芯片給AI裝上“超級(jí)引擎”

美國(guó)開(kāi)放人工智能研究中心（OpenAI）首席執(zhí)行官山姆·奧特曼等人認(rèn)為，人工智能（AI）將從根本上改變世界經(jīng)濟(jì)，擁有強(qiáng)大的計(jì)算芯片供應(yīng)能力至關(guān)重要。芯片是推動(dòng)AI行業(yè)發(fā)展的重要因素，其性能和運(yùn)算能力直接影響著AI技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用前景。

英國(guó)《自然》雜志網(wǎng)站在近日的報(bào)道中指出，工程師正競(jìng)相開(kāi)發(fā)包括圖形處理單元（GPU）等在內(nèi)的芯片，以滿(mǎn)足未來(lái)AI的計(jì)算需求。

GPU加快機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算速度

GPU是英偉達(dá)公司標(biāo)志性的計(jì)算機(jī)芯片。傳統(tǒng)中央處理單元（CPU）按順序處理指令，而GPU可并行處理更多指令，因此可分布式訓(xùn)練程序，從而大大加快機(jī)器學(xué)習(xí)的運(yùn)算速度。

2022年，英偉達(dá)公司Hopper超級(jí)芯片在MLPerf上擊敗了包括圖像分類(lèi)和語(yǔ)音識(shí)別在內(nèi)所有類(lèi)別的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。MLPerf是國(guó)際上權(quán)威、有影響力的AI基準(zhǔn)測(cè)試之一，被譽(yù)為“AI界奧運(yùn)會(huì)”。

今年3月，英偉達(dá)正式展示了性能更優(yōu)異的新一代AI芯片Blackwell。它擁有2080億個(gè)晶體管，是英偉達(dá)首采用多芯片封裝設(shè)計(jì)的GPU。隨著技術(shù)發(fā)展，GPU變得越來(lái)越大，如果不能更大，就把更多GPU組合在一起，變成更大的虛擬GPU。Blackwell就是在同一個(gè)芯片上集成了兩個(gè)GPU，新架構(gòu)將通過(guò)芯片與芯片間的連接技術(shù)，一步步構(gòu)建出更大型AI超算集群。

如果要訓(xùn)練一個(gè)擁有1.8萬(wàn)億個(gè)參數(shù)的GPT模型，需要8000塊Hopper芯片，耗能15兆瓦，歷時(shí)3個(gè)月。如果使用Blackwell芯片，只需2000塊，耗能4兆瓦，就能在同樣的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。

AI芯片市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，英偉達(dá)目前供應(yīng)了其中80%以上的產(chǎn)品。2023年，該公司售出55萬(wàn)塊Hopper芯片。近日，該公司市值首突破3萬(wàn)億美元，超越蘋(píng)果，僅次于微軟，成為全球市值第二高的公司。

多種芯片競(jìng)相涌現(xiàn)

盡管GPU一直是AI革命的核心，但它們并非是“主角”。隨著AI應(yīng)用的激增，AI芯片的種類(lèi)也在激增，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）可謂“一枝獨(dú)秀”。

FPGA是一種在計(jì)算和數(shù)字電路領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的硬件設(shè)備。它以獨(dú)特的可編程性和靈活性，成為嵌入式系統(tǒng)、高性能計(jì)算處理等多種應(yīng)用的理想選擇。

這就像搭建樂(lè)高積木，工程師可將FPGA電路一個(gè)接一個(gè)地構(gòu)建到他們能想象的任何設(shè)計(jì)中，無(wú)論是洗衣機(jī)傳感器還是用于引導(dǎo)自動(dòng)駕駛汽車(chē)的AI。不過(guò)，與擁有不可調(diào)節(jié)電路的AI芯片（如GPU）相比，F(xiàn)PGA運(yùn)行速度相對(duì)更慢、效率更低。但FPGA對(duì)處理某些任務(wù)（如粒子對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)）很有用。英偉達(dá)加速計(jì)算集團(tuán)產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)戴維·薩爾瓦托指出，F(xiàn)PGA的易編程性也對(duì)原型設(shè)計(jì)很有幫助。

張量處理單元（TPU）則是谷歌公司專(zhuān)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機(jī)器學(xué)習(xí)而定制的芯片，旨在執(zhí)行矩陣計(jì)算和張量操作。TPU作為谷歌深度學(xué)習(xí)框架TensorFlow的加速器于2016年首推出，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供低功耗、高效能的矩陣運(yùn)算，以滿(mǎn)足大規(guī)模機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的需求。TPU在性能與能效之間取得了良好平衡。它們的功耗相對(duì)較低，這對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)中心和在移動(dòng)設(shè)備上的應(yīng)用至關(guān)重要。

此外，元宇宙平臺(tái)也在獨(dú)立開(kāi)發(fā)自己的芯片。谷歌、英特爾和高通成立了UXL基金會(huì)，用以開(kāi)發(fā)一套支持多種AI加速器芯片的軟件和工具，以此對(duì)抗英偉達(dá)的GPU。

當(dāng)然，GPU等AI芯片的興起并不意味著傳統(tǒng)CPU的終結(jié)，兩者互相取長(zhǎng)補(bǔ)短已成大勢(shì)所趨。例如，有一個(gè)版本的Blackwell芯片就讓GPU與CPU攜手；世界上強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)之一、位于美國(guó)田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的“前沿”也依賴(lài)CPU和GPU的結(jié)合，來(lái)執(zhí)行高性能計(jì)算。

考慮到過(guò)去十年芯片領(lǐng)域翻天覆地的變化，工程師們可能很難預(yù)測(cè)芯片的未來(lái)。將來(lái)可能會(huì)研制出使用光而非電子的光學(xué)芯片，或量子計(jì)算芯片，而進(jìn)一步提升芯片性能，將加速AI在科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。