2023年英AI芯片独角兽正打入中国.docx

英AI芯片独角兽正打入中国 黄珊 提起来自英国的芯片公司，ARM 可谓独揽美誉：这家只有不到 2000 人的公司，“统治〞 着世界上 90% 以上的 芯片，苹果、华为、三星所发布的各类芯片，归根结底还是 ARM-Base Chips。 不过，新生代力量也未缺席。Graphcore 是其中的代表性公司。首先引发外界注意的是，这家公司的投资者名单中有不少 AI 领域的领袖级人物，包括 AlphaGo 之父、DeepMind 联合创始人哈萨比斯，剑桥大学教授 Uber 首席科学家佐宾·葛拉曼尼，加州大学伯克利分校教授彼得·阿贝尔，OpenAI 联合创始人格雷·布罗克曼等。明星机构投资者那么有红杉等。 随着今年年初宣布 1.5亿美元 D 轮融资，成立于 2023 年的 Graphcore 已筹集了超过 4.5 亿美元的风险投资基金，其估值达 19.5 亿美元。 英国半导体之父、ARM 的联合创始人赫曼爵士曾对 Graphcore 的芯片给出很高期望：“在计算机历史上只发生过3次变革，一次是20世纪70年代的 CPU，第二次是20世紀90年代的 GPU，而Graphcore就是第三次革命。〞 充足的资金弹药，又有如此高的评价，也让 Graphcore 对其 2023 年的工作重点之一——吸引中国客户、翻开中国市场颇有信心。 详解另类AI芯片产品代表——IPU Graphcore 将其开发的人工智能芯片命名为 IPU（Intelligent Processing Unit / 智能处理器），在 2023 年就已量产上市。 过去几年，AI 芯片品类迎来产品大爆发，因此不乏一些颇为另类、甚至堪称疯狂的产品。比方在去年于顶会 Hot Chips，Cerebras Systems 就发布了史上最大半导体芯片 WSE，拥有 1.2 万亿晶体管，比最大的 GPU 大 56.7 倍。 Graphcore 开发的 IPU 也有一些大胆的想法。在近日接受采访中，Graphcore 高级副总裁兼中国区总经理卢涛详细介绍了 IPU 背后的技术逻辑。 Graphcore 认为，AI 应是一个全新的应用架构，它底层表征是以计算图作为表征的，所以需要一种全新的处理器架构，而且，常见的将 AI 计算区分为训练和推理也不是可取的分类方向，新的 AI 计算架构本来就应该要具备同时处理二者工作的能力。 回忆处理器近年来的开展，从1个 teraflops 到10个teraflops再到现在的100个 teraflops，算力提升的速度非常之快。但在发布会上展示的算力规格无论是几个 teraflops，与现实往往有差距：有效的算力远远达不到峰值。造成这个现象的原因在于，芯片内存的带宽非常限制性能。当处理器算力提高 10 倍，那内存应该如何提高 10 倍的性能？传统的 DDR4、DDR5、HBM、HBM1、HBM2、HBM3 的内存解决方案等，根本上每一代大概能有 30%、40% 的提升。在这方面，与传统的 CPU、GPU 相比，IPU 用了大规模并行 MIMD 的处理器核。另外做了一个非常大的分布式的片上 SRAM，在片内做到 300MB 的 SRAM，相对 CPU 的 DDR2 子系统或者是相对于 GPU 的 GDDR、HBM 来说，可以做到 10倍～320 倍的性能提升。从时延的角度来看，与访问外存相比拟，时延根本上就是 1%，可以忽略不计。 另外，IPU 是一个标准的神经网络处理芯片，而且规模很大，通常具备数千到数百万个顶点，除了标准神经网络之外，也适用于贝叶斯网络（也称为信度网络、因果网络，是指基于概率分析、图论的一种不确定性知识的表达和推理的模型）和马尔科夫网络（马尔可夫网络类似贝叶斯网络用于表示依赖关系。但是，一方面它可以表示贝叶斯网络无法表示的一些依赖关系，如循环依赖;另一方面，它不能表示贝叶斯网络能够表示的某些关系，如推导关系），而因为架构具备弹性，未来的新模型与算法理论上也都能够完美支持。 由于其庞大的顶点数量，远超出现有最大 GPU 的规模数百倍，这也意味着其在并行工作的处理潜力非常惊人。另外，这些顶点都是稀疏的，绝大多数顶点都只连结到其他一小局部顶点。另外，IPU 也是针对低精度的数据模型优化，也就是具备数据的统计近似值概念，这和过去超算的概念完全不同。另外，IPU 也支持了模型参数的复用。简单来说，卷积是空间复用，回归是时间复用。这些复用特性可以获取数据中的空间或时间不变性，对于训练与推理的性能会有明显帮助。 从整体上看 IPU，目前已经量产的是 GC2 处理器，采用 TSMC 16nm 工艺。该处理器目前片内有 1216 个 IPU-Tiles，每个 Tile 中有独立的 IPU 核作为计算以及 In-Processor-Memory，即处理器之内的内存。所以对整个 GC2 来说，共有 7296 个线程，能够支持 7296 个程序并行运行。对整片来说，In-Processor-Memory 总共是 300 MB。 据介绍，IPU 的整个设计思想是要把所有的模型放在片内处理。在各个核心之间的 BSP 同步，能支持同一个 IPU 处理器之内 1216 个核心之间的通信，以及跨不同的 IPU 之间做通信。