从AI的前世今生中,看世界科技发展之路

关于智能,大家并不陌生,这似乎正逐渐成为目前和未来科技发展的主力方向,有人担心,AI或将取代甚至统治人类,历史上首个获得公民身份的机器人索菲亚就曾在采访中发表毁灭人类的言论。

AI进化史

相信你一定还记得击败了李世石和柯洁的谷歌“阿尔法狗”(Alpha Go),那你知道驱动Alpha Go的是什么吗?

如果你觉得Alpha Go和人相似,只不过是把人脑换成了芯片,那么你就大错特错了。击败李世石的Alpha Go装有48个谷歌的AI芯片,而这48个芯片不是安装在Alpha Go身体里,而是在云端。所以,真正驱动Alpha Go的装置,看上去是这样的...

| (图片源自网络)

因此李世石和柯洁不是输给了“机器人”,而是输给了装有AI芯片的云工作站。

除了机器人,AI场景也在不断完善并扩大应用范围,尤其是移动设备。

目前,AI芯片的研发方向主要分两种:一是基于传统冯·诺依曼架构的FPGA(现场可编程门阵列)和ASIC(专用集成电路)芯片,二是模仿人脑神经元结构设计的类脑芯片。其中FPGA和ASIC芯片不管是研发还是应用,都已经形成一定规模;而类脑芯片虽然还处于研发初期,但具备很大潜力,可能在未来成为行业内的主流。

这两条发展路线的主要区别在于,前者的核心思路就是处理器和存储器要分开,所以才有了CPU(中央处理器)和内存。而类脑架构,顾名思义,模仿人脑神经元结构,因此CPU、内存和通信部件都集成在一起。

从GPU到FPGA和ASIC芯片

2007年以前,受限于当时算法和数据等因素,AI对芯片还没有特别强烈的需求,通用的CPU芯片即可提供足够的计算能力。比如现在在读这篇文章的你,手机或电脑里就有CPU芯片。

之后由于高清视频和游戏产业的快速发展,GPU (图形处理器)芯片取得迅速的发展。因为 GPU 有更多的逻辑运算单元用于处理数据,属于高并行结构,在处理图形数据和复杂算法方面比 CPU 更有优势,又因为AI深度学习的模型参数多、数据规模大、计算量大,此后一段时间内 GPU 代替了 CPU,成为当时 AI 芯片的主流。

| GPU 比 CPU 有更多的逻辑运算单元(ALU)

(图片源自网络)

然而 GPU 毕竟只是图形处理器,不是专门用于 AI 深度学习的芯片,自然存在不足,比如在执行AI 应用时,其并行结构的性能无法充分发挥,导致能耗高。

与此同时,AI技术的应用日益增长,在教育、医疗、无人驾驶等领域都能看到 AI 的身影。然而GPU 芯片过高的能耗无法满足产业的需求,因此取而代之的是 FPGA 芯片,和 ASIC 芯片。

两种芯片的技术和功能区别

“万能芯片” FPGA

FPGA(FIELD-PROGRAMMABLE GATE ARRAY),即 “现场可编程门阵列”,是在 PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

FPGA 可以被理解为“万能芯片”。用户通过烧入 FPGA 配置文件,来定义这些门电路以及存储器之间的连线,用硬件描述语言(HDL)对 FPGA 的硬件电路进行设计。每完成一次烧录,FPGA内部的硬件电路就有了确定的连接方式,具有了一定的功能,输入的数据只需要依次经过各个门电路,就可以得到输出结果。

用大白话说,“万能芯片” 就是你需要它有哪些功能、它就能有哪些功能的芯片。

因此用FPGA来实现半定制人工智能芯片,毫无疑问是保险的选择。

目前,FPGA 芯片市场被美国厂商 Xilinx 和 Altera 瓜分。据国外媒体 Marketwatch 的统计,前者占全球市场份额 50%、后者占 35%左右,两家厂商霸占了 85% 的市场份额,专利达到 6000 多项,毫无疑问是行业里的两座大山。

Xilinx 的 FPGA 芯片从低端到高端,分为四个系列,分别是 Spartan、Artix、Kintex、Vertex,芯片工艺也从 45 到 16 纳米不等。芯片工艺水平越高,芯片越小。其中 Spartan 和 Artix 主要针对民用市场,应用包括无人驾驶、智能家居等;Kintex 和 Vertex 主要针对军用市场,应用包括国防、航空航天等。

| Xilinx 的 Spartan 系列 FPGA 芯片

(图片源自网络)

类脑芯片

如文章开头所说,目前所有电脑,包括我们上述的芯片,都基于冯·诺依曼架构。

既然要研制人工智能芯片,那么有的专家就回归问题本身,开始模仿人脑的结构。

人脑内有上千亿个神经元,而且每个神经元都通过成千上万个突触与其他神经元相连,形成超级庞大的神经元回路,以分布式和并发式的方式传导信号,相当于超大规模的并行计算,因此算力极强。人脑的另一个特点是,不是大脑的每个部分都一直在工作,从而整体能耗很低。

神经元结构

(图片源自网络)

与冯·诺依曼架构不同,它的内存、CPU和通信部件是完全集成在一起,把数字处理器当作神经元,把内存作为突触。除此之外,在类脑芯片上,信息的处理完全在本地进行,而且由于本地处理的数据量并不大,传统计算机内存与CPU之间的瓶颈不复存在了。同时,神经元只要接收到其他神经元发过来的脉冲,这些神经元就会同时做动作,因此神经元之间可以方便快捷地相互沟通。

| 装有16个TrueNorth芯片的DARPA SyNAPSE主板

(图片源自网络)

那么这款芯片的实战表现如何呢?

实验表明,它能以30帧每秒速度,实时识别出街景视频中的人、自行车、公交车、卡车等,准确率达到了80%。相比之下,一台笔记本编程完成同样的任务用时要慢100倍,能耗却是IBM芯片的1万倍。

即便如此,类脑芯片距离人脑也还有相当大的距离,毕竟人脑里的神经元个数有上千亿个,而现在最先进的类脑芯片中的神经元也只有几百万个,连人脑的万分之一都不到。因此这类芯片的研究,离成为市场上可以大规模广泛使用的成熟技术,还有很长的路要走,但是长期来看类脑芯片有可能会带来计算体系的革命。

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