汽车领域拥抱Transformer需要多少AI算力？

Transformer在汽车领域应用自然是针对视觉的，ChatGPT3这种至少需要八张英伟达A100显卡的大模型是绝对无法出现在汽车上的。视觉类的Transformer以微软亚洲研究院的Swin Transformer和谷歌大脑的ViT为代表。Swin Transformer出现较早，其出现证明Transformer能大幅超越CNN，即SOTA。

Transformer特别适合多种分类的语义分割应用，而语义分割又是OccupancyNetwork的关键。语义分割方面，即使训练数据不多，Transformer也能压倒CNN或FPN。如果是简单的目标检测，训练数据不多的情况下，CNN基本不落下风。

汽车领域拥抱Transformer需要多少AI算力？AI算力需求与输入像素数和模型参数关系最为密切，要计算AI算力需求，有一个关键的名词：token，其在自然语言处理（NLP）里指最小的词；在图像领域，指patch，即最小的图像“块”，而tokenization是指将输入的语言或图像切割为token的过程，通常transformer是16*16像素，这个自然是像素越小越好，一句话分词分的越细，这句话的语义也就更准确，一句话分的越粗，语义偏差就可能越大。据此经简化计算，200万像素所包含的token数就是大约1万个。800万像素就是大约4万个。

Transformer结构图

来源：互联网

Transformer由N个相同的层组成，每层包含两部分，一部分为自注意力，另一部分为MLP，每一层最后都有一个归一化。

谷歌的ViT结构

来源：谷歌

视觉领域的Transformer主要是使用了Encoder部分，如上图所示。

微软亚洲研究院提出的Swin Transformer结构

来源：微软亚洲研究院

与谷歌简单地硬切割patch有所不同，微软为了避免太多的token，在token化的过程中下了很多工夫，但实际计算量差不多。

Transformer第一步是将输入图像转换为嵌入矩阵X，同时也有空间位置编码。

位置编码是采用了三角函数算法，这个算法是标量计算，CPU做起来效率最高。

第二步是多头注意力计算。

对于一个视频输入序列X，它需要和权重参数模型做矩阵乘法，即和k、v、q的权重矩阵做乘法。然后，计算每个Query（X与q的矩阵乘积）和所有Key（X与k的矩阵乘积）的匹配度，并用这个匹配度来计算Value的加权和：

Attention(Q,K, V) = softmax(Q * K^T / sqrt(d)) * V

这里的Q就是Query，K就是Key，V就是Value（X与v矩阵乘积）。X基本上等同于视频的token数量，k、v、q参数量。总计算量为2*3*网络隐藏层维度h的平方。

把几个head自注意力做Concat。总运算量为2*网络隐藏层维度的平方

接下来是归一化层，最后是前馈层。

总计算量是2*8*网络隐藏层维度的平方。

最后累加这三层的总计算量为（6+2+16=24）*网络层数*网络隐藏层维度的平方。

假设一个网络有520亿参数，64层隐藏层，隐藏层的维度是8192，那么每个token的推理计算量就是64*24*（8192的平方）=103079215104次运算，这个数值除以2就是515亿，基本等同于网络的总参数量，实际就是每个token，推理时需要两次运算，一次矩阵乘法，一次是累加。

最终计算量为token数量*2*网络参数总量。

目前，Transformer视觉模型仍然远远落后于语言模型。具体而言，SwinTransformer二代参数大约30亿， ViT-E有 40亿参数，而入门级语言模型通常超过 100亿 参数，更别说具有5400亿参数的大型语言模型。值得注意的是，谷歌于2023年2月推出了220亿参数的ViT-22B。

假设我们使用ViT-E模型，输入八百万像素的视频，采用16*16的patch，那么token数大约是4.08万个，通常自动驾驶帧率是每秒30帧（即每秒计算30次），那么每秒运算量就是30*4.08万*40亿*2=2400万亿次，即4896TOPS。如果是200万像素，那么token约为1万个，算力需要1200TOPS。

显然，这个算力需求太高，需要降级，视觉Transformer参数最小为10亿个，特斯拉AI日上就写了其参数是10亿个。不过，大模型参数越多，效果越好，然后再降低帧率到15Hz。有人会说乘积累加如果设计的非常好，勉强来说一次计算也可以完成，即我们常说MAC运算。

不过，Transformer每层最后都有非线性的归一化运算，它在每一层之外是串行结构，层内是并行结构，难以实现一次计算完成乘积累加；如果是CNN网络，全并行结构，是可以实现，更何况还有位置编码等标量计算。

