人工智能的起源

從1955年到1956年，達(dá)特茅斯學(xué)院的助理教授約翰·麥卡錫（John McCarthy）被廣泛認(rèn)為是人工智能（AI）之父。來(lái)自哈佛大學(xué)的馬文·明斯基（Marvin Minsky）、IBM的克勞德·香農(nóng)（Claude Shannon）和美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的納撒尼爾·羅切斯特（Nathaniel Rochester）共同創(chuàng)造了人工智能（AI）的概念，稱(chēng)“如果機(jī)器可以使用不同的語(yǔ)言來(lái)形成抽象或概念，解決現(xiàn)在為人類(lèi)保留的各種問(wèn)題，并通過(guò)自主學(xué)習(xí)來(lái)改善自己，我們稱(chēng)之為AI。

牛津詞典將人工智能定義為“能夠執(zhí)行通常需要人類(lèi)智能的任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的理論和發(fā)展，例如視覺(jué)感知，語(yǔ)音識(shí)別，決策和語(yǔ)言之間的翻譯。

隨著系統(tǒng)的發(fā)展，人工智能技術(shù)將出現(xiàn)在更多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，如傳感、智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)搜索、人臉或車(chē)輛車(chē)牌識(shí)別、智能電表、工業(yè)控制和自動(dòng)駕駛。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，4級(jí)測(cè)試（被認(rèn)為是全自動(dòng)駕駛，盡管人類(lèi)駕駛員仍然可以請(qǐng)求控制）已經(jīng)在美國(guó)進(jìn)行。隨著5級(jí)（真正的自動(dòng)駕駛，汽車(chē)完成所有駕駛，沒(méi)有駕駛艙）自動(dòng)駕駛即將到來(lái)，我們不僅將依靠交通法律法規(guī)，還將依靠AI算法的開(kāi)發(fā)人員來(lái)確保車(chē)輛和行人的安全。

根據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，到2024年，全球人工智能服務(wù)預(yù)計(jì)將上升至18.4%，市值約為378億美元。這包括定制應(yīng)用程序以及針對(duì)定制平臺(tái)的相關(guān)支持和服務(wù)，例如深度學(xué)習(xí)架構(gòu)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（一類(lèi)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，最常用于分析視覺(jué)圖像）和人工智能相關(guān)芯片（CPU、GPU、FPGA、TPU、ASIC）等。

IDC還預(yù)測(cè)，全球數(shù)據(jù)存儲(chǔ)將從2018年的33ZB飆升至2025年的175ZB，其中50%以上將來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

考慮到到2025年，全球?qū)⒉渴鸺s140億臺(tái)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，因此我們大幅增加云中的計(jì)算單元數(shù)量和計(jì)算能力以應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)增長(zhǎng)，這難道不是最重要的嗎？

好吧，簡(jiǎn)短的答案是否定的。它沒(méi)有考慮從端點(diǎn)到云的數(shù)據(jù)傳輸鏈中的帶寬和延遲等真正挑戰(zhàn)，這就是為什么“邊緣計(jì)算”如此迅速地出現(xiàn)的原因。

沒(méi)有必要增加帶寬和服務(wù)器數(shù)量來(lái)應(yīng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的快速增長(zhǎng)。最好將應(yīng)用程序移動(dòng)到端點(diǎn)設(shè)備，這樣就無(wú)需將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到云進(jìn)行處理、傳輸、存儲(chǔ)和分析。例如，在工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)距離會(huì)影響效率 - 5G移動(dòng)設(shè)備制造商如果不加強(qiáng)端點(diǎn)人工智能并改革計(jì)算存儲(chǔ)架構(gòu)，可能會(huì)遇到嚴(yán)重的電池壽命困難。

安全性是另一個(gè)重要問(wèn)題，尤其是在萬(wàn)物互聯(lián)（IoE）時(shí)代，機(jī)密信息，數(shù)據(jù)泄漏或黑客攻擊事件很常見(jiàn)。在邊緣進(jìn)行計(jì)算可以最大限度地減少數(shù)據(jù)在“云 -管道-端點(diǎn)”路徑中傳輸?shù)拇螖?shù)，在這種情況下，功耗和總系統(tǒng)擁有成本降低，同時(shí)確保數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全。

比較人工智能芯片

AI技術(shù)分為兩類(lèi);訓(xùn)練和推理。訓(xùn)練由 CPU、GPU 和 TPU 在云中執(zhí)行，以不斷增加用于構(gòu)建數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)資源。推理依賴(lài)于訓(xùn)練的數(shù)據(jù)模型，更適合于完成邊緣設(shè)備和特定應(yīng)用。它通常由專(zhuān)用集成電路和FPGA芯片處理。

人工智能相關(guān)芯片包括中央處理器、顯卡、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列、熱塑性聚氨酯和集成電路。為了了解這些芯片之間的比較情況，以下是5個(gè)關(guān)鍵因素的比較重點(diǎn)。這些是：

計(jì)算機(jī)科學(xué)

