人工智能的崛起有三個(gè)基本要素：算法、數(shù)據(jù)和算力。當(dāng)云計(jì)算廣泛應(yīng)用，深度學(xué)習(xí)成為當(dāng)下AI研究和運(yùn)用的主流方式時(shí)，AI對(duì)算力的要求正快速提升。對(duì)AI芯片的持續(xù)深耕，就是對(duì)算力的不懈追求。近日，亞馬遜一年一度的、神秘的 MARS 大會(huì)在加利福尼亞州棕櫚泉市如期舉行。
亞馬遜 MARS 大會(huì)是一個(gè)只有受邀才能參加的高端會(huì)議，在棕櫚泉市這個(gè)奢華的度假勝地，你能看到大量機(jī)器人或漫步或飛行，并有機(jī)會(huì)與眾多著名科學(xué)家和科幻作家們交流。大會(huì)上，只有少數(shù)研究人員會(huì)被邀請(qǐng)來(lái)做技術(shù)講座，這些講座既令人敬η，又發(fā)人深省。與此同時(shí)，與會(huì)者中有大約 100 名世界上最重要的研究人員、CEO 和企業(yè)家。MARS 大會(huì)的東道主不是別人，正是現(xiàn)場(chǎng)坐在前排的亞馬遜創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)杰夫·貝佐斯。
MARS 大會(huì)的目的是展示機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)化、機(jī)器人和太空領(lǐng)域中最新和最古怪的技術(shù)，因此以火星命名(MARS 4個(gè)字母分別代表：Machine Learning 機(jī)器學(xué)習(xí)、Home Automation 家庭自動(dòng)化、Robotics 機(jī)器人、Space Exploration 太空探索 )，也是貝索斯對(duì)尖端科技的熱情展示。
而在今年的大會(huì)上，一款人工智能芯片的亮相引起了我們的注意。這款芯片由麻省理工學(xué)院的 Vivienne Sze 和她的同事共同打造。在當(dāng)時(shí)的 MARS 大會(huì)上，其他的演講者介紹了“空手?jǐn)嗄尽睓C(jī)器人、像昆蟲一樣無(wú)聲飛行的無(wú)人機(jī)，甚至還有火星殖民地的藍(lán)圖，Sze 的演講可能看起來(lái)更中規(guī)中矩。在普通人看來(lái)，Sze 展示的芯片與其他任何電子設(shè)備中都能找到的芯片?有什?區(qū)別。但是，它們比大會(huì)上展示的所有東西都重要得多。
對(duì) Vivienne Sze 來(lái)說(shuō)，她在 MARS 舞臺(tái)上發(fā)表了一場(chǎng)或許是她職業(yè)生涯中最傷腦筋的演講。
其實(shí)，她對(duì)這個(gè)項(xiàng)目了如指掌。她在麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室里開發(fā)的芯片，有望將強(qiáng)大的人工智能帶到許多終端硬件設(shè)備上，并超出大多數(shù)大型人工智能數(shù)據(jù)計(jì)算中心的能力范Χ。然而，演講和觀眾的熱情表現(xiàn)讓 Sze 始料δ及。Sze 笑著回憶道：“我想你會(huì)說(shuō)，那是一群水平相當(dāng)高的觀眾”。
邊緣計(jì)算讓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)走向定制芯片
近年來(lái)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流行讓我們迎來(lái)了自動(dòng)駕駛、語(yǔ)音識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺和自動(dòng)翻譯等領(lǐng)域一系列的突破和進(jìn)展，但也將其消耗大量?jī)?nèi)存和能源的缺點(diǎn)暴?無(wú)遺。盡管現(xiàn)在我們還能靠云端服務(wù)器支撐運(yùn)算，但是這不會(huì)是 AI 走向大范Χ應(yīng)用的長(zhǎng)遠(yuǎn)之計(jì)。
現(xiàn)在，簡(jiǎn)單的人工智能芯片已經(jīng)產(chǎn)生了重大影響。高端智能手機(jī)已經(jīng)在使用為運(yùn)行圖像和語(yǔ)音識(shí)別的深度學(xué)習(xí)算法而優(yōu)化的芯片。與之相比，更高效的芯片可以讓這些設(shè)備運(yùn)行功能更強(qiáng)大的人工智能代碼。自動(dòng)駕駛汽車也需要強(qiáng)大的人工智能芯片，因?yàn)槟壳按蠖鄶?shù)汽車都依賴于大型計(jì)算機(jī)。
為改變這些現(xiàn)狀，身為 MIT 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)副教授的 Sze，一直在研發(fā)新的適用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高能效計(jì)算機(jī)芯片，這種芯片可使人工智能系統(tǒng)在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行本地運(yùn)行。