最低下限就是15*1万*10亿*2=300万亿次，即300TOPS。特斯拉一代FSD的算力不过144TOPS。

实际上，无论是GPU还是AI加速器，其利用率都是很低的，特别是transformer其独特的网络结构，它是源自串行的RNN网络，AI加速器或者说AI专用芯片基本上都是针对矩阵并行计算设计的，几乎没考虑过串行。GPU略微好点，CPU的效率最高，奈何CPU核心数太少。

一般GPU的利用率是45%，低的只有30%，最高一般不超过55%，而AI专用芯片估计只有20-30%。https://arxiv.org/pdf/2104.04473.pdf，这篇文章里有详细数据，由英伟达、微软和斯坦福大学联合完成的论文，采用的是1024个英伟达A100的运算体系，典型的运算效率是45%，谷歌的TPV4针对Transformer做了优化，增加了稀疏核，最终的利用率略高，也只是50%，没做过优化的AI专用芯片，最低甚至是0%，完全无法运行。

这样一来，最低下限又要增加了，按50%的利用率，最低下限是600TOPS。然而这只是两百万像素，现在国内基本都是800万像素，且不止一个摄像头是800万像素。现在我们建设Transformer只用在一个800万像素摄像头上，并且AI处理器只负责这一个摄像头，即便如此算力还需要2400TOPS，需要10个Orin-X级联，还需要一个近千美元的PCIe交换机。实际上即便是在学术领域，目前最高的视觉Transformer的分辨率是1536*1536=236万像素，这可是在1024个A100显卡上运行的。

除了处理器本身，还有一个瓶颈，那就是存储带宽。在算力需求不高的时代，处理器的延迟主要来自存储系统，因为处理器运算力很强，但到了1000TOPS时代，处理器的延迟成了最主要的构成。

CPU控制GPU工作的流程

来源：互联网

GPU和AI芯片都是协处理器，也就是Device，CPU才是Host主机。GPU和AI芯片与鼠标、键盘、显示器、打印机一样都算是外设，任务的分派和调度，数据流的控制以及数据的读取与写入均受CPU控制。数据首先是在CPU指令调度下才读取的，数据整形（如果AI芯片或GPU内部有标量运算单元也可以做）后再交给GPU，计算完后再传输给CPU写入内存。

某些系统会有DMA如MCU，DMA是指无需经过CPU的直接存储，但需经过数据总线，数据总线带宽未必有内存宽；DMA主要是缓解CPU的工作压力，因为MCU内部的CPU性能很弱。数据中心也有一些基于通讯协议的DMA，通常只用于数据中心的多显卡系统。

AI运算的过程由CPU发起，取指令、译码、读取数据、运算、写入结果。由于Transformer的权重模型太大，至少1GB以上，所以无法放进芯片内部，只能放在DRAM内部，每一次运算都需要调取权重模型一次，计算完的结果还要写入存储DRAM。

前面我们看到，由于Transfomer需要超高算力，处理器本身计算消耗的时间已经是延迟的最低下限，没有留给读取和写入存储系统的时间，冯诺依曼架构又是数据和指令是分开存储的，无法同时读取。换言之，存储系统读取权重模型和写入结果的时间必须快到可以忽略不计。即便我们假设写入结果的时间可以忽略，但是高达1GB权重的读取时间要做到可以忽略不计，那么需要存储带宽达到1TB/s，那么每次读取权重模型的时间可以接近1毫秒，可以忽略不计。实际存储带宽也是有利用率，通常不会到80%。

最新的GDDR6X最高可以做到1TB/s的带宽，但这只是最小10亿的参数量，典型视觉transformer的参数量是30-40亿，存储带宽需要3-4TB/s，英伟达4万美元的H100PCIe的带宽不过2.04TB/s。

最后我们来简单计算一下训练所需要的计算量，语言大模型的训练量30000亿个Token，换算成800万像素就是681小时左右的视频，训练需要一次前向反馈和一次反向传播，还需要一次中间激活，大约是推理运算量的4倍。

我们将参数量取30亿，训练681小时的运算量为3万亿*30亿*8=720万亿亿，假设用128个英伟达A100（FP16算力是312TOPS）做训练，GPU利用效率是45%，那么需要大约4.7天训练完成。128个英伟达A100，目前价格大约是128*50万人民币=6400万人民币，从训练的角度看，大型车企还是撑的住的。

审核编辑：刘清