（文章來源：百家號(hào)）

人工智能芯片目前有兩種發(fā)展路徑：一種是延續(xù)傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，加速硬件計(jì)算能力，主要以 3 種類型的芯片為代表，即 GPU、 FPGA、 ASIC，但 CPU依舊發(fā)揮著不可替代的作用；另一種是顛覆經(jīng)典的馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)，采用類腦神經(jīng)結(jié)構(gòu)來提升計(jì)算能力， 以 IBM TrueNorth 芯片為代表。GPU 作為最早從事并行加速計(jì)算的處理器，相比 CPU 速度快， 同時(shí)比其他加速器芯片編程靈活簡單。

程序在 GPU系統(tǒng)上的運(yùn)行速度相較于單核 CPU往往提升幾十倍乃至上千倍。隨著英偉達(dá)、 AMD 等公司不斷推進(jìn)其對(duì) GPU 大規(guī)模并行架構(gòu)的支持，面向通用計(jì)算的 GPU(即GPGPU， GENERAL PURPOSE GPU，通用計(jì)算圖形處理器)已成為加速可并行應(yīng)用程序的重要手段，GPU 的發(fā)展歷程可分為 3 個(gè)階段：

第一代GPU(1999年以前 ) ， 部分功能從CPU分離 ， 實(shí)現(xiàn)硬件加速 ， 以GE(GEOMETRY ENGINE)為代表，只能起到 3D 圖像處理的加速作用，不具有軟件編程特性。

第二代 GPU(1999-2005 年)， 實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的硬件加速和有限的編程性。1999年，英偉達(dá)發(fā)布了“專為執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)和幾何計(jì)算的” GeForce256 圖像處理芯片，將更多的晶體管用作執(zhí)行單元， 而不是像 CPU 那樣用作復(fù)雜的控制單元和緩存，將 T&L (TRANSFORM AND LIGHTING) 等功能從 CPU 分離出來，實(shí)現(xiàn)了快速變換，這成為 GPU 真正出現(xiàn)的標(biāo)志。

之后幾年， GPU 技術(shù)快速發(fā)展，運(yùn)算速度迅速超過 CPU。2001 年英偉達(dá)和 ATI 分別推出的GEFORCE3 和 RADEON 8500，圖形硬件的流水線被定義為流處理器，出現(xiàn)了頂點(diǎn)級(jí)可編程性，同時(shí)像素級(jí)也具有有限的編程性，但 GPU 的整體編程性仍然比較有限。

第三代 GPU(2006年以后)， GPU實(shí)現(xiàn)方便的編程環(huán)境創(chuàng)建， 可以直接編寫程序。2006年英偉達(dá)與 ATI分別推出了 CUDA (Compute United Device Architecture，計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu))編程環(huán)境和 CTM(CLOSE TO THE METAL)編程環(huán)境， 使得 GPU 打破圖形語言的局限成為真正的并行數(shù)據(jù)處理超級(jí)加速器。

2008年，蘋果公司提出一個(gè)通用的并行計(jì)算編程平臺(tái) OPENCL（OPEN COMPUTING LANGUAGE，開放運(yùn)算語言），與CUDA綁定在英偉達(dá)的顯卡上不同，OPENCL 和具體的計(jì)算設(shè)備無關(guān)。

目前， GPU 已經(jīng)發(fā)展到較為成熟的階段。谷歌、 FACEBOOK、微軟、 TWITTER 和百度等公司都在使用 GPU 分析圖片、視頻和音頻文件，以改進(jìn)搜索和圖像標(biāo)簽等應(yīng)用功能。此外，很多汽車生產(chǎn)商也在使用 GPU 芯片發(fā)展無人駕駛。不僅如此， GPU 也被應(yīng)用于VR/AR 相關(guān)的產(chǎn)業(yè)。

但是 GPU也有一定的局限性。深度學(xué)習(xí)算法分為訓(xùn)練和推斷兩部分， GPU 平臺(tái)在算法訓(xùn)練上非常高效。但在推斷中對(duì)于單項(xiàng)輸入進(jìn)行處理的時(shí)候，并行計(jì)算的優(yōu)勢(shì)不能完全發(fā)揮出來。

FPGA 是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。用戶可以通過燒入 FPGA 配置文件來定義這些門電路以及存儲(chǔ)器之間的連線。這種燒入不是一次性的，比如用戶可以把 FPGA 配置成一個(gè)微控制器 MCU，使用完畢后可以編輯配置文件把同一個(gè)FPGA 配置成一個(gè)音頻編解碼器。因此， 它既解決了定制電路靈活性的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

FPGA 可同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)并行和任務(wù)并行計(jì)算，在處理特定應(yīng)用時(shí)有更加明顯的效率提升。對(duì)于某個(gè)特定運(yùn)算，通用 CPU 可能需要多個(gè)時(shí)鐘周期；而 FPGA 可以通過編程重組電路，直接生成專用電路，僅消耗少量甚至一次時(shí)鐘周期就可完成運(yùn)算。

此外，由于 FPGA的靈活性，很多使用通用處理器或 ASIC難以實(shí)現(xiàn)的底層硬件控制操作技術(shù)， 利用 FPGA 可以很方便的實(shí)現(xiàn)。這個(gè)特性為算法的功能實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化留出了更大空間。同時(shí) FPGA 一次性成本(光刻掩模制作成本)遠(yuǎn)低于 ASIC，在芯片需求還未成規(guī)模、深度學(xué)習(xí)算法暫未穩(wěn)定， 需要不斷迭代改進(jìn)的情況下，利用 FPGA 芯片具備可重構(gòu)的特性來實(shí)現(xiàn)半定制的人工智能芯片是最佳選擇之一。

功耗方面，從體系結(jié)構(gòu)而言， FPGA 也具有天生的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的馮氏結(jié)構(gòu)中，執(zhí)行單元(如 CPU 核)執(zhí)行任意指令，都需要有指令存儲(chǔ)器、譯碼器、各種指令的運(yùn)算器及分支跳轉(zhuǎn)處理邏輯參與運(yùn)行， 而 FPGA 每個(gè)邏輯單元的功能在重編程（即燒入）時(shí)就已經(jīng)確定，不需要指令，無需共享內(nèi)存，從而可以極大的降低單位執(zhí)行的功耗，提高整體的能耗比。

目前以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能計(jì)算需求，主要采用 GPU、 FPGA 等已有的適合并行計(jì)算的通用芯片來實(shí)現(xiàn)加速。在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用沒有大規(guī)模興起之時(shí)，使用這類已有的通用芯片可以避免專門研發(fā)定制芯片(ASIC)的高投入和高風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于這類通用芯片設(shè)計(jì)初衷并非專門針對(duì)深度學(xué)習(xí)，因而天然存在性能、 功耗等方面的局限性。隨著人工智能應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大，這類問題日益突顯。

深度學(xué)習(xí)算法穩(wěn)定后， AI 芯片可采用 ASIC 設(shè)計(jì)方法進(jìn)行全定制， 使性能、功耗和面積等指標(biāo)面向深度學(xué)習(xí)算法做到最優(yōu)。

（責(zé)任編輯：fqj）