人工智能芯片行業(yè)技術(shù)發(fā)展分析

隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，計(jì)算能力的提升，人工智能近兩年迎來(lái)了新一輪的爆發(fā)。而人工智能的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)三個(gè)要素：算法是核心，硬件和數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，芯片就是硬件的最重要組成部分。它其實(shí)包括兩個(gè)計(jì)算過(guò)程：1、訓(xùn)練(Train);2、應(yīng)用(Inference)。

為什么需要人工智能芯片?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用的不斷發(fā)展，使得傳統(tǒng)的 CPU 已經(jīng)無(wú)法負(fù)擔(dān)幾何級(jí)增長(zhǎng)的計(jì)算量。深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)的分支，是當(dāng)前人工智能研究的主流方式。簡(jiǎn)單說(shuō)就是用數(shù)學(xué)方法模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器來(lái)模擬人腦學(xué)習(xí)過(guò)程，其本質(zhì)是把傳統(tǒng)算法問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)和計(jì)算問(wèn)題。所以對(duì)底層基礎(chǔ)芯片的要求也發(fā)生了根本性改變：人工智能芯片的設(shè)計(jì)目的不是為了執(zhí)行指令，而是為了大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練和應(yīng)用的計(jì)算。

目前適合深度學(xué)習(xí)的人工智能芯片主要有GPU、FPGA、ASIC三種技術(shù)路線。三類(lèi)芯片代表分別有英偉達(dá)(NVIDIA)的Tesla系列GPU、賽靈思(Xilinx)的FPGA和Google的TPU。GPU 最先被引入深度學(xué)習(xí)，技術(shù)最為成熟;FPGA具有硬件可編程特點(diǎn)，性能出眾但壁壘高。ASCI 由于可定制、低成本是未來(lái)終端應(yīng)用的趨勢(shì)。

1、DPU

GPU使用SIMD(單指令多數(shù)據(jù)流)來(lái)讓多個(gè)執(zhí)行單元以同樣的步伐來(lái)處理不同的數(shù)據(jù)，原本用于處理圖像數(shù)據(jù)，但其離散化和分布式的特征，以及用矩陣運(yùn)算替代布爾運(yùn)算適合處理深度學(xué)習(xí)所需要的非線性離散數(shù)據(jù)。作為加速器的使用，可以實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)算法。

GPU由并行計(jì)算單元和控制單元以及存儲(chǔ)單元構(gòu)成GPU擁有大量的核(多達(dá)幾千個(gè)核)和大量的高速內(nèi)存，擅長(zhǎng)做類(lèi)似圖像處理的并行計(jì)算，以矩陣的分布式形式來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。同CPU不同的是，GPU的計(jì)算單元明顯增多，特別適合大規(guī)模并行計(jì)算。

2、FPGA

FPGA是用于解決專(zhuān)用集成電路的一種方案。專(zhuān)用集成電路是為特定用戶(hù)或特定電子系統(tǒng)制作的集成電路。人工智能算法所需要的復(fù)雜并行電路的設(shè)計(jì)思路適合用FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA計(jì)算芯片布滿(mǎn)“邏輯單元陣列”，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊，輸入輸出模塊和內(nèi)部連線三個(gè)部分，相互之間既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的獨(dú)立基本邏輯單元。

FPGA相對(duì)于CPU與GPU有明顯的能耗優(yōu)勢(shì)，主要有兩個(gè)原因。首先，在FPGA中沒(méi)有取指令與指令譯碼操作，在Intel的CPU里面，由于使用的是CISC架構(gòu)，僅僅譯碼就占整個(gè)芯片能耗的50%;在GPU里面，取指令與譯碼也消耗了10%～20%的能耗。其次，F(xiàn)PGA的主頻比CPU與GPU低很多，通常CPU與GPU都在1GHz到3GHz之間，而FPGA的主頻一般在500MHz以下。如此大的頻率差使得FPGA消耗的能耗遠(yuǎn)低于CPU與GPU。

3、ASIC

ASIC(專(zhuān)用定制芯片)是為實(shí)現(xiàn)特定要求而定制的芯片，具有功耗低、可靠性高、性能高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，但不可編程，可擴(kuò)展性不及FPGA，尤其適合高性能/低功耗的移動(dòng)端。

目前，VPU和TPU都是基于ASIC架構(gòu)的設(shè)計(jì)。針對(duì)圖像和語(yǔ)音這兩方面的人工智能定制芯片，目前主要有專(zhuān)用于圖像處理的VPU，以及針對(duì)語(yǔ)音識(shí)別的FAGA和TPU芯片。

人工智能芯片發(fā)展作用及意義

就目前人工智能主要發(fā)展方向來(lái)看，可投資的垂直細(xì)分領(lǐng)域主要包括，機(jī)器人芯片研發(fā)、智能視覺(jué)、自然語(yǔ)言理解和開(kāi)放知識(shí)圖譜、人工智能教育、圍棋AI、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人系統(tǒng)方案、體感人機(jī)交互、智能投顧、智能視覺(jué)等。而所有細(xì)分領(lǐng)域中，核心專(zhuān)用芯片是人工智能時(shí)代的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。

圖形處理器(GPU)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)是目前軟件企業(yè)采取的主流方案。例如，百度機(jī)器學(xué)習(xí)硬件系統(tǒng)就是用FPGA搭建了一款A(yù)I專(zhuān)用芯片，并已大規(guī)模應(yīng)用于語(yǔ)音識(shí)別、廣告點(diǎn)擊率預(yù)估模型等。專(zhuān)家表示，作為人工智能產(chǎn)業(yè)的最上游，智能芯片目前應(yīng)用尚處初級(jí)階段，遠(yuǎn)未達(dá)到期待，需進(jìn)一步加大研發(fā)力度。

但其實(shí)除了關(guān)注芯片外，人工智能與各個(gè)領(lǐng)域的結(jié)合都蘊(yùn)藏著巨大的機(jī)會(huì)，各行業(yè)都應(yīng)搭乘人工智能快車(chē)謀求更好發(fā)展。而人工智能 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)碰撞出的化學(xué)反應(yīng)可能呈現(xiàn)兩種情況，一是人工智能將取代很多簡(jiǎn)單的腦力勞動(dòng)，二是人工智能與各行各業(yè)深度融合，對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，讓移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)從“提升效率”向“重構(gòu)產(chǎn)業(yè)”的質(zhì)變。

圖表：2019-2022年人工智能芯片市場(chǎng)規(guī)模

欲了解更多行業(yè)的未來(lái)發(fā)展前景，可以點(diǎn)擊查看中研普華產(chǎn)業(yè)院研究報(bào)告《2024-2030年中國(guó)人工智能行業(yè)發(fā)展前景及投資戰(zhàn)略分析報(bào)告》。