當(dāng)谷歌宣布其第二代專用集成電路來加速公司的機器學(xué)習(xí)處理時，筆者的電話開始響個不停，問這對半導(dǎo)體行業(yè)的潛在影響。世界上最大的數(shù)據(jù)中心“Super7”的其它成員是否都急于為AI制造自己的芯片？這對AI芯片和平臺的領(lǐng)先供應(yīng)商NVIDIA、AMD、Intel等其它公司以及許多希望進入這個利潤豐厚市場的初創(chuàng)公司有何影響？當(dāng)GPU和FPGA開始看起來如此有前途的時候，它們的游戲結(jié)束了嗎？為了回答這些問題，讓我們進入這些互聯(lián)網(wǎng)巨頭的頭腦，看看他們可能在計劃什么。

AI的硅景觀

正如筆者在今年早些時候的一篇文章中所探討的，有四種主要類型的技術(shù)可用于加速深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和使用：CPU、GPU、FPGA和ASIC。老式備用CPU具有無限可編程的優(yōu)勢，性能不錯，但不是很出色。它主要用于推理工作負載，其中訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引導(dǎo)計算對輸入數(shù)據(jù)項做出準(zhǔn)確的預(yù)測。另一方面，Intel和Xilinx的FPGA在極低功耗下提供出色的性能，但也提供了更大的靈活性，允許設(shè)計人員更改底層硬件以最好地支持不斷變化的軟件。FPGA主要用于機器學(xué)習(xí)推理，視頻算法和成千上萬的小批量專用應(yīng)用。然而，編程FPGA硬件所需的技能很難獲得，并且FPGA的性能在某些工作負載下無法接近高端GPU的性能。

如今，機器學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和推理、云和邊緣都使用了許多類型的硬件加速器。從技術(shù)上講，GPU是一種用于處理圖形算法的ASIC。不同之處在于，ASIC提供指令集和庫，允許對GPU進行編程，以對本地存儲的數(shù)據(jù)進行操作，作為許多并行算法的加速器。GPU擅長執(zhí)行矩陣運算（主要是矩陣乘法），這是圖形、AI和許多科學(xué)算法的基礎(chǔ)。基本上，GPU是非?？焖俸拖鄬`活的。

另一種選擇是設(shè)計一個專用于執(zhí)行固定操作的定制ASIC，因為整個芯片的邏輯區(qū)域可以專用于一組特定功能。在谷歌TPU的情況下，它們可以很好地實現(xiàn)高度并行，而處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種“令人尷尬的并行”工作負載。把ASIC想象成一輛飆車；它可以跑得很快，但它只能載一個人直線行駛四分之一英里。你不能開著它繞著街區(qū)轉(zhuǎn)，也不能開著它在橢圓形跑道上跑。

這里有一個問題：設(shè)計ASIC可能是一項昂貴的工作，耗資數(shù)千萬甚至數(shù)億美元，需要一個相當(dāng)昂貴的工程師團隊。支付所有這些開發(fā)費用意味著需要成千上萬的芯片在設(shè)計的使用壽命（通常是2-3年）內(nèi)攤銷這些費用。此外，芯片需要經(jīng)常更新，以跟上新技術(shù)和制造工藝的步伐。最后，由于設(shè)計師在開發(fā)過程的早期就凍結(jié)了邏輯，當(dāng)新想法出現(xiàn)在快速發(fā)展的領(lǐng)域（如AI）時，他們將無法快速做出反應(yīng)。另一方面，F(xiàn)PGA（在一定程度上甚至是GPU）可以重新編程以實現(xiàn)新功能。

谷歌為什么要制造TPU？

如果仔細想想谷歌的業(yè)務(wù)，就會發(fā)現(xiàn)它有三個特點，很可能促使它投資于AI定制芯片。檢查這些因素可能有助于評估其它公司進行類似投資的潛在可能性。

戰(zhàn)略意圖

谷歌曾多次表示要成為一家“AI First”的公司。換句話說，AI技術(shù)在整個業(yè)務(wù)中發(fā)揮著戰(zhàn)略作用：搜索、自動駕駛汽車、谷歌云、谷歌家庭，以及許多其它新的和現(xiàn)有的產(chǎn)品及服務(wù)。因此，谷歌想要控制自己的硬件（TPU）加速器和自己的軟件框架（TensorFlow）是有道理的，他們將在這些框架上構(gòu)建自己的產(chǎn)品和服務(wù)。該公司愿意投資，以使自己比其它擁有類似抱負的公司更有優(yōu)勢。

所需規(guī)模

谷歌的計算基礎(chǔ)設(shè)施是世界上最大的，這種規(guī)模意味著它可能擁有所需的容量，以證明開發(fā)和維護自己的AI加速硬件平臺的巨大成本是合理的。事實上，谷歌聲稱TPU使公司不必再建造12個數(shù)據(jù)中心來處理AI負載。