这都是通过 BSP 的同步协议实现，之间还有一个非常高速的 IPU exchange、8 TB/s 的多对多交换总线。 另外，在 IPU 和 IPU 之间还有 80 个 IPU-Links，构成 320 GB/s 的芯片与芯片之间的带宽。如此一来，同一个处理器就同时支持了训练和推理。目前来看，IPU GC2 是世界上非常复杂的拥有 236 亿个晶体管的芯片处理器，在 120 瓦的功耗下有 125TFlops 的混合精度、1216 个独立的处理器核心（Tile）、300M 的 SRAM 能够把完整的模型放在片内，另外内存的带宽有 45 TB/s、片上交换 8 TB/s，片间的 IPU-Links 是 2.5 TB/s。 而诸如 IPU GC2 有 1216 个核心（Tile）、7000 多个线程，解决并行硬件的高效编程问题又是一个非常大的课题。为此，Graphcore 采用构建大规模数据中心集群的 BSP 技术（Bulk Synchronous Parallel）。该技术目前在谷歌、Facebook、百度这样的大规模数据中心内均已得到应用。因而，IPU 也是目前世界上第一款 BSP 处理器，通过硬件能支持 BSP 协议，并通过 BSP 协议把整个计算逻辑分成了计算、同步、交换，对软件工程师或开发者来说十分友好。 Graphcore 在 IPU 设计上应用了很多相当极端的想法，虽然理论上以其规模应该更适合放到云端，但 Graphcore 認为 IPU 架构拥有很好的伸缩性，边缘或是终端计算同样能良好胜任。 积极融入中国 AI 生态圈 技术以外，和一些 AI 芯片公司其产品仍停留在 PPT 阶段不同，IPU 在 2023 年就已量产上市。目前，Graphcore 客户名单上已有微软、Citadel 和 Qwant。其中，最为外界瞩目的公司还是科技巨头微软。 近年来，越来越多的科技巨头希望使用专门的人工智能硬件以加速数据中心，对高性能计算芯片的需求正在迅速增长。我们耳熟能详的几个名字正在该领域进行积极的收购和合作，例如，英特尔就曾斥资 20 亿美元收购了 Graphcore 的竞争对手、以色列公司 Habana Labs。 显然，对初创公司来说，长期稳定的开展除了自身要有强大的实力外，与外界的合作联系也十分必要。2023 年 11 月，Graphcore 宣布与微软达成合作，在微软的云计算平台 Azure 上部署其 AI 处理器。此次合作不仅将增加 Graphcore 的AI芯片使用率，还有可能扩大其客户群。 2023 年，Graphcore 的一个重要目标是开拓中国市场。近段时间，其融入中国 AI 生态圈的诸多进展得以公布：在 OCP Global Summit 上，阿里巴巴异构计算首席科学家张伟丰博士宣布了 Graphcore 支持 ODLA 的接口标准;在百度 Wave Summit 2023 上，百度集团副总裁吴甜女士宣布 Graphcore 成为飞桨硬件生态圈的创始成员之一，双方签署了建议书。“Graphcore 策略上是要积极拥抱中国的 AI 生态圈。通过这样一种方式融入中国 AI 生态圈，在于我们认为除了像国际上比拟流行的 TensorFlow、PyTorch 以外的框架，中国外乡的机器学习框架也会有出色表现。 长期来说，我们对中国市场的期望非常高，期望中国市场能够占到 Graphcore 全球市场的 40% 甚至 50%。虽然我们在中国市场的整体启动比北美晚了近一年，但从目前进展来看，前景还是非常不错的。〞 卢涛表示。 市场竞争进入启动期，“有两类 AI 芯片公司或被淘汰〞 不过他也强调，生态以外，AI 芯片本质上仍需回归技术攻坚。以年初轰动业界的 Wave Computing 倒闭为例，其诞生之初也有着明星企业的光环，最终却黯然退场。 卢涛认为，Wave Computing 的倒闭并不意味着 AI 领域遇到寒冬，“全球 AI 开展并没有走向低潮，今年反而会有更大开展。〞据了解，自然语言处理是需要强劲算力的一大类 AI 应用。“NLP 相关技术的崛起会催生大量的、各种各样的应用，以及在算力方面的大幅提升。现在一般的 CV 类模型是几兆的参数、几百万或者几千万的参数，而更大一些的 NLP 模型，现都是1亿、10亿、100亿的参数容量，对算力的要求是指数级的。所以，我们认为，AI 芯片产业存在这样一个问题，即一个 AI 处理器从作为一个处理器到最后商业落地，其实中间的落差还是非常大的。〞 开发出芯片只是第一局部，出来之后配套的是不是有比拟好的工具链，是不是能够有比拟丰富的软件库来支撑主流算法，以及是不是能够跟主流的机器学习框架进行无缝连接，最后对用户来说展现的是比拟好的可移植性或者是可开发性/可部署性，最终差距其实还有很多。所以，整个链条全部打通的话需要非常大的投入。 而他也强调，有两种类型的 AI 芯片公司将会遭遇困境：一类是处理器仍未量产的公司;第二类是有了处理器，但对软件重视不够的公司。“没有足够投入的话，未来面临的会是困难局面。〞“2023 年对 AI 芯片确实是非常关键的一年。因为全球有很多企业都在开发 AI 处理器，但是否这些处理器真能做出来、是否真的能够有一些场景落地？如果说拿不出来，那么对于后期持续化的投入，可能是一个非常大的挑战〞。 （摘自美深科技）（编辑/费勒萌）