近幾年來，人工智能行業(yè)飛速發(fā)展。麥肯錫預測人工智能可在未來十年為全球GDP增長貢獻1.2個百分點，為全球經(jīng)濟活動增加13萬億美元產(chǎn)值，其貢獻率可以與歷史上第一次“工業(yè)革命”中蒸汽機等變革技術的引入相媲美。

從產(chǎn)業(yè)鏈來看，人工智能可以分為技術支撐層、基礎應用層和產(chǎn)品層,各層面環(huán)環(huán)相扣，基礎層和支撐層提供技術運算的平臺、資源、算法，應用層的發(fā)展離不開基礎層和技術的應用。

人工智能產(chǎn)業(yè)鏈

資料來源：凱聯(lián)資本投研部

基礎層分為硬件和軟件。硬件即具備儲存、運算能力的芯片，以及獲取外部數(shù)據(jù)信息的傳感器；軟件則為用以計算的大數(shù)據(jù)。這里我們著重分析硬件部分的智能芯片。

1、智能芯片

按技術架構來看，智能芯片可分為通用類芯片（CPU、GPU、FPGA）、基于FPGA的半定制化芯片、全定制化ASIC芯片、類腦計算芯片（IBMTureNorth）。對于絕大多數(shù)智能需求來說，基于通用處理器的傳統(tǒng)計算機成本高、功耗高、體積大、速度慢，難以接受。因此以CPU、GPU、FPGA、ASIC和類腦芯片為代表的計算芯片以高性能計算能力被引入深度學習。

AI半導體分類

資料來源：谷歌，凱聯(lián)資本投研部

2017年各AI企業(yè)公開芯片數(shù)據(jù)

資料來源：中國科學院自動化研究所，凱聯(lián)資本投研部

(1)GPU

大規(guī)模數(shù)據(jù)量下，傳統(tǒng)CPU運算性能受限。遵循的是馮諾依曼架構，其核心就是：存儲程序，順序執(zhí)行。隨著摩爾定律的推進以及對更大規(guī)模與更快處理速度的需求的增加，CPU執(zhí)行任務的速度受到限制。GPU在計算方面具有高效的并行性。用于圖像處理的GPU芯片因海量數(shù)據(jù)并行運算能力，被最先引入深度學習。CPU中的大部分晶體管主要用于構建控制電路（如分支預測等）和Cache，只有少部分的晶體管來完成實際的運算工作。GPU 與 CPU 的設計目標不同，其控制電路相對簡單，而且對Cache的需求較小，所以大部分晶體管可以組成各類專用電路和多條流水線，使GPU的計算速度有了突破性的飛躍，擁有驚人的處理浮點運算的能力。

GPU與CPU結構對比

資料來源：谷歌，凱聯(lián)資本投研部

(2)FPGA

FPGA（可編程門陣列，F(xiàn)ield Programmable GateArray）是一種集成大量基本門電路及存儲器的芯片，最大特點為可編程?？赏ㄟ^燒錄FPGA配置文件來來定義這些門電路及存儲器間的連線，從而實現(xiàn)特定的功能。此外可以通過即時編程燒入修改內(nèi)部邏輯結構，從而實現(xiàn)不同邏輯功能。FPGA具有能耗優(yōu)勢明顯、低延時和高吞吐的特性。不同于采用馮諾依曼架構的CPU與GPU，F(xiàn)PGA 主要由可編程邏輯單元、可編程內(nèi)部連接和輸入輸出模塊構成。FPGA每個邏輯單元的功能和邏輯單元之間的連接在寫入程序后就已經(jīng)確定，因此在進行運算時無需取指令、指令譯碼，邏輯單元之間也無需通過共享內(nèi)存來通信。因此，盡管FPGA主頻遠低于CPU，但完成相同運算所需時鐘周期要少于CPU，能耗優(yōu)勢明顯，并具有低延時、高吞吐的特性。

