人工智能芯片。基于通用性的人工智能芯片需要與CPU 相互協調才能工作，主要依賴于GPU 強大的數據處理能力和并行計算功能。基于半定制化的人工智能芯片是通過異構的形式實現規模數據處理，且由于功耗低而具有一定的吸引能力。基于全定制化的人工智能芯片在高性能計算和低功耗領域具有十分明顯的優勢，同時構建的系統可靠性高。基于類腦的人工智能芯片通過全新的架構設計，來模仿人類大腦實現對外界的感知和思考，是最具發展潛力的人工智能芯片。

當前市場上的人工智能芯片主要有Intel 公司的Nervana、微軟公司的DPU、Google 公司的TPU、NVidia 公司的GPU、IBM 公司的TreueNorth 和BrainWave、百度公司的XPU、Xilinx 公司的xDNN、寒武紀芯片、地平線以及深鑒科技的人工智能芯片等。從技術架構角度看，這些人工智能芯片基本上都是基于GPU、FPGA、基于類腦的神經網絡芯片。

寒武紀的MLU100。作為我國第一款云端人工智能芯片，MLU100 完全由中國自主研發，主要面向人工智能領域的應用。這款云端人工智能芯片是基于MLUv01 架構和TSMC16nm 工藝設計集成的，且具有兩種工作模式，分別為平衡模式和高性能模式。在平衡模式下，MLU100 的理論運算速度可以達到128 萬億次/秒定點運算，如果工作在高性能模式下，MLU100 的理論運算速度可以達到166.4 萬億次/ 秒定點運算，同時其實際的功耗僅為80 瓦。可見，MLU100 是一款典型的高性能、低功耗人工智能芯片。作為寒武紀的產業鏈“伙伴”，聯想集團、中科曙光、科大訊飛等也同臺發布了基于寒武紀芯片的應用產品。

英偉達的DRIVE PX 2。DRIVE PX 2 是人工智能領域的佼佼者英偉達公司推人工智能的芯片，這是一款專門為汽車的自動駕駛系統研發的人工智能芯片。DRIVE PX 2 可以實時了解車輛周圍的狀況，可在高清地圖上準確的定位車輛，并且計劃一條安全的行駛路徑。這是業界超級領先的自動駕駛車輛平臺—囊括了深度學習技術，傳感器融合技術以及環視技術來改變駕駛體驗。通過這種可擴展的構架設計，可以通過配置兩個移動處理器和兩個分離式GPU，這樣集成的系統理論上可達到24 萬億次/ 秒的深度學習的操作，同時借助多個Drive PX 2 平臺實現的并行處理系統可以實現完全的自主駕駛。可以想象實現自動駕駛后對于物流行業，客運行業將是一個革命性的進步，俗話說車禍猛如虎，每年因交通造成的人身傷害遠遠排在其他傷害的前面，自動駕駛對于人類的貢獻不亞于汽車歷史上任何一項涉及安全的創造發明。

三、人工智能芯片的應用

人工智能芯片的應用方式。以人工智能、機器人、量子信息等為主導第四次工業革命已經拉開帷幕。人工智能在工業生產中占據核心的地位，以前的工業生產解放了手工勞動，節約了大量的勞動力，但是并沒有真正實現自動化生產，仍需要人來處理自動生產線出現的故障和程序的錯誤，而且有些復雜的工序光靠機械的設計是很難達到人工操作的標準，人工智能的出現直接解放了人的大腦。流水線出現問題時，控制系統能進行自動的運算和解決問題，可以進一步實現的不只是無人車間，而是一座無人工廠，生產效率會達到極限效率，生產滿足日常需要的產品成為易如反掌的事情。人永遠是社會的主體，所有的科技進步都是為人類服務，人工智能主要集中在醫療、交通、家居以及各種智能場景的定制機器人，人工智能芯片在物品中的植入，并通過互聯網的連接即實現物聯網的互通。為人直接服務的設備可以通過人的形態，聲音甚至通過眼神讀懂人的思想，甚至通過腦機系統的連接直接神經控制。

四、結束語

隨著大數據技術的發展，需要計算能力強大的芯片支持，而當前大量使用的芯片，由于是基于傳統的體系架構設計的，如果用于大數據的并行計算，需要復雜的指令系統才能完成，且計算速度無法滿足實際要求。自從2010 年興起的第三波人工智能熱潮開始，人工智能技術取得了前所未有的發展和廣泛的應用，而這其中一個重要的原因就是人工智能芯片的發展與應用，作為計算機系統的核心部件，智能芯片在某些方面可以看成是超越人類的超人大腦。經過實踐表明，采用人工智能芯片可以簡化指令系統和提高運算效率。本文基于對信息技術的興趣，結合對人工智能技術的理解，對人工智能芯片技術進行深入的分析與總結，并從實際使用案例的角度對人工智能芯片技術的應用進行闡述，為了進一步學習與掌握電子信息技術奠定基礎。

參考文獻

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[2]張蔚敏，蔣阿芳，紀學毅.人工智能芯片產業現狀[J].電信網技術，2018（2）.

（作者單位：廣東天波信息技術股份有限公司）