靈活性

兼容性

權(quán)力

成本。

-中央處理器

CPU具有強(qiáng)大的計(jì)算能力和首屈一指的軟件和硬件兼容性。但由于馮·諾依曼架構(gòu)的限制，數(shù)據(jù)需要在內(nèi)存和處理器之間來(lái)回傳輸。這限制了平均處理速度，并且與其他解決方案相比，在功耗和成本方面推動(dòng)了自身發(fā)展的能力。

- 顯卡

例如，由于采用了計(jì)算統(tǒng)一設(shè)備架構(gòu)，Nvidia的GPU可以主觀地讀取內(nèi)存位置，并通過(guò)共享虛擬內(nèi)存來(lái)提高計(jì)算能力。平均計(jì)算能力超過(guò)CPU數(shù)百甚至數(shù)千倍。

GPU已經(jīng)開(kāi)發(fā)具有良好的軟硬件兼容性，但在功耗和成本效益方面需要改進(jìn)。對(duì)硬件的投資，如額外的冷卻系統(tǒng)，對(duì)于減少任何熱量問(wèn)題也是必不可少的。

- 亞瑟士

ASIC芯片專(zhuān)為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它們的計(jì)算能力、整體功耗和成本效益都可以在驗(yàn)證和調(diào)整后得到優(yōu)化。

- 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

FPGA的軟硬件兼容性值得稱(chēng)道，即使整體計(jì)算能力、成本效益和功耗都不是最好的。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，從FPGA開(kāi)始AI芯片開(kāi)發(fā)仍然是一個(gè)好主意。

突破馮·諾依曼架構(gòu)的界限

馮·諾依曼架構(gòu)被傳統(tǒng)計(jì)算設(shè)備廣泛采用，它不分離計(jì)算和存儲(chǔ)，而是更注重計(jì)算。處理器和內(nèi)存之間的無(wú)休止數(shù)據(jù)傳輸消耗了大約80%的時(shí)間和功率。學(xué)者們已經(jīng)提出了許多不同的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題 - 通過(guò)光互連和2.5D / 3D堆疊實(shí)現(xiàn)高帶寬數(shù)據(jù)通信。通過(guò)增加緩存層和近數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如高密度片上存儲(chǔ)）的數(shù)量來(lái)降低內(nèi)存訪問(wèn)延遲和功耗。

但是，在人腦中，計(jì)算和存儲(chǔ)之間有什么區(qū)別嗎？我們是否使用左半球進(jìn)行計(jì)算，使用正確的半球進(jìn)行存儲(chǔ)？顯然不是。人腦的計(jì)算和存儲(chǔ)發(fā)生在同一個(gè)地方，不需要數(shù)據(jù)遷移。

然后，學(xué)術(shù)界和業(yè)界都渴望找到一種類(lèi)似于人腦結(jié)構(gòu)的新架構(gòu)，并且能夠?qū)⒂?jì)算和存儲(chǔ)有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，這并不奇怪。解決方案是“計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備”，它直接使用存儲(chǔ)單元進(jìn)行計(jì)算，或者對(duì)計(jì)算單元進(jìn)行分類(lèi)，以便它們對(duì)應(yīng)于不同的存儲(chǔ)單元 - 最大限度地降低數(shù)據(jù)遷移引起的功耗。

存儲(chǔ)行業(yè)的一些制造商已經(jīng)探索了不同的選擇。例如，非易失性存儲(chǔ)器（NVM）存儲(chǔ)數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的模擬信號(hào)并輸出計(jì)算能力。同時(shí)，輸入電壓和輸出電流在NVM中起可變電阻的作用，模擬電流信號(hào)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這樣就完成了從數(shù)字信號(hào)輸入到數(shù)字信號(hào)輸出的轉(zhuǎn)換過(guò)程。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是可以充分利用成熟的20/28nm CMOS工藝，而不是像CPU/GPU那樣追求昂貴的7nm/5nm先進(jìn)工藝。

隨著成本和功耗的降低，延遲得到了顯著改善，這對(duì)于無(wú)人機(jī)，智能機(jī)器人，自動(dòng)駕駛和安全監(jiān)控等應(yīng)用至關(guān)重要。

通常，端點(diǎn)推理過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜度較低，所涉及的任務(wù)相對(duì)固定。由于硬件加速功能的通用性要求較低，因此無(wú)需頻繁更改體系結(jié)構(gòu)。這更適合于內(nèi)存計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2017年之前，人工智能無(wú)論是訓(xùn)練還是參考，都是在云端完成的;但到2023年，邊緣設(shè)備/芯片上的AI參考將占市場(chǎng)的一半以上，總計(jì)200-300億美元。對(duì)于IC制造商來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)巨大的市場(chǎng)。

人工智能需要什么樣的閃存？

每個(gè)人都會(huì)同意高質(zhì)量、高可靠性和低延遲的閃存對(duì)于AI芯片和應(yīng)用的重要性。為不同的應(yīng)用找到性能、功耗、安全性、可靠性和高效率的適當(dāng)平衡至關(guān)重要。成本雖然重要，但不應(yīng)該是最重要的考慮因素。

審核編輯：郭婷