這是一篇關(guān)于AI芯片的總結(jié)與回顧，作者以ISSCC2019上AI芯片相關(guān)內(nèi)容為主體，分析了“AI芯片0.5版本”的現(xiàn)狀和前景，并提到了Yann LeCun對(duì)未來(lái)的“AI芯片2.0”的思考與展望。

我從2017年的ISSCC開(kāi)始寫(xiě)AI硬件相關(guān)的文章，到現(xiàn)在剛好兩年了。在剛剛過(guò)去的ISSCC2019上，AI芯片仍然是一個(gè)熱點(diǎn)，有幾個(gè)session都和AI硬件相關(guān)。同時(shí)，CGO19會(huì)議的Compilers for Machine Learning Workshop，各種ML編譯器紛紛出場(chǎng)。從大環(huán)境來(lái)看，第一代AI芯片軟硬件技術(shù)基本成熟，產(chǎn)業(yè)格局逐漸穩(wěn)定，已經(jīng)為規(guī)模應(yīng)用做好了準(zhǔn)備，可稱之為AI芯片0.5版本。而在ISSCC會(huì)議上，大神Yann LeCun在講演中提出了對(duì)未來(lái)AI芯片的需求[1]，開(kāi)啟了我們對(duì)新的架構(gòu)（AI芯片2.0）的思考。

ISSCC2019

兩年前，我在公眾號(hào)發(fā)文分析了ISSCC2017Deep-Learning Processors Session中的7篇文章。到今天，不僅AI芯片技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，大家寫(xiě)文章的熱情也越來(lái)越高，相信后面會(huì)看到各種對(duì)ISSCC2019論文進(jìn)行分析的文章。所以，我就不再單獨(dú)討論具體的論文了，只談一些綜合的感受。

這次我看到論文摘要的時(shí)候，首先是還是看Session 7和14的Machine Learning部分。而我最關(guān)注的是三星的論文“An11.5TOPS/W 1024-MAC Butterfly Structure Dual-Core Sparsity-Aware Neural Processing Unit in 8nm Flagship Mobile SoC”。大家知道，三星在手機(jī)芯片中加入NPU是相對(duì)較晚的，應(yīng)該說(shuō)在設(shè)計(jì)中吸收了學(xué)界和業(yè)界這幾年AI芯片研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)。另外，這也是業(yè)界首次公開(kāi)在規(guī)模量產(chǎn)芯片（旗艦手機(jī)芯片）中的NPU細(xì)節(jié)，一方面反映了“真實(shí)”和“實(shí)用”（不追求指標(biāo)驚人，而是有更明確的優(yōu)化目標(biāo)）的結(jié)果，另一方面也標(biāo)志著整個(gè)產(chǎn)業(yè)對(duì)NPU設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)已經(jīng)比較成熟。

另外一個(gè)重要看點(diǎn)當(dāng)然是Yann LeCun教授的演講。ISSCC本來(lái)是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的“電路（circuit）”會(huì)議，這幾年越來(lái)越多的加入架構(gòu)層面的內(nèi)容。這次請(qǐng)AI大神做Keynote就更有意思了。大神在ISSCC講演的幾天之內(nèi)還做了一波PR，也有宣傳Facebook自研芯片的意思。當(dāng)然，大神的演講還是非常棒的，特別是對(duì)新架構(gòu)的分析。這幾天已經(jīng)有很多文章介紹這個(gè)研究，我這里只貼一下他分享的的AI硬件相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以及對(duì)未來(lái)的展望。

來(lái)源：ISSCC2019

前兩個(gè)部分反映了上世紀(jì)90年底開(kāi)始到今天的AI熱潮中AI硬件的嘗試以及整個(gè)AI發(fā)展中我們學(xué)習(xí)到的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。第三部分是對(duì)新架構(gòu)的預(yù)測(cè)，這個(gè)我將在本文第三部分重點(diǎn)討論。第四部分主要講一些算法的趨勢(shì)，特別是Self-Supervised Learning（蛋糕上的櫻桃）。

最后，他還分享了一下自己的一些其它思考，特別是對(duì)于SNN的質(zhì)疑。這部分內(nèi)容這兩天也引起很大爭(zhēng)議。SNN現(xiàn)在確實(shí)面臨實(shí)用性的問(wèn)題，Neuromorphic的初衷是模仿人腦，但由于我們現(xiàn)在使用的模型太簡(jiǎn)單，這種模型和算法是否是正確路徑確實(shí)還有疑問(wèn)。第二部分，他對(duì)模擬計(jì)算也有一些疑問(wèn)，看起來(lái)也都是老問(wèn)題。我自己沒(méi)有參會(huì)，所以不太清楚他具體的講法是什么。不過(guò)我個(gè)人覺(jué)得模擬計(jì)算還是很有前途的（或者說(shuō)是不得不走的路）。