Sze 的芯片叫做Eyeriss。它是 Sze 與英偉達(dá)研究科學(xué)家、麻省理工學(xué)院教授 Joel Emer 合作開發(fā)的。該芯片與許多標(biāo)準(zhǔn)處理器一起進(jìn)行了測(cè)試，以了解它如何處理一系列不同的深度學(xué)習(xí)算法。根據(jù)去年網(wǎng)上發(fā)表的一篇論文，綜合效率和靈活性，新芯片的性能比現(xiàn)有硬件高出 10 倍，甚至 1000 倍。
具體而言，Eyeriss 是一個(gè)高效能的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)加速器硬件，能夠讓移動(dòng)設(shè)備執(zhí)行自然語(yǔ)言處理和面部識(shí)別等任務(wù)，而無(wú)需連接至互聯(lián)網(wǎng)。顯然，這是讓機(jī)器學(xué)習(xí)變得更加便攜的嘗試。換言之，借助 Eyeriss，智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、自動(dòng)駕駛汽車、以及其它物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，都能夠在本地處理復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)任務(wù)。
這點(diǎn)在此前一直非常難以做到，因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)依賴于大規(guī)模的計(jì)算機(jī)處理性能，而 GPU 加速就是比較常見的一種方式。盡管 GPU 能夠勝任此工作，但它也有一個(gè)最大的缺點(diǎn)——費(fèi)電。而 Eyeriss 也比起現(xiàn)有的圖形處理器 GPUs 更加高效。
目前，Eyeriss 也得到了美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Darpa)的資助。
芯片開發(fā)新挑戰(zhàn)
對(duì)于這款芯片，英特爾人工智能產(chǎn)品集團(tuán)副總裁 Naveen Rao 認(rèn)為，MIT 的芯片很有前途，但是決定一個(gè)新的硬件架構(gòu)能否成功有很多因素。他說(shuō)，最重要的因素之一是軟件開發(fā)，“從編譯器的角度來(lái)看，使某些東西可用可能是使用它的最大障礙?！?/p>
他也表示:“人工智能將無(wú)處不在，而找出提高產(chǎn)品能效的方法將極其重要。”
例如，Sze 的硬件效率更高，部分原因是它在物理上解決了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析之間的瓶頸，還因?yàn)樗褂昧酥赜脭?shù)據(jù)的巧妙方案。在加入麻省理工學(xué)院之前，Sze 為一家公司開創(chuàng)了這種提高視頻壓縮效率的方法。
事實(shí)上，Sze 的實(shí)驗(yàn)室也還在探索設(shè)計(jì)軟件的方法，以便更好地利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)芯片的特性，這不僅僅是深度學(xué)習(xí)方面的工作。
Sze 也與麻省理工學(xué)院航空航天系的 Sertac Karaman 合作，開發(fā)了一種名為 Navion 的低功耗芯片，它可以在小型無(wú)人機(jī)上非常高效地進(jìn)行三維測(cè)繪和導(dǎo)航。這項(xiàng)工作的關(guān)鍵是利用以導(dǎo)航為重點(diǎn)的算法精心設(shè)計(jì)芯片，并設(shè)計(jì)算法來(lái)充分利用這款定制芯片。和深度學(xué)習(xí)一樣，Navion 反映了人工智能軟件和硬件開始在共生中進(jìn)化的過(guò)程。
在 MARS 大會(huì)上，Sze 的芯片可能不像無(wú)人機(jī)那樣吸引眼球，但它們?cè)诖髸?huì)上展出的事實(shí)，讓人們多少意識(shí)到她的技術(shù)，以及更廣泛意義上的硅芯片創(chuàng)新對(duì)人工智能的δ來(lái)有多?重要。Sze 說(shuō)，在她的演講之后，其他一些演講者表示有興趣了解更多?！叭藗儼l(fā)現(xiàn)了很多重要的用例?！?/p>
這些新設(shè)計(jì)的芯片，例如 Sze 實(shí)驗(yàn)室正在開發(fā)的芯片，可能對(duì)δ來(lái)人工智能的發(fā)展至關(guān)重要。到目前為止，人工智能算法主要運(yùn)行在圖形處理芯片上，但新的硬件可以讓人工智能算法更強(qiáng)大，從而解鎖新的應(yīng)用方向。例如，新的人工智能芯片可以讓倉(cāng)庫(kù)機(jī)器人變得更加普遍，或者讓智能手機(jī)創(chuàng)造出逼真的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。