FPGA結構圖

資料來源：谷歌，凱聯(lián)資本投研部

(3)ASIC

ASIC 芯片是專用定制芯片，為實現(xiàn)特定要求而定制的芯片。除了不能擴展以外，在功耗、可靠性、體積方面都有優(yōu)勢，尤其在高性能、低功耗的移動端。谷歌的TPU、寒武紀的GPU，地平線的BPU都屬于ASIC芯片。谷歌的TPU比CPU和GPU的方案快30-80倍，與CPU和GPU相比，TPU把控制縮小了，因此減少了芯片的面積，降低了功耗。其缺點在于開發(fā)周期長、投入成本大，一般公司難以承擔。

張量處理器（tensor processing unit，TPU）是Google為機器學習定制的專用芯片（ASIC），專為Google的深度學習框架TensorFlow而設計。與GPU相比，TPU采用低精度（8 位）計算，以降低每步操作使用的晶體管數(shù)量。降低精度對于深度學習的準確度影響很小，但卻可以大幅降低功耗、加快運算速度。Google在2016年首次公布了TPU。2017年公布第二代TPU，并將其部署在Google云平臺之上，第二代TPU的浮點運算能力高達每秒180 萬億次。

AI芯片主要性能對比

資料來源：學術論文，凱聯(lián)資本投研部

2、智能芯片架構

架構創(chuàng)新是解決成本不斷上漲的關鍵。隨著市場對芯片計算能力的需求提高，芯片制造工藝也在不斷提高，與之而來的是芯片制造成本不斷漲高，解決這個問題的關鍵則是架構創(chuàng)新。目前 AI 芯片主要架構有CPU+GPU、CPU+FPGA、CPU+ASIC等。

主流AI處理器的制程和架構

資料來源：電子發(fā)燒友，凱聯(lián)資本投研部

3、智能芯片的應用

深度學習主要分為訓練和推斷兩個環(huán)節(jié)：在數(shù)據(jù)訓練（training）階段，大量的標記或者未標記的數(shù)據(jù)被輸入深度神經(jīng)網(wǎng)絡中進行訓練，隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型層數(shù)的增多，與之相對應的權重參數(shù)成倍的增長，從而對硬件的計算能力有著越來越高的需求，此階段的設計目標是高并發(fā)高吞吐量。

推斷（inference）則分為兩大類——云側推斷與端側推斷，云側推斷推斷不僅要求硬件有著高性能計算，更重要的是對于多指令數(shù)據(jù)的處理能力。就比如Bing搜索引擎同時要對數(shù)以萬計的圖片搜索要求進行識別推斷從而給出搜索結果；端側推斷更強調(diào)在高性能計算和低功耗中尋找一個平衡點，設計目標是低延時低功耗。

因此從目前市場需求來看，人工智能芯片可以分為三個類別：

1) 用于訓練（training）的芯片：主要面向各大AI企業(yè)及實驗室的訓練環(huán)節(jié)市場。目前被業(yè)內(nèi)廣泛接受的是“CPU+GPU”的異構模式，由于AMD在通用計算以及生態(tài)圈構建方面的長期缺位，導致了在深度學習GPU加速市場 NVIDIA一家獨大。面臨這一局面，谷歌今年發(fā)布TPU2.0 能高效支持訓練環(huán)節(jié)的深度網(wǎng)絡加速。我們在此后進行具體分析；

2) 用于云側推斷（inferenceoncloud）的芯片：在云端推斷環(huán)節(jié)，GPU不再是最優(yōu)的選擇，取而代之的是，目前 3A（阿里云、Amazon、微軟 Azure）都紛紛探索“云服務器+FPGA”模式替代傳統(tǒng)CPU以支撐推斷環(huán)節(jié)在云端的技術密集型任務。但是以谷歌TPU為代表的ASIC也對云端推斷的市場份額有所希冀；

3) 用于端側推斷（inferenceondevice）的芯片：未來在相當一部分人工智能應用場景中，要求終端設備本身需要具備足夠的推斷計算能力，而顯然當前ARM等架構芯片的計算能力，并不能滿足這些終端設備的本地深度神經(jīng)網(wǎng)絡推斷，業(yè)界需要全新的低功耗異構芯片，賦予設備足夠的算力去應對未來越發(fā)增多的人工智能應用場景。我們預計在這個領域的深度學習的執(zhí)行將更多的依賴于ASIC。