來(lái)源：ISSCC2019

如果說(shuō)Yann LeCun教授對(duì)AI芯片的新架構(gòu)提出了需求，那么另外一個(gè)推動(dòng)AI芯片技術(shù)進(jìn)步的要素將是底層半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，這也正是ISSCC的重點(diǎn)。從這次會(huì)議來(lái)看，存儲(chǔ)技術(shù)(包括存內(nèi)計(jì)算），模擬計(jì)算，硅光技術(shù)等等，在AI，5G等需求的驅(qū)動(dòng)下都非常活躍。這些技術(shù)和AI芯片的關(guān)系之前都有介紹，本文就不贅述了。

面向機(jī)器學(xué)習(xí)的編譯器

就在ISSCC的同時(shí)，“The International Symposium on Code Generation and Optimization (CGO)”上的“Compilers for Machine Learning” workshop[2]也相當(dāng)熱鬧。我們不妨先看看討論的內(nèi)容：

會(huì)議除了目前三大AI/ML編譯器XLA(Tensorflow)，TVM，Glow(Pytorch)之外；還有Intel的nGraph，PlaidML；Nvidia的TensorRT；Xilinx用于ACAP的編譯器。另外還有大神Chris的talk和其它來(lái)自學(xué)界的講演。會(huì)議大部分Slides在網(wǎng)上都可以看到，這里就不具體介紹了。我在一年前寫(xiě)過(guò)一篇文章“Deep Learning的IR“之爭(zhēng)””，主要討論IR的問(wèn)題，和編譯器也是密切相關(guān)的。到今天，這個(gè)領(lǐng)域確實(shí)也是現(xiàn)在大家競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)焦點(diǎn)。

XLA是比較早提編譯器概念的，但到現(xiàn)在主要還是針對(duì)Google的TPU進(jìn)行優(yōu)化。TVM相當(dāng)活躍，前一段時(shí)間還搞了TVM conference，除了東家Amazon之外，華為，Intel，Xilinx，甚至“競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手” Facebook都有參加。TVM的“野心”也很大，從最早的編譯器已經(jīng)發(fā)展到了TVM Stack（如下圖，和我之前文章里貼的圖已經(jīng)有了很大的變化），從新的IR（Relay），到自動(dòng)編譯優(yōu)化的AutoTVM，到開(kāi)源AI硬件加速器（VTA），開(kāi)了很多有意思的話題。

來(lái)源：tvm.ai

Glow是Pytorch的一部分，在AI編譯器里算后起之秀，吸收了XLA和TVM的經(jīng)驗(yàn)，有自己的特色，目前已經(jīng)有一些廠商站臺(tái)，也比較活躍。

XLA和Glow背后是Google和Facebook，以及相應(yīng)的Learning Framework生態(tài)，TVM有非常活躍的社區(qū)和開(kāi)發(fā)者，它們應(yīng)該是未來(lái)AI編譯器的主要力量。而這些開(kāi)源的編譯器項(xiàng)目，也為各個(gè)做AI芯片的廠商提供了編譯器框架的基礎(chǔ)，大大降低了大家自研編譯器的門(mén)檻。另一類(lèi)編譯器是針對(duì)專(zhuān)門(mén)硬件的，主要是芯片大廠的自研編譯器，比如Nvidia的TensorRT，以及Intel，Xilinx的編譯器。雖然，目前手工優(yōu)化庫(kù)也還是重要的優(yōu)化方式，在一些架構(gòu)上還是比編譯器的結(jié)果好很多，但總的來(lái)說(shuō)，編譯器項(xiàng)目的繁榮，也是AI芯片產(chǎn)業(yè)逐漸成熟的表現(xiàn)。

AI芯片2.0

最后，我們?cè)敿?xì)看看Yann LeCun教授對(duì)未來(lái)AI硬件的預(yù)測(cè)。他的思考主要是從算法演進(jìn)的需求出發(fā)，幾個(gè)重點(diǎn)包括：

