一文知道人工智能芯片的算法

人工智能的三大核心，是深度学习算法、数据和算力。在这三大要素中，大数据的获取和处理难度在下降，算法也在深度学习模型的基础上不断优化，而统一协调数据和算法的AI芯片能否获得大的飞跃，成为市场关注的焦点。

根据Gartner数据，全球各大芯片公司、互联网巨头和创业企业都在AI芯片市场竞争，预计到2023年全球市场规模将达到323亿美元，其中数据中心、个人终端和物联网芯片是增长重点。

深度学习算法对芯片性能需求主要为：大数据在计算和存储单元之间的高速通信需求；专业计算能力需求，深度学习算法中有大量卷积、残差网络、全连接等特殊计算需要处理，需要需要提升运算速度，降低功耗；大数据对芯片提出的新要求，非结构化数据增多，对传统芯片结构造成较大压力。

通用CPU在深度学习中可用但效率低。比如在图像处理领域，主要用到的是CNN（卷积神经网络），在自然语言识别、语音处理等领域，主要用到的是RNN（循环神经网络），虽然这两种算法模型有较大差别，但本质都是向量和矩阵运算。

正因为CPU在AI计算上的弱点，给了可以实现海量并行计算且能够计算加速的AI芯片开拓了市场空间。AI芯片，包括基于传统架构的GPU、FPGA以及ASIC，也包括类脑芯片和可重构AI芯片等。

AI芯片还可以按照部署位置划分为云端芯片和边缘端芯片。云端芯片部署位置包括公有云、私有云、混合云等，主要用于处理大数据和大规模运算，还能够支持语音、图片、视频等非结构化应用的计算和传输，可用多个处理器并行完成相关任务；边缘端AI芯片主要应用于嵌入式、移动终端等，如摄像头、智能手机、边缘服务器、工控设备，此类芯片一般体系小、耗电低，性能要求略低，一般只具备少量AI能力。

同时AI芯片按照任务还可以划分为训练芯片和推理芯片。训练芯片通过大量标记过的数据在平台上进行“学习”，并形成具备特定功能的神经网络模型；推理则是利用已经训练好的模型输入新数据通过计算得到各种结论。训练芯片对算力、精度要求高且需要一定的通用性，推理芯片更注重综合能力，包括算力能耗、时延、成本等。

训练芯片由于对算力的要求，只适合在云端部署，多采用“CPU+加速芯片”，加速芯片可以是CPU、FPGA或者ASIC。AI训练芯片市场集中度高，英伟达和谷歌领先，英特尔和AMD正在发力。推理芯片在云端和终端都可以进行，门槛低，市场参与者多，比如英伟达、谷歌、赛灵思、寒武纪等。终端推理芯片市场较为分散，参与者有英伟达、英特尔、ARM、高通、寒武纪、地平线、云知声等。

GPU、FPGA、ASIC各有特点和优势。GPU是由大量核心组成的大规模并行计算架构，专为多任务并行运算处理设计的芯片。以英伟达的GPUTITANX为例，其在深度学习中所需的训练时间是CPU的1/10以下，但缺点是功耗高。

FPGA灵活性最高，可根据用户需求，用硬件描述语言对FPGA的硬件电路进行设计。同时FPGA具有算力强、功耗优势明显、成本可控等优势，但是技术难度大，目前国内公司差距明显。基于此，FPGA被广泛应用在AI云端和终端推理，亚马逊、微软都推出了基于FPGA的云计算服务，国内包括腾讯云、阿里云和百度大脑也有所布局，但差距较大。从市场上看，FPGA被赛灵思、英特尔、Lattice和Microsemi垄断，其中赛灵思和英特尔市场份额超过90%。

ASIC是对特定用户需求设计的定制芯片，性能强、体积小、功耗低、可靠性高。ASIC是一种技术方案，产品和功能可以是多样的。越来越多的公司开始采用ASIC芯片进行深度学习算法加速，比如Google的TPU。但是ASIC研发周期长，商业应用风险大。国内寒武纪开发的Cambricon系列处理器就在此列中，华为海思的麒麟980处理器搭载的NPU就是寒武纪的处理器IP。

整体来看，短期GPU仍然主导AI芯片市场，GPGA使用更为广泛。长期来看GPU、FPGA和ASIC三大技术路线将并存。GPU主要方向是高级复杂算法和通用型人工智能平台，FPGA在垂直领域有较大空间，ASIC长远来看适用于面向各种场景的定制化需求。

目前国内人工智能芯片行业发展处于起步阶段，在GPU和DSP设计上处于追赶状态。但全球芯片生态上并没有形成全封闭式垄断，国内芯片厂商尤其是专用芯片设计厂商，还是存在弯道超车的机会，其主打的应用场景为云端数据中心、自动驾驶、智能家居和机器人领域。随着5G和物联网等应用的成熟落地，相关芯片产品的市场空间将进一步扩大。
责任编辑人：CC