AI芯天下丨加速器墻將成為后摩爾定律的新問題嗎?

"摩爾定律告訴我們晶體管的尺寸會縮小,并且我們可以將更多的晶體管集成在一個特定的區(qū)域中,從而具備更強的處理能力以及更低的成本。50年來,摩爾定律在這個行業(yè)中一直都十分有效,但如今這條定律已經(jīng)很難再維持下去了。摩爾定律是有關(guān)密度微縮的速率,但我們正以一種可預(yù)測的速度走向盡頭,再經(jīng)過幾個世代就會達到實體極限了。"

后摩爾時代的不適應(yīng)性

整整50年來,計算機的底層元件都遵從著摩爾定律:在價格不變的情況下,集成在芯片上的晶體管數(shù)量每隔18到24個月將增加一倍,計算成本呈指數(shù)型下降。摩爾定律成就了各種技術(shù)變革,例如互聯(lián)網(wǎng)、基因組測序等。

然而現(xiàn)在,摩爾定律的趨勢第一次放緩了。芯片行業(yè)進入了一個不確定的時代,在同樣的投入下,收益變得越來越低。芯片制造商面臨的一個經(jīng)濟問題,相比與芯片體積,大多數(shù)人對芯片的價格更敏感,要求芯片要做到經(jīng)濟實用。隨著晶體管尺寸的不斷縮小,我們遇到了原子極限,先前標準、規(guī)則結(jié)構(gòu)的晶體管結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法維系。

發(fā)展決定算力需突飛猛進

在深度學(xué)習(xí)激發(fā)的人工智能熱潮下,AI計算系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化的重要性愈發(fā)明顯。同時算法的發(fā)展對整個計算需求所造成的挑戰(zhàn)會變得更大,提高整個AI計算系統(tǒng)的性能與效率迫在眉睫。

人類的算力需求每3.43個月就會翻倍,每年大約增加10倍,這樣的發(fā)展趨勢將會繼續(xù)。在未來,AI計算系統(tǒng)將要面臨計算平臺優(yōu)化設(shè)計、復(fù)雜異構(gòu)環(huán)境下計算效率、計算框架的高度并行與擴展、AI應(yīng)用計算性能等挑戰(zhàn)。事實證明,我們真正需要的是超過現(xiàn)在100萬倍的計算能力,而不僅僅是幾十倍的增長。

從計算需求來看,AI計算系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化之路似乎任重道遠。因此,推動AI發(fā)展的動力中,算力起到了最為關(guān)鍵的作用。算法是否有創(chuàng)新發(fā)展難以量化跟蹤,而數(shù)據(jù)的巨大體量也難以計算,但算力是可以量化的,雖然使用大量的算力暴露出了當前AI算法不夠高效的問題,但是,重要的技術(shù)突破依然必須在足夠的算力基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)。

目前加速器芯片的類別

①GPU方面,形成了NVIDIA+AMD七三開的市場格局,NVIDIA深度打造應(yīng)用場景生態(tài),構(gòu)建壁壘,而AMD作為同時具備CPU+GPU模塊化能力的廠商,有望在云算力時代顛覆原有服務(wù)器芯片產(chǎn)業(yè)格局,成為最大贏家;

②FPGA方面,技術(shù)壁壘高,多用于軍事領(lǐng)域,美國廠商壟斷市場,國內(nèi)處于漸進式突破階段,份額還非常低;

③ASIC方面對下游細分領(lǐng)域需求量有較高要求,典型如區(qū)塊鏈應(yīng)用,國內(nèi)廠商發(fā)展迅速,ASIC領(lǐng)域是國內(nèi)廠商有望實現(xiàn)彎道超車的較好選擇。

芯片專用化可能起到負面作用

芯片專用化,使得各類原本運行在通用CPU之上的軟件及其內(nèi)部常見算法得以在定制化硬件上帶來更快的處理速度,被認為是摩爾定律失效之后,我們能夠在接下來一到兩代芯片當中繼續(xù)驅(qū)動計算能力保持增長的一種方法。但它不會長時間奏效。根據(jù)行業(yè)專家預(yù)測,芯片專用化不能產(chǎn)生摩爾定律所能產(chǎn)生的那種收益,加速器的發(fā)展速度將放緩,而且這會比預(yù)期的更快發(fā)生。

研究人員評估了特定應(yīng)用集成電路(簡稱ASIC)上的視頻解碼、GPU上的游戲幀速率、FPGA上的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及ASIC上的比特幣采礦。結(jié)果并不令人振奮:專用芯片的增益很大程度上取決于每平方毫米硅上可用晶體管數(shù)量的增加。換句話說,離開了摩爾定律,芯片專用化本身的力量是有限的。

多年來,芯片制造商已經(jīng)使用了各種手段來跟上摩爾定律的步伐,包括增加更多的核心,驅(qū)動芯片內(nèi)部的線程,以及利用各種加速器。然而更快更好的系統(tǒng)不僅需要通過處理器技術(shù)實現(xiàn),還需要通過架構(gòu)來實現(xiàn)。系統(tǒng)架構(gòu)本身也面臨著諸多挑戰(zhàn),特別是功率和密度,這也限制了性能。

加速器芯片使算力時代的高算力需求得以實現(xiàn),云計算服務(wù)器的算力配置模式,將使得CPU+加速器的模塊化能力成為未來主流,加速器芯片的競爭力以及模塊化綜合競爭力成為未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)競爭的重要因素。

后摩爾時代要擺脫慣性束縛

實際上,我們每年都希望電子產(chǎn)品都能遵循這樣的物理定律:人們可以以同樣的價格得到能力更強的更好的產(chǎn)品。因此,當我們說摩爾定律不再適用于我們今天的產(chǎn)業(yè)發(fā)展時,這種影響是十分深遠的。

如果你無法輕松規(guī)劃這些新方法,保持后摩爾定律時代18到24個月的增長率依然是徒勞的。生態(tài)系統(tǒng)中有CPU,但是如果你想利用CPU和其他加速器,你需要開放的方案。有些人采用專門的方案,這很有用,但成本高昂。

要想在后摩爾時代的世界保持繼續(xù)進步,需要半導(dǎo)體行業(yè)與不同的制造商、學(xué)術(shù)界進行工程合作,創(chuàng)造易于編程環(huán)境的開放標準。相信公司可以添加更多晶體管,并能管理成本曲線。將這一切結(jié)合起來,也許它真的能夠促進計算進一步加速。

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2019-02-25
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"摩爾定律告訴我們晶體管的尺寸會縮小,并且我們可以將更多的晶體管集成在一個特定的區(qū)域中,從而具備更強的處理能力以及更低的成本。

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