Dynamic Networks，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)相關(guān)，會(huì)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)（或者中間結(jié)果）選擇不同的分支和操作。而目前AI加速，特別是對(duì)于Inference的加速，其高效執(zhí)行的一個(gè)前提就是網(wǎng)絡(luò)的確定性（靜態(tài)性），其控制流和數(shù)據(jù)流是可以預(yù)先安排和優(yōu)化好的。動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于把這個(gè)前提打破了，對(duì)架構(gòu)的靈活性有更高的要求，需要在靈活性和高效性之間得找到新的平衡點(diǎn)。

Neural Network on Graphs。目前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理的基本數(shù)據(jù)主要是張量tensor，相應(yīng)的，目前的AI硬件的基本要求是對(duì)tensor運(yùn)算的加速。而對(duì)于圖網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)變成了以tensor為節(jié)點(diǎn)和邊的圖。如果圖網(wǎng)絡(luò)成為主流，則又改變了AI硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)前提。專(zhuān)門(mén)用于圖計(jì)算的芯片已經(jīng)是一個(gè)重要的研究方向，落地的速度估計(jì)還得看算法演講的速度有多快。

Memory-Augmented Networks。這個(gè)主要是對(duì)存儲(chǔ)架構(gòu)的新需求，特別是對(duì)長(zhǎng)期記憶的模擬（在大量存儲(chǔ)中實(shí)現(xiàn)Attention機(jī)制，我在之前的文章里也討論過(guò)）。未來(lái)我們可能需要在大量memory中快速找到關(guān)注的內(nèi)容，這要求存儲(chǔ)器不只像目前一樣實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的存取功能，還需要具備查詢和運(yùn)算能力，比如根據(jù)輸入向量找到一組值；或者一次讀取多個(gè)值，然后和一個(gè)輸入向量做運(yùn)算并輸出結(jié)果。

Complex Inference and Search。這個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在做inference的時(shí)候可能也需要支持反向傳播計(jì)算，這當(dāng)然會(huì)影響目前的單向inference運(yùn)算加速的架構(gòu)。

Sparse Activations。這個(gè)預(yù)測(cè)是說(shuō)未來(lái)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可能是一個(gè)功能非常強(qiáng)大的巨型網(wǎng)絡(luò)，但針對(duì)一個(gè)任務(wù)只需要激活極少一部分（之前Jeff Dean也做過(guò)類(lèi)似預(yù)測(cè)）。這個(gè)問(wèn)題涉及兩個(gè)方面，一是如何利用稀疏性（比如像大腦一樣只有2%激活）；另一個(gè)問(wèn)題在于這個(gè)巨型網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)和運(yùn)算。目前我們還不知道在這個(gè)方向上未來(lái)會(huì)發(fā)展到什么程度，不過(guò)這個(gè)趨勢(shì)可能導(dǎo)致我們必須應(yīng)對(duì)整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)和運(yùn)算架構(gòu)中出現(xiàn)的新的瓶頸問(wèn)題。

當(dāng)然，上述一些算法發(fā)展的趨勢(shì)是Yann LeCun教授的看法，未來(lái)我們還可能看到其它算法上的演進(jìn)甚至變革。芯片設(shè)計(jì)，特別是Domain-specific架構(gòu)的芯片是由該領(lǐng)域的算法驅(qū)動(dòng)的。算法的改變會(huì)影響我們的優(yōu)化策略和trade off的sweet spot。

正如Yann LeCun教授所說(shuō)“New architectural concepts such as dynamic networks, graph data, associative-memory structures, and inference-through-minimization procedures are likely to affect the type of hardware architectures that will be required in the future.”。

第一代AI芯片從2016年開(kāi)始爆發(fā)，到目前在架構(gòu)設(shè)計(jì)上已經(jīng)比較穩(wěn)定，相關(guān)的編譯器的技術(shù)越來(lái)越成熟，整個(gè)產(chǎn)業(yè)格局基本成型。可以說(shuō)，目前的AI芯片軟硬件技術(shù)已經(jīng)為規(guī)模商用做好了準(zhǔn)備（AI芯片0.5）。未來(lái)的一到三年中，我們應(yīng)該可以看到“無(wú)芯片不AI”的景象（AI芯片1.0）。再看更遠(yuǎn)的未來(lái)，隨著算法演進(jìn)，應(yīng)用落地，會(huì)不斷給芯片提出新的要求，加上底層半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，我們可以期待在3到5年內(nèi)看到第二次AI芯片技術(shù)創(chuàng)新的高潮（AI芯片2.0）。