深度學(xué)習(xí)全稱深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，本質(zhì)上是多層次的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，即模仿人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從最基本的單元上模擬了人類大腦的運(yùn)行機(jī)制。近年來(lái)，其所取得的前所未有的突破掀起了人工智能新一輪的發(fā)展熱潮。

最早的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的思想起源于 1943 年的 MCP 人工神經(jīng)元模型，當(dāng)時(shí)是希望能夠用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的神經(jīng)元反應(yīng)的過(guò)程，但直到最近，它才真正讓人工智能火起來(lái)。主要原因在于：算法的突破、數(shù)據(jù)量的激增和計(jì)算機(jī)能力/成本的下降。其中計(jì)算能力的提升的作為人工智能實(shí)現(xiàn)的物理基礎(chǔ)，對(duì)人工智能發(fā)展的意義不言而喻。

本文我們就來(lái)分析目前主流的深度學(xué)習(xí)芯片的優(yōu)缺點(diǎn)。

CPU 不適合深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)計(jì)算模式最大的區(qū)別就是不需要編程，它是從輸入的大量數(shù)據(jù)中自發(fā)地總結(jié)出規(guī)律，而傳統(tǒng)計(jì)算模式更多都需要人為提取所需解決問(wèn)題的特征或者總結(jié)規(guī)律來(lái)進(jìn)行編程。也正因?yàn)槿绱?，深度學(xué)習(xí)對(duì)計(jì)算能力要求非常高，以至于有人將深度學(xué)習(xí)稱之為“暴力計(jì)算”。

因此，傳統(tǒng)的 CPU 并不適用于深度學(xué)習(xí)。

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)上來(lái)看，CPU 中 70%晶體管都是用來(lái)構(gòu)建 Cache(高速緩沖存儲(chǔ)器)和一部分控制單元，負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算的部分(ALU 模塊)并不多。控制單元等模塊的存在都是為了保證指令能夠一條接一條的有序執(zhí)行。

這種通用性結(jié)構(gòu)對(duì)于傳統(tǒng)的編程計(jì)算模式非常適合，但對(duì)于并不需要太多的程序指令，卻需要海量數(shù)據(jù)運(yùn)算的深度學(xué)習(xí)的計(jì)算需求，這種結(jié)構(gòu)就顯得有心無(wú)力了。

GPU 深度學(xué)習(xí)主流芯片

與 CPU 少量的邏輯運(yùn)算單元相比，GPU 整個(gè)就是一個(gè)龐大的計(jì)算矩陣，GPU 具有數(shù)以千計(jì)的計(jì)算核心、可實(shí)現(xiàn) 10-100 倍應(yīng)用吞吐量，而且它還支持對(duì)深度學(xué)習(xí)至關(guān)重要的并行計(jì)算能力，可以比傳統(tǒng)處理器更加快速，大大加快了訓(xùn)練過(guò)程。GPU 是目前最普遍采用的深度學(xué)習(xí)運(yùn)算單元之一。

目前，谷歌、Facebook、微軟、Twitter 和百度等互聯(lián)網(wǎng)巨頭，都在使用 GPU 作為其深度學(xué)習(xí)載體，讓服務(wù)器學(xué)習(xí)海量的照片、視頻、聲音文檔，以及社交媒體上的信息，來(lái)改善搜索和自動(dòng)化照片標(biāo)記等各種各樣的軟件功能。而某些汽車制造商也在利用這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)人駕駛汽車。

不過(guò)，由于 GPU 的設(shè)計(jì)初衷是為了應(yīng)對(duì)圖像處理中需要大規(guī)模并行計(jì)算。因此，根據(jù)樂(lè)晴智庫(kù)介紹，其在應(yīng)用于深度學(xué)習(xí)算法時(shí)有數(shù)個(gè)方面的局限性：

第一， 應(yīng)用過(guò)程中無(wú)法充分發(fā)揮并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)。深度學(xué)習(xí)包含訓(xùn)練和應(yīng)用兩個(gè)計(jì)算環(huán)節(jié)，GPU 在深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練上非常高效，但在應(yīng)用時(shí)一次性只能對(duì)于一張輸入圖像進(jìn)行處理， 并行度的優(yōu)勢(shì)不能完全發(fā)揮。

第二， 硬件結(jié)構(gòu)固定不具備可編程性。深度學(xué)習(xí)算法還未完全穩(wěn)定，若深度學(xué)習(xí)算法發(fā)生大的變化，GPU 無(wú)法靈活的配置硬件結(jié)構(gòu)。

另外，在能耗上面，雖然 GPU 要好于 CPU，但其能耗仍舊很大。

備受看好的 FPGA

FPGA，即現(xiàn)場(chǎng)可編輯門陣列，是一種新型的可編程邏輯器件，由于其具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。

FPGA 作為人工智能深度學(xué)習(xí)方面的計(jì)算工具，主要原因就在于其本身特性：可編程專用性，高性能，低功耗。

北京大學(xué)與加州大學(xué)的一個(gè)關(guān)于 FPGA 加速深度學(xué)習(xí)算法的合作研究。展示了 FPGA 與 CPU 在執(zhí)行深度學(xué)習(xí)算法時(shí)的耗時(shí)對(duì)比。在運(yùn)行一次迭代時(shí)，使用 CPU 耗時(shí) 375 毫秒，而使用 FPGA 只耗時(shí) 21 毫秒，取得了 18 倍左右的加速比。

根據(jù)瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院 (ETHZurich) 研究發(fā)現(xiàn)，基于 FPGA 的應(yīng)用加速比 CPU/GPU 方案，單位功耗性能可提升 25 倍，而時(shí)延則縮短了 50 到 75 倍，與此同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)出色的 I/O 集成。而微軟的研究也表明，F(xiàn)PGA 的單位功耗性能是 GPU 的 10 倍以上，由多個(gè) FPGA 組成的集群能達(dá)到 GPU 的圖像處理能力并保持低功耗的特點(diǎn)。

根據(jù)英特爾預(yù)計(jì)，到 2020 年，將有 1/3 的云數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)采用 FPGA 技術(shù)。

不可估量的 ASIC

ASIC(Application Specific Integrated Circuits，專用集成電路)，是指應(yīng)特定用戶要求或特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC 用于專門的任務(wù)，比如去除噪聲的電路，播放視頻的電路，但是 ASIC 明顯的短板是不可更改任務(wù)。但與通用集成電路相比，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)越性：體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低。

從算力上來(lái)說(shuō)，ASIC 產(chǎn)品的計(jì)算能力是 GK210 的 2.5 倍。功耗上，ASIC 功耗做到了 GK210 的 1/15。

當(dāng)然 ASIC 是能效最高的，但目前，都在早期階段，算法變化各異。想搞一款通用的 ASIC 適配多種場(chǎng)景，還是有很多路需要走的。但從比特幣挖礦機(jī)經(jīng)歷的從 CPU、GPU、FPGA 到最后 ASIC 的四個(gè)階段來(lái)推論，ASIC 將是人工智能發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。另外，在通信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 曾經(jīng)也是風(fēng)靡一時(shí)，但是隨著 ASIC 的不斷發(fā)展和蠶食，F(xiàn)PGA 的份額和市場(chǎng)空間已經(jīng)岌岌可危。

據(jù)了解，谷歌最近曝光的專用于人工智能深度學(xué)習(xí)計(jì)算的 TPU，其實(shí)也是一款 ASIC。

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