Sze 的芯片在設(shè)計(jì)上非常高效和靈活，這對(duì)于人工智能這一發(fā)展極其迅速的領(lǐng)域來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。現(xiàn)在，Sze 和同事還試圖從另一個(gè)方向解決相關(guān)的能耗問(wèn)題，如運(yùn)用電池技術(shù)設(shè)計(jì)更節(jié)能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
Sze 認(rèn)為，真正的機(jī)會(huì)不是制造最強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí)芯片，電池效率也很重要，人工智能還需要在大型數(shù)據(jù)中心無(wú)法達(dá)到的地方運(yùn)行，這意ζ著只能依靠設(shè)備本身的電池來(lái)運(yùn)行。
依然火熱的 AI 芯片創(chuàng)業(yè)潮
現(xiàn)在，摩爾定律越來(lái)越多地遇到由原子級(jí)工程組件所帶來(lái)的物理極限。它也激發(fā)了人們新的對(duì)其他替代結(jié)構(gòu)和計(jì)算方法的興趣。
美國(guó)政府并?有忽視投資下一代人工智能芯片、保持美國(guó)在芯片制造領(lǐng)域的總體主導(dǎo)地λ所帶來(lái)的高風(fēng)險(xiǎn)。正如上文提到，Sze 的芯片研發(fā)受到了 DARPA 資助，而除了這一項(xiàng)目以外，DARPA 也還資助了其他一些旨在幫助設(shè)計(jì)開發(fā)新人工智能芯片的項(xiàng)目。
需要強(qiáng)調(diào)的是，芯片制造領(lǐng)域的創(chuàng)新主要是由深度學(xué)習(xí)推動(dòng)的。深度學(xué)習(xí)是一種非常強(qiáng)大的可以讓計(jì)算機(jī)執(zhí)行某些任務(wù)的學(xué)習(xí)方式。有了深度學(xué)習(xí)算法，不需要給計(jì)算機(jī)制定所ν的規(guī)則：在大型的模擬人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸入訓(xùn)練數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，使其產(chǎn)生預(yù)期的結(jié)果。經(jīng)過(guò)足夠的訓(xùn)練，深度學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以在數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)細(xì)微和抽象的模式。從智能手機(jī)的人臉識(shí)別到醫(yī)學(xué)圖像預(yù)測(cè)疾病，這項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越多的被應(yīng)用到實(shí)際任務(wù)中。
但是，深度學(xué)習(xí)并不那?符合摩爾定律。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以同時(shí)運(yùn)行許多數(shù)學(xué)計(jì)算，因此它們?cè)谔幚?3D 圖像的視頻游戲圖形芯片上運(yùn)行得更有效，專門為支持深度學(xué)習(xí)算法而設(shè)計(jì)的芯片則更強(qiáng)大。
正因?yàn)樾滦酒軜?gòu)改善人工智能的潛力，芯片行業(yè)幾十年來(lái)從δ出現(xiàn)的創(chuàng)業(yè)熱得以激發(fā)。
對(duì)于像深度學(xué)習(xí)這樣快速發(fā)展的領(lǐng)域，人工智能芯片的工作人員面臨的挑戰(zhàn)是，確保芯片足夠靈活，能夠適應(yīng)任何應(yīng)用程序。設(shè)計(jì)一個(gè)只做一件事的超級(jí)高效芯片很容易，但這樣的產(chǎn)品很快就會(huì)過(guò)時(shí)。
目前的人工智能算法可以說(shuō)已經(jīng)改變世界了，然而這些芯片的設(shè)計(jì)，還能從深度學(xué)習(xí)人工智能算法中挖掘出更多東西。在這個(gè)過(guò)程中，它們可能會(huì)激發(fā)這些算法本身的進(jìn)化。Sze 說(shuō)，“我們需要開發(fā)新的硬件，因?yàn)槟柖梢呀?jīng)放慢了速度”。
包括谷歌、微軟和亞馬遜在內(nèi)的大型科技公司，都在開發(fā)自己的深度學(xué)習(xí)芯片，希望利用和商業(yè)化人工智能。許多小型初創(chuàng)公司也在開發(fā)新的芯片。
正如分析公司 Linley Group 的芯片分析師 Mike Delmer 表示，“我們已無(wú)法跟蹤所有進(jìn)入人工智能芯片領(lǐng)域的公司，我不是在開玩笑，我們幾乎?周都要認(rèn)識(shí)一個(gè)新的公司?！?/p>
換句話說(shuō)，下一屆 MARS 大會(huì)上引人注目的機(jī)器人和無(wú)人機(jī)上，我們可能看到這些機(jī)器終端用上一些相當(dāng)特別的芯片