讓我們做一些敏感性分析，以了解單個ASIC周期所需的可能規(guī)模。為了便于討論，假設(shè)谷歌花費了1億美元，包括掩模生產(chǎn)，每個芯片將為他們節(jié)省大約1K美元。作為參考，一個45 TFLOPS的單個Cloud TPU芯片可能比NVIDIA Volta GPU在峰值120 TFLOPS時的性能略高1/3，所以需要3個TPU芯片來取代一個高端GPU。這意味著谷歌部署100K的TPU，大概可以實現(xiàn)收支平衡（不考慮資金的時間價值）。

這對大多數(shù)公司來說都是很大的籌碼，即使對谷歌來說也是如此。另一方面，如果開發(fā)芯片和TPU板只需要6000萬美元，每個芯片節(jié)省2K美元，那么他們只需要30K芯片就可以實現(xiàn)收支平衡。因此，大型數(shù)據(jù)中心可能需要30-100K的芯片，才能在2-3年的時間內(nèi)實現(xiàn)收支平衡。

谷歌云計算的重要性

谷歌的高管們不能滿足于在全球云計算市場上落后于亞馬遜和微軟。在Diane Greene的領(lǐng)導(dǎo)下，他們在谷歌云上投入了大量資金，現(xiàn)在正在享受行業(yè)中最快的增長。谷歌可以利用谷歌云TPU的定價權(quán)和性能，以及TensorFlow的普及，在云計算機器學(xué)習(xí)發(fā)展中占據(jù)市場份額時發(fā)揮潛在顯著優(yōu)勢。然而，谷歌表示，使用他們的云TPU的價格將與高端GPU的云訪問價格相當(dāng)。谷歌并不打算直接出售TPU。

還有誰像谷歌？

坦率地說，雖然所有其它Super 7成員（亞馬遜、阿里巴巴、百度、Facebook、微軟和騰訊）都有能力建立自己的加速器，但沒有人能像百度那樣在這三個方面都表現(xiàn)得如此出色。此外，在實際接近的公司中，有幾家似乎正在朝著不同的方向發(fā)展：

百度最近公開表示，它正在與英偉達合作，在云、家庭和汽車領(lǐng)域開展AI計劃。這并不意味著百度有朝一日不能也不會制造自己的芯片，但就目前而言，該公司似乎滿足于專注于自己的軟件和服務(wù)。此外，百度的云業(yè)務(wù)仍然是其業(yè)務(wù)中相對較小的一部分。

微軟是第二大云服務(wù)提供商，擁有大量（5000名）穩(wěn)定的AI工程師，并致力于通過其面向企業(yè)客戶的工具和API使AI“民主化”。然而，該公司已經(jīng)決定（至少目前）在Azure和Bing基礎(chǔ)設(shè)施中使用英特爾的Altera FPGA，相信在快速變化的世界中，它可以從更靈活的硬件平臺中受益。此外，微軟使用NVIDIA的GPU來訓(xùn)練其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

亞馬遜可能是最接近上述谷歌模式的。AWS規(guī)模龐大，該公司正在大力投資AI。雖然亞馬遜可能傾向于使用Apache MXNet框架進行AI開發(fā)，但它的AWSAI云服務(wù)支持所有主要框架，使其成為AI開發(fā)領(lǐng)域的開放軟件。此外，以英偉達為基礎(chǔ)的Ying和以TPU為中心的Yang可能是一個有效的策略。亞馬遜以前也走過ASIC的道路；為了削減AWS基礎(chǔ)設(shè)施的成本和延遲，它在2012年收購了Ana Purna Labs。目前，該公司已經(jīng)在以色列有了一個芯片團隊。最后，像百度一樣，亞馬遜似乎熱衷于使用FPGA，因為它們具有可編程的特性。

結(jié)論

筆者并不是在預(yù)測其它的Super 7公司都不會跳出GPU這條船，跳上自己的ASIC，但在筆者看來，很多公司都不太可能這么做——至少不會很快。

他們似乎都在用大量的數(shù)據(jù)開發(fā)機器學(xué)習(xí)模型，并忙于將這些模型應(yīng)用于各種產(chǎn)品和服務(wù)中。構(gòu)建ASIC和支持它的軟件是一個持續(xù)且昂貴的提議，可能會分散注意力。或者，將用于訓(xùn)練的GPU的性能與用于推理的FPGA的靈活性和效率相結(jié)合，也有很大的希望。所以筆者個人并不認為GPU的天要塌下來了，至少在不久的將來不會。AMD當(dāng)然相信對GPU有很大的需求，并將他們的Vega技術(shù)瞄準(zhǔn)了這一點。

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https://moorinsightsstrategy.com/will-asic-chips-become-the-next-big-thing-